水位、水温对汶川8.0和日本9.0级地震的同震响应特征分析*

罗俊秋 孙伶俐 李 明 郭熙枝 赵凌云 蒋玲霞 戴 苗

(湖北省地震局，武汉 430071)

水位、水温对汶川8.0和日本9.0级地震的同震响应特征分析*

罗俊秋 孙伶俐 李 明 郭熙枝 赵凌云 蒋玲霞 戴 苗

(湖北省地震局，武汉 430071)

对湖北地区5口观测井水位和水温在汶川8.0级、日本9.0级地震前后的变化的分析结果表明，不同地震对井水位、水温的影响并没有固定的变化模式。

汶川8.0级;日本9.0级地震;水位;水温;同震响应

1 引言

地下流体观测能获得来自地球深部的信息，对地壳中应力-应变的响应频率较宽，当它形成具有一定封闭条件的承压系统时，就能够客观地、灵敏地反映地壳应力应变信息［1］。有关含水层对固体潮、大气压、地震波等的响应研究，国内外学者作了大量工作，取得了许多成果［2-6］。

本文将依据湖北地区地下流体观测井的资料，着重对2008年5月12日汶川8.0级地震和2011年3月11日日本9.0级地震的同震和震后效应表现形态及特征进行分析研究。

2 湖北地下流体观测井概况

湖北地区地下流体台网1987年开始建设，现有6口地下流体观测井(图1，表1)，2007年7月正式开始观测。地下流体观测仪器共15套，其中水位观测仪4套、水温观测仪4套、水位水温综合观测仪2套，水化观测仪5套，主要进行水位、水温、气氡、气汞、水氡等测项的观测。水位和水温均采用数字化观测仪器，采样周期为1分钟，水位分辨力为1 mm，水温分辨力为0.000 1℃。由于钟祥客店井只进行水位观测，本文不做讨论。

图1 湖北地区地下流体观测井分布Fig.1 Distribution of observation wells in Hubei area

表1 湖北地区地下流体观测井基本特征Tab.1 Basic features of five observation wells in Hubei area

从湖北地区地下流体观测井近几年的连续资料来看，观测资料长趋势可分为缓变形、年变型和趋势变化型，如荆州井水温属于缓慢上升型，黄梅独山井水位和水温属于夏高冬低的年变型，秭归井水位和水温属于波动缓慢下降型，襄樊万山井水温属于趋势上升型变化，黄梅独山井、荆州井和襄樊万山井水位具有起伏型的年变特征。这5口观测井水位动态主要受降雨渗入补给的干扰，黄梅独山井、襄樊井和荆州井水位具有清晰的地球固体潮汐日变化，有明显的气压效应。

3 汶川8.0级地震同震响应特征

汶川地震时，湖北震感强烈，境内各观测井水位、水温具有明显的同震响应和震后效应(表2)。

秭归水位仪、襄樊万山水温仪和房县水温仪因仪器故障没有记录到同震响应，其他井水位和水温记录到的汶川8.0级地震同震响应如图2所示。由图2可知：

1)黄梅独山井水位在震后约4分钟出现震荡型变化，振荡持续3分钟后，水位出现阶降型变化，向下阶跃幅度为116 mm。13～15日水位出现上升，且上升速率较快，16日每日变化量基本恢复到震前水平，震后变化形态为阶升-加速上升-恢复正常年变，水位测值一直未恢复到震前高度。

2)黄梅独山井水温在震后约8分钟出现快速上升型变化，3小时内水温上升了0.124 1℃，之后水温上升速率有所放缓，13～15日上升速率较正常年变上升速率有所加快，16日上升速率恢复正常，震后变化形态为阶升-加速上升-恢复正常年变，水温测值一直保持在震后高位运行。

表2 井水位和水温对汶川8.0级地震的同震响应Tab.2 Coseismic changes of water level and water temperature in HuBei observation wells to Wenchuan Ms8.0 earthquake

图2 汶川8.0级地震前后水位和水温分钟值变化曲线Fig.2 Curves of variations of water level and water temperature records before and after the Wenchuan Ms8.0 earthquake

3)荆州井水位在震后3分钟左右出现了小幅突跳，持续时间仅4分钟，突跳最大幅度为3 mm。而荆州井水温则出现了明显的同震响应，在震后4分钟左右出现了快速上升现象，震后1小时内水温快速上升了0.027 2℃，之后上升速率减缓，震后3小时水温就开始逐渐回落，19日已基本恢复到震前水平，震后变化形态属于典型的上升-缓慢下降-恢复型。

