瑪多MS7.4級地震引起的甘肅地區(qū)水位、水溫同震響應(yīng)特征分析

姜佳佳，馮建剛，2，張昱

(1.中國地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅蘭州地球物理國家野外科學(xué)觀測研究站，甘肅 蘭州 73000)

0 引 言

地下流體是地殼中最活躍的介質(zhì)，具有分布的廣泛性、易流動性和不可壓縮性等特征，當(dāng)井—含水層系統(tǒng)處于封閉性良好的承壓體系中時，它能夠客觀、靈敏地反映地殼的應(yīng)力應(yīng)變信息。因此，地下水位和水溫觀測是地震前兆觀測的重要測項(xiàng)之一。國內(nèi)外地震學(xué)者曾以大量的觀測事實(shí)論證了水位動態(tài)不僅可以直接反映受力狀態(tài)變化引起的孔隙壓力的變化，而且還可以反映出含水層地下水徑流的速度與流量等的變化；不僅水位對含水層受力有所反映，井水溫度也會有靈敏的響應(yīng)。井—含水層系統(tǒng)所受的動力加載作用方式有多種，地震波作用就是其中重要的一種，地下流體觀測中水位與水溫對大震的同震響應(yīng)是地震波作用于井—含水層系統(tǒng)最直接的體現(xiàn)[1]。

上世紀(jì)90年代后，中國地下流體水溫觀測網(wǎng)進(jìn)行了高精度數(shù)字化儀器的改造使用，近幾年收集了大量的同震響應(yīng)觀測資料，針對這些資料國內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和深入的研究討論[2-4]。據(jù)中國地震臺網(wǎng)測定，北京時間2021年5月22日02時04分青?，敹?34.59°N，98.34°E)發(fā)生MS7.4地震。甘肅地區(qū)部分水位、水溫觀測井也記錄到了其同震響應(yīng)和震后效應(yīng)。本文選取此次大震中記錄到同震、震后效應(yīng)井點(diǎn)的水位、水溫資料，對其同震響應(yīng)特征進(jìn)行分析討論。

1 甘肅地區(qū)井孔條件及概況

甘肅地區(qū)目前有現(xiàn)有19口地下流體觀測井，其中有16個水位測項(xiàng)和23個水溫測項(xiàng)，分別采用LN-3A型數(shù)字化水位儀、SZW-1A型水溫儀和ZKGD-3000型水位、水溫綜合觀測儀進(jìn)行觀測。本地區(qū)的數(shù)字化流體水位、水溫觀測最早始于2001年的“九五”改造，之后是2007年“十五”改造，直至汶川8.0級地震災(zāi)后恢復(fù)重建，多數(shù)資料從2007年下半年的“十五”數(shù)字化改造開始，最短的為汶川8.0級地震災(zāi)后重建項(xiàng)目。

從甘肅地區(qū)多年來連續(xù)觀測的資料來看，多數(shù)井點(diǎn)的井水位觀測資料表現(xiàn)出比較明顯的年變規(guī)律，年動態(tài)以年變型為主，也有平穩(wěn)波動型；多數(shù)井點(diǎn)具有記錄固體潮的能力，但程度不同；部分井點(diǎn)有明顯的氣壓效應(yīng)變化[5]。

2021年5月22日青?，敹喟l(fā)生Ms7.4級地震，甘肅地區(qū)流體各觀測井中主要有古浪橫梁、武都兩水、武都樊壩、平?jīng)鋈A亭、平?jīng)鲨F路小區(qū)、平?jīng)鐾?、天?13、臨夏1和臨夏2等9口井，觀測井基本概況如表1。

表1 觀測點(diǎn)資基本概況

2 水位響應(yīng)特征分析

本文收集了在2021年5月22日瑪多Ms7.4級地震中甘肅地區(qū)各觀測井中水位具有明顯同震及震后效應(yīng)的觀測井資料，包括古浪橫梁、武都兩水、武都樊壩、平?jīng)鋈A亭、平?jīng)鲨F路小區(qū)、平?jīng)鐾?、臨夏1和臨夏2共8口井，主要位于六盤山斷裂帶，老虎山斷裂帶和迭部—白龍江斷裂帶附近(圖1)?，敹郙s7.4級地震引起的同震響應(yīng)現(xiàn)象中，古浪橫梁、武都兩水、武都樊壩和平?jīng)鋈A亭等4口井水位表現(xiàn)為突升(圖2、表2)，平?jīng)鲨F路小區(qū)和臨夏井等3口井表現(xiàn)為突降(圖3、表2)，而平?jīng)鐾志憩F(xiàn)為脈沖型(圖4、表2)。

