云南思茅大寨井與大理月溪井水位同震響應(yīng)對(duì)比分析

毛巍穎

（云南省地震局，昆明 650224）

0 引言

井水位同震響應(yīng)是井水位觀測(cè)的普遍現(xiàn)象[1-5]。不同地區(qū)不同觀測(cè)井的同震響應(yīng)特點(diǎn)不同，與井孔所在的構(gòu)造環(huán)境和水文地質(zhì)條件有關(guān)，井孔含水層巖體結(jié)構(gòu)的不同可能是主導(dǎo)因素[6]。

井孔的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境是一個(gè)十分寬泛的概念，涉及井孔周圍的地質(zhì)、構(gòu)造等方面。就地質(zhì)環(huán)境而言，主要包括地層時(shí)代和巖性等，其中地層時(shí)代相對(duì)于巖性具有唯一性。對(duì)于同一時(shí)代地層可以有多種巖性；同一巖性不僅可以存在于不同時(shí)代地層，而且在同一時(shí)代地層中可以重復(fù)出現(xiàn)，但他們的物理性質(zhì)卻存在差異。這種情況在地下流體觀測(cè)井網(wǎng)中是比較普遍的。

為了研究井孔巖石的地質(zhì)時(shí)代和巖性對(duì)水位同震響應(yīng)的影響，本文對(duì)比分析了含水層為中生界白堊系砂巖的云南思茅大寨井和含水層為新生界第四系松散層的云南大理月溪井水位同震響應(yīng)差異，分析了導(dǎo)致差異的含水層地層學(xué)和巖石學(xué)原因。

1 思茅大寨井與大理月溪井觀測(cè)概況

1.1 思茅大寨井

云南思茅大寨井地處云南西南部普洱市思茅區(qū)城區(qū)東南，地理坐標(biāo)為東經(jīng)101°03′，北緯22°45′，位于紅河斷裂以南主要出露中生代地層的的蘭坪思茅褶皺帶，構(gòu)造上位于無(wú)量山斷裂帶。井深112.27 m，井孔7.5 m 以上為第四系殘坡積沙土層，7.5 m 以下均為白堊系泥質(zhì)粉砂巖、石英碎屑砂巖、凝灰質(zhì)泥巖（圖1a）。該井水位觀測(cè)始于1984年，自投入觀測(cè)后水位觀測(cè)質(zhì)量一直比較穩(wěn)定。

圖1 思茅大寨井和大理月溪井井孔地質(zhì)剖面圖Fig.1 The geological profile nap of Dazhai well and Yuexi well

1.2 大理月溪井

大理月溪井地理坐標(biāo)100°10′ E、25°41′ N，地處云南西北部大理古城月溪村，位于主要由古生代地層出露的麗江臺(tái)緣褶皺帶，構(gòu)造上位于紅河斷裂北側(cè)。井深800.50 m，井孔地層均為第四系礫石、砂和粘土層（圖1b）。該井的水位觀測(cè)始于1990年1月，儀器為SW40-1 水位儀。該井井水潮汐效應(yīng)好，能記錄到遠(yuǎn)震水震波（2001年11月14日昆侖山口西M8.1）。認(rèn)為投入觀測(cè)至2000年間，該井水位出現(xiàn)過(guò)8 次異常，其中有5 次對(duì)應(yīng)了200 km 范圍內(nèi)的5 次地震，包括1991年4月12 日寧蒗M5.1、1992年12月18日永勝M(fèi)5.4、1996年2月3日麗江M7.0、1998年11月19 日寧蒗M6.2、2000年4月2日施甸M5.9。該井水位數(shù)據(jù)在2007年5月16 日老撾M6.6、2008年5月12 日四川汶川M8.0地震前有明顯變化。

2 思茅大寨井與大理月溪井水位同震響應(yīng)

2.1 思茅大寨井水位同震響應(yīng)

思茅大寨井是云南記錄同震響應(yīng)最多的井，楊竹轉(zhuǎn)等（2005）對(duì)1990—2003年該井的階升現(xiàn)象進(jìn)行研究[7]。毛巍穎（2018年）增加研究樣本，對(duì)1988—2017年思茅大寨井的水位資料進(jìn)行全時(shí)段的分析[8]。這些研究，思茅大寨井水位同震響應(yīng)現(xiàn)象明顯（圖2），1988—2017年共出現(xiàn)27 次的同震響應(yīng)（表1）。

