河北無(wú)極井同震響應(yīng)特征分析

董 博, 紀(jì)春玲, 周安聘, 張環(huán)曦, 趙雨晨, 李 鳳, 章 陽(yáng), 王 時(shí)

(河北省地震局石家莊中心臺(tái), 河北 石家莊 050021)

0 引言

地震孕育過(guò)程中,由于應(yīng)力-應(yīng)變逐漸積累,會(huì)引起局部或區(qū)域尺度地殼深、淺部介質(zhì)結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)的變化,而井-含水層系統(tǒng)對(duì)地震波有天然的放大作用[1-3],當(dāng)?shù)卣鹪杏^(guò)程使含水層受力狀態(tài)發(fā)生變化時(shí),有可能引起井孔水震波記震能力的顯著變化。地下水位的同震變化,反映了地殼變形和地面震動(dòng)引起的地下流體同震響應(yīng)現(xiàn)象[4-7]。

無(wú)極井從2001年開(kāi)始進(jìn)行數(shù)字觀測(cè),數(shù)據(jù)質(zhì)量良好,水位對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)大震反應(yīng)靈敏[8],屢次在省局、國(guó)家局評(píng)比中獲獎(jiǎng)。目前絕大部分觀測(cè)井有井水位的同震響應(yīng),卻沒(méi)有地震前兆異常。研究表明無(wú)極井自觀測(cè)以來(lái)出現(xiàn)過(guò)多次典型的震前異常[8],故有必要對(duì)無(wú)極井同震響應(yīng)做全面深入分析。本文對(duì)2011—2018年無(wú)極井水位對(duì)全球M≥5.0地震記錄到的同震異常數(shù)據(jù)及其對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)大震的響應(yīng)能力及基本特征進(jìn)行分析,并在前人提出同震效應(yīng)機(jī)理的基礎(chǔ)上,結(jié)合無(wú)極井實(shí)際觀測(cè)資料,對(duì)無(wú)極井同震變化的可能機(jī)理進(jìn)行了解釋。

1 無(wú)極井概況

無(wú)極井位于河北省無(wú)極縣,屬華北深井網(wǎng),地處冀中拗陷,衡水?dāng)嗔驯眰?cè),如圖1所示。該井孔口標(biāo)高44.5 m,為承壓含水層,含水層為震旦系、寒武系灰?guī)r、白云巖,地下水類型為巖溶裂隙承壓水。水文地質(zhì)條件屬巖溶水的弱交替區(qū),地下水由東向西緩慢滲流,屬大氣成因的深循環(huán)熱水,封閉性尚好。井孔所處的環(huán)境地面平坦、蓋層厚、無(wú)干擾源。無(wú)極井于1986年開(kāi)始進(jìn)行模擬靜水位觀測(cè),觀測(cè)儀器為SW-40;2001年開(kāi)始進(jìn)行數(shù)字化觀測(cè),現(xiàn)使用的數(shù)字化觀測(cè)設(shè)備為ZKGD3000-NL型地下水?dāng)?shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

圖1 無(wú)極井周邊地質(zhì)構(gòu)造圖Fig.1 Geological structure map around Wuji well

2 資料選取

無(wú)極井?dāng)?shù)字化水位分鐘值曲線顯示固體潮日變清晰,呈現(xiàn)明顯的日波和半日波;氣壓正常動(dòng)態(tài)為夏高冬低型,與水位成負(fù)相關(guān);水位多年動(dòng)態(tài)變化較平穩(wěn),表現(xiàn)為趨勢(shì)性下降(水位值為水面至井孔之間的距離),無(wú)明顯季節(jié)特征,如圖2所示。本文收集2011—2018年無(wú)極井?dāng)?shù)字化水位分鐘值數(shù)據(jù)和該時(shí)段內(nèi)全球M≥5.0地震資料。地震目錄從哈佛大學(xué)網(wǎng)站查詢,包含地震三要素和震源機(jī)制解等信息,共獲得3 283次地震,其中5.0≤M≤5.9地震2 187次,6.0≤M≤6.9地震957次,7.0≤M≤7.9地震128次,M≥8.0地震11次。近年來(lái),無(wú)極井周邊M≥5.0近震較少,發(fā)生井震距小于1 000 km的地震9次,2016年7月31日江蘇高郵M5.0地震井震距最小,約為708 km,其余8次地震井震距為755～992 km,且M≤6.0。

