河北冀24井流體觀測同震響應特征分析

付 聰，姜紀沂，王喜龍，王海燕，李彤霞

（1.防災科技學院，河北 三河 065201；2.遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034；3.河北省地震動力學重點實驗室，河北 三河 065201）

0 引言

地下水在地殼中普遍存在，其動態變化對地震和構造活動具有良好的反應。當地下水在一定的封閉條件和埋深條件時，便會形成承壓含水層，而承壓水能有效、靈敏的反應出地殼的應力應變狀態，并通過水的壓力或者滲流在井孔水位水溫動態觀測中呈現出來[1]。當地震發生時，地震波在傳播過程中會產生水位共振，即水位同震響應。已有研究表明，井孔水位變化主要與巖體中空隙壓力的改變以及含水層特性的變化有關，在地震孕育過程中，應力的改變、斷層位錯會造成靜態引力發生改變，地震波會引起動態引力發生改變，從而會導致井水位發生變化[2]。此外，井-含水層觀測系統還可以將地震波進行放大[3]，當有地震發生時，地震波的傳播會引起觀測井孔水位出現同震變化[4，5]，因此地下流體觀測中水位對遠場大震的同震響應是地震波作用于井-含水層系統最直接的體現。當水位出現同震變化時，會影響地下水體的移動速度和方式，同時也會影響到地下水體與周圍介質能量的轉換，從而影響地下水溫的變化。已有研究表明，水溫的同震變化與水位的同震變化有著密切的關系。石耀霖[6]根據唐山礦井水位的同震響應，利用有限單元法模型分析出井水在振蕩過程中會引發彌散效應，是導致水溫變化的主要原因之一。因此，對于遠場大震引起地下水同震響應研究越來越受到廣大學者們的關注。

本文筆者基于2010—2018年國內外發生的10次Ms＞8.0地震，通過前人提出水位水溫同震響應機理，對河北冀24井進行同震響應分析討論。

1 冀24井的井孔特征

河北冀24井始建于1974年，位于邯鄲市峰峰礦區境內。構造上位于鼓山斷裂東側，南臺斷裂西側，南臺斷裂以NNE向為主。該井成井深度約800m，主含水層巖性為奧陶系灰巖，地下水類型為巖溶裂隙承壓水。2000年河北省地震局、礦區政府和市地震局三家單位聯合出資對冀24井環境進行改造，建成數字化觀測臺站。該井水位、水溫觀測儀器2000年使用SW-5型水位儀和水溫儀，2011年更換為SZW-1型數字式水位儀和溫度計，2017年更換為ZKGD3000型地下水數據監測系統（水位、水溫）。

2 同震響應概況

通過對2010—2018年國內外發生的Ms＞8.0地震進行收集整理，并對比同期冀24井水位、水溫變化特征，統計出在此期間共有10次地震發生后，冀24井水位、水溫出現同震響應變化。對這10次地震發生時間、地點、震源深度與震級等進行整理，同時對地震發生后冀24井水位、水溫出現同震變化時間、幅度、震中距等進行分析（表1，圖1），結果發現2012年4月11日蘇門答臘Ms8.6地震發生時，冀24井水位出現同震幅度最大，達1331mm；2015年4月25日尼泊爾Ms8.2地震發生時，水溫出現同震幅度最大，達0.1177℃；2013年5月24日鄂霍次克海Ms8.0地震發生時，水位最早出現同震變化；2015年4月25日尼泊爾Ms8.2地震發生時，水溫最早出現同震變化。

表1 冀24井對遠場大震響應情況

圖1 冀24井對遠場大震同震響應曲線圖Fig.1 The coseismic response of Ji NO.24 well to the large earthquake in the far field