圖1 水位、水溫同震響應(yīng)觀測井空間分布(底圖來源：http://bzdt.ch.mnr.gov.cn/index.html)

表2 觀測點(diǎn)資料及水位響應(yīng)類型統(tǒng)計(jì)

2.1 突升、緩降型同震反應(yīng)

瑪多Ms7.4級地震引起的甘肅地區(qū)流體水位同震響應(yīng)中，表現(xiàn)為同震突升的為古浪橫梁、平?jīng)鋈A亭、武都兩水和樊壩4口觀測井(圖2)；表現(xiàn)為同震緩降的為平?jīng)鲨F路小區(qū)、臨夏1號和2號井(圖3)。這些臺站距離本次震中均大于500 km。

圖2 平?jīng)鋈A亭(a)、兩水(b)、武都樊壩(c)、橫梁(d)水位分鐘值曲線(2021-05-21～2021-05-22)

2.2 脈沖型同震反應(yīng)

瑪多7.4級地震甘肅水位觀測井中出現(xiàn)脈沖型同震響應(yīng)的為平?jīng)鐾志?，距離震中690 km。

圖3 平?jīng)鲨F路小區(qū)(a)、臨夏水位(b、c、d)分鐘值曲線(2021-05-21～2021-05-22)

圖4 平?jīng)鐾志环昼娭登€(2021-05-21～2021-05-22)

從圖2～4中看出不同測點(diǎn)記錄同震響應(yīng)的能力明顯不同。其中古浪橫梁、平?jīng)鋈A亭、武都兩水和樊壩井(圖2)記錄到的突升型同震響應(yīng)比較明顯；臨夏1號(兩套儀器)、臨夏2號(圖3)、平?jīng)鲨F路小區(qū)井記錄到的緩降型的同震響應(yīng)相對較弱一些；平?jīng)鐾趾吞焖?13井記錄到微弱的脈沖型同震響應(yīng)信息(圖4)。最大同震變化幅度是資料日變幅的數(shù)倍(古浪橫梁井)，而最小的為日變幅的六分之一(平?jīng)鐾志?。

2.3 水位同震響應(yīng)分析與討論

地下水位的同震變化反映地殼形變和地面震動引起地下介質(zhì)貯層變形、孔隙疏通、裂縫的清理、產(chǎn)生裂縫等變化。地震引起水位同震變化形態(tài)有階變和振蕩(脈沖)兩種。階變型的同震變化改變了水位背景，它反映了地下介質(zhì)的孔隙、裂隙被疏通或地下水力學(xué)特征發(fā)生改變，可能是塑性變化的結(jié)果，是表現(xiàn)為地下水位階變式的上升或下降變化，這種變化通常需要十幾分鐘至幾個月的時間才能恢復(fù)，有時甚至產(chǎn)生永久性的改變[6]。振蕩型(即脈沖型)的同震變化是指在地震波作用下水位快速來回波動，地震波經(jīng)過后水位很快平靜下來，仍沿原來的形態(tài)變化，它反映了地下含水層介質(zhì)彈性模量較大、巖層透水性好，是地震波傳播過程中含水介質(zhì)的一種彈性變化的結(jié)果。

