山東南麻井水位和水溫對大震的同震響應特征及機理淺析

陳 童，周慧芳

(山東省淄博市應急救援指揮保障服務中心，山東 淄博 255000)

一次大地震發生后，其產生的地震作用力可以在瞬間改變地殼介質的狀態，地下水作為地殼中最活躍的介質，可以響應由于地震波傳播而造成觀測井的水位、水溫同震效應。井水位和水溫同震效應是揭示地殼介質對應力—應變過程響應的有效觀測手段，能夠有效反映出地殼動力作用下地下介質應變和孔隙壓的變化特征(張彬等，2015)。因此，研究地震引起的井水位水震波響應特征對了解研究區域的構造應力釋放情況和研究區域未來地震危險性具有十分重要的意義(向陽等，2017)。

1 南麻觀測井概況

山東沂源南麻井是山東省地震局“十一五”防震減災規劃項目中首個專門用于地震前兆異常觀測而鉆探的地下流體觀測井。該井位于山東淄博市沂源縣澇坡河村北，構造上處于南麻悅莊斷陷盆地中南部，上五井斷裂—沂源斷裂上盤斷裂帶東5500 m(見圖1)。于2009年12月20日完成鉆探，井口標高290 m，完鉆深度為201 m，其中：0～30 m深安裝直徑219 mm螺旋套管，31～201 m深安裝直徑140 mm的PVC套管。其主要含水層為139～151 m的紅色灰巖質礫巖，該部位巖溶裂隙發育，最大溶洞的口徑大于0.5 m，屬于巖溶裂隙水。

圖1 南麻井位置示意圖

南麻井于2010年9月2日建成投入觀測，觀測項目有氣壓、水位和水溫測項，觀測儀器為ZKGD2000數字水位/水溫觀測儀，“十二五”期間又將觀測設備升級改造為ZKGD3000數字水位/水溫觀測儀。儀器升級改造后，水位觀測分辨率達到0.1 mm，水溫觀測精度達到0.0001 ℃。觀測井周圍500 m內無其他深井或河流干擾；井水位受季節性降雨影響，總體水位呈現出夏高冬低的變化趨勢，大量的降雨過后，水位會表現出一定程度的上升，且存在1～2天的延時現象；水溫總體變化較為平穩。自投入觀測以來，該井資料完整，數據質量較好，為進一步分析區域地下流體變化提供了良好的實測數據。

2 南麻井水位和水溫同震響應特征分析

2.1 總體概況

2011年以前，由于南麻井水位、水溫數據采樣率較低，為simple/10 min，2011年進行了設備升級改造，之后采樣率大大提升，達到simple/1 min，故本研究選取了2011年1月至2019年12月作為研究時間段。根據中國地震臺網中心地震速報目錄資料，對2011年1月至2019年12月期間全球8.0級以上、全國6.5級以上地震的同震響應特征進行了分析研究。本研究的地震同震響應記錄情況見表1。

表1 全球6.5級以上地震同震響應記錄情況(2011-2019年)

由表1可以看出，2011年1月至2019年12月期間共發生6.5級以上地震32次，除2013年10月31日吉林松原6.7級地震和2014年2月12日新疆于田7.3級地震期間南麻觀測井數據缺失外，其余地震期間南麻井同震響應程度都比較高，其中水位響應25次，響應形態均為振蕩，響應率約為86.2%；水溫響應14次，響應形態以階變上升為主(簡稱：階升)，響應率約為48.2%。可看出，南麻井水位的同震響應能力要明顯優于水溫。

2.2 典型震例分析

本文從研究時間段的32次地震中選取了6個具有代表性的典型震例進行分析研究(表2)。

表2 6個典型震例中南麻井水位、水溫同震響應情況

2.2.1 日本本州海域9.0級地震同震響應特征

2011年3月11日在日本本州東海岸附近海域發生9.0級特大地震，該地震震中距離南麻井 2 159 km。地震發生后南麻井水位出現劇烈振蕩，記錄到水震波，水位最大雙振幅達到 2 080 mm，水震波振蕩的持續時間約為215 min(見圖2)。南麻井水溫也出現了明顯的階升，上升幅度達0.15 ℃，此次地震對南麻井水溫的影響一直持續到2011年8月，這是南麻井自投測以來同震響應幅度最大的一次(見圖2)。

圖2 日本9.0級地震后南麻井水位、水溫同震響應曲線

2.2.2 蘇門答臘海域8.6級和8.2級地震同震響應特征

2012年4月11日在蘇門答臘海域先后發生8.6級、8.2級地震，這兩次地震震中距離南麻井分別為 4 566 km、4 749 km。震前南麻井水位、水溫均波動正常，蘇門答臘海域8.6級地震發生后井水位于4分鐘后出現水震波，最大雙振幅達到664 mm，振蕩持續一段時間后開始逐漸減弱。隨后該地區再次發生8.2級地震，井水位再次大幅度振蕩，直至68 min后恢復至震前水平(見圖3)。井水溫則在蘇門答臘海域8.6級地震發生后先出現了小幅度的階降，隨后又出現明顯階升，在井水溫上升過程中，該海域再次發生8.2級地震，水溫隨即繼續上升，整個上升幅度達到0.104 ℃，直至397 min后才逐漸恢復至震前水平(見圖3)。這兩次地震到南麻井的震中距雖然相差不大，但由于前后兩次地震震級不同，井水位振蕩的幅度差別也較大，最大振幅相差達到3倍，水體振蕩的持續時間也隨振幅的減小而縮短。

