日本MW9.0地震引起的吉林省地下流體同震響應(yīng)特征分析

綦 偉, 李仲巍, 劉達(dá)峰, 金 偉, 張 磊

（龍崗火山監(jiān)測(cè)站，吉林 撫松 134528）

日本MW9.0地震引起的吉林省地下流體同震響應(yīng)特征分析

綦 偉, 李仲巍, 劉達(dá)峰, 金 偉, 張 磊

（龍崗火山監(jiān)測(cè)站，吉林 撫松 134528）

分析了吉林省境內(nèi)地下流體觀測(cè)井網(wǎng)對(duì)日本MW9.0地震的同震響應(yīng)。結(jié)果表明，盡管震中距離、地下流體觀測(cè)井巖性及環(huán)境各異，多數(shù)的觀測(cè)井仍具有較好的同震響應(yīng)。同震響應(yīng)主要以水位階變和振蕩為主，而水溫觀測(cè)無明顯變化。基于如上分析，討論了同震響應(yīng)變化的可能機(jī)理。

日本MW9.0地震；同震響應(yīng)；地下流體

P315.723

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.04.009

1674-8565（2017）04-0049-05

吉林省地震局合同制科研課題項(xiàng)目（編號(hào)：201705）；地震行業(yè)科研專項(xiàng)結(jié)余資金使用計(jì)劃項(xiàng)目（2013年吉林前郭5.8級(jí)震群研究）

2017-08-22

2017-10-02

綦偉（1973-），男，吉林省撫松縣人，1996年畢業(yè)于吉林省化工學(xué)校，本科，工程師，現(xiàn)主要從事火山與地震觀測(cè)研究工作。E-mail： qw731215281@sina.com

0 引言

2011年3月11日，日本宮城縣以東太平洋海域發(fā)生了MW9.0特大地震。這次地震，造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，地震影響和波及范圍廣泛。據(jù)有關(guān)研究表明，此次地震造成了日本本土列島向東移動(dòng)數(shù)米，與之相毗鄰的東亞大陸也出現(xiàn)程度不等的地表移動(dòng)[1]，并引起了我國(guó)境內(nèi)較多地震臺(tái)站前兆觀測(cè)的同震響應(yīng)。僅以地下流體觀測(cè)為例，從距震中較近的東北地區(qū)，到西北的新疆，均有不同程度的同震變化[2-4]。這表明，地下流體觀測(cè)作為地震前兆監(jiān)測(cè)的重要組成部分，其動(dòng)態(tài)變化能較靈敏地反映地震和構(gòu)造活動(dòng)的信息。吉林省是我國(guó)發(fā)生大震較少的地區(qū)，前兆觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)的映震能力缺乏有效的驗(yàn)證，而這次日本MW9.0大震提供了檢驗(yàn)的契機(jī)，歸納總結(jié)該井網(wǎng)對(duì)這次地震的同震反應(yīng)并分析其變化，對(duì)研究該區(qū)井-含水層系統(tǒng)中的應(yīng)力狀態(tài)、大地震的遠(yuǎn)場(chǎng)效應(yīng)特點(diǎn)以及評(píng)估該井網(wǎng)的映震能力，是十分必要和有益的。

1 吉林省地下流體觀測(cè)網(wǎng)基本情況

吉林地下水井網(wǎng)始建于80年代，歷經(jīng)“八五”、“九五”清理攻關(guān)，特別是“十五”數(shù)字化改造后，井網(wǎng)布局趨于合理，觀測(cè)系統(tǒng)環(huán)境得到進(jìn)一步改善，多數(shù)水井增加了水溫觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)了一井多用和數(shù)字化記錄。觀測(cè)井孔以縱貫吉林省的伊通—舒蘭斷裂為界，分布于東部山區(qū)和西部平原不同地貌構(gòu)造單元之中。東部觀測(cè)井巖性多為火成巖，西部觀測(cè)井主要為沉積相的砂巖、細(xì)粉砂巖。觀測(cè)井多數(shù)為承壓井，觀測(cè)靜水位或自流水位。井深埋深從數(shù)十米至幾百米不等，但東部觀測(cè)井埋深普遍淺于西部。多數(shù)觀測(cè)井的水位儀為L(zhǎng)N-3A數(shù)字化水位，水溫儀器為SWA-1A數(shù)字化水溫儀，并實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化傳輸。

