三峽井網(wǎng)對7.0 級以上強震的同震響應特征

涂先新 呂品姬 安一凡 曾智輝

1 中國地震局地震大地測量重點實驗室,武漢市洪山側路40號,430071

受含水層地質條件及其所處孕震狀態(tài)等因素的影響,同一口井在不同時期的映震能力不盡相同[1]。有學者認為,將同震響應與地震孕育狀態(tài)結合起來,或許可以識別地震孕育前兆[2-4]。本文首先評價長江三峽工程水庫誘發(fā)地震監(jiān)測系統(tǒng)地下水動態(tài)監(jiān)測井網(wǎng)(簡稱三峽井網(wǎng))8口流體井的同震能力,分析其同震響應形態(tài),探討出現(xiàn)波動型、臺階型同震響應的條件,以及不同的同震響應方式與區(qū)域孕震狀態(tài)的關系;然后探討巖性參數(shù)對映震能力的影響;最后分析三峽井網(wǎng)對2008年汶川8.0級地震和2021年瑪多7.4級地震的同震響應特征,進行應力反演,探討影響應力調整的因素。

1 三峽井網(wǎng)概況與區(qū)域地質構造

三峽井網(wǎng)是我國第一個以監(jiān)測誘發(fā)地震為目的建設的地下水前兆專用臺網(wǎng)。2017年進行改造之后,其水溫、水位觀測數(shù)據(jù)精度達到秒級。8口觀測井分布較為集中,丁家坪、高家溪、韓家灣、茅坪4口井集中圍繞在壩區(qū),大河口、周坪、郭家壩、屈家灣4口井布設在庫首區(qū),所有井均處在三峽庫區(qū)主要斷裂附近,井位置和斷層分布見圖1。其中,仙女山斷裂比較活躍、規(guī)模相對較大,具備發(fā)生4級以上地震的活動背景。整個三峽井網(wǎng)區(qū)域較小,展布面積約為25 km×25 km,地質背景基本一致,地震波傳到此處能量差異不大。8口流體井分布在5條斷層附近,含水層所處的介質條件、巖性等不盡相同,這為探討同震響應特征與巖性、含水層水文參數(shù)之間的關系提供了有利條件。觀測井所處的斷層、巖性等信息見表1。

表1 三峽井網(wǎng)各井信息Tab.1 Information of each well of Three Gorges well network

圖1 三峽井網(wǎng)地質概況Fig.1 Geological overview of Three Gorges well network

2 映震能力分析

2.1 地震能量密度與同震幅度的關系

地震能量密度(e)與地震震級(M)和震中距(r)的關系為[5]:

lge=3(0.48M-lg(r)-1.4)

(1)

理論上,地震波作用在地質體上的能量越大,井水位的同震響應就越明顯。從歷史同震震例來看,大河口井和高家溪井記錄到的地震次數(shù)明顯多于其他井。掃描2018～2021年的水位觀測數(shù)據(jù),對大河口井、高家溪井的同震響應幅度與地震能量密度的關系進行相關性分析。由于三峽井網(wǎng)距離三峽大壩較近,且水庫蓄水量的變化也較大,水位變化范圍為145～175 m,考慮不同庫水位可能會對同震幅度造成影響,分析時用點的顏色來表示庫水位的高度,藍色代表高庫水位(160～175 m),紅色代表低庫水位(145～160 m),擬合結果見圖2。

圖2 大河口井和高家溪井水位同震響應幅度與地震能量密度的關系Fig.2 Relation between coseismic response amplitude and seismic energy density of Dahekou and Gaojiaxi wells

可以看出,大河口井的地震能量密度與同震振幅有較好的正相關性(圖2(a)),擬合曲線為y=2.652 0x0.389 5(r2=0.726 9),能夠引起大河口產生同震響應的最小地震能量密度為10-7J/m3。高家溪井的地震能量密度與同震振幅同樣具有較好的正相關性(圖2(b)),擬合曲線為y=4.542 9x0.626 2(r2=0.8),能夠引起高家溪產生同震響應的最小地震能量密度為10-6J/m3。從擬合結果來看,紅點和藍點并沒有明顯的分界,較為平均地分布在擬合曲線兩側,說明庫水位變化對同震幅度沒有太大影響,地震能量密度對同震響應振幅的大小起著主導作用,地震能量密度越大,同震響應幅度越大。

