四川地区地下水位对汶川地震的同震效应

邱桂兰,官致君,杨贤和,杨 虹

(四川省地震局,成都 610041)

四川地区地下水位对汶川地震的同震效应

邱桂兰,官致君,杨贤和,杨 虹

(四川省地震局,成都 610041)

系统地清理、分析了四川地区2008年汶川地震时在测水位观测到的同震效应。结果显示:汶川地震的水位同震效应以阶跃变化中的阶升变化为主,同时兼有持续缓慢变化、潮汐畸变变化、无变化、脉冲变化和突跳式变化。研究表明:阶升、阶降井点在空间上分布不均匀,相对于震中位置的关联性不强,但距离震中越近,阶升的台项越多。震时水位变化幅度不是简单地随井震距的变大而衰减。

汶川地震;水位观测;同震效应;四川地区

0 引言

汶川地震是本世纪以来,继2001年11月14日昆仑山口西8.1级地震后我国西部发生的又一次8级地震,是唐山地震后我国的又一次人员伤亡较大的大地震。在探索震前前兆异常的同时,震时变化特点也倍受关注。

研究表明,当大地震发生时,对水位变化的影响十分显著,水位的同震效应能有效、直接揭示地壳介质对应力一应变的响应[1]。同时,地下水位同震阶变的研究对于减轻次生灾害,追溯地震前兆,跟踪后续地震,促进对地震孕育过程中地下水位前兆现象的识别与研究,以及研究地壳活动规律等都具有重要的理论和实际意义[2]。本文主要对四川地区水位观测资料在汶川地震时的变化进行研究,为进一步研究井水位同震效应与未来地震活动之间的关系奠定基础。

1 四川省水位观测概况

2008年5月12日汶川地震时,四川省在测水位观测共26台项,其中模拟观测15台项,九五动水位观测3台项,十五静水位观测8台项。观测点主要围绕龙门山断裂、安宁河断裂、鲜水河断裂和华蓥山断裂分布(图1)。在井点的布设中,间距最小的测点为150m、最大的测点间距近600km,全省井点分布密度为每平方公里0.27个。最深井深为5240m,最浅井深3.12m。观测地下水类型有:裂隙水、潜水、地表潜水,其中以观测裂隙水为主,占观测井的90%。2007年至2008年7月,全川水位测点仪器平均运行率为96.4%。

图1 四川省2008年在测水位与汶川地震位置分布图

2 四川地区水位观测记录到的汶川地震同震效应及特征分析

地下水位的震时及震后变化,从形态上可分为3类,第1类是急速的阶跃变化(一般有阶升和阶降2种类型),这主要是近震(震中距小于500km)的井水位效应。第2类是水位的振荡变化(又称水震波),一般震中距大于2000km的井孔出现这种变化[1]。第3类是持续缓慢变化,指地震时井水位在地震波的影响下缓慢地持续上升或下降,逐渐偏离震前水位线[3]。以上3种水位同震效应类型只是水位同震变化的基本类型,而水位同震的变化往往是一个非常复杂的过程,时常是3种类型的综合,有时甚至难以判断。在此次汶川地震记录到四川地区的水位同震效应的研究中,发现还存在无变化、潮汐畸变变化、脉冲变化和突跳式变化等表现形式。

2.1 按观测类型划分

汶川地震时,四川地区的在测水位有3种观测模式,即模拟观测、九五动水位观测和十五静水位观测。在15台项模拟观测中,有整点值观测9台项,日均值观测6台项。日均值观测取数时间间隔长,不容易提取到真实的震时变化,依赖震后趋势进行的判断存在误差。整点值观测,采样时间稍短,有利于震时判断。

在9台项模拟整点值观测中,阶升变化有3台项,阶降变化2台项,缓慢变化的2台项中,缓升和缓降各1台项。德阳08井在震时无明显变化,震后出现了潮汐波畸变、消失的变化,蒲江11井出现了突跳式的变化(图2)。

图2 四川地区水位模拟整点值观测记录到的汶川地震同震变化

模拟日均值观测中,有2台项阶降变化,3台项震时、震后均无变化,1台项出现脉冲式变化(图3)。

图3 四川地区水位模拟日均值观测记录到的汶川地震同震变化

九五观测的3台项动水位中,有2台项阶升变化,1台项阶降变化,3台项均属于阶跃变化(图4)。

图4 四川地区九五动水位观测记录到的汶川地震同震变化

十五仪器观测的是静水位,分钟值采样,数据变化比较清晰,记录的震时变化更加易于判断。8台项观测中,北川台水位被损毁,会理台有观测数据,但无法使用。在其余6台项中,有3台项阶升,1台项阶降,1台项缓慢下降,1台项无变化(图5)。