4)房县井水位在震后2分钟左右开始记录到清晰的水震波，波动最大双振幅为110 mm，伴随波动水位出现了下降，下降幅度为36 mm，水位波动持续时间约2小时，之后水位在一个新的基值附近变化。

5)秭归井水温在地震20分钟后出现上升变化，与正常年变的下降型变化相反，呈上升变化，变化持续到24日，之后水温开始下降，震后水温上升总幅度为0.039 2℃，25日后水温逐渐恢复为震前正常下降趋势，震后变化形态为上升-恢复型。

6)襄樊万山井水位在震后3分钟左右出现阶变，快速下降持续约20小时，变化幅度达512 mm，同震响应造成的异常持续了71天，之后受水位年变的影响而上升，震后变化形态为下降-缓慢回升-恢复型。

对于汶川8.0级地震，湖北境内各观测井水位同震响应整体表现为下降，水温同震响应均为上升型变化。其中，黄梅独山井水位和水温、襄樊万山井水位、房县井水位同震响应迅速，并具有明显的震后效应，这些井孔大都位于断裂带附近，可能与井孔所处的构造部位、水文地质条件及含水层岩石的力学性质等有关;秭归井水温的同震响应变化较为滞后，且震后基本恢复到正常观测状态，反映了该区震后应力调整过程引起的井-含水层系统的变化;荆州井水位同震响应仅表现为不明显的微幅向下突跳，但该井水温同震响应形态却表现为典型的上升-缓慢下降-恢复型，其水温变化机理较为特殊。

3 日本9.0级地震的同震响应

日本9.0级地震是日本观测史上最高级别地震。对于日本9.0级地震，湖北境内位于断裂带附近的井孔水位和水温具有明显的同震响应(表3、图3)。

表3 湖北井水位和水温对日本9.0级地震的同震响应Tab.3 Coseismic response of water level and water temperature in HuBei observation wells to Japan Ms9.0 earthquake

湖北地下流体观测井水位和水温对日本9.0级地震的同震响应主要表现为：

1)黄梅独山井水位在震后9分钟左右开始记录到清晰的水震波，波动最大双振幅为41 mm，伴随波动水位出现了下降，下降幅度为30 mm，之后水位逐渐缓慢回升，震后变化形态为波动下降-缓慢回升-恢复型。

2)黄梅独山井水温在震后10分钟左右出现阶跃下降，阶跃幅度为0.012 4℃，震后2小时内水温缓慢下降，之后逐渐回升，12日10时水温基本恢复到震前正常趋势，震后变化形态为阶跃下降-缓慢回升-恢复型。

3)房县井水位在震后16分钟左右开始记录到清晰的水震波，波动最大双振幅为182 mm，波动持续时间约21分钟，无上升或下降型变化。

4)襄樊万山井水位在震后11分钟左右记录到小幅水震波，波动最大双振幅为9 mm，波动持续时间约13分钟，之后水位恢复到正常的地球固体潮汐日变形态。襄樊万山井水温在震后8小时20分钟后发生了阶跃变化，向上阶跃幅度为0.001 1℃，之后水温在个新基值附近恢复为正常的下降变化趋势，震后变化形态为阶跃上升型。

对于日本9.0级地震，湖北境内观测井水位同震响应以波动类形态为主，其中黄梅独山井水位伴随波动出现了下降，随后逐渐回升。井水温变化则表现多样，黄梅独山井水温同震响应变化形态为阶跃下降-缓慢回升-恢复型，为该区井-含水层系统受地震影响的结果;襄樊万山井水温无明显的震时同震响应，但震后效应为阶跃上升，之后在正常下降年变动态中逐渐恢复，反映了该区井-含水层系统受地震影响，下含水层高温水通过断层或裂隙回流到上含水层引起水温的滞后变化现象。

图3 日本9.0级地震前后水位和水温分钟值变化曲线Fig.3 Minutely veriance curves of water level and water temperature records before and after the Japan Ms9.0 earthquake

4 结论

1)通过湖北境内地下流体观测井水位、水温对于两次大地震同震响应特征的分析表明，各观测井均能反映区域应力场变化引起的承压含水层应力应变的变化，特别是黄梅独山井和襄樊万山井对承压含水层应力应变的变化更为敏感。验证了省内“十五”后新上的流体数字化仪器的可靠性、灵敏性。