圖2 無(wú)極井2011—2018年井水位趨勢(shì)性下降曲線Fig.2 Trend decline curve of well water level of Wuji well from 2011 to 2018

3 同震響應(yīng)及特征分析

3.1 同震響應(yīng)的前兆異常

大部分流體觀測(cè)井具有同震響應(yīng)特征,但較少的井口能出現(xiàn)前兆異常。筆者運(yùn)用小波變換對(duì)無(wú)極井具有同震響應(yīng)的前6個(gè)月水位分鐘值數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)無(wú)極井自數(shù)字觀測(cè)以來(lái)出現(xiàn)多次震前異常的同震響應(yīng),其中大部分異常出現(xiàn)在震前三個(gè)月或震前一個(gè)月,這與前人研究結(jié)果相符[8],在判斷異常時(shí)以偏離正常值3倍均方差為判別指標(biāo)[9]。

本文以2012年4月11日北蘇門答臘西海岸遠(yuǎn)海M8.6地震為例,對(duì)無(wú)極井2012年全年分鐘值數(shù)據(jù)進(jìn)行db5小波變換,如圖3所示。由圖可以看出,在地震前3個(gè)月井水位小波變換出現(xiàn)高頻異常,震前1個(gè)月異常幅度增大,同震效應(yīng)明顯,震后小波細(xì)節(jié)圖無(wú)異常出現(xiàn),小波變換細(xì)節(jié)分量明顯地反映出該次地震的臨震信息和同震響應(yīng)。

圖3 2012年井水位分鐘值原始曲線、小波分析細(xì)節(jié)圖及4月11日水位同震響應(yīng)曲線Fig.3 Original curve of minute value of water level in 2012,detail diagram of wavelet analysis and coseismic response curve of water level on April 11

3.2 同震響應(yīng)能力

統(tǒng)計(jì)2011年以來(lái)無(wú)極井同震響應(yīng)和全球M≥5.0地震的相關(guān)信息,包括井震距、水震波振幅、形態(tài)、持續(xù)時(shí)間等信息,進(jìn)而分析無(wú)極井水位的同震效應(yīng)特征,見(jiàn)表1。鑒于地震樣本量較大,對(duì)不同震級(jí)檔的地震采用不同的分析策略:M<7.0地震分震級(jí)檔、按照井震距排列從近到遠(yuǎn)依次分析,直至井孔無(wú)法記錄到該震級(jí)檔的水震波,M≥7.0地震全部參與統(tǒng)計(jì)。

表1 2011—2018年無(wú)極井部分水位對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)大震的同震響應(yīng)形態(tài)特征Table 1 Coseismic response characteristics of part of water level of WuJi well to far-field large earthquakes during 2011-2018

5.0≤M≤5.9地震統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,井震距小于1 600 km的地震共有37次,無(wú)極井只記錄到2012年9月7日云南彝良M5.6地震,井震距為1 566 km,水震波形態(tài)為震蕩型,幅度1 mm。其余36次地震井震距為707～1 594 km,均未記錄到水震波。推測(cè)無(wú)極井無(wú)法明顯監(jiān)測(cè)到M<6.0地震水震波。

6.0≤M≤6.9地震統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,井震距小于2 600 km的49次地震,無(wú)極井只記錄到3次地震,其中2014年3月3日琉球群島M6.8地震的水震波,井震距為1 697 km;2018年8月3日云南魯?shù)镸6.5地震,井震距為1 641 km;2017年11月18日西藏米林M6.9地震,井震距為2 061 km,這3次地震引起的水震波形態(tài)均為震蕩型。由于地震震級(jí)對(duì)水位同震效應(yīng)的影響較大,筆者進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)了井震距大于10 000 km的41次6.0≤M≤6.9地震,均未記錄到同震響應(yīng)。

M≥7.0地震統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,2011—2018年全球發(fā)生M≥7.0地震共計(jì)139次,無(wú)極井共記錄到85次地震的水震波,占總數(shù)的61%,表明無(wú)極井水位對(duì)全球M≥7.0大震具有較好的同震響應(yīng)能力。所有記錄到強(qiáng)震的水震波均為振蕩型。