圖1為吉林省地下流體觀測(cè)井網(wǎng)的空間分布圖，其中標(biāo)繪了在這次地震中具有同震效應(yīng)的井位。從圖中可以看出，多數(shù)觀測(cè)井記錄到了這次的同震變化，在其余未能記錄到同震效應(yīng)的觀測(cè)井中，除個(gè)別井記錄質(zhì)量欠佳外，還有部分井為非數(shù)字化記錄未參與分析。表1給出了這次地震具有同震效應(yīng)觀測(cè)井的基本參數(shù)。

圖1 吉林省地下流體井位分布圖Fig.1 Location map of ground fluid in Jilin Province

表1 井孔（同震效應(yīng)）相關(guān)參數(shù)

2 日本MW 9.0地震同震反應(yīng)

2.1 地下水位同震反應(yīng)

前已述及，在日本MW9.0地震后，吉林省境內(nèi)有相當(dāng)部分的水井水位出現(xiàn)同震反應(yīng)。表2列出這些井同震反應(yīng)的具體情況。從表2中可以看出，這些觀測(cè)井的水位同震反應(yīng)大致可分為兩類：即一類井水位在正常的日變背景上出現(xiàn)脈沖式振蕩，持續(xù)時(shí)間較短，之后恢復(fù)正常變化形態(tài)；另一類井則出現(xiàn)階升或階降，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，具體形態(tài)變化如圖2-5所示。

表2 各井孔的同震效應(yīng)統(tǒng)計(jì)表

2.1.1 階變式同震反應(yīng)

階變式同震反應(yīng)的特點(diǎn)為地震時(shí)在正常觀測(cè)值曲線的背景下，出現(xiàn)較緩的階升或階降，或地震時(shí)出現(xiàn)振蕩并伴有階升或階降，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。如撫松井水位在震時(shí)即出現(xiàn)較大階降，至當(dāng)日晚17: 50，下降幅度約為0.239m，之后降幅轉(zhuǎn)緩，至次日13: 20，共累積下降0.339m，之后觀測(cè)值曲線雖然恢復(fù)為正常的固體潮日變形態(tài)，但仍處于低值區(qū)，直至4月中旬才恢復(fù)至正常背景。云峰井水位從震時(shí)13: 52起至14: 23急速上升，上升幅度為0.078m，然后下降恢復(fù)，到18:52至正常背景值附近，之后觀測(cè)值曲線持續(xù)緩慢上升，持續(xù)時(shí)間約70h，變幅達(dá)0.117m，在此高水位值的背景下數(shù)日后緩慢下降，至4月初恢復(fù)至正常背景。蛟河井水位變化同云峰井類似，地震初始時(shí)有變幅較大振蕩，變幅達(dá)0.224m，然后觀測(cè)值曲線持續(xù)下降，直至4月中旬才恢復(fù)到正常背景值附近。

圖2 撫松井水位觀測(cè)值曲線（分鐘值）Fig.2 Water level observation curve of Fusong well（Minute value）

圖3 云峰井水位觀測(cè)值曲線（分鐘值）Fig.3 Water level observation curve of Yunfeng well（Minute）

圖4 蛟河井水位觀測(cè)值曲線（分鐘值）Fig.4 Water level observation curve of Jiaohe well（Minute）

圖5 三崗井、乾安井水位觀測(cè)值曲線（分鐘值）Fig.5 Water level observation curves of Sangang and Qianan well（Minute value）

2.1.2 振蕩式同震反應(yīng)