图5 四川地区十五静水位观测记录到的汶川地震同震变化

四川地区汶川地震时可用水位观测数据24台项,出现的同震效应有阶跃变化、缓慢变化、潮汐波畸变变化、突跳式变化、脉冲式变化和无变化。在以上变化形态中,阶跃变化占 58.3%,无变化占16.7%,缓慢变化占12.5%,其余变化形态各占4.2%。同震阶跃变化的比例进一步验证了阶跃变化主要是近震的井水位同震效应。

从观测模式看,模拟整点值观测、九五观测与十五观测更利于同震效应的分析,模拟日均值采样率太低,不利于同震变化的判断。分析阶跃变化中阶升、阶降井点相对于震中的位置与方向,还发现阶升与阶降在地域上无明显的分界线。但可以看出,距离震中越近,阶升的台项相对越多。

2.2 按震中距离划分

根据四川地区水位观测点的分布,汶川地震的井震距均在600km范围内,最近观测点位于极震区,最远观测点井震距约540km。为了更加清楚汶川地震时不同井震距范围内水位的变化情况,分别对井震距离为500km、300km、200km、极震区进行分析(图6)。

图6 四川地区水位观测与震中距分布图

表1是井震距与水位变化形态统计表。此表显示,越接近极震区,发生阶跃变化的比例越大,阶升变化台项越多,缓慢变化、无变化的比例越小。潮汐畸变变化和突跳式变化出现在极震区。

表1 井震距与水位变化形态统计表

2.3 按变化幅度划分

由于观测模式不同、采样率不同、观测的含水层不同,如果按变化幅度划分,最好按观测模式进行划分后再进行比较。

研究极震区内水位变化幅度发现,模拟观测的5台项中江油10井水位变化幅度最大,上升了9.188m,其次绵竹39井,震后下降了约0.669m。其它井虽然也不同程度地表现出了变化,但幅度均不如前两者。极震区内,由于所处不同的地理构造位置,不同的观测状况等因素,震时表现形式差异也较大。如德阳08井模拟水位,震时仅表现出潮汐波的畸变。模拟观测的水位变化幅度表明,距离破裂带越近,水位变化幅度越大(表2)。也就是说,汶川地震时水位变化幅度最大的是在极震区,但在极震区内的变化不一定都是最大的。

表2 汶川地震时四川地区模拟水位同震响应变化幅度统计表

对全川的模拟水位进行分析发现,总体上是井震距越近,水位变化幅度越大。但也有如会理18井等的个例,井震距较远,变化幅度却比极震区内的变化幅度还大。由此可见,模拟观测中,井水位的变化,不是距离震中越远,水位变化幅度越小的单纯衰减。

九五动水位观测的3套仪器中,西昌太和水位变化幅度达0.112m,比攀枝花水位变化略大。石棉动水位在震前5月12日00时开始就无观测数据,震后13日开始才有观测数据,若用13日的观测数据与11日的观测数据进行比较,则变化了0.189m,比西昌的变化幅度大。九五观测数据显示,距离震中越近,变化幅度越大。

十五静水位观测中,北川水位位于极震区,仪器在地震中被损毁,无法统计其变化情况。井震距在100km左右范围内的邛崃静水位变化达1.294m,比极震区内的德阳静水位变化幅度大1.049m。同样,距离震中270km的南溪水位变化幅度也比德阳水位变化大(表3)。因此,从静水位的变化幅度看,也不一定是距离极震区越近,水位变化幅度越大。

观测井名 震中距/km 变化幅度/m(↑↓)邛崃 76 ↑1.294南溪 270 ↓0.222德阳 107 ↓0.145西昌03井 367 ↑0.125泸沽湖 441 ↑0.027

四川地区模拟水位与十五静水位的变化幅度均显示,大地震时,不一定是震中距越大,水位变化幅度单纯衰减。九五动水位观测虽然显示了距离震中越近,水位变化幅度越大的特性,但九五观测井点太少,判断变化幅度特性的可信度明显不如模拟观测与十五观测。