3.3 同震響應(yīng)特征

3.3.1 震級(jí)、振幅、持續(xù)時(shí)間與井震距的關(guān)系

M≥7.0地震統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,48次地震井震距小于5 000 km,其中20次記錄到水震波,占比為42%;103次地震井震距小于10 000 km,其中60次記錄到水震波,占比為58%;36次地震井震距大于10 000 km,其中25次記錄到水震波,占比為69%。由此可見(jiàn),無(wú)極井對(duì)于全球范圍內(nèi)的大震隨著井震距越大,記震能力呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。

M≥7.0地震振蕩型水震波振幅為1～80 mm,持續(xù)時(shí)間為2～1 132 min。15次M≥7.0地震的水震波持續(xù)時(shí)間均超過(guò)120 min。統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn),相同震級(jí)情況下,無(wú)極井水震波振幅與井震距基本成反相關(guān)關(guān)系。震級(jí)相同,且井震距≤10 000 km情況下,水震波持續(xù)時(shí)間與井震距基本呈反相關(guān)關(guān)系,大于10 000 km,相關(guān)性不明顯,如圖4所示。

圖4 M≥7.0地震震級(jí)、振幅、持續(xù)時(shí)間與井震距的關(guān)系Fig.4 Relationship between magnitude, amplitude,duration of M≥7.0 earthquakes and well-hypocenter distance

3.3.2 震源機(jī)制類型、震級(jí)與井震距的關(guān)系

2011年以來(lái)全球M≥7.0地震(地震井震距介于1 141～19 325 km)主要集中在環(huán)太平洋地震帶,其次是地中海—喜馬拉雅地震帶,如圖5所示。由圖顯示的紅色部分為無(wú)極井水位能記錄到水震波的地震,黃色部分為未記錄到水震波的地震。由統(tǒng)計(jì)可知,無(wú)極井能記錄到歐亞板塊大部分地震信息,相對(duì)于板內(nèi)地震,板緣地震的記錄效果更好。

圖5 2011—2018年無(wú)極井同震效應(yīng)分布Fig.5 Coseismic effect distribution of WuJi well in 2011-2018

統(tǒng)計(jì)震源機(jī)制類型對(duì)該井記錄水震波的影響,見(jiàn)表2。結(jié)果顯示,無(wú)極井對(duì)走滑型地震的響應(yīng)能力最高,達(dá)到71%,對(duì)逆斷型地震的響應(yīng)能力次之,為63%,對(duì)正斷型和逆斜滑型地震響應(yīng)能力一致,均為62%,對(duì)正斜滑型地震響應(yīng)能力最弱,為54%。當(dāng)井震距小于5 000 km時(shí),無(wú)極井能記錄到M≥7.0所有類型地震的水震波,響應(yīng)能力分別為逆斷型82%,逆斜滑型80%,正斷型100%,正斜滑型56%,走滑型60%。當(dāng)距離為5 000～10 000 km時(shí),井孔依然能記錄到不同類型地震的水震波,但是

表2 地震震源機(jī)制類型和同震效應(yīng)的關(guān)系Table 2 Relationship between focal mechanism type and coseismic effect

同震響應(yīng)能力明顯下降,逆斷型地震降至67%,逆斜滑型40%,正斷型降至50%,正斜滑型61%,走滑型100%。當(dāng)距離大于10 000 km時(shí),逆斷型41%,正斷型50%,逆斜滑型50%,正斜滑型17%,記錄不到走滑型地震的水震波,如圖6所示。表明無(wú)極井對(duì)不同類型地震水震波的記錄能力存在差異。

圖6 不同類型地震的井震距和同震效應(yīng)的關(guān)系Fig.6 Relationship between well spacing and coseismic effect of different types of earthquakes

將全球M≥7.0所有地震(不考慮震中距范圍)劃分為4個(gè)震級(jí)檔,統(tǒng)計(jì)震級(jí)對(duì)臺(tái)站記錄水震波效果的影響,見(jiàn)表3。無(wú)極井對(duì)M≤7.5地震的響應(yīng)能力為52%,對(duì)7.6≤M≤7.9地震的響應(yīng)能力顯著提升,達(dá)到81%,對(duì)M≥8.6地震的響應(yīng)能力達(dá)到100%,表明無(wú)極井對(duì)水震波的記錄能力隨地震震級(jí)增大而顯著提升。

