黃驊井水位映震效能分析

尹宏偉梁麗環(huán)韓文英李 鳳劉 靜

1） 中國(guó)河北053800深州地震臺(tái)

2）中國(guó)河北050021石家莊中心地震臺(tái)

黃驊井水位映震效能分析

尹宏偉1）梁麗環(huán)1）韓文英1）李 鳳2）劉 靜2）

1） 中國(guó)河北053800深州地震臺(tái)

2）中國(guó)河北050021石家莊中心地震臺(tái)

收集整理河北省地下流體觀測(cè)井網(wǎng)黃驊井水位對(duì)2004年以來(lái)全球MS≥8.0地震的同震響應(yīng)資料，從響應(yīng)形態(tài)、響應(yīng)幅度、響應(yīng)時(shí)間等方面進(jìn)行分析，并對(duì)黃驊井水位階變異常進(jìn)行分析。結(jié)果表明，黃驊井水位的同震響應(yīng)形態(tài)以階變?yōu)橹鳎凰坏耐痦憫?yīng)幅度隨震級(jí)增大而增大，但非單純地隨井震距的增大而減小；井震距越近震級(jí)越大，水位響應(yīng)地震速度越快。分析認(rèn)為，2015年以來(lái)黃驊井水位階變異?？赡芘c昌黎4.2級(jí)地震有一定相關(guān)性。

水位；同震響應(yīng)；階變異常；昌黎4.2級(jí)地震

0 引言

由于地下水具有流動(dòng)性、普遍性以及難壓縮性等特點(diǎn)，當(dāng)其封閉條件足夠好，埋藏深度足夠深時(shí)，形成承壓含水層，就能客觀、靈敏地反映地殼應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。一次地震發(fā)生后，震中外圍井孔因地震波傳播作用水位出現(xiàn)振蕩或階變，稱為井水位同震響應(yīng)。井孔水位同震響應(yīng)研究是揭示地殼介質(zhì)對(duì)應(yīng)力—應(yīng)變過(guò)程響應(yīng)最有效和最直接的手段之一，是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外地震工作者研究的熱點(diǎn)（Cooper，1965；黃輔瓊等，2000；張國(guó)民等，2005；舒優(yōu)良等，2006；付虹等，2007；廖麗霞等，2008；顧申宜等，2011；魚(yú)金子等，2012；鄭江蓉等，2013）。

在地震孕育過(guò)程中，巖石中的微小應(yīng)變反映在孔隙壓力變化上，并通過(guò)靜水壓力的傳遞或水的滲流，在井孔水位動(dòng)態(tài)中表現(xiàn)出來(lái)（陳大慶等，2006）。地下水位的震前異常已經(jīng)被許多專家研究所證實(shí)。張世民等（2003）研究了周至井地下流體觀測(cè)資料在2002年12月14日甘肅玉門5.9級(jí)地震短臨異常特征；車用太等（2014）研究了金沙江水網(wǎng)地下水動(dòng)態(tài)在彝良MS5.7地震前兆異常及特征；付虹等（2014）研究了云南開(kāi)遠(yuǎn)井水位震前持續(xù)低值異常。

本文通過(guò)收集整理黃驊井水位觀測(cè)資料，研究該井水位2004年以來(lái)17次國(guó)內(nèi)外MS≥8.0地震的同震響應(yīng)特征，及河北昌黎近期MS4.2地震前異常變化，以期最大限度地挖掘黃驊井水位資料蘊(yùn)含的有用信息，為相關(guān)地震研究服務(wù)。

1 井孔地質(zhì)構(gòu)造背景

黃驊井1971年成井，為自流井，奧陶系灰?guī)r裂隙承壓水，水中含有大量砂石塊和氣體，出水量375 m3/h，多年泄流后，2001年出水量約170 m3/h，井孔—含水層系統(tǒng)導(dǎo)水性能良好。該井地處華北沉降帶埕寧隆起東北部邊緣埕西潛山構(gòu)造帶，距渤海約30 km，井深1 250 m，1 100 m深處穿越羊二莊斷裂帶（周邊地質(zhì)構(gòu)造及井孔柱狀見(jiàn)圖1），該斷裂帶延伸方向長(zhǎng)，切割深度深，從沙壘田凸起西側(cè)向NE方向延伸，與遼河中央凸起西側(cè)的臺(tái)安—大洼斷裂相連，表現(xiàn)為左階雁列—梳狀NE向展布，在剖面上表現(xiàn)出高陡或花狀特點(diǎn)，兩側(cè)地層差異較大（劉建忠等，2004；李三忠等，2004）。