通常情況下，階變型水位同震響應(yīng)一般為地方震及近地震，振蕩型水位同震響應(yīng)一般為遠(yuǎn)大震，但也有遠(yuǎn)震能引發(fā)同震階變現(xiàn)象。水位同震升降的方向不因地震的遠(yuǎn)近、大小、震源機(jī)制或地震方位的變化而改變，更多地受控于本地的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境和水文地質(zhì)條件，如當(dāng)一個構(gòu)造帶區(qū)域上井水位普遍上升，代表構(gòu)造應(yīng)力場壓性增強(qiáng)、張性減弱，水位下降代表構(gòu)造應(yīng)力場壓性減弱、張性增強(qiáng)；因此水位同震階變的觀測井空間分布與構(gòu)造區(qū)域的相互關(guān)系對判斷構(gòu)造應(yīng)力場的變化也具有積極意義。地震波能量的變化不能改變水位同震變化的方向，當(dāng)?shù)卣鸩芰孔銐虼髸r，會使一些原來僅產(chǎn)生振蕩或無同震響應(yīng)的井孔水位發(fā)生階變[6]。水位同震變化振幅除了與震中距、震級密切相關(guān)外，還可能與觀測井含水層系統(tǒng)自身特性、震源方位、震源機(jī)制以及地震波的傳播途徑有關(guān)。振幅與震級呈正比關(guān)系，水位的同震階變可視為大震后區(qū)域應(yīng)力調(diào)整的表現(xiàn)，井水位同震階升說明井區(qū)壓應(yīng)力作用增強(qiáng)[6]。

3 水溫響應(yīng)特征分析

地震波作用可導(dǎo)致井—含水層系統(tǒng)介質(zhì)發(fā)生一定的形變，這種變化一方面會影響地下水的流動速度和路徑，另一方面也會影響它與周圍巖體的熱量交換，從而影響到觀測井中水體的溫度變化[2-4]。甘肅地區(qū)流體臺網(wǎng)有水溫觀測井點(diǎn)18個，共有水溫測項(xiàng)23個，其中只有平?jīng)鐾炙疁爻霈F(xiàn)了同震響應(yīng)。

3.1 水溫同震響應(yīng)

2021年5月22日青海瑪多7.4級地震發(fā)生后，甘肅地區(qū)水溫觀測井中只有平?jīng)隽涗浀酵痦憫?yīng)(圖5)。平?jīng)隽^測井位于六盤山東側(cè)涇河I級階地，完鉆井深301.07 m，套管深度198.14 m，8.14 m以上井徑300 mm，至190 m井徑190 mm，下段井徑160 mm，觀測含水層為白堊紀(jì)砂礫巖層。

圖5 平?jīng)隽疁胤昼娭登€(2021-01-01～2021-06-20)

從圖5中可以看出，在地震波到達(dá)觀測井時，平?jīng)隽疁乇憩F(xiàn)為突然下降，其下降時間較快，持續(xù)約58 分鐘之后緩慢恢復(fù)中，至2021年6月20日還未恢復(fù)至震前水平。

3.2 水溫同震響應(yīng)機(jī)理探討

近年來，遠(yuǎn)場大震引起的觀測井水溫響應(yīng)機(jī)理的研究越來越多[2-6]，許多結(jié)果顯示井水溫度的變化與井—含水層系統(tǒng)參數(shù)改變密切相關(guān)。地震發(fā)生時，地震波周期性張壓作用于含水層系統(tǒng)，使其介質(zhì)發(fā)生變形。這種應(yīng)力的加卸載作用一方面激活了孔隙、裂隙中的填充物(如氣體、滯水等)，另一方面也促使局部裂隙的串通，使得空隙內(nèi)運(yùn)移的水體流動狀態(tài)發(fā)生變化，各水體間及水體與圍巖的熱量交換呈現(xiàn)加強(qiáng)或減弱，導(dǎo)致觀測井內(nèi)水體溫度產(chǎn)生變化[4]。

從目前水溫觀測井同震響應(yīng)的研究中來看，各學(xué)者提出的不同觀點(diǎn)概括起來主要有以下3種。

(1)氣體逸出說：魚金子等現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)[7]，井水溫度大幅度下降的同時井水面上有大量氣泡上涌，所以認(rèn)為井水溫度的同震突降機(jī)制可歸因于井水氣體的釋放[2-4]。即當(dāng)井水氣體釋放時，同時釋放出井水中的熱量，從而降低了井水溫度。

(2)井內(nèi)水體熱彌散說：石耀霖等[2]在統(tǒng)計(jì)分析唐山礦井水溫同震響應(yīng)資料后提出了水溫下降變化的熱彌散模型，認(rèn)為其主要機(jī)理為水分子的彌散效應(yīng)，即彌散系數(shù)與水的宏觀速度密切相關(guān)，在靜水中彌散系數(shù)很低，在同震水位振蕩時大大增加，溫度較高的水分子彌散到冷的低分子動能的水中，以及溫度較低處一些低分子動能的水分子彌散到溫度較高處，形成水溫的變化。

