2021年青?，敹?.4級地震的江蘇流體井水位同震響應特征*

繆阿麗，祝 濤，張 藝，葉碧文，王 凱

(1.江蘇省地震局，江蘇 南京 210014；2.防災科技學院，河北 三河 065201)

0 引言

地震地下流體直接參與地殼中的各種動力作用過程，是有效的中短臨地震預測手段之一。研究表明，在地震前流體觀測井測項會記錄到前兆異常變化(付虹等，2021；付虹，趙小艷，2013；孫小龍等，2016，2018；繆阿麗等，2017，2018，2021；顏玉聰?shù)龋?022；廖麗霞等，2022)，研究人員通過歸納提取地震前的異常信息，總結其在時間上和空間上的分布特征，并將結果應用于地震預測預報工作中(車用太等，1999；劉耀煒等，2000，2008，2015)。

基于地震地下流體水位對遠場大震地震波的同震動態(tài)響應，一些學者試圖從其變化特征分析研究同震響應異常的空間叢集區(qū)與未來地震活動的關系，如萬登堡(1995)在云南地下水動態(tài)短臨指標體系研究中提出，地下水位后效異常對后續(xù)地震地點、時間，特別是地點有預報指示意義；付虹等(2002)通過分析云南省54口地下水觀測井在十數(shù)年間累積的同震效應和震后效應與地震活動的關系，認為震后效應的單井、密集、條帶、遷移等空間分布，可對老震區(qū)余震、外圍區(qū)及井位附近牽動性后續(xù)地震地點的預報有指示意義；黃輔瓊等(2000)通過分析中國大陸地下流體觀測對中國臺灣南投7.6級地震的同震響應特征后認為，響應異常的空間叢集區(qū)對未來地震危險區(qū)具有短期至中短期指示意義；廖麗霞等(2009)將福建流體井的同震效應時空展布特征結合福建地區(qū)同期發(fā)生的地震事件進行分析，認為震后階躍上升變化的井水位可能包含有區(qū)域應力場信息，水位階躍上升集中區(qū)可能是區(qū)域應力相對集中區(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；任宏微和張磊(2017)分析了2015年尼泊爾8.1級地震對我國大陸井水位動態(tài)的影響，并在此基礎上分析了水位同震響應階變與區(qū)域應力調整的關系，結果表明水位同震效應階變反演得出的震時應力增強區(qū)域，可能對未來地震危險區(qū)具有一定的指示意義；胡小靜等(2020)分析了云南普洱大寨井水位同震響應特征與后續(xù)中強地震的關系后認為，井水位同震響應可作為探索區(qū)域構造和地震活動的參考指標。

江蘇地區(qū)地下流體井對遠場大震的響應也非常靈敏，有學者曾就江蘇地區(qū)地下流體井網(wǎng)對遠場大震的響應特征和機理做過分析(繆阿麗等，2014；鄭江蓉等，2013)，但并未對遠場大震引起的井水位變化與后續(xù)地震活動的關系進行分析。2021年5月22日青海瑪多發(fā)生7.4級地震，江蘇流體觀測井網(wǎng)較多觀測井出現(xiàn)同震響應現(xiàn)象。本文主要分析瑪多7.4級地震后，江蘇流體觀測井網(wǎng)水位出現(xiàn)的同震響應特征及其與區(qū)域后續(xù)地震活動的關系。

1 江蘇流體觀測井網(wǎng)概況

江蘇流體觀測井網(wǎng)共有27口觀測井，基本位于活動斷裂帶附近，地下水類型以巖溶裂隙水和孔隙水為主。經過“九五”“十五”數(shù)字化改造后，江蘇流體觀測井的觀測環(huán)境、儀器設備等基本能夠滿足地震監(jiān)測預報需求，觀測測項除水位和水溫測項外，還有氣溫、氣壓、降雨量等氣象要素作為輔助測項。水位觀測主要使用LN-3或LN-3A型數(shù)字水位儀，傳感器分辨率為1 mm，采樣率為1 mm。