2.2 映震能力分析

統(tǒng)計各井記錄到的2013～2022年全球134次7級以上地震,并繪制震中距(r)和震級(M)散點圖(圖3)。根據(jù)式(1)對這些地震的能量密度進行分級,能夠引起同震響應的地震能量密度值越小,說明該井的映震能力越強。研究發(fā)現(xiàn),大河口井、周坪井的映震能力強,有些能量密度為10-7J/m3的地震波都能引起這2口井產生同震響應;高家溪井的映震能力較強,同震地震能量密度閾值為10-6J/m3;其他井的映震能力相對較弱,郭家壩井同震地震能量密度閾值為10-5J/m3,屈家灣井同震地震能量密度閾值為10-4J/m3,丁家坪井、茅坪井、韓家灣井同震地震能量密度閾值為10-3J/m3。

圖3 三峽井網(wǎng)井水位同震響應能量密度Fig.3 Water level coseismic response energy density of Three Gorges well network

3 同震響應形態(tài)分析

從地震形態(tài)來看,井水位的同震響應可分為波動型和臺階型[6]。波動型隨著地震結束,井水位恢復原有的變化趨勢;階變型則在同震響應過程中產生臺階,地震結束后不再恢復原有的變化趨勢,通常認為這是區(qū)域應力調整的結果,其階變量的大小可以反映應力變化量的大小[7]。

統(tǒng)計2008年以來三峽井網(wǎng)記錄到的地震能量密度大于10-4J/m3的震例,見表2。從形態(tài)上來看,當?shù)卣鹉芰棵芏却笥?0-3J/m3時,多數(shù)井水位的同震響應表現(xiàn)為臺階型;地震能量密度低于10-3J/m3時,多數(shù)井水位同震響應表現(xiàn)為波動型,甚至沒有響應。說明井水位的同震響應方式受地震能量密度的影響,只有當?shù)卣鹉芰棵芏冗_到一定值時,才能表現(xiàn)為臺階型同震響應。值得注意的是,2021年瑪多7.4級地震時,三峽井網(wǎng)有6口井表現(xiàn)為臺階型同震響應,而2015年尼泊爾8.1級地震產生的地震能量密度達到1.7×10-3J/m3,比瑪多地震高0.4×10-3J/m3,但是只有大河口井表現(xiàn)為臺階型同震響應,多數(shù)井表現(xiàn)為突跳型同震響應,且尼泊爾地震所引起的水位同震響應強度遠弱于瑪多地震。此外,2017年九寨溝7.0級地震的地震能量密度也較高(1.7×10-3J/m3),但整個三峽井網(wǎng)幾乎沒有響應。這就意味著并不是只要地震能量密度大于10-3J/m3,井水位的同震響應方式就一定表現(xiàn)為臺階型,水位同震的響應方式還受其他因素的影響。

表2 三峽井網(wǎng)對不同地震的同震響應Tab.2 Coseismic response of Three Gorges well network to different earthquakes

將各次地震的同震響應方式與三峽庫區(qū)ML4.0以上地震活動情況結合(圖4)起來分析。可以發(fā)現(xiàn),三峽井網(wǎng)同震響應表現(xiàn)為波動型為主時,多數(shù)同震響應強度較弱的地震震前1 a內都曾發(fā)生過ML4.0以上的地震。如2017-08-08九寨溝7.0級地震前,三峽庫區(qū)在2017-06-16、18分別發(fā)生ML4.8、ML4.6地震,區(qū)域應力得到有效釋放,所以三峽井網(wǎng)對九寨溝地震幾乎沒有響應。同震響應表現(xiàn)為臺階型為主時,多數(shù)都處在區(qū)域ML4.0以上地震不活躍的時期,地震活動基本上都平靜了2 a以上,具備一定的應力積累條件。這說明井水位的同震響應方式除了受到地震能量密度的影響,還受區(qū)域介質的孕震狀態(tài)影響。當含水層介質處于應力水平較高時,較強的地震能量可以導致含水層導水能力和孔隙水壓發(fā)生改變,從而表現(xiàn)為同震臺階,這可能也是臺階型同震的形成機理。

圖4 同震響應形式與區(qū)域地震的關系Fig.4 Relationship between coseismic response forms and regional earthquakes

4 影響因素

對于同一次地震的同震響應,8口井的水位除了在響應方式上不同以外,在幅度上也存在差異。以瑪多7.4級地震的同震響應(表2)為例進行分析。從同震響應幅度來看,大河口井的同震效果最明顯,最大振幅達到100m;周坪井和高家溪井的最大振幅為10-1m;丁家坪井、韓家灣井、屈家灣井、郭家壩井的最大振幅為10-2m;茅坪井的最大幅度為10-3m。可以看出,同震響應幅度與井的映震能力有一定關系,映震能力強的井,同震幅度大,說明同震幅度在一定程度上可以反映井的映震能力。

8口井相對集中,可以排除地震波成分對同震響應的影響,那么同震響應的不同應該源自井本身的介質參數(shù)的影響。從文獻[8]中搜集三峽井網(wǎng)各井含水層的巖性參數(shù)(表3),對同震響應幅度與巖性參數(shù)等因素的相關性進行研究。