3 水位同震響應特征分析

汪成民等[7]根據眾多數據資料對水位同震響應變化特征和震中距之間的關系進行研究得出，當震中距＜500km時，水位變化類型主要以階變型為主，當震中距在500～2000km內時，水位變化類型為階變型和振蕩型混合，當震中距＞2000km時，水位變化類型主要以振蕩型為主[7]。基于表1可以看出，這10次地震的震中距最小也有2252km，最大則達到近22000km，均大于2000km，冀24井在這10次地震中水位同震響應類型全部表現為振蕩型，符合上述研究。這10次的同震響應中水位變化幅度在54～1331mm之間。研究表明，一般震級越大，造成水位同震的振蕩幅度越大，震中距越大，水位同震的振蕩幅度就越小，基于前人研究，得出如下關系：

lg（ΔH）=-0.7611lgD+0.9631M-6.2967[8]（1）

通過表1可以發現，大多數地震的水位響應程度基本符合上述描述。雖然水位幅度與震級和震中距有關，符合上述公式，但我們發現在這10次地震中2013年5月24日鄂霍次克海Ms8.0地震和2016年12月9日所羅門群島Ms8.1地震震級大小相近，震中距上所羅門群島要比鄂霍次克海遠1倍左右的距離，但冀24井對鄂霍次克海Ms8.0地震的水位響應幅度為78mm，而對所羅門群島Ms8.1地震的響應幅度卻為353mm，遠遠大于鄂霍次克海Ms8.0地震，鄂霍次克海Ms8.0地震的震源深度有600km，可見震源深度對水位振蕩幅度大小也有一定關系。

通過對比公式（1），我們也發現各別地震并不符合上述公式，如2011年3月11日日本Ms8.7地震。在這10次地震當中，日本地震震級最大，震中距最小，震源深度同其它地震也相近，差別不大，但其水位同震響應幅度只有151mm，可見，水位同震響應的振蕩幅度大小取決于多方面的因素，除震級、震中距、震源深度等因素外可能還存在著其他因素，還需要我們繼續探索。

對于冀24井同震響應水位振蕩幅度不對稱這一現象，王學聚等人[9]對水位同震響應特征研究時，提出當觀測水位儀的采樣間隔為1min時，其采樣率較小，對水震波的完整性會造成影響，從而引起水震波上下波動幅度不對稱[9]。由此推斷冀24井觀測水位對各個地震同震響應的不對稱波動也是這個原因造成的。

4 水溫同震響應特征分析

基于表1與圖1發現，無論地震的方位如何，冀24井的水溫響應特征基本是相同的，均表現為下降—上升—恢復動態變化。冀24井水溫變化曲線在這10次地震的同震響應變化中，其中5次表現為同震上升，5次為同震下降，變化幅度在0.0004～0.1177℃之間。其中在2011年3月11日日本Ms8.7地震、2012年4月11日蘇門答臘Ms8.6地震、2013年5月24日鄂霍次克海Ms8.0地震和2016年12月9日所羅門群島Ms8.1地震4次地震中，冀24井水溫同震響應類型呈現明顯的階梯型變化，短時間內便達到了變化最大值，但這種類型的變化需要長時間才能恢復到原形態附近；而另外6次地震的同震響應類型表現為脈沖式，達到變化最大值的時間則相對較長，但這種類型短時間內就能恢復到原形態附近。

在脈沖式變化類型的6次地震中，2017年9月8日墨西哥Ms8.6地震和2018年1月23日阿拉斯加灣Ms8.2地震水溫在變化的過程沒有出現與原始走向太大的偏差，而另外4次脈沖式變化卻不同，如將2014年4月2日智利Ms8.2地震和2013年11月17日斯科舍海Ms8.2地震，根據水溫變化可將其同震變化及恢復過程分為4個階段。第1階段表現為地震發生后水溫出現快速下降；第2階段是水溫開始出現小幅上升。這兩次地震在前期整體下降的過程中在第2階段出現了短時間的緩沖，之后便是第3階段的下降和第4階段的上升恢復，第4階段后水溫基本恢復到了階段1前的水平。另外可將2015年9月17日智利Ms8.3地震和2015年4月25日尼泊爾Ms8.2地震的水溫同震變化過程分為2個階段，第1階段是當地震發生后出現的水溫下降，速度很快，第2階段是水溫降低到一定程度后開始回升的過程，雖然2015年9月17日智利Ms8.3地震在第1階段的下降過程中出現1次水溫上升，但時間和回升幅度很短、很小，可忽略不計，在第2階段之后我們可以發現水溫并沒有恢復到第1階段前的水平，還有一定的差距。

