三峽井網(wǎng)對7.0 級以上強震的同震響應(yīng)特征

涂先新 呂品姬 安一凡 曾智輝

1 中國地震局地震大地測量重點實驗室,武漢市洪山側(cè)路40號,430071

受含水層地質(zhì)條件及其所處孕震狀態(tài)等因素的影響,同一口井在不同時期的映震能力不盡相同[1]。有學者認為,將同震響應(yīng)與地震孕育狀態(tài)結(jié)合起來,或許可以識別地震孕育前兆[2-4]。本文首先評價長江三峽工程水庫誘發(fā)地震監(jiān)測系統(tǒng)地下水動態(tài)監(jiān)測井網(wǎng)(簡稱三峽井網(wǎng))8口流體井的同震能力,分析其同震響應(yīng)形態(tài),探討出現(xiàn)波動型、臺階型同震響應(yīng)的條件,以及不同的同震響應(yīng)方式與區(qū)域孕震狀態(tài)的關(guān)系;然后探討巖性參數(shù)對映震能力的影響;最后分析三峽井網(wǎng)對2008年汶川8.0級地震和2021年瑪多7.4級地震的同震響應(yīng)特征,進行應(yīng)力反演,探討影響應(yīng)力調(diào)整的因素。

1 三峽井網(wǎng)概況與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

三峽井網(wǎng)是我國第一個以監(jiān)測誘發(fā)地震為目的建設(shè)的地下水前兆專用臺網(wǎng)。2017年進行改造之后,其水溫、水位觀測數(shù)據(jù)精度達到秒級。8口觀測井分布較為集中,丁家坪、高家溪、韓家灣、茅坪4口井集中圍繞在壩區(qū),大河口、周坪、郭家壩、屈家灣4口井布設(shè)在庫首區(qū),所有井均處在三峽庫區(qū)主要斷裂附近,井位置和斷層分布見圖1。其中,仙女山斷裂比較活躍、規(guī)模相對較大,具備發(fā)生4級以上地震的活動背景。整個三峽井網(wǎng)區(qū)域較小,展布面積約為25 km×25 km,地質(zhì)背景基本一致,地震波傳到此處能量差異不大。8口流體井分布在5條斷層附近,含水層所處的介質(zhì)條件、巖性等不盡相同,這為探討同震響應(yīng)特征與巖性、含水層水文參數(shù)之間的關(guān)系提供了有利條件。觀測井所處的斷層、巖性等信息見表1。

表1 三峽井網(wǎng)各井信息Tab.1 Information of each well of Three Gorges well network

圖1 三峽井網(wǎng)地質(zhì)概況Fig.1 Geological overview of Three Gorges well network

2 映震能力分析

2.1 地震能量密度與同震幅度的關(guān)系

地震能量密度(e)與地震震級(M)和震中距(r)的關(guān)系為[5]:

lge=3(0.48M-lg(r)-1.4)

(1)

理論上,地震波作用在地質(zhì)體上的能量越大,井水位的同震響應(yīng)就越明顯。從歷史同震震例來看,大河口井和高家溪井記錄到的地震次數(shù)明顯多于其他井。掃描2018～2021年的水位觀測數(shù)據(jù),對大河口井、高家溪井的同震響應(yīng)幅度與地震能量密度的關(guān)系進行相關(guān)性分析。由于三峽井網(wǎng)距離三峽大壩較近,且水庫蓄水量的變化也較大,水位變化范圍為145～175 m,考慮不同庫水位可能會對同震幅度造成影響,分析時用點的顏色來表示庫水位的高度,藍色代表高庫水位(160～175 m),紅色代表低庫水位(145～160 m),擬合結(jié)果見圖2。

圖2 大河口井和高家溪井水位同震響應(yīng)幅度與地震能量密度的關(guān)系Fig.2 Relation between coseismic response amplitude and seismic energy density of Dahekou and Gaojiaxi wells

