云南普洱大寨井水位同震響應(yīng)研究及預(yù)測(cè)意義*

胡小靜，付 虹，李 濤，李 瓊

(云南省地震局，云南 昆明 650224)

0 引言

井-含水層系統(tǒng)對(duì)地震波的響應(yīng)非常靈敏，中強(qiáng)以上地震發(fā)生后，其外圍的井-含水層系統(tǒng)經(jīng)?？梢杂涗浀斤@著的同震響應(yīng)(汪成民等，1988；車用太等，1989；付虹等，2002)。過(guò)去幾十年，國(guó)內(nèi)外地震學(xué)家和水文地質(zhì)學(xué)家對(duì)此廣泛關(guān)注(Leggette，Taylor，1935；Wang，Manga，2010；Yanetal，2014)，并取得了很多成果：如在同震響應(yīng)的機(jī)理機(jī)制研究方面，Elkhoury等(2006)認(rèn)為地震波可增加滲透率，Wang和Manga(2010)提出地震引起的滲透率變化可能是解釋同震水位階變的主要機(jī)制，同時(shí)構(gòu)造因素與水文地質(zhì)因素對(duì)于控制地下水同震響應(yīng)特征具有重要作用(史浙明，2015)；晏銳和黃輔瓊(2009)認(rèn)為同震響應(yīng)方式可能與井孔所處地區(qū)的局部應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)或井-含水層系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變化有關(guān)；Liao等(2015)認(rèn)為大地震能打破隔水層是導(dǎo)致井水位同震大幅變化的主要原因。在井水位的映震能力方面，萬(wàn)登堡(1992)發(fā)現(xiàn)在1983年越南7.0級(jí)、1988年瀾滄7.6級(jí)和1991年緬甸7.6級(jí)地震前部分井孔的計(jì)震能力發(fā)生了改變，認(rèn)為井水位映震能力變化可能是地下水預(yù)報(bào)中強(qiáng)地震的一種新方法；魚(yú)金子等(1993，2012)認(rèn)為，當(dāng)含水層受壓應(yīng)力作用時(shí)，空隙率變小、滲透性變?nèi)?，井孔水震波響?yīng)能力可能降低；相反，含水層受張應(yīng)力作用時(shí)，空隙率變大、滲透性變強(qiáng)時(shí)，井孔水震波響應(yīng)能力加強(qiáng)。

觀測(cè)井同震響應(yīng)過(guò)程與其井含水層、周邊區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)變化可能存在一定關(guān)系，當(dāng)它的響應(yīng)過(guò)程發(fā)生改變時(shí)，有可能預(yù)示著含水層所處區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，或是與區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)有一定聯(lián)系。本文以云南普洱大寨井為例，試圖通過(guò)分析該井同震響應(yīng)的差異變化與區(qū)域中強(qiáng)以上地震活動(dòng)之間的關(guān)系，進(jìn)而探索井水位同震響應(yīng)變化對(duì)后續(xù)地震的預(yù)測(cè)意義。

1 觀測(cè)井基本概況

圖1 普洱大寨井構(gòu)造位置圖(a)及井孔柱狀圖(b)

表1 普洱大寨井地下流體觀測(cè)情況

普洱大寨井水位觀測(cè)資料顯示(圖2a)，2001—2011年井水位呈小幅度的趨勢(shì)下降，2012—2017年表現(xiàn)為小幅度趨勢(shì)上升，但整體水位變化動(dòng)態(tài)相對(duì)平穩(wěn)；從年動(dòng)態(tài)來(lái)看，每年雨季(5月前后)，水位出現(xiàn)快速上升的過(guò)程，于9月前后達(dá)到峰值，在雨季結(jié)束后(10月左右)開(kāi)始緩慢下降，并于次年4月左右到達(dá)谷值，呈現(xiàn)出明顯的年變形態(tài)(圖2b)。

圖2 普洱大寨井動(dòng)水位(a)及輔助流量(b)觀測(cè)曲線(日均值)