2 井水位同震響應特征分析

2021年青?，敹?.4級地震發(fā)生后，江蘇流體觀測井網(wǎng)有同震響應的觀測井共16口(圖1)，占江蘇觀測井總數(shù)的59.3%，主要分布在茅山斷裂帶及附近地區(qū)，蘇中和蘇北也有分布。區(qū)域內具有同震響應的流體觀測井井孔基本參數(shù)及同震響應參數(shù)見表1，其同震響應變化如圖2所示。

圖1 江蘇水位同震響應觀測井分布

由表1和圖2可以看出，同一井孔不同測項、不同井孔同一測項的同震響應變化均有較大不同。水位響應形態(tài)主要有3類：①振蕩：主要表現(xiàn)為快速上升、下降變化后恢復到正常動態(tài)變化值。出現(xiàn)這種形態(tài)的水位觀測井數(shù)量最多，共7口，占同震響應井總數(shù)的43.8%。但不同井所表現(xiàn)出的振蕩形態(tài)特征不同、振蕩幅度有較大差異。如蘇02井水位振蕩的最大幅度達12.3 cm，而支塘井水位振蕩的最大幅度僅為0.4 cm。②先振蕩后上升：主要表現(xiàn)為地震發(fā)生后水位先發(fā)生振蕩，在振蕩結束后并未回落到正常動態(tài)變化值，而是出現(xiàn)階躍上升變化。如蘇22井在震后7 min后發(fā)生振蕩變化，振蕩持續(xù)時間58 min，在振蕩過程中出現(xiàn)階躍上升，回到正常動態(tài)值后出現(xiàn)階躍上升變化，上升幅度為7 cm，之后在新的基值上繼續(xù)波動變化。出現(xiàn)這種形態(tài)的流體觀測井較多，共6口，占同震響應井總數(shù)的37.5%。③階降：主要表現(xiàn)為地震發(fā)生后水位出現(xiàn)階降變化，且下降后并未恢復到原先動態(tài)變化值，而是在新的基值上繼續(xù)波動。如溧陽臺井水位在震后出現(xiàn)下降臺階變化，下降幅度為9.1 cm，下降變化結束后在新的觀測值上波動。

表1 水位同震響應觀測井的基本參數(shù)及同震響應參數(shù)

圖2 江蘇水位觀測井同震響應變化形態(tài)

3 水位同震上升區(qū)與歷史地震關系

青?，敹?.4級地震引起的江蘇流體觀測井水位同震響應在形態(tài)上雖然呈多樣性，但在空間分布上卻表現(xiàn)出一定的規(guī)律特征，即水位同震上升的6口水位井，除蘇23井分布在江蘇北部，其余5口井均分布在茅山斷裂帶及其附近地區(qū)。2021年12月22日常州發(fā)生4.2級地震，該地震震中位于水位同震上升區(qū)域附近(圖1)。

2008年以來，引起江蘇流體觀測井網(wǎng)較大范圍產生同震響應的大地震有2008年5月12日四川汶川8.0級地震、2011年3月11日日本9.0級地震、2012年4月11日印尼蘇門答臘8.6級地震以及2013年4月20日四川蘆山7.0級地震。這4次遠場大地震引起的江蘇流體觀測井網(wǎng)水位同震響應形態(tài)及空間分布如圖3所示，圖中數(shù)據(jù)引自繆阿麗等(2014)。由圖可知，這4次大地震引起的水位同震響應形態(tài)以震蕩和下降為主，偶有零星水位井出現(xiàn)水位同震上升現(xiàn)象。分析區(qū)域地震活動情況可知，2011年日本9.0級地震后，在茅山斷裂帶及附近地區(qū)有3口流體井水位出現(xiàn)同震上升，之后2012年7月20日高郵發(fā)生4.9級地震，該地震位于表現(xiàn)為水位同震上升的流體井區(qū)域長軸延長線上，震中距離水位同震上升區(qū)最北邊的蘇16井138 km(圖3b)。而其余3次大地震發(fā)生后，江蘇地區(qū)并未發(fā)生4.0級以上地震。比較這幾次大地震后江蘇流體觀測井網(wǎng)同震響應的不同特征可知，瑪多7.4級地震和日本9.0級地震后，形成的水位同震階升數(shù)量較多，且范圍較集中，特別是瑪多7.4級地震后，在茅山斷裂帶及附近地區(qū)多口流體井出現(xiàn)水位同震上升的現(xiàn)象很少見。這說明，大地震發(fā)生后，形成一定規(guī)模的水位同震上升區(qū)域可能在一定程度上體現(xiàn)了區(qū)域應力的一種狀態(tài)，它對中長期尺度的中強地震的發(fā)生地點有一定指示意義。