黃驊井含水層巖性為灰?guī)r，質(zhì)地較松軟，連通的地下含水體裂隙大且發(fā)育，水循環(huán)深、徑流長(zhǎng)，尤其在較高溫度和較低有效圍壓環(huán)境條件下，特殊的地質(zhì)構(gòu)造和含水體結(jié)構(gòu)決定了該井含水層可能更易受華北地區(qū)應(yīng)力場(chǎng)變化影響，更易處于受力破裂或變形狀態(tài)（車用太等，1989；車用太，1990）。所以，在地震孕育過(guò)程中，當(dāng)與黃驊井含水層有關(guān)聯(lián)的斷裂塊體應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，巖體裂隙度就可能發(fā)生變化，從而導(dǎo)致該井含水層應(yīng)力變化，引起井孔水位出現(xiàn)異常變化。

圖1　黃驊井地質(zhì)構(gòu)造和井孔柱狀Fig.1 The geological structure of Huanghua well and the well bore log chart

鉆孔資料表明，黃驊井孔地層缺少下第三系和石炭二疊系，上第三系明化鎮(zhèn)組直接與奧陶系不整合接觸，斷層、裂縫和地質(zhì)不整合面構(gòu)成流體活動(dòng)通道，決定了該井水位的動(dòng)態(tài)靈敏性，表現(xiàn)為水位呈趨勢(shì)下降變化，微動(dòng)態(tài)清晰，氣壓效應(yīng)、潮汐效應(yīng)明顯。而該井觀測(cè)的含水層距地面較深，因此受大氣降雨滲入影響較小，水位持續(xù)下降是因?yàn)椋孩匍L(zhǎng)期開(kāi)采導(dǎo)致地下水儲(chǔ)量減少；②大港油田石油開(kāi)采降低整個(gè)區(qū)域地層壓力，引起水位埋深降低（盛艷蕊等，2010）。

2 井孔水位同震響應(yīng)特征

選取2004年1月至2015年11月全球17次MS≥8.0地震，分析黃驊井水位同震響應(yīng)特征，響應(yīng)形態(tài)特征統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1，水位同震響應(yīng)記錄見(jiàn)圖2。

表1　黃驊井水位同震響應(yīng)形態(tài)特征統(tǒng)計(jì)Table 1 The morphological feature statistics of coseismic response as water level of Huanghua well

圖2　黃驊井水位同震響應(yīng)動(dòng)態(tài)記錄曲線Fig.2 The dynamic curve of coseismic response of Huanghua well water level against the earthquake

2.1 響應(yīng)幅度

從表1、圖2可見(jiàn)，黃驊井水位對(duì)17次MS≥8.0地震中9次地震產(chǎn)生同震響應(yīng)，6次地震無(wú)響應(yīng)，2次地震資料缺失。從圖2看出，黃驊井水位同震響應(yīng)形態(tài)以階變?yōu)橹?，表現(xiàn)為階升、階降—緩升、振蕩—階升、振蕩—階降形態(tài)。黃驊井水位對(duì)各地震同震響應(yīng)幅度不同，持續(xù)時(shí)間不等，且井孔水位響應(yīng)地震時(shí)間不一致。其中，2008年汶川8.0級(jí)地震響應(yīng)幅度最大，震后水位階升879 mm，2006年11月15日千島群島MS8.0地震響應(yīng)幅度最小，僅5 mm。

（1）2004年以來(lái)印度尼西亞蘇門答臘附近共發(fā)生6次MS8.0以上地震，與黃驊井距離相近，震級(jí)從8.2—8.7不等，井水位響應(yīng)幅度也不一致。從表1可見(jiàn)，震級(jí)最大的兩次地震分別是2004年12月26日MS8.7地震和2012年4月11日MS8.6地震，黃驊井水位響應(yīng)幅度分別為227 mm和250 mm；震級(jí)最小的兩次地震分別是2007年9月13日MS8.3地震和2012年4月11日MS8.2地震，黃驊井水位響應(yīng)幅度分別是11 mm和54 mm，可見(jiàn)，當(dāng)井震距相近時(shí)，黃驊井水位的同震響應(yīng)幅度大體隨震級(jí)增大而增大。