2 同震響應(yīng)的特征

2.1 統(tǒng)計(jì)特征

1990—2018年，思茅大寨井水位共記錄到同震響應(yīng)26次，選取距該井1 000 km范圍內(nèi)的22次地震(表2)作為本文研究對(duì)象。從空間分布來(lái)看，有同震響應(yīng)的地震主要為滇西南及鄰區(qū)的6級(jí)地震、觀測(cè)井附近的3～5級(jí)地震以及8級(jí)遠(yuǎn)震(圖3)。從同震響應(yīng)的幅度來(lái)看最大為2001年昆侖山口西8.1級(jí)地震，幅度約為60.8 cm；最小為2014年景谷5.8級(jí)地震，幅度為1.1 cm；2000年姚安6.5級(jí)地震、1995年武定6.6級(jí)地震的同震響應(yīng)幅度分別為2.0和3.4 cm。從同震響應(yīng)形態(tài)來(lái)看，2000—2018年所有井水位的同震響應(yīng)全部表現(xiàn)為同震階升現(xiàn)象(圖4)，與其他研究者的研究結(jié)果一致(楊竹轉(zhuǎn)等，2006；毛巍穎，2018)，表明自觀測(cè)以來(lái)普洱大寨井水位的同震響應(yīng)形態(tài)未曾發(fā)生改變。

圖3 1990—2018年云南及鄰區(qū)6級(jí)以上震中分布圖

表2 1990—2018年普洱大寨井水位同震階變表

圖4 普洱大寨井動(dòng)水位同震響應(yīng)

2.2 差異性特征及后續(xù)預(yù)測(cè)意義分析

2.2.1 同震響應(yīng)幅度的差異性

井水位同震響應(yīng)幅度與震級(jí)、井震距之間關(guān)系為(Roeloffs，1998)：

lgΔh=b1M+b2lgD+a

(1)

式中：Δh為水位變化幅度，單位為cm；M為震級(jí)；D為震中距；a，b1，b2為常數(shù)。

對(duì)1990—2018年普洱大寨井記錄到的其周圍1 000 km范圍內(nèi)的22次同震響應(yīng)作回歸計(jì)算：

lgh=0.5M+0.789lgD-0.381

(2)

可以計(jì)算出不同震級(jí)和震中距地震引起的井水位變化幅度，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之差表示同震響應(yīng)偏離均值的狀態(tài)(表2)。當(dāng)同震響應(yīng)的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相差超過(guò)8 cm時(shí)，認(rèn)為同震響應(yīng)的變化幅度與正常狀態(tài)存在明顯差別。由表2可見(jiàn)，有6次地震的差值超過(guò)8 cm，其中包含2014年景谷6.6級(jí)地震，其后2個(gè)月在原震區(qū)發(fā)生了5.9級(jí)，5.8級(jí)強(qiáng)余震；其它4次地震后約6個(gè)月在瀾滄江以西的滇西南—小滇西地區(qū)均有5級(jí)以上地震發(fā)生(圖5)。

圖5 同震響應(yīng)計(jì)算幅度與實(shí)際幅度差值

2.2.2 同震響應(yīng)幅度與地震波振幅

考慮到遠(yuǎn)震發(fā)生后，地震波到達(dá)觀測(cè)臺(tái)站時(shí)可能同時(shí)攜帶有多種類型的地震波，難以辨識(shí)，因此本文只選取普洱大寨井震中距1 000 km以內(nèi)的云南及其周邊地震；根據(jù)已有的認(rèn)識(shí)，水位同震響應(yīng)一般與S波關(guān)系更為密切，因此從臺(tái)站記錄的引起同震響應(yīng)的地震波中讀取S波的最大振幅記錄結(jié)果，并與同震響應(yīng)振幅進(jìn)行比較。