4 討論

2021年青海瑪多7.4級地震引起的江蘇流體觀測井網(wǎng)水位同震響應形態(tài)在空間分布上具有一定特征，出現(xiàn)水位同震上升的流體井主要分布于茅山斷裂帶及附近地區(qū)，之后2021年12月22日發(fā)生了常州4.2級地震。單個井孔水位階升是由井水流量增大所致，井水流量的增大可能是由深部來水、也可能是由遠場地震引起含水層滲透率增大(Brodskyetal，2003；孫仁遠，成國祥，2004)導致含水層中水體進入井孔的流速增大從而引起水位值的升高。除此之外，井孔所處區(qū)域的構造背景也非常重要。水位動態(tài)的物理意義比較明顯，當含水層受壓時，井水位表現(xiàn)為上升；相反，井水位則表現(xiàn)為下降。因此震后階躍上升的觀測井水位可能包含有區(qū)域應力場的信息。單個井孔水位同震形態(tài)可能因為諸多因素，如井孔巖性、套管深度等影響，而不能完全包含其所處區(qū)域的應力場信息。如果遠場大震引起某個區(qū)域內應力調整變化比較明顯，且表現(xiàn)出一定的群體性或集中性異常，那么其可能是區(qū)域應力相對集中的表現(xiàn)(任宏微，張磊，2017；廖麗霞等，2009)，這些地區(qū)對未來地震發(fā)生地點具有一定指示意義。

圖1和3顯示，在幾次7.0級以上大地震的影響下，蘇16井和蘇18井水位多次出現(xiàn)同震上升現(xiàn)象，但之后并非均對應地震。這兩口井均為自流井，觀測巖性相同(均以砂巖為主)、套管深度均較淺(蘇18井套管下至75 m，蘇16井下至20 m)，都位于茅山斷裂帶附近，其觀測含水層巖性、井孔結構和所處構造決定了其對含水層結構的變化比較敏銳。但同震應力變化能否對區(qū)域內的強震活動產生顯著影響主要取決于斷層的絕對應力是否已臨近失穩(wěn)強度(馬勝利等，2011)，或者說，如果區(qū)域應力未達到一定程度，遠場大震引起的水位同震階升井的范圍將局限或分散，而如果出現(xiàn)較大面積的同震水位階升，那么可能一定程度上能夠反映區(qū)域應力狀態(tài)，而同震水位階升集中地區(qū)對未來中強地震發(fā)生地點具有一定指示意義。因此，盡管在幾次大地震的影響下，蘇16井和蘇18井多次出現(xiàn)同震上升現(xiàn)象，但只有與其它多口井同時出現(xiàn)水位同震上升現(xiàn)象時，之后才會對應中強地震。這進一步說明，只有出現(xiàn)群體性水位同震階升現(xiàn)象，水位同震階升集中區(qū)域對未來地震發(fā)生地點才具有一定指示意義。

5 結論

本文通過研究2021年青海瑪多7.4級地震后，江蘇流體觀測井水位出現(xiàn)的同震響應特征及其與區(qū)域后續(xù)地震活動的關系，得出以下主要結論：

(1)共有16口觀測井水位出現(xiàn)同震響應，其變化形態(tài)主要表現(xiàn)為振蕩、階升和階降。

(2)同震響應形態(tài)在空間分布上具有一定特征，5口水位同震上升的流體井主要分布于茅山斷裂帶及附近地區(qū)，之后發(fā)生了常州4.2級地震。

(3)綜合分析幾次歷史大地震與江蘇流體井網(wǎng)同震響應特征關系，認為水位同震響應上升區(qū)可能是區(qū)域應力集中的一種體現(xiàn)，它對中長期尺度中強地震的發(fā)生地點具有一定的指示意義。

感謝云南省地震局付虹研究員對本文的指導！