圖2 思茅大寨井部分同震響應(yīng)圖Fig.2 Coseismal response map of water level in Dazhai well

表1 思茅大寨水位同震響應(yīng)一覽表Table 1 List of Coseismal response of water level of Dazhai well

思茅大寨井水位同震響應(yīng)主要有以下特點(diǎn)：

（1）自1988年至2017年的30年中出現(xiàn)的27 次同震響應(yīng)不受震源機(jī)制、發(fā)震構(gòu)造等因素影響，響應(yīng)形式均為階變上升。

（2）響應(yīng)幅度大，27次同震上升階變中有16次階變幅度達(dá)10 cm以上，其中1988年11月6日云南瀾滄耿馬7.6、7.2級(jí)地震的同震階變幅度為57.1 cm。

（3）對(duì)10 km 范圍內(nèi)的3、4 級(jí)地震有同震響應(yīng)。對(duì)井震距2000～3000 km 的8.5級(jí)以上地震有同震響應(yīng)。

（4）思茅大寨井水位對(duì)主震和強(qiáng)余震均可記錄到同震響應(yīng)。

（5）震中距對(duì)思茅井水位同震響應(yīng)有明顯影響。對(duì)10 km 范圍內(nèi)的3、4 級(jí)地震都可能出現(xiàn)同震響應(yīng)?？赡芤鹚济┚怀霈F(xiàn)同震響應(yīng)的地震的震級(jí)所對(duì)應(yīng)的震中距為： 5.0～5.9 級(jí)地震是120 km、6.0～6.9 級(jí)地震是300 km、7.0～7.0 級(jí)地震是600 km、8.0～8.9級(jí)地震3000 km。

2.2 大理月溪井水位同震響應(yīng)

大理月溪井水位在表1 中思茅大寨井水位11次同震響應(yīng)時(shí)有觀測(cè)數(shù)據(jù)，其余地震時(shí)無(wú)觀測(cè)數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)這11 次地震期間大理月溪井水位數(shù)據(jù)分析，大理月溪井水位只對(duì)其中的5次地震有同震響應(yīng)（圖3），而對(duì)2008年5月12 日四川汶川8.0 級(jí)等地震沒(méi)有出現(xiàn)同震響應(yīng)（圖4）。

圖3 大理月溪井5次同震響應(yīng)曲線圖Fig.3 5 coseismic response curve of Yuexi Well

圖4 大理月溪井在汶川8.0級(jí)地震期間的水位數(shù)據(jù)曲線Fig.4 The water level data curve of Yuexi well during the Wenchuan M8.0 earthquake

大理月溪井水位同震響應(yīng)特點(diǎn)是：同震響應(yīng)現(xiàn)象少，響應(yīng)幅度小，一般在1～3 cm。對(duì)一些云南省內(nèi)的中強(qiáng)地震和8級(jí)以上遠(yuǎn)震一般沒(méi)有同震響應(yīng)。

3 討論與結(jié)論

3.1 思茅大寨井水位同震響應(yīng)效能力明顯高于大理月溪井

與大理月溪井相比，思茅大寨井水位同震響應(yīng)能力明顯高于大理月溪井。主要體現(xiàn)在：

思茅大寨井水位同震響應(yīng)數(shù)量多、響應(yīng)幅度大，自1988年11月6 日瀾滄耿馬地震以來(lái)的30年中對(duì)27 次地震有明顯的同震響應(yīng)，響應(yīng)幅度達(dá)10 cm以上的為16次，最大可達(dá)57.1 cm

3.2 井孔含水層地質(zhì)時(shí)代和巖性可能是影響井水位同震響應(yīng)的主要因素

目前認(rèn)為井水位同震響應(yīng)是地震波傳播中沿途井孔含水層發(fā)生應(yīng)變引起變化，地震波引起水位變化即含水層內(nèi)孔隙介質(zhì)體膨脹的結(jié)果，受控于當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)構(gòu)造環(huán)境和水文地質(zhì)條件。

表2 思茅大寨井和大理月溪井水位同震響應(yīng)一覽表Table 2 List of coseismal response of water level of Dazhai well and Yuexi well