(3)冷水下滲說：劉耀煒等對遠(yuǎn)場大震引起水位振蕩—水溫下降現(xiàn)象的解釋是[3]，井孔含水層周邊上層地下水隨著振動效應(yīng)的作用，加大了向下垂直運(yùn)動的速率，低溫水快速混入觀測含水層中，引起溫度的快速下降。由于這些上層低溫水是賦存于孔隙或裂隙中的附著水，一般來說不產(chǎn)生長距離的運(yùn)移，其下滲只引起短時間、短距離地下水的運(yùn)移，因此不會產(chǎn)生井孔水位的上升。由此可見，水溫同震響應(yīng)機(jī)理的研究目前還處于探討階段，各學(xué)者所提出的機(jī)理皆能解釋一定的觀測現(xiàn)象，但究竟是哪種機(jī)理最具合理性有待于更進(jìn)一步的研究。且同井同震響應(yīng)特征并不是固定不變的，也與當(dāng)時的井—含水層狀態(tài)密切相關(guān)。

4 結(jié) 論

本文收集整理了甘肅地區(qū)水位、水溫觀測井對2021年5月22日青?，敹郙S7.4級地震的同震響應(yīng)資料，統(tǒng)計(jì)分析了不同的響應(yīng)現(xiàn)象和特征，并對其響應(yīng)能力進(jìn)行了分析討論，得到的結(jié)論如下：

(1)水位測項(xiàng)的響應(yīng)變化明顯強(qiáng)于水溫測項(xiàng)的響應(yīng)。根據(jù)甘肅地區(qū)流體觀測井的同震響應(yīng)資料可知：16個水位觀測項(xiàng)中有8個記錄到同震響應(yīng)，而23個水溫測項(xiàng)只有1個記錄到同震響應(yīng)，這說明該區(qū)各測點(diǎn)相對于青?，敹?.4級地震而言，水位測項(xiàng)的記震能力明顯強(qiáng)于水溫。

(2)水體熱流換過程導(dǎo)致水溫同震響應(yīng)變化延遲。水位的同震響應(yīng)中，多數(shù)井水位的同震響應(yīng)有比較一致的變化形態(tài)，同時與震級密切相關(guān)，震級越大則響應(yīng)程度越高，主要以突升和緩降為主。而水溫的響應(yīng)機(jī)理與水位不同，本次出現(xiàn)同震響應(yīng)的平?jīng)鐾炙疁乇憩F(xiàn)為同震突降，一個小時后便開始了緩慢的恢復(fù)變化，即當(dāng)水位停止振蕩后，含水層水體與井水的橫向水力作用并未停止，含水層水體仍存在相對緩慢的對流換熱過程，這也許減緩了井水溫度的恢復(fù)速率。

(3)井水溫同震響應(yīng)變化因素更多造成響應(yīng)機(jī)理更復(fù)雜。同井的水位同震響應(yīng)主要受控于觀測井所處的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境與水文地質(zhì)條件，而同井的水溫同震響應(yīng)變化還與地震波引起的井孔中水的運(yùn)動方式、水體熱流換以及水溫探頭放置的位置等諸多因素有關(guān)，其響應(yīng)機(jī)理更為復(fù)雜。水位測項(xiàng)的同震響應(yīng)中，同井有水溫觀測的，水溫未見明顯變化，主要是由于此類觀測井水溫探頭的觀測含水層封閉性不好，氣體脫逸的通道并不集中在井孔，所以溫度變化不明顯，另外，也有可能被水溫較大的日變化幅度所掩蓋。

(4)構(gòu)造環(huán)境與水文地質(zhì)對井水位同震響應(yīng)具有重要的影響。水位動態(tài)的物理機(jī)理明顯，含水層受擠壓時水位上升，受拉張時下降，因此震后階躍上升的水井水位可能包含有區(qū)域應(yīng)力場的信息，水位階躍上升集中區(qū)可能也是區(qū)域壓應(yīng)力相對集中區(qū)，對未來該區(qū)域發(fā)生較顯著的地震具有空間上的指示意義。