表3 各井巖性參數(shù)Tab.3 Lithologic parameters of each well

對同震幅度與巖性參數(shù)進行擬合,結果見圖5。可以看出,水位振幅大小與單位存儲系數(shù)、壓縮系數(shù)、孔隙度的相關性不明顯(r2<0.5),與導水系數(shù)呈現(xiàn)正相關性(r2≈0.7),與體積壓縮模量(r2≈0.5)和斷層距(r2≈0.6)呈現(xiàn)負相關性。

圖5 同震幅度與巖性參數(shù)的相關性Fig.5 Correlation between coseismic amplitude and lithologic parameters

5 應力反演

8口井為典型的承壓水水井[9],其水位變化與固體潮應力變化的關系為[6]:

式中,Δσz為含水層體應力的變化量,β為水的體積壓縮系數(shù),ρ為水的密度,η為含水層的孔隙度,E為含水層的固體骨架的楊氏模量,g為重力加速度,ΔH為含水層應力變化引起的水頭變化量。對于單口井來說,β、ρ、g、η、E均為固定常數(shù),Δσz與ΔH存在正相關關系,所以固體潮體應力變化引起的水頭變化與固體潮體應力之間存在如下關系:

ΔH=KΔσz

式中,K為理論固體潮體應力最大變化幅度與理論固體潮引起的水頭最大變化幅度之比,是井的水頭變化對體應力變化的響應系數(shù)。

使用以上公式計算瑪多7.4級地震后三峽井網(wǎng)應力場相對變化量,結果見表4。從表4可以看出:1)各井的應力響應系數(shù)存在較大差異,井水位變化幅度大小并不能直接代表應力場變化的強度,還與該井對應力變化的響應系數(shù)有關系,如大河口井水位變化值最大,但是其應力場變化卻不如周坪井明顯;2)丁家坪井、茅坪井、韓家灣井、大河口井、周坪井所在區(qū)域表現(xiàn)為應力增強,其中大河口井、周坪井應力增強更明顯;高家溪井、屈家灣井、郭家壩井所在區(qū)域表現(xiàn)為應力減弱,其中高家溪井應力減弱最明顯。

表4 瑪多地震后各井的區(qū)域應力變化Tab.4 Regional stress changes of each well after Maduo earthquake

為了更直觀地體現(xiàn)瑪多7.4級地震對三峽庫區(qū)應力場變化的影響,采用Kriging插值法計算三峽井網(wǎng)地區(qū)應力變化圖像(圖6(a))。此外,在前人研究的基礎上[10],對汶川8.0級地震后三峽井網(wǎng)的應力場變化進行空間網(wǎng)格化分析(圖6(b))。結果表明:1)2次地震后,三峽井網(wǎng)的應力調整非常相似,0值線總體方向沿著北偏西45°,且0值線西南一側表現(xiàn)為應力積累,西北一側表現(xiàn)為應力減弱;2)2次地震后,應力調整0值線在接江坡斷裂、長木坨斷裂的北端沿著斷層走向出現(xiàn)轉折,形成鼓包,說明斷層對應力調整起一定的控制作用;3)井水位對不同地震的同震響應結果并不一致,如丁家坪井對瑪多7.4級地震表現(xiàn)為應力增強,對汶川8.0級地震表現(xiàn)為應力減弱。

圖6 三峽庫區(qū)震后應力變化Fig.6 Post earthquake stress variation in Three Gorges reservoir area

6 結 語

1)從同震響應特征來看,同震響應幅度與水庫水位無關,與能量密度密切相關。各井的映震能力有明顯差別,大河口井、周坪井映震能力較強,它們產生同震響應的地震能量密度閾值為10-7J/m3;高家溪井的同震地震能量密度閾值為10-6J/m3;郭家壩井的同震地震能量密度閾值為10-5J/m3;屈家灣井的同震地震能量密度閾值為10-4J/m3;丁家坪井、茅坪井、韓家灣井的映震能力較弱,同震地震能量密度閾值為 10-3J/m3。

2)三峽井網(wǎng)各井映震能力與導水系數(shù)正相關,與體積壓縮模量、斷層距負相關。臺階型同震響應的出現(xiàn)與地震能量密度和區(qū)域應力積累程度有關,當?shù)卣鹉芰棵芏却笥?10-3J/m3,且區(qū)域構造應力積累較強時,三峽井網(wǎng)井水位多數(shù)會表現(xiàn)出臺階型同震響應。

3)通過反演汶川8.0級地震和瑪多7.4級地震后三峽井網(wǎng)的應力變化情況,發(fā)現(xiàn)同震應力調整受區(qū)域斷層控制明顯。