從地震波作用的角度，地震波作用與巖石密度有關(guān)。無(wú)論地震波的P 波還是S 波的傳播速度都與傳播介質(zhì)密度（p）有關(guān)[9]：

式中Vp 為縱波波速，Vs 為橫波波速，ρ為巖石密度，μ為巖石剛度，K為體模量。

井孔巖石是由巖石骨架和流動(dòng)的孔隙流體組成的二相體，由孔隙和骨架構(gòu)成。不同種類巖石和不同巖性的巖石密度不同[9]，其中沉積巖是1.2～3.0 g/cm3、巖漿巖是2.6～3.5 g/cm3，變質(zhì)巖是2.4～3.1 g/cm3，砂巖密度是2.1～2.5 g/cm3、干沙土密度是1.4～1.7 g/cm3。巖石密度除取決于巖石種類和巖性外，還與巖石形成的年代有關(guān)，形成時(shí)代越早，成巖作用越長(zhǎng)，巖石密度就越大，即新生代巖石密度＜中生代巖石密度＜古生代巖石密度。因此，不同地質(zhì)時(shí)代和巖性的井孔含水層由于巖石密度變化可以影響地震波作用[10]。巖石時(shí)代越老、密度越大，對(duì)地震波的傳播速度就越慢，地震波作用于巖體的時(shí)間就越長(zhǎng)，引起的含水層內(nèi)孔隙介質(zhì)體積膨脹就應(yīng)越大。

從井水位同震響應(yīng)能力角度，地震波作用和井孔含水層特性是決定井水位同震響應(yīng)的兩個(gè)關(guān)鍵因素。地震波作用改變地下水文系統(tǒng)，其中包括井水位急劇變化。同時(shí)地震波作用可以增加巖石的滲透性。地震波的可透性與巖石的滲透性的關(guān)系為[11]：

式中K為巖石的滲透率，μ為動(dòng)力粘粘滯度，ρ為密度，g為重力加速度，d為含水層厚度，T為地震波的可透性。

Jean E.Elkhoury 的關(guān)系表明，地震波的可透性（T）和含水層有關(guān)，與含水層厚度（d）呈正比。

根據(jù)向陽(yáng)等[12]，地震波作用下含水層孔隙壓力波動(dòng)引起的水位變化幅度（h）與地表垂向運(yùn)動(dòng)引起的水位變化幅度（s）之比（R）關(guān)系為：

式中Ew為水的彈性模量，ρ為密度，g 為重力加速度，n為含水層孔隙度，υ和τ分別為地震波的波速和周期。

這個(gè)關(guān)系說(shuō)明地震波作用下含水層孔隙壓力波動(dòng)引起的水位變化幅度與含水層孔隙度和地震波速應(yīng)呈反比關(guān)系。

巖石密度和孔隙率是描述巖石特性的重要指標(biāo)，二者間具有密切聯(lián)系，具有相同孔隙類型優(yōu)勢(shì)的巖石密度隨孔隙度的增大而降低[13]。不同巖性的巖石密度和孔隙度是不同[9]，因此，巖石孔隙度與巖石形成的地質(zhì)時(shí)代關(guān)系則與巖石密度相反，即新生代巖石孔隙度＞中生代巖石孔隙度＞古生代巖石孔隙度。

含水層巖石密度和孔隙率影響含水層導(dǎo)水性。含水層對(duì)地震波的響應(yīng)與其導(dǎo)水系數(shù)有關(guān)，導(dǎo)水系數(shù)越大，其滲透性能越好，對(duì)地震波的響應(yīng)性也就越好，基巖含水層導(dǎo)水系數(shù)明顯大于松散含水層[13]。

綜上所述，地震波作用是井孔水位同震響應(yīng)主導(dǎo)因素，而地震波的傳播與巖石密度有關(guān)。地震波作用下的井孔含水層響應(yīng)，是井水位同震響應(yīng)的結(jié)果，而井孔含水層的響應(yīng)與井孔含水層的含水性有關(guān)，含水層巖石孔隙度又決定了井孔含水層的含水性。

思茅大寨井水位同震響應(yīng)效能力明顯高于大理月溪井，主要原因是思茅大寨井與大理月溪井含水層因地質(zhì)年代和巖性的明顯差異導(dǎo)致的含水層密度和孔隙度差異引起。思茅大寨井含水層為中生界白堊系砂巖，大理月溪井含水層為新生界第四系松散砂礫層，二者密度和孔隙度差異明顯。前者結(jié)構(gòu)致密、孔隙率小，有利于地震波傳播導(dǎo)致水層孔隙壓力波動(dòng)，井水位同震響應(yīng)能力強(qiáng)。后者巖體結(jié)構(gòu)疏松、孔隙率大，地震波傳播導(dǎo)致水層孔隙壓力波動(dòng)能力也就相對(duì)弱，水位同震響應(yīng)能力相應(yīng)也就弱。