（2）2004年以來(lái)全球發(fā)生8次MS8.0、MS8.1地震，黃驊井水位對(duì)其中3次地震產(chǎn)生同震響應(yīng)（表1）：①2008年汶川MS8.0地震距黃驊井1 543 km，是井震距最近的8.0級(jí)地震，井水位響應(yīng)幅度在17次大震中最大，為879 mm；②2006年4月21日勘察加半島MS8.0地震井震距4 220 km，水位響應(yīng)幅度為23 mm；③2006年11月15日千島群島MS8.0地震井震距3 036 km，水位響應(yīng)幅度為5 mm。

2005年6月14日和2014年4月2日智利2次MS8.1地震，黃驊井水位均無(wú)響應(yīng)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，河北省測(cè)震臺(tái)站均記錄到此2次遠(yuǎn)震，其中玉田井記錄到2005年6月14日智利8.1級(jí)地震的大幅度水震波，峰4井記錄到2014年4月2日智利8.1級(jí)地震的大幅度水震波（受篇幅所限，未附圖件），可見(jiàn)地震已波及河北省，并被某些觀測(cè)井記錄到。黃驊井未記錄到智利2次地震，可能是因?yàn)椋孩倥c井孔結(jié)構(gòu)及含水層有關(guān)，井筒半徑、井筒內(nèi)水柱高度、含水層巖體結(jié)構(gòu)等決定了觀測(cè)井的固有頻率，當(dāng)該頻率與地震面波頻率一致時(shí)，井孔水位響應(yīng)地震能力最強(qiáng)（張子廣等，1998），黃驊井固有頻率可能與智利地震面波頻率不一致；②與距離有關(guān)，井震距太遠(yuǎn)，地震波經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳播，能量衰減，到達(dá)黃驊井后剩余能量不足以引起井孔水位變化。

（3）2013年5月24日鄂霍次克海MS8.2地震和2015年5月30日日本小笠原群島MS8.0地震井震距不是太大，黃驊井水位無(wú)同震響應(yīng)，可能是震源深度太大的原因，鄂霍次克海地震震源深度為600 km，日本小笠原群島地震震源深度為690 km。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)震級(jí)相近時(shí)，黃驊井水位的同震響應(yīng)幅度有隨井震距增大而減小的趨勢(shì)，但不完全一致，勘察加半島MS8.0地震的井震距比千島群島MS8.0地震的井震距大，二者震源深度同為33 km，但黃驊井水位對(duì)其響應(yīng)幅度卻比千島群島地震大。

綜上所述，黃驊井水位的同震響應(yīng)幅度不僅與震級(jí)、井震距、震源深度有關(guān)，還可能與震源機(jī)制、地震波傳播路徑的地質(zhì)構(gòu)造等因素有關(guān)。

2.2 響應(yīng)時(shí)間

從表1可知，黃驊井水位同震響應(yīng)時(shí)間最短的是2004年12月26日印度尼西亞蘇門答臘MS8.7地震，震后13 min井水位出現(xiàn)響應(yīng)；響應(yīng)時(shí)間最長(zhǎng)的是2012年4月11日印度尼西亞蘇門答臘MS8.2地震，震后24 min井水位才出現(xiàn)響應(yīng)。因2012年4月11日印度尼西亞蘇門答臘發(fā)生2次地震，在MS8.2地震前2 h4 min發(fā)生1次MS8.6地震，2次地震相隔時(shí)間短，MS8.6地震掩蓋了MS8.2地震對(duì)黃驊井對(duì)水位的影響，導(dǎo)致黃驊井水位對(duì)MS8.2地震的響應(yīng)時(shí)間判定存在偏差，故對(duì)此不做分析。2005年3月29日印度尼西亞蘇門答臘MS8.5地震后17 min黃驊井水位出現(xiàn)響應(yīng)，比2004年MS8.7地震慢4 min，2次地震的井震距相差114 km，而地震波傳播速度一般為6—8 km/s，4 min傳播距離可達(dá)2 000 km，可見(jiàn)響應(yīng)時(shí)間差非距離引起；黃驊井水位儀時(shí)鐘采用GPS授時(shí)，精度高，鐘差可以忽略不計(jì)，故響應(yīng)時(shí)間差也非儀器鐘差引起。因此，①震級(jí)決定了黃驊井水位對(duì)井震距相近的2次地震響應(yīng)時(shí)間快慢不同，同一地點(diǎn)不同時(shí)間發(fā)生2次地震，震級(jí)越大，水位響應(yīng)速度越快，反之亦然；②對(duì)于不同地點(diǎn)不同時(shí)間的2次地震，如：2007年9月12日印度尼西亞MS8.5地震及2007年9月13日印度尼西亞MS8.3地震，由表1可知，MS8.5地震井震距較大，而黃驊井水位對(duì)其響應(yīng)較快，可見(jiàn)此類地震水位響應(yīng)時(shí)間與井震距無(wú)關(guān)，與震級(jí)大小成正比。