表3 地震震級(jí)和同震效應(yīng)的關(guān)系Table 3 Relation between magnitude and coseismic effect

4 同震響應(yīng)機(jī)理探討

無(wú)論地震方位和震源機(jī)制解如何,無(wú)極井水位對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)大震的同震響應(yīng)形態(tài)均為震蕩型,表現(xiàn)為水面的上下波動(dòng),波動(dòng)停止后水位恢復(fù)至震前正常形態(tài)變化。選取典型同震震例,如圖7所示。

圖7 無(wú)極井水位典型同震響應(yīng)曲線Fig.7 Typical coseismic response curve of water level in WuJi well

在此基礎(chǔ)上,筆者進(jìn)一步研究了無(wú)極井水位同震響應(yīng)曲線與地震波形之間的關(guān)系,并對(duì)當(dāng)天的水位數(shù)據(jù)進(jìn)行了db小波分析,如圖8所示。井震距為3 018 km的2015年4月25日尼泊爾M8.1地震在地震P波到達(dá)之后水位開(kāi)始震蕩,最大面波R到達(dá)之后響應(yīng)幅度最大。db小波分析異常判斷時(shí),以偏離正常值三倍均方差為指標(biāo)[9],由圖可以看出震前高頻異常明顯,小波變換細(xì)節(jié)分量反映出該次地震的同震響應(yīng),震后異常逐漸減小。

圖8 2015年4月25日無(wú)極井水位同震響應(yīng)曲線與地震波形曲線對(duì)比及井水位小波細(xì)節(jié)分析Fig.8 Comparison of seismic waveform and coseismic response curve of Wuji well water level on April 25, 2015 and wavelet detail analysis of water level

2018年1月23日阿拉斯加灣M8.0地震,井震距為6 909 km,井水位在地震S波到達(dá)之后開(kāi)始震蕩,并在最大面波R到達(dá)時(shí)水位震蕩振幅達(dá)到最大。由小波細(xì)節(jié)分析可以看出,在地震發(fā)生前出現(xiàn)了明顯的高頻異常,且異常一直持續(xù)到地震發(fā)生,小波細(xì)節(jié)分析明顯的反映出該次地震的同震效應(yīng)。如圖9所示。

圖9 2018年1月23日無(wú)極井水位同震響應(yīng)曲線與地震波形曲線對(duì)比及井水位小波細(xì)節(jié)分析Fig.9 Comparison of seismic waveform and coseismic response curve of Wuji well water level on January 23, 2018 and wavelet detail analysis of water level

2018年8月19日斐濟(jì)群島M8.1地震,井震距為9 382 km,水位在地震P波到達(dá)之后,S波到達(dá)之前產(chǎn)生波動(dòng),P波引起的水位變化幅度要大于S波引起的水位變化幅度,水位同震響應(yīng)最大幅度同樣發(fā)生在最大面波R到達(dá)時(shí),此次地震當(dāng)天水位數(shù)據(jù)經(jīng)小波細(xì)節(jié)分析可以看出,震前存在高頻異常,同震效應(yīng)及震后高頻異常明顯,如圖10所示。

圖10 2018年8月19日無(wú)極井水位同震響應(yīng)曲線與地震波形曲線對(duì)比及井水位小波細(xì)節(jié)分析Fig.10 Comparison of seismic waveform and coseismic response curve of Wuji well water level on August 19, 2018 and wavelet detail analysis of water level

由以上分析可知:水位響應(yīng)時(shí)刻受地震震級(jí)和震中距影響,當(dāng)震級(jí)足夠大且井震距較小時(shí),首先到達(dá)的P波即可引起水位震蕩,最大面波R波引起的水位震蕩幅度最大。這個(gè)結(jié)果與諸多學(xué)者研究一致[10-11]。