思茅臺(tái)距離普洱大寨井約5 km，2000—2018年普洱大寨井水位共記錄到同震響應(yīng)13次，從思茅臺(tái)收集到其中9次地震的地震波形，統(tǒng)計(jì)每次地震同震響應(yīng)的最大幅度與本次地震波形最大振幅速度(表3)，對(duì)二者作線性回歸擬合，并計(jì)算其殘差(圖6)。理論上，當(dāng)周圍介質(zhì)狀態(tài)處于正常狀態(tài)時(shí)，在小區(qū)域范圍內(nèi)每一次地震發(fā)生時(shí)測(cè)震臺(tái)所記錄的S波最大振幅與水位同震響應(yīng)幅度應(yīng)該呈一定的正比關(guān)系。圖6a顯示，大多數(shù)地震過(guò)程中，地震波形最大振幅速度越大，所引起的同震響應(yīng)幅度也越大。圖6b顯示，景谷6.6級(jí)地震所引起的水位響應(yīng)幅度和地震波形最大振幅速度之間偏離最為明顯，其計(jì)算殘差超過(guò)10 cm，表現(xiàn)為較小的波形最大振幅速度引起了極大的同震響應(yīng)幅度，即普洱大寨水位觀測(cè)對(duì)本次地震過(guò)程的響應(yīng)較為強(qiáng)烈。在上次9次地震中，僅有景谷6.6級(jí)地震后2個(gè)月發(fā)生了景谷5.8，5.9級(jí)強(qiáng)余震，這2次余震的響應(yīng)幅度與地震波形振幅最大速度之間吻合程度較好。這種較為顯著的偏離現(xiàn)象可能表明在地震發(fā)生時(shí)，能量并未完全釋放，區(qū)域內(nèi)應(yīng)力水平仍然較高，后續(xù)為了完成能量的釋放仍存在發(fā)生強(qiáng)余震的危險(xiǎn)。

圖6 同震響應(yīng)幅度與地震波形振幅速度散點(diǎn)分布圖(a)及殘差(b)

表3 2000—2018年思茅臺(tái)記錄的9次地震的同震響應(yīng)幅度和波形最大振幅速度

綜合分析上述差異性特征，當(dāng)同震響應(yīng)幅度與計(jì)算響應(yīng)幅度、波形最大振幅速度協(xié)調(diào)性等出現(xiàn)一些較為顯著的差異時(shí)，與該區(qū)域的后續(xù)地震活動(dòng)有一定的相關(guān)性。

3 同震引起的井-含水層系統(tǒng)滲透性變化分析

井孔對(duì)地震響應(yīng)能力的強(qiáng)弱與滲透性的強(qiáng)弱密切相關(guān)(魚(yú)金子等，2012)，井水位M2波的相位差反應(yīng)了含水層滲透性的變化狀態(tài)特征(Elkhouryetal，2006；Xueetal，2013；Yanetal，2020；孫小龍，向陽(yáng)，2018)。為了進(jìn)一步研究普洱大寨井水位對(duì)地震的響應(yīng)能力與井-含水層系統(tǒng)滲透性的關(guān)系，筆者計(jì)算了該井井水位M2波相位差(圖7)。圖7顯示，2000年以來(lái)，大寨井水位M2波相位差整體比較平穩(wěn)，在-20°附近波動(dòng)；2011年緬甸7.2級(jí)地震發(fā)生時(shí)，井孔含水層滲透性發(fā)生變化，相位差出現(xiàn)了明顯的波動(dòng)過(guò)程，持續(xù)約2個(gè)月后恢復(fù)正常；2012年印尼8.6級(jí)地震發(fā)生時(shí)，引起相位差瞬時(shí)變化，之后很快恢復(fù)正常；2012年緬甸7.0級(jí)地震發(fā)生時(shí)，相位差發(fā)生小幅度改變，2個(gè)月后恢復(fù)正常；2013年6月起，相位差出現(xiàn)顯著的改變，由負(fù)值變?yōu)檎?，表明期間含水層可能存在垂直向水流交換，之后在滇西南地區(qū)分別于2014年1月28日、2014年2月5日和2014年10月7日發(fā)生了景洪4.6級(jí)、思茅4.2級(jí)和景谷6.6級(jí)地震，震中距分別為30 km，4 km和100 km，之后相位差恢復(fù)正常；2015年尼泊爾8.1級(jí)地震發(fā)生時(shí)，同樣是引起相位差瞬時(shí)變化，之后很快恢復(fù)正常。2018年1月至2020年1月，大寨井水位相位差再次出現(xiàn)了與2013年6月相類似的變化，表明滲透性發(fā)生了明顯的改變，且可能存在垂向水流交換。