2)各观测井水位对汶川8.0级地震的同震响应以波动下降为主、日本9.0级地震的同震响应以波动为主，但是波动幅度大不相同。如房县井距离汶川地震震中约为703 km、距离日本地震震中约为2 980 km，该井水位同震波动最大双振幅分别为110 mm和182 mm，波动持续时间分别为2小时和21分钟，汶川地震时伴随水震波动水位出现了幅度为36 mm的下降。这些现象表明，井水位对地震的波动变化响应主要是由于地震波传播经过含水层时，含水层内交替地产生弹性压缩与拉张变形，致使空隙压力发生增大与减小的交替变化造成的，但同震波动变化幅度除了与震中距、震级密切相关外，还可能与井-含水层系统自身特性、震源方位、震源机制以及地震波的传播途径有关。

3)各观测井水温对汶川8.0级地震的同震响应以上升为主、日本9.0级地震的同震响应却各不相同，说明了水温同震响应变化的复杂性。如汶川地震时，黄梅独山井水位出现震荡阶降型变化，水温表现为快速上升型变化;日本地震时，该井水位出现震荡缓降型变化，水温表现为阶跃下降型变化;而该井水位和水温日变固体潮表现为一致性的变化，即水位上升时水温上升，水位下降时水温也下降。观测资料表明，一口井水位同震响应表现为下降变化时，水温同震可能出现上升变化，也可能出现下降变化，与正常日变动态相关性不大。水温同震响应主要是由于井孔中的水体受震荡激发而加速对流与掺混造成的地下水动力学作用引起的，除了与震中距、震级密切相关外，与当地区域应力作用下的井孔-含水层系统介质受力状况、井孔水位固有周期、阻尼等频响特性、水温探头观测含水层封闭性等有关。

4)各观测井水位和水温同震响应出现畸变的起始时间与地震波到达的时间基本一致，属于同震变化;出现阶跃变化井孔的起始时间却各有不同，这反映了不同测井的水文地质背景参数、井径、井孔水柱高度、井孔密封状况等的综合影响。

5)地下水震后效应变化与地震破裂、构造牵动、块体调整有关，当地震波激发含水层受力发生应变时，必将引起含水层应力-应变状态的改变，导致含水层导水能力和孔隙水压的变化，应力-应变反映在水位震后效应上。因此，震后效应现象包含着一定的前兆信息。黄梅独山井、襄樊万山井水位和房县井水位在汶川地震后具有明显的震后效应，要以这些井孔为主要研究对象，视其空间展布、单井、多井等类型，动态跟踪汶川地震和日本地震对湖北地震活动趋势的影响。

1 汪成民，等.地下水微动态研究［M］.北京：地震出版社，1988.

2 刘耀炜，施锦.强震地下流体前兆信息特征［J］.地震学报，2000，22(1)：59-64.

3 万登堡.井孔水位记震能力变化与近大地震关系研究［J］.地震研究，1992，15(4)：381-391.

4 付虹，等.地方震及近震地下水同震震后效应应用研究［J］.地震，2002，22(4)：55-66.

5 高小其，等.新疆地区地下流体中强震源兆、场兆、强震远兆的统计与分析［J］.地震，2006，26(2)：83-94.

6 陈大庆，等.远场大震的水位、水温同震响应及机理研究［J］.地震地质，2007，29(1)：122-132.

ANALYSIS OF COSEISMIC CHANGES OF WATER LEVEL AND WATER TEMPERATURE IN OBSERVATION WELLS RESPONDING OF HUBEI TO WENCHAUN Ms8.0 EARTHQUAKE AND JAPAN Ms9.0 EARTHQUAKE

Luo Junqiu，Sun Linli，Li Ming，Guo Xizhi，Zhao Lingyun，Jiang Lingxia and Dai Miao
(Earthquake Administration of Hubei Province，Wuhan 430071)

Through the analysis of the characteristics of coseisemic changes of water level and water temperature in five observation wells in Hubei to Wenchuan Ms8.0 earthquake and Japan Ms9.0 earthquake，it can be seen that there are not particular pattern of water level and water temperature in Hubei’s wells responding to earthquake.

Wenchuan Ms8.0 earthquake;Japan Ms9.0 earthquake;water level;water temperature;co-seismic change

1671-5942(2011)Supp.-0001-06

2011-03-25

中国地震局震情跟踪合同制项目(2011020205)

罗俊秋，工程师，主要从事地震监测预报工作.E-mail：luojq04@163.com

P315.72+3

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