3 井孔水位階變異常分析

黃驊井水位2004年開(kāi)始數(shù)字化觀測(cè)，由于地?zé)峒笆烷_(kāi)采過(guò)量，水位呈趨勢(shì)下降變化，至2015年11月累計(jì)下降27.2 m，且多次出現(xiàn)大幅度階變（圖3），下降幅度大于0.500 m（同震階變除外）的階變統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

圖3　2004—2015年黃驊井水位動(dòng)態(tài)變化曲線（a）2004—2015年；（b）2015年Fig.3 The dynamic level graph of Huanghua well

表2　2004—2015年黃驊井水位階變統(tǒng)計(jì)Table 2 The status variable statistics of Huanghua well water level from the year 2004 to 2015

從圖3、表2可見(jiàn)，2004—2014年黃驊井水位出現(xiàn)12次階變，最大幅度為1.502 m，2015年以來(lái)水位階變頻次增加，幅度變大，在不到1年時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)6次大幅度階變，最大幅度為4.356 m，并于9月14日18：10在河北昌黎發(fā)生MS4.2地震，震源深度10 km，井震距185 km。在此以此次昌黎地震為例，分析黃驊井水位2015年階變異常特征。

3.1 水位階變發(fā)震特征

（1）黃驊井水位曾記錄到顯著地震前兆異常。2005年1月—2006年6月黃驊井水位呈下降趨勢(shì)，6月28日—29日大幅上升，幅度約0.2 m，之后高值變化，7月4日凌晨水位再次加速上升，11：56發(fā)生文安5.1級(jí)地震（呼晶磊等，2008）；2012年2月2日02：03—04：38黃驊井水位快速下降0.676 m，之后小幅振蕩25 min，然后小幅突升，05：16遼寧營(yíng)口發(fā)生4.3級(jí)地震，05：17達(dá)最高值，05：29—06：51水位又快速回升0.157 m，05：43營(yíng)口又發(fā)生1次4.1級(jí)地震（張素欣等，2013）。

（2）黃驊井水位在整體下降趨勢(shì)背景下，2015年3月1日14：00至6月28日16：00出現(xiàn)4次大幅度階升變化，變化幅度分別為4.356 m、1.678 m、1.099 m、2.160 m，之后水位趨勢(shì)下降，并在下降過(guò)程中于9月14日18：10發(fā)生河北昌黎4.2級(jí)地震，見(jiàn)表2、圖3。對(duì)2015年3月1日黃驊井水位4.356 m的階升變化，河北省地震局預(yù)測(cè)研究中心流體學(xué)科組進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)。通過(guò)校測(cè)水位、檢查觀測(cè)系統(tǒng)工作狀態(tài)及地表水環(huán)境、石油井開(kāi)采注水等調(diào)查，并結(jié)合該井以往震例資料，分析認(rèn)為，黃驊井水位大幅度階升變化與該井之前階變成因機(jī)理相同，應(yīng)為構(gòu)造活動(dòng)引起，應(yīng)密切跟蹤監(jiān)視，并關(guān)注郯廬地震帶及環(huán)渤海地區(qū)地震活動(dòng)（丁志華等，2015）①丁志華，張子廣，盛艷蕊等，2015，異常核實(shí)——2015年3月7日河北黃驊井水位。可見(jiàn)，黃驊井水位階變異常與地震在時(shí)間上對(duì)應(yīng)關(guān)系較好，水位變化形態(tài)表現(xiàn)為多次大幅度階升，到達(dá)高值后下降，并在下降過(guò)程中發(fā)震。