可以看出,大河口井的地震能量密度與同震振幅有較好的正相關(guān)性(圖2(a)),擬合曲線為y=2.652 0x0.389 5(r2=0.726 9),能夠引起大河口產(chǎn)生同震響應(yīng)的最小地震能量密度為10-7J/m3。高家溪井的地震能量密度與同震振幅同樣具有較好的正相關(guān)性(圖2(b)),擬合曲線為y=4.542 9x0.626 2(r2=0.8),能夠引起高家溪產(chǎn)生同震響應(yīng)的最小地震能量密度為10-6J/m3。從擬合結(jié)果來看,紅點和藍點并沒有明顯的分界,較為平均地分布在擬合曲線兩側(cè),說明庫水位變化對同震幅度沒有太大影響,地震能量密度對同震響應(yīng)振幅的大小起著主導作用,地震能量密度越大,同震響應(yīng)幅度越大。

2.2 映震能力分析

統(tǒng)計各井記錄到的2013～2022年全球134次7級以上地震,并繪制震中距(r)和震級(M)散點圖(圖3)。根據(jù)式(1)對這些地震的能量密度進行分級,能夠引起同震響應(yīng)的地震能量密度值越小,說明該井的映震能力越強。研究發(fā)現(xiàn),大河口井、周坪井的映震能力強,有些能量密度為10-7J/m3的地震波都能引起這2口井產(chǎn)生同震響應(yīng);高家溪井的映震能力較強,同震地震能量密度閾值為10-6J/m3;其他井的映震能力相對較弱,郭家壩井同震地震能量密度閾值為10-5J/m3,屈家灣井同震地震能量密度閾值為10-4J/m3,丁家坪井、茅坪井、韓家灣井同震地震能量密度閾值為10-3J/m3。

圖3 三峽井網(wǎng)井水位同震響應(yīng)能量密度Fig.3 Water level coseismic response energy density of Three Gorges well network

3 同震響應(yīng)形態(tài)分析

從地震形態(tài)來看,井水位的同震響應(yīng)可分為波動型和臺階型[6]。波動型隨著地震結(jié)束,井水位恢復(fù)原有的變化趨勢;階變型則在同震響應(yīng)過程中產(chǎn)生臺階,地震結(jié)束后不再恢復(fù)原有的變化趨勢,通常認為這是區(qū)域應(yīng)力調(diào)整的結(jié)果,其階變量的大小可以反映應(yīng)力變化量的大小[7]。

統(tǒng)計2008年以來三峽井網(wǎng)記錄到的地震能量密度大于10-4J/m3的震例,見表2。從形態(tài)上來看,當?shù)卣鹉芰棵芏却笥?0-3J/m3時,多數(shù)井水位的同震響應(yīng)表現(xiàn)為臺階型;地震能量密度低于10-3J/m3時,多數(shù)井水位同震響應(yīng)表現(xiàn)為波動型,甚至沒有響應(yīng)。說明井水位的同震響應(yīng)方式受地震能量密度的影響,只有當?shù)卣鹉芰棵芏冗_到一定值時,才能表現(xiàn)為臺階型同震響應(yīng)。值得注意的是,2021年瑪多7.4級地震時,三峽井網(wǎng)有6口井表現(xiàn)為臺階型同震響應(yīng),而2015年尼泊爾8.1級地震產(chǎn)生的地震能量密度達到1.7×10-3J/m3,比瑪多地震高0.4×10-3J/m3,但是只有大河口井表現(xiàn)為臺階型同震響應(yīng),多數(shù)井表現(xiàn)為突跳型同震響應(yīng),且尼泊爾地震所引起的水位同震響應(yīng)強度遠弱于瑪多地震。此外,2017年九寨溝7.0級地震的地震能量密度也較高(1.7×10-3J/m3),但整個三峽井網(wǎng)幾乎沒有響應(yīng)。這就意味著并不是只要地震能量密度大于10-3J/m3,井水位的同震響應(yīng)方式就一定表現(xiàn)為臺階型,水位同震的響應(yīng)方式還受其他因素的影響。

表2 三峽井網(wǎng)對不同地震的同震響應(yīng)Tab.2 Coseismic response of Three Gorges well network to different earthquakes