圖7 普洱大寨井含水層相位差時(shí)間進(jìn)程(月值)

圖8 普洱大寨井水化學(xué)離子測(cè)項(xiàng)觀測(cè)曲線(日值)

從上述記錄到同震響應(yīng)和相位差的結(jié)果可見(jiàn)，有同震響應(yīng)的地震發(fā)生之后，整個(gè)含水層滲透性會(huì)出現(xiàn)一定的調(diào)整和恢復(fù)過(guò)程：其中遠(yuǎn)震(Δ>2 000 km)主要表現(xiàn)為瞬時(shí)的相位差改變，在很短時(shí)間內(nèi)便恢復(fù)正常；周邊區(qū)域(Δ<500 km)的中強(qiáng)震恢復(fù)過(guò)程會(huì)持續(xù)2～3個(gè)月。這也在一定程度上表明周邊地區(qū)的中強(qiáng)震發(fā)生后，區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)會(huì)有一定的改變、調(diào)整、恢復(fù)過(guò)程，而遠(yuǎn)震對(duì)區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)的影響則相對(duì)較小。

4 結(jié)論

本文通過(guò)研究1990—2018年云南普洱大寨井水位記錄到的多次地震的同震響應(yīng)變化特征，分析不同地震引起的井水位變化差異與后續(xù)井孔周邊地區(qū)中強(qiáng)地震的關(guān)系，探討了含水層滲透性變化對(duì)區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)的可能影響，得到以下結(jié)論：

(1)當(dāng)?shù)卣鸩ㄒ鸬耐痦憫?yīng)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相差超過(guò)8 cm時(shí)，普洱大寨井所處的滇西南及附近的小滇西地區(qū)未來(lái)半年左右多有5級(jí)以上地震發(fā)生，這可能反映出地下介質(zhì)受力發(fā)生變化時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致含水層滲透性改變，這種狀態(tài)下有利于區(qū)域內(nèi)的中強(qiáng)地震發(fā)生。

(2)當(dāng)一次地震所記錄的波形最大振幅速度與引起的水位同震響應(yīng)幅度二者之間偏離較大，其殘差超過(guò)10 cm時(shí)，有可能是應(yīng)力狀態(tài)導(dǎo)致的含水層滲透性變化，使地下水位對(duì)地震波的響應(yīng)發(fā)生改變，這種情況下有利于區(qū)域內(nèi)中強(qiáng)震的發(fā)生。

(3)2018—2019年，普洱大寨井含水層滲透性發(fā)生了明顯的改變，與此同時(shí)該井的水化學(xué)離子濃度也出現(xiàn)了顯著變化，表明區(qū)域構(gòu)造作用的增強(qiáng)，可能導(dǎo)致含水層滲透性變化，同時(shí)也引起其他測(cè)值的同步變化。當(dāng)含水層滲透性與同井的其他多種觀測(cè)出現(xiàn)準(zhǔn)同步變化時(shí)，異常信度更高。

綜上認(rèn)為，同震響應(yīng)的變化可能反應(yīng)含水層滲透性的變化，對(duì)后續(xù)的區(qū)域地震活動(dòng)有一定預(yù)測(cè)意義，可以作為探索區(qū)域介質(zhì)受力變形、應(yīng)力狀態(tài)變化以及地震活動(dòng)的新的參考指標(biāo)。