3.2 孕震機(jī)理

李欽祖（1982）研究震前地下水動(dòng)態(tài)異常展布范圍認(rèn)為，大多數(shù)地震前地下水異常可能是與震源相關(guān)聯(lián)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)活動(dòng)的反映，即各種復(fù)雜地下水異常反映的是一個(gè)映震場(chǎng)。張素欣等（2013）采用多點(diǎn)應(yīng)力集中解釋了黃驊井水位在遼寧營(yíng)口地震前出現(xiàn)大幅下降的前兆異常變化機(jī)理。地震的孕育與發(fā)生是區(qū)域應(yīng)力作用結(jié)果，由于地殼被斷裂切割成不連續(xù)介質(zhì)，當(dāng)區(qū)域邊界上有外力作用時(shí)，如板塊擠壓或地幔物質(zhì)上涌，必然同步出現(xiàn)多個(gè)應(yīng)力集中點(diǎn)，其介質(zhì)的構(gòu)造條件、幾何形狀和力學(xué)性質(zhì)不盡相同，應(yīng)力集中的程度、應(yīng)變水平及演化進(jìn)程也會(huì)多種多樣。

黃驊井所處羊二莊斷裂帶向NE方向延伸穿過(guò)河北秦皇島地區(qū)，即2015年昌黎4.2級(jí)地震的震中區(qū)域，該地震的孕震體可能在羊二莊斷裂帶，或與該斷裂帶密切相關(guān)。因此，在昌黎地震孕育過(guò)程中，孕震巖體應(yīng)力應(yīng)變的微小變化通過(guò)羊二莊斷裂帶傳播到黃驊井含水層，引起含水層巖體孔隙度改變。因黃驊井孔—含水層系統(tǒng)導(dǎo)水性能良好，含水層巖體孔隙度改變導(dǎo)致井筒與含水層之間水量交換，當(dāng)含水層巖體孔隙度減小時(shí)，水從含水層流向井筒，水位上升；當(dāng)含水層巖體孔隙度增大時(shí)，水從井筒流回含水層，水位下降。觀測(cè)井含水層巖體相當(dāng)于1臺(tái)拾震器，而井筒及所含水柱則相當(dāng)于1臺(tái)地震記錄儀，黃驊井觀測(cè)層位承壓性好，水位觀測(cè)靈敏度高，對(duì)地殼巖體的微小應(yīng)變產(chǎn)生放大作用，由此導(dǎo)致該井水位在地震前出現(xiàn)大幅度階變?？梢?jiàn)，黃驊井水位2015年階變異常與昌黎4.2級(jí)地震具有一定相關(guān)性。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)黃驊井水位同震響應(yīng)和階變異常特征進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：①黃驊井水位對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)大震的同震響應(yīng)形態(tài)以階變?yōu)橹?；②水位同震響?yīng)幅度大體隨震級(jí)增大而增大；③水位同震響應(yīng)幅度并非單純隨井震距增大而減小，還可能與震源深度、震源機(jī)制、地震波傳播路徑等因素有關(guān)；④當(dāng)井震距相近時(shí)，井孔水位響應(yīng)地震速度主要取決于地震震級(jí)，震級(jí)越大，井水位響應(yīng)地震速度越快；⑤2015年以來(lái)黃驊井水位出現(xiàn)的幾次大幅度階變異?？赡芘c昌黎4.2級(jí)地震的發(fā)生具有一定相關(guān)性。

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Abstract

In our work，earthquake coseismic response data which was provided from the observation well pattern of underground fluid level of Hebei Province at Huanghua well，generated by the earthquake happened in the global MShigher than acuity 8.0 since 2004 are collected and analyzed.The analysis contained many aspects such as the response form，the response amplitude，response time and so on.We also analysed the anomaly step change of water level of Huanghua well.As the results，the form of coseismic response of water level in Huanghua well is mainly performed by step variable.The water level of coseismic response amplitude increases with the growth of the magnitude，but it does not simply decrease with increasing the epicentral distance.When the epicentral distance is similar，the magnitude of earthquake is greater，and the response of water level to the earthquake is faster.Since 2015，the level change of Huanghua well with abnormal status may have certain relevance with Changli M 4.2 earthquake.

The efficiency search of water level in Huanghua well

Yin Hongwei1），Liang Lihuan1），Han Wenying1），Li Feng2）and Liu Jing2）
1） Shenzhou Seismic Station，Hebei Province 053800，China
2） Shijiazhuang Central Seismic Station，Hebei Province 050021，China

water level，co-seismic response，stepping change anomaly，Changli M 4.2 earthquake

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.03.004

尹宏偉（1971—），男，工程師，主要從事地下流體觀測(cè)與研究工作。E-mail：yinhongwei1971@163.com