將各次地震的同震響應(yīng)方式與三峽庫區(qū)ML4.0以上地震活動情況結(jié)合(圖4)起來分析?？梢园l(fā)現(xiàn),三峽井網(wǎng)同震響應(yīng)表現(xiàn)為波動型為主時,多數(shù)同震響應(yīng)強度較弱的地震震前1 a內(nèi)都曾發(fā)生過ML4.0以上的地震。如2017-08-08九寨溝7.0級地震前,三峽庫區(qū)在2017-06-16、18分別發(fā)生ML4.8、ML4.6地震,區(qū)域應(yīng)力得到有效釋放,所以三峽井網(wǎng)對九寨溝地震幾乎沒有響應(yīng)。同震響應(yīng)表現(xiàn)為臺階型為主時,多數(shù)都處在區(qū)域ML4.0以上地震不活躍的時期,地震活動基本上都平靜了2 a以上,具備一定的應(yīng)力積累條件。這說明井水位的同震響應(yīng)方式除了受到地震能量密度的影響,還受區(qū)域介質(zhì)的孕震狀態(tài)影響。當含水層介質(zhì)處于應(yīng)力水平較高時,較強的地震能量可以導致含水層導水能力和孔隙水壓發(fā)生改變,從而表現(xiàn)為同震臺階,這可能也是臺階型同震的形成機理。

圖4 同震響應(yīng)形式與區(qū)域地震的關(guān)系Fig.4 Relationship between coseismic response forms and regional earthquakes

4 影響因素

對于同一次地震的同震響應(yīng),8口井的水位除了在響應(yīng)方式上不同以外,在幅度上也存在差異。以瑪多7.4級地震的同震響應(yīng)(表2)為例進行分析。從同震響應(yīng)幅度來看,大河口井的同震效果最明顯,最大振幅達到100m;周坪井和高家溪井的最大振幅為10-1m;丁家坪井、韓家灣井、屈家灣井、郭家壩井的最大振幅為10-2m;茅坪井的最大幅度為10-3m。可以看出,同震響應(yīng)幅度與井的映震能力有一定關(guān)系,映震能力強的井,同震幅度大,說明同震幅度在一定程度上可以反映井的映震能力。

8口井相對集中,可以排除地震波成分對同震響應(yīng)的影響,那么同震響應(yīng)的不同應(yīng)該源自井本身的介質(zhì)參數(shù)的影響。從文獻[8]中搜集三峽井網(wǎng)各井含水層的巖性參數(shù)(表3),對同震響應(yīng)幅度與巖性參數(shù)等因素的相關(guān)性進行研究。

表3 各井巖性參數(shù)Tab.3 Lithologic parameters of each well

對同震幅度與巖性參數(shù)進行擬合,結(jié)果見圖5?？梢钥闯?水位振幅大小與單位存儲系數(shù)、壓縮系數(shù)、孔隙度的相關(guān)性不明顯(r2<0.5),與導水系數(shù)呈現(xiàn)正相關(guān)性(r2≈0.7),與體積壓縮模量(r2≈0.5)和斷層距(r2≈0.6)呈現(xiàn)負相關(guān)性。

圖5 同震幅度與巖性參數(shù)的相關(guān)性Fig.5 Correlation between coseismic amplitude and lithologic parameters

5 應(yīng)力反演

8口井為典型的承壓水水井[9],其水位變化與固體潮應(yīng)力變化的關(guān)系為[6]:

式中,Δσz為含水層體應(yīng)力的變化量,β為水的體積壓縮系數(shù),ρ為水的密度,η為含水層的孔隙度,E為含水層的固體骨架的楊氏模量,g為重力加速度,ΔH為含水層應(yīng)力變化引起的水頭變化量。對于單口井來說,β、ρ、g、η、E均為固定常數(shù),Δσz與ΔH存在正相關(guān)關(guān)系,所以固體潮體應(yīng)力變化引起的水頭變化與固體潮體應(yīng)力之間存在如下關(guān)系:

ΔH=KΔσz

式中,K為理論固體潮體應(yīng)力最大變化幅度與理論固體潮引起的水頭最大變化幅度之比,是井的水頭變化對體應(yīng)力變化的響應(yīng)系數(shù)。

使用以上公式計算瑪多7.4級地震后三峽井網(wǎng)應(yīng)力場相對變化量,結(jié)果見表4。從表4可以看出:1)各井的應(yīng)力響應(yīng)系數(shù)存在較大差異,井水位變化幅度大小并不能直接代表應(yīng)力場變化的強度,還與該井對應(yīng)力變化的響應(yīng)系數(shù)有關(guān)系,如大河口井水位變化值最大,但是其應(yīng)力場變化卻不如周坪井明顯;2)丁家坪井、茅坪井、韓家灣井、大河口井、周坪井所在區(qū)域表現(xiàn)為應(yīng)力增強,其中大河口井、周坪井應(yīng)力增強更明顯;高家溪井、屈家灣井、郭家壩井所在區(qū)域表現(xiàn)為應(yīng)力減弱,其中高家溪井應(yīng)力減弱最明顯。

表4 瑪多地震后各井的區(qū)域應(yīng)力變化Tab.4 Regional stress changes of each well after Maduo earthquake

為了更直觀地體現(xiàn)瑪多7.4級地震對三峽庫區(qū)應(yīng)力場變化的影響,采用Kriging插值法計算三峽井網(wǎng)地區(qū)應(yīng)力變化圖像(圖6(a))。此外,在前人研究的基礎(chǔ)上[10],對汶川8.0級地震后三峽井網(wǎng)的應(yīng)力場變化進行空間網(wǎng)格化分析(圖6(b))。結(jié)果表明:1)2次地震后,三峽井網(wǎng)的應(yīng)力調(diào)整非常相似,0值線總體方向沿著北偏西45°,且0值線西南一側(cè)表現(xiàn)為應(yīng)力積累,西北一側(cè)表現(xiàn)為應(yīng)力減弱;2)2次地震后,應(yīng)力調(diào)整0值線在接江坡斷裂、長木坨斷裂的北端沿著斷層走向出現(xiàn)轉(zhuǎn)折,形成鼓包,說明斷層對應(yīng)力調(diào)整起一定的控制作用;3)井水位對不同地震的同震響應(yīng)結(jié)果并不一致,如丁家坪井對瑪多7.4級地震表現(xiàn)為應(yīng)力增強,對汶川8.0級地震表現(xiàn)為應(yīng)力減弱。

圖6 三峽庫區(qū)震后應(yīng)力變化Fig.6 Post earthquake stress variation in Three Gorges reservoir area

6 結(jié) 語

1)從同震響應(yīng)特征來看,同震響應(yīng)幅度與水庫水位無關(guān),與能量密度密切相關(guān)。各井的映震能力有明顯差別,大河口井、周坪井映震能力較強,它們產(chǎn)生同震響應(yīng)的地震能量密度閾值為10-7J/m3;高家溪井的同震地震能量密度閾值為10-6J/m3;郭家壩井的同震地震能量密度閾值為10-5J/m3;屈家灣井的同震地震能量密度閾值為10-4J/m3;丁家坪井、茅坪井、韓家灣井的映震能力較弱,同震地震能量密度閾值為 10-3J/m3。

2)三峽井網(wǎng)各井映震能力與導水系數(shù)正相關(guān),與體積壓縮模量、斷層距負相關(guān)。臺階型同震響應(yīng)的出現(xiàn)與地震能量密度和區(qū)域應(yīng)力積累程度有關(guān),當?shù)卣鹉芰棵芏却笥?10-3J/m3,且區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力積累較強時,三峽井網(wǎng)井水位多數(shù)會表現(xiàn)出臺階型同震響應(yīng)。

3)通過反演汶川8.0級地震和瑪多7.4級地震后三峽井網(wǎng)的應(yīng)力變化情況,發(fā)現(xiàn)同震應(yīng)力調(diào)整受區(qū)域斷層控制明顯。