這一現象推測可能是因為震后水溫恢復的過程與水溫的動態變化相關，當水溫下降的速度較快時，深層部位的地下水的交換過程和特征與穩定狀態下的不同，當地震發生時，兩者的熱量交換過快，導致含水層與井孔內的水體熱量交換不穩定，會出現這種震后水溫短時間內無法恢復到原始量值附近，也可能存在著一些其他影響因素導致水溫無法恢復，這需要進一步的探索研究。

次外，有時候在一些大的地震的作用下可能會導致井孔的水溫動態發生巨大的變化，比如2004年12月26日蘇門答臘9.0級地震，地震的發生導致水溫上升到了一個新的水平，并保持了相當長的時間[10]。

基于以上研究，無論地震的方位、等級、震源深度以及震中距如何，冀24井水溫同震響應變化形態絕大部分以先下降，后上升恢復為主。分析認為導致冀24井水溫先出現同震響應下降的原因有很多，當井中的水受到震蕩作用而產生加速對流與混合應該是水溫下降的主要原因。一般情況下，水溫探頭都放在較深的位置，溫度偏高，當地震發生時，導致水體產生對流，下面溫度較高的水向上運動，上面溫度較低的水向下運動，探頭則優先探測到水溫下降，然后逐步上升恢復至原始狀態。冀24井的水溫響應的開始時間總是小于或者等于水位響應的開始時間，兩者時間差距最大的是2011年3月11日日本Ms8.7地震，水位出現響應16分鐘后水溫才出現響應。這表明，地震波誘發井水出現震蕩，導致上下不同溫度的水產生混合，便出現了深層水溫探頭附近水溫降低的現象。在水位同震響應過程中，探頭上下水體快速的大幅度地交換，導致了水溫探頭附近水溫出現了快速的下降。

通過表1和圖1還可發現，在這10次地震發生過程中，2012年4月11日蘇門答臘Ms8.2地震、2013年11月17日斯科舍海Ms8.2地震、2015年4月25日尼泊爾Ms8.2地震、2015年9月17日智利Ms8.3地震和2016年12月9日所羅門群島Ms8.1地震這5次地震中，水溫同震下降速度很快，可能是由于這幾次地震水位同震響應振蕩幅度大且時間略長造成的。

5 結論

通過對河北冀24井水位水溫2010年以來的觀測數據進行同震響應的研究，得出以下結論：

（1）冀24井的同震響應水位均以振蕩的形態出現，水位的振蕩幅度除了與震中距、震級密切相關外，還可能與井-含水層系統自身特性、震源方位、震源機制、震中距以及地震波的傳播途徑有關。

（2） 水位振蕩水溫下降，響應形態總是先下降，再上升，直至恢復的過程，不受地震方位、等級、震源深度以及震中距的影響。

（3） 同一口觀測井水位同震響應是水溫同震響應的必要條件，水溫的同震響應總是水溫同震響應開始或之后發生。

（4） 水溫同震下降的速率取決于水位振蕩的幅度、頻次。

（5）冀24井雖然對各個地震水位水溫同震響應明顯，波動幅度大，恢復時間不等，但并未改變冀24井的原始動態走向，表明這10次地震對觀測井應力狀態影響并不大。

（6） 觀測技術方面，水位水溫觀測時間采樣率為1分鐘，如果提高儀器的采樣率，將會捕捉到更完整的水震波，這對探討井孔的同震響應機理大有幫助。

致謝：中國地震臺網中心為本項研究提供了河北平原區地下流體觀測數據，這對本文研究及取得的認識至關重要，在此表示衷心的感謝。