3 浅析水位同震效应

3.1 形态变化

通过上述分析,汶川地震时的水位同震效应形态多样,但主要以阶跃变化为主。研究其成因机制,一种是由于地震波的传播,产生脉冲状应力作用,使之与含水层引起地下水位的变化,此时含水层主要产生弹性变形。一种是地震破裂传播(蠕动传播)及震后应力调整引起,这种作用的影响时间较长,且具有滞后性。但无论是岩体的弹性变形,还是岩体发生破坏变形,水位发生的显著动态变化,都是水位短时间的载荷作用和较长时间的载荷作用的灵敏反映,不但有着岩土力学还有着水动力学等多方面的原因[1]。

在汶川地震中,无变化的变化形态占总变化形态的16.7%,是一个不小的变化比例。分析原因很可能与井点所在的地质构造、井点本身位于特殊构造部位、观测条件、仪器信噪比等方面的原因有关。

3.2 幅度变化

汶川地震中水位变化幅度表明,大地震时,不一定是震中距越大,水位变化幅度单纯衰减。分析原因可能一方面与震区及附近地区地质构造的复杂性有关,一方面与观测井点所在的地质构造环境、观测条件有关,还可能与地震波传波过程中的地质构造有关。

4 问题与结论

4.1 问题

在清理、研究四川地区水位观测对汶川地震的同震效应时,发现以下问题,值得思考:

(1)四川地区的地下水位观测井点,虽然主要分布在三大断裂,但分布极不均匀,大多数井点不是建在活动断裂的端点、拐点及2条以上活动断裂的交汇部位;

(2)大多观测井点离活动主断层面的距离,超过5km,且部分井点深度不足100m,未揭穿活动断裂;

(3)在测井点多数是石油、水文地质部门遗留下来不用的井,观测上达不到井网布局和井点所要监测的构造部位的要求;

(4)水位的同震效应本身是一个非常复杂的过程,往往有多种变化类型的综合,有时很难给予准确判断。在对汶川地震同震效应中出现的潮汐波畸变变化、突跳式变化、脉冲式变化,是否在其它大地震中也出现了,还有待进一步研究;

(5)观测仪器校时不够准确等问题,也可能导致个别判断有误。

4.2 结论

通过对汶川地震时四川地区水位同震效应的研究,得到以下几点认识:

(1)汶川地震时,四川地区的水位观测记录到了清晰的同震效应,形态特征明确,反映了在此次大地震的影响下,四川地区的应力应变场的剧烈变化及瞬时的调整过程[4];同时也说明四川地区的水位观测仪器具有较高的监测灵敏度,具有良好的检测记录与反应能力;

(2)汶川地震时的水位同震效应有阶跃变化、持续缓慢变化、潮汐波畸变变化、突跳式变化、脉冲式变化和无变化等变化形态。在以上变化形态中,阶跃变化占58.3%,是汶川地震时四川水位观测同震效应的主要变化形态;

(3)阶跃变化中阶升、阶降井点相对于震中位置与方向无明显的地域分界线,但距离震中越近,阶升的同震变化越多;

(4)从水位变化幅度看,不一定是距离极震区越近,变化幅度越大。水位的变化幅度也不一定是随震中距的变大而单纯地衰减。

[1] 孙其政.地下流体地震预报方法[M].北京:地震出版社,1997:25-26.

[2] 杨竹转,邓志辉,赵云旭,等.云南思茅大寨井水位同震阶变的初步研究[J].地震学报,2005,27(5):569-574.

[3] 晏锐.汶川8.0级地震引起的中国大陆井水位同震响应特征分析[J].国际地震动态,2009,(4):32-32.

[4] 苏树朋,李津津,张勤,等.易县地震台形变资料对汶川8.0级大地震的反应[J].华北地震科学,2009,27(2):54-58.

Study on Coseismic Water-Level Changes of the WenchuanMS8.0Earthquake in Sichuan Area

QIU Gui-lan,GUAN Zhi-jun,YANG Xian-he,YANG Hong
(Earthquake Administration of Sichuan Province,Chengdu 610041,China)

In this paper,coseismic water-level changes of WenchuanMS8.0earthquake in Sichuan area are analyzed.The results indicate that the coseismic water-level changes are mostly of step rising variation accompanied by continual slow change,tidal distortion,impulse and jump.The distribution of the coseismic water-level step changes is not uniform.The closer to the epicenter the more step rising anomalies there are,but the amplitude of the water level changes do not simply decrease with the distance to the epicenter.

the WenchuanMS8.0earthquake;groundwater observation in wells;coseismic effect;Sichuan area

P315.72

A

1003-1375(2011)02-0040-05

2010-09-15

全国地震形势跟踪分析项目(09096009)

邱桂兰(1972-),女(汉族),四川中江人,工程师,主要从事地震分析预报工作.E-mail:qql493@sohu.com