此類同震反應(yīng)在吉林省地下水位觀測(cè)井中占多數(shù)，主要特征為地震時(shí)在正常的日變背景上疊加振蕩式脈沖變化，持續(xù)時(shí)間較短，振幅相對(duì)于日變較小，多數(shù)無后效影響或后效影響甚微。從持續(xù)時(shí)間上可分為兩類觀測(cè)井，一類是震動(dòng)持續(xù)幾分鐘，振幅小，隨即恢復(fù)正常，如乾安、套浩太井等；另一類持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，可達(dá)數(shù)小時(shí)，并具有一定的后效影響，如三崗、長(zhǎng)嶺，東大什等觀測(cè)井。

2.2 水溫同震反應(yīng)

吉林省地下流體觀測(cè)中水溫觀測(cè)對(duì)這次地震有響應(yīng)的觀測(cè)井甚少，白城井水溫觀測(cè)有微弱反應(yīng)。地震時(shí)溫度值曲線出現(xiàn)向下的脈沖變化，持續(xù)時(shí)間為12m，變幅為0.0153℃，之后恢復(fù)正常背景值。其余觀測(cè)井均未記錄到同震效應(yīng)。

圖6 白城井水溫觀測(cè)值曲線（分鐘值）Fig.6 Water temperature observation curve of Baicheng well（Minute value）

3 討論與結(jié)論

綜上分析，給出如下認(rèn)識(shí)與結(jié)論：

日本MW9.0大地震的同震效應(yīng)空間分布廣泛，在吉林省境內(nèi)有明顯同震影響，表明吉林地下流體觀測(cè)網(wǎng)的映震能力較強(qiáng)，能夠較靈敏監(jiān)測(cè)到井-含水層系統(tǒng)中應(yīng)力的擾動(dòng)變化。

對(duì)比各觀測(cè)井同震效應(yīng)的不同變化，可以看出，距震中相對(duì)較近的觀測(cè)井水位，多出現(xiàn)階升或階降變化，而距震中相對(duì)較遠(yuǎn)的觀測(cè)井水位則為振蕩型變化。這表明，震中較近的觀測(cè)到的水位階變是由于應(yīng)力波作用于含水層介質(zhì)產(chǎn)生的孔隙壓力的變化引起的，含水層受壓時(shí)上升，受拉張時(shí)下降 , 因此震后階躍上升的水井水位可能包含有區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的信息。水位階升集中區(qū)可能是區(qū)域壓應(yīng)力相對(duì)集中區(qū), 反之，水位階降區(qū)可能為應(yīng)力引張區(qū)[5]。另外，上述觀測(cè)井的同震變化還可能與所處的不同構(gòu)造單元有關(guān)，以伊舒斷裂帶為界，東部山區(qū)為張廣才嶺—長(zhǎng)白山隆起帶，西部分松遼斷陷沉降帶。兩大構(gòu)造單元的基巖存在明顯差異，井-含水層系統(tǒng)受構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的響應(yīng)特征也不一樣。

觀測(cè)井出現(xiàn)振蕩型的同震效應(yīng)可視作井孔—含水層-記錄儀器水位觀測(cè)系統(tǒng)與拾震器-地震記地震觀測(cè)系統(tǒng)相似 , 記錄了地震面波的長(zhǎng)周期分量，即在地震應(yīng)力的作用下，含水層介質(zhì)變形引起孔隙壓力的變化，孔隙壓力的變化導(dǎo)致井口水位震蕩[6]。

從表2中可以看出，各觀測(cè)井同震效應(yīng)的變化幅度各異、量級(jí)不同，似乎與震中距關(guān)系不大，但相對(duì)于各井自身的日變幅而言，具有階變反應(yīng)的觀測(cè)井，即離地震震中距較近的井，相對(duì)變化較大。各觀測(cè)井記錄到地震同震效應(yīng)的差異，除上述條件外，還與觀測(cè)井孔的巖性、觀測(cè)水柱的高度及體積、埋深等觀測(cè)環(huán)境密切相關(guān)，同時(shí)還可能與地震波傳波過程中的地質(zhì)構(gòu)造條件有關(guān)。