圖3 蘇門答臘海域8.6級、8.2級地震后南麻井水位、水溫同震響應曲線

2.2.3 尼泊爾8.1級地震、墨西哥8.2級地震同震響應特征

2015年4月25日、2017年9月8日分別在尼泊爾和墨西哥發生8.1級、8.2級地震，震中距離南麻井分別為 3 256 km、13 394 km。這兩次地震發生后，南麻井水位、水溫均記錄到清晰的地震同震響應。雖然這兩次地震震級相差不大，但由于震中距相差較大，水震波振蕩幅度以及水溫的變化幅度也有較大差別。南麻井水位在兩次地震發生后均出現振蕩，水震波最大振幅分別為306 mm和268 mm；水溫則均出現了階升響應，最大升幅分別為0.07 ℃和0.046 ℃(見圖4和圖5)。呈現出震中距越小，水位、水溫的響應幅度越大的特征。

圖4 尼泊爾8.1級地震后南麻井水位、水溫同震響應曲線

圖5 墨西哥8.2級地震后南麻井水位、水溫同震響應曲線

2.2.4 四川蘆山7.0級、東海海域7.2級同震響應特征

2013年4月20日四川蘆山7.0級地震和2015年11月14日東海海域7.2級地震發生后，南麻井水位均出現不同程度的振蕩(見圖6和圖7)，水溫均出現階升同震響應。東海海域7.2級地震震中距離淄博井網約 1 200 km，是近年來距離淄博地區最近的7.0級以上地震，井水位、水溫同震響應幅度相對較大，振蕩時間持續也較長。

圖6 四川蘆山7.0級地震后南麻井水位、水溫同震響應曲線

圖7 東海海域7.2級地震后南麻井水位、水溫同震響應曲線

3 響應機理分析

本文在對南麻井水位、水溫的同震響應進行統計分析后發現，南麻井水位的同震響應形態均為振蕩型，水溫則以階升為主，個別地震的水溫的同震響應在階升前伴隨有小幅度的階變下降。目前，水溫同震響應機理研究有多種不同的觀點，但這些觀點大都是針對水位振蕩—水溫階變下降現象提出的，而對震后水位振蕩—水溫階升響應機理的研究則較少。在前人觀點的基礎上，筆者綜合分析認為引起南麻井水位振蕩—水溫階變上升的響應機理為：地震發生后，一方面地震波的張、壓應力反復作用于含水層系統，造成含水層中的地下水與井筒內的地下水發生流動，從而造成井筒內的地下水呈現出周期性上下波動的現象，在地下水上、下運動的過程中水體與井壁及水溫的傳感器發生摩擦，從而引起水溫的上升；另一方面，地震波使得含水層內的介質發生形變，進而造成含水層局部裂隙的串通，地下水通過裂隙發生垂直滲流，使承壓含水層下部熱水上升，從而引起溫度的上升(馬玉川等，2010；車用太等，2008；孫小龍等，2008)。

4 幾點認識和探討

從上述典型震例分析可以看出，南麻井水位和水溫觀測對大震的同震響應特征：

1)在震中距基本相同的情況下，震級越大，井水位、水溫的同震響應幅度越大；而在震級基本相同的情況下，震中距越小，井水位、水溫的同震響應幅度則越大。

2)對南麻井水位的同震響應幅度和振蕩持續時間進行擬合發現，兩者存在以下統計關系為y=0.0809x+48.256，即水位響應幅度x與振蕩持續時間y呈線性關系，且振蕩持續時間隨響應幅度的增加而增加(見圖8)。

圖8 水位響應幅度、振蕩持續時間關系擬合直線

3)以往的研究結果表明，灰巖的同震響應能力較強，砂巖、礫巖的同震響應能力較弱。而南麻井卻多次記錄到國內外遠場大震，其同震響應程度較高。分析原因主要為：南麻井的含水層雖為礫巖，但由于其礫石的組成成分主要為灰巖，少部分泥巖，且該區域最大溶洞的口徑大于0.5 m，裂隙發育，連通性好，富水性強，導水好，像一個巨大的連通管，含水層受到擠壓和拉張容易引起其容積的較大變化，通過截面積較小的井孔反映出來，即水位的大幅度升降(耿杰等，2008)。

4)在有同震響應的測項中，南麻井水位的同震響應能力要明顯優于水溫。具體表現為：水溫出現同震響應的震例包含有清晰的水位同震響應，而出現水位同震響應的震例則并未全部包含有到水溫的同震響應，也就是說水位出現同震響應是水溫同震響應的必要條件，且水溫同震響應均出現在水位響應之后，一般滯后幾分鐘(楊竹轉，2012；王學聚等，2017)，這也從側面反映了水溫的變化應該與水位的變化有關。

5)南麻井水位對于不同地震的響應形態相同，均為振蕩型；而水溫對于不同地震的響應形態則不完全相同，除蘇門答臘海域8.6級地震后出現小幅度的階變下降—大幅度階變上升外，其余的響應形態均為階升。

6)南麻井出現水位振蕩—水溫階降的原因主要有兩個：一是井筒內的地下水上、下波動過程中與井壁及水溫的傳感器發生摩擦產生熱量；二是地震波造成含水層局部裂隙的串通，地下水通過裂隙發生垂直滲流，使承壓含水層下部熱水上升。