碳酸巖的透水性最強(qiáng),砂巖、泥質(zhì)砂巖次之,巖漿巖最差。井孔含水層的巖性決定了其導(dǎo)水性能的強(qiáng)弱,進(jìn)而影響記錄水震波的效果[12]。無(wú)極井含水層為震旦系、寒武系灰?guī)r、白云巖,屬碳酸巖類,具有導(dǎo)水性好的地質(zhì)條件。無(wú)極井記錄到的水震波均為震蕩型。目前,振蕩型水震波成因的認(rèn)識(shí)目前有以下2種:一種是水位的波動(dòng)主要由周期為15～20 s瑞利面波引起,瑞利面波可同時(shí)引起體積膨脹和垂直運(yùn)動(dòng)。當(dāng)P波、S波、面波通過(guò)含水層時(shí),含水層介質(zhì)發(fā)生體積變化使得水位振蕩[13]。另一種是水震波成因也可能與氣體脫逸有關(guān)。當(dāng)直徑達(dá)7～8 mm的氣泡上涌時(shí),井水位抬升,而氣泡由水面釋放后,井水位下降,如此反復(fù)過(guò)程導(dǎo)致了井水位的同震振蕩現(xiàn)象[14]。無(wú)極井含水層觀測(cè)系統(tǒng)的固有周期和地震的P波、S波、面波接近時(shí),可能會(huì)產(chǎn)生共振進(jìn)而記錄到振蕩型的水震波。由于無(wú)極井同震效應(yīng)曲線與該地震臺(tái)的地震波形記錄對(duì)應(yīng)較好,且該井封閉性尚好,筆者查閱相關(guān)資料得知自觀測(cè)至今無(wú)極井沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)氣泡上涌的情況,所以排除氣體脫逸導(dǎo)致井水位振蕩[15-16]。

綜合分析認(rèn)為,地震發(fā)生后,S波或面波引起含水層瞬時(shí)變形,致使含水層內(nèi)空隙壓力發(fā)生升降交替變換,造成井-含水層水流的交替運(yùn)動(dòng),最終引起水位震蕩,最大面波到時(shí)水位震蕩幅度達(dá)到最大值,此時(shí)可能記錄到振蕩型的水震波。

5 討論和結(jié)論

本文系統(tǒng)地分析2011年1月至2018年12月無(wú)極井同震響應(yīng)資料,重點(diǎn)研究139次全球M≥7.0地震井水位同震響應(yīng)特征及機(jī)理,得到以下結(jié)論:

(1) 無(wú)極井對(duì)全球M≥7.0地震具有較好同震響應(yīng),能清晰記錄到全球61%的M≥7.0地震。從空間上看,無(wú)極井能記錄到歐亞板塊大部分地震的水震波,相對(duì)于板內(nèi)地震,板緣地震的記錄效果更好。幾乎記錄不到震中位于海洋板塊內(nèi)部的地震水震波。

(2) 不同方位、震級(jí)、震中距的地震,在臺(tái)站觀測(cè)條件未發(fā)生變化時(shí),無(wú)極井對(duì)地震的響應(yīng)方式一致,均表現(xiàn)為震蕩型。這種現(xiàn)象說(shuō)明地震波可能只是觸發(fā)作用,水位震蕩的方向與觸發(fā)源無(wú)關(guān)、與應(yīng)力場(chǎng)相關(guān)性不明顯,其固有的響應(yīng)方式主要取決于觀測(cè)井局部的地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)條件。

(3) 井含水層觀測(cè)系統(tǒng)、地震震級(jí)、井震距是影響水震波記錄效果的重要因素。相同震級(jí)情況下,無(wú)極井水震波振幅與井震距基本成反相關(guān)關(guān)系。震級(jí)相同,且井震距≤10 000 km的情況下,水震波持續(xù)時(shí)間與井震距基本呈反相關(guān)關(guān)系。無(wú)極井對(duì)于全球范圍內(nèi)的大震隨著井震距越大,記震能力呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。震源機(jī)制類型可能會(huì)影響井孔記錄水震波的效果。

(4) 地震發(fā)生后,S波(部分為P波或R波)引起含水層瞬時(shí)變形,致使含水層內(nèi)空隙壓力發(fā)生升降交替變換,造成井-含水層水流的交替運(yùn)動(dòng),最終引起水位震蕩,面波到時(shí)水位震蕩幅度達(dá)到最大值,此時(shí)可能記錄到振蕩型的水震波。小波細(xì)節(jié)分析,震前存在高頻異常,同震效應(yīng)及震后高頻異常明顯。