研究區(qū)內(nèi)水溫同震效應(yīng)不明顯，僅白城井有微弱反應(yīng)。一般認(rèn)為，水溫同震效應(yīng)與水位同震效應(yīng)存在一定的關(guān)系，即水井水位振蕩引起水體熱交換形成的，即井孔中的水體受振蕩激發(fā)而加速對(duì)流與摻混造成的地下水動(dòng)力學(xué)作用引起的。除與震中距、震級(jí)密切相關(guān)外，還與區(qū)域應(yīng)力作用下的井孔-含水層系統(tǒng)介質(zhì)受力狀況、井孔水位固有周期、阻尼等頻響特性、水溫探頭觀測(cè)位置等有關(guān)[7]。需要指出的是，與吉林省毗鄰的遼寧省地震前兆觀測(cè)網(wǎng)，也未記錄到這次地震的水溫同震效應(yīng)[4]。由此可以推測(cè)，此次地震的震源類型及對(duì)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的作用方式，可能是造成此現(xiàn)象的主要原因。

目前，已有大量的震例表明，大地震會(huì)引發(fā)各類前兆觀測(cè)的同震效應(yīng)，其中地下流體的同震效應(yīng)是最為豐富和復(fù)雜的，亟待更深入的探索與研究。本文僅是初步總結(jié)分析了吉林省地下流體井對(duì)這次日本地震同震效應(yīng)的變化特征，更細(xì)致的研究，還需進(jìn)一步挖掘資料，并拓展至其它相關(guān)觀測(cè)資料，開展更深入的實(shí)驗(yàn)和研究，以期得到更多有意義的認(rèn)識(shí)。

[1]王敏，李強(qiáng)，王凡，等.全球定位系統(tǒng)測(cè)定的2011年日本宮城MW9.0地震遠(yuǎn)場(chǎng)同震位移[J].科學(xué)通報(bào)，2011，56（20）：1593-1596.

[2]姜城，王禹萌.吉林通化地震臺(tái)四分量鉆孔應(yīng)變?cè)谌毡?.0級(jí)地震前后的變化特征[J].山西地震，2014，3（1）：16-18.

[3]吳海波，李希文，柴紅澤，等.延壽井水溫資料的遠(yuǎn)場(chǎng)效應(yīng)研究[J].防震減災(zāi)學(xué)報(bào)，2011，27（4）：26-29.

[4]包秀敏，冀林旺.遼寧前兆臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)與日本3.11地震同震效應(yīng)研究[J].防震減災(zāi)學(xué)報(bào)，2012，28（4）：21-27.

[5]付虹，劉麗芳，王世芹，等.地方震及近震地下水同震震后效應(yīng)研究[J].地震，2002，22（4）：55-65.

[6]汪成國(guó)，盛琰，高守權(quán)，等.日本9.0級(jí)地震引起新30井水位水溫同震響應(yīng)及震后效應(yīng)特征分析[J].內(nèi)陸地震，2015，29（1）：37-42.

[7]魚金子，車用太，劉成龍.金沙江水網(wǎng)對(duì)日本9.0級(jí)地震的同震響應(yīng)及其特征與機(jī)理[J].地震，2012，32（1）：61-69.

Coseismic Response Characteristics of Ground Fluid in JiLin Province Caused by JapanMW9.0 Earthquake

QI Wei，LI Zhong-wei，LIU Da-feng，JIN Wei，ZHANG Lei

（Volcanic Observatory of Longgang，Jilin Fusong 134528，China）

This paper analyzes the coseismic response of the ground fluid observation network in Jilin Province to the JapanMW9.0 earthquake. The results show that most of the observation wells have good coseismic response despite the epicentral distance, the lithology of the subsurface fluid observation well and the environment. The coseismic response is dominated by water level change and oscillation, while no significant change in water temperature observation. Based on the above analysis, the possible mechanism of coseismic response is discussed.

JapanMW9.0 earthquake; coseismic response; Jilin Province; ground fluid