聊古一井水位同震效应研究

冯恩国，连凯旋，陈其锋，温丽媛，李月强，赵杰锋，刘保华

(山东省地震局聊城地震水化试验站，山东 聊城　252000)



聊古一井水位同震效应研究

冯恩国，连凯旋，陈其锋，温丽媛，李月强，赵杰锋，刘保华

(山东省地震局聊城地震水化试验站，山东 聊城252000)

摘要：整理了聊古一井水位2000～2012年所记录到的同震效应，并对3个不同阶段内的同震效应进行了特征分析。结果表明：聊古一井的同震效应为振荡型和振荡阶升型；该井对来自环太平洋地震带的地震记录能力较强；该井水震波记录随震级增大而增加、随井震距的增大而缩小的特征并不明显。该井对全球8级以上地震有很好的记录能力。激发自流以及变频稳流状态下，聊古一井水位记震能力有所下降。

关键词：聊古一井；水位；水震波；同震效应

0引言

地下水是地球系统的重要组成部分，当它形成具有一定封闭条件的承压系统时，就能够客观、灵敏地反映地壳的应力应变信息。地震与地下水动态的关系是近几十年来人们努力研究的内容，地震引起的井水位同震效应是当前大家非常关注的热点问题。

近年来许多学者对地震引起地下流体同震响应的现象进行了大量研究：张昭栋等利用井水位阶变反演含水层应力变化[1]，王道、付虹等研究井水位同震阶变与未来地震活动之间的关系[2-3]，陈大庆等对远场大震的水位、水温同震响应及其机理进行了研究[4]，张素欣等对2004年印尼大地震河北省数字水位、水温记震能力进行了分析[5]，廖丽霞等研究了福建省流体台网井水位的同震效应[6]，杨竹转等研究了云南思茅大寨井水位的同震阶变特征[7]。

本文在对地下水位同震变化研究现状系统调研的基础上，对聊古一井2000～2012年间连续观测数据进行细致分析，统计近年聊古一井所记录到的地震引起的水震波，研究井水位同震变化特征。

1聊古一井概况

聊古一井位于聊城地震水化试验站院内，统一编号为鲁05井，该井构造位置在分割辽冀台向斜和鲁西台向斜的聊考活动断裂东侧，鲁中隆起的西部边缘，阳谷古潜山许营高点部位(图1)。1977年3月由胜利油田3219钻井队钻成，海拔34 m，井深2 337.72 m，井年平均水温52.0℃，套管下至788.59 m，水泥封固，其上部785 m为第四系和第三系粘土砂土层和砂泥岩层。785 m～1 667 m为奥陶系灰岩和白云岩，1 667 m～2 307 m为寒武系灰岩、白云岩夹有砂泥岩，底部30.72 m为太古界黑云母角闪花岗岩、片麻岩。在距地表785 m～828 m处为填充带，是良好的隔水顶板，其下100 m为古溶蚀带，是主要含水层，裂隙发育，孔隙度达20%～50%，连通性好，水动力作用强，为地下水发育活跃带。该井深层承压水的主要补给形式为深层水平径流，其运动相当迟缓，与上部层间水无任何垂直水力联系。

聊古一井于1981年1月正式开始水化学综合观测。1998年进行数字化改造后，开展了水位、水温、气氡、气汞等数字化观测。聊古一井水位观测始于1998年，该井井水位自投入观测以来，先后经历了自流观测、激发自流观测和潜水泵变频稳流抽水观测3个时期，其中前2个时期为动水位观测，后一个时期是静水位观测。激发自流观测是聊古1井时断时流阶段引进与开发的地下流体观测新技术，该技术的核心是利用自吸泵造成井口段的真空(负压)状态，由此诱发井水依靠含水层中的残余孔隙压力沿井筒上涌并自流[8]。潜水泵变频稳流抽水观测是在聊古一井断流后，将潜水泵下放到井水水面以下，通过电源变频控制器调节供电频率来控制潜水泵抽水量的稳定，以实现聊古一井的正常观测。

图1　聊城地震水化站井区地质简图

2聊古一井同震效应特征分析

2.1地震事件的选择

不是所有的地震都能产生水震波，只有能量达到一定程度，能在一定范围内对水井产生影响的地震才具有研究价值。聊古一井自开始水位观测以来，记录到了大量的水震波，需要从发生的地震事件中逐一查找，为了快捷、系统地从区域、全国乃至全球发生的地震事件中查找记录到的水震波，震级的选择非常重要。震级越小，意味着所确定的需要查找的地震事件就越多，工作量越大；震级越大，工作量可能会减少，但是有可能出现漏选。经过试验确定山东及邻区4级以上、全国5级以上、全球7级以上的选择阈值较为合理，根据此震级共确定899个地震事件。

2.2聊古一井同震效应分析

通过对这899个地震事件，在1998年以来的动水位数据中查找，共有28个较明显的水震波的记录(图2、表1)。其中自流状态下的水震波记录为24个(1998～2007年)，激发自流状态为1个(2008～2009年)，变频稳流状态为3个(2010～2012年)。

2.2.1自流观测时同震效应分析

2.2.2激发自流观测时同震效应分析

激发自流状态下仅记录到一次同震效应，为四川汶川8.0级地震所引起的同震效应。从水位变化可以看出，此次同震效应较为明显，所记录的波形属于振荡—阶变型，引起的水位最大振幅为0.13 m，振荡持续时间近40分钟，地震前后引起的水位阶变变幅达5.2 cm，井震距为1 316 km。此次地震为聊古一井同震效应所有地震记录中距离最近的8级以上地震，但与2003年9月26日发生在日本北海道地区同为8级地震引起的水震波相比，日本北海道地震的井震距为2 491 km，引起的水震波最大振幅为0.45 m，同震阶变变幅为9.4 cm。在震级相同的前提下，井震距大的日本地震引起的最大振幅和同震阶变均大于汶川地震。

2.2.3变频稳流观测时同震效应分析

变频稳流状态下共有3次水震波记录，其中2次为振荡—阶变型，1次为振荡—恢复型，2次振荡—阶变型记录中，地震震级都比较大，1次8.6级，1次9.0级。2011年3月11日的日本9.0级地震井震距为2 355 km，最大振幅为0.88 m，持续时长为15分钟，引起的同震阶变变幅为29.2 cm，为所有水震波记录中变幅最大者。2012年4月11日印尼发生2次较大地震，第一次为16时38分的8.6级地震，此次地震引起水位上升较大，第二次为18时43分的8.2级地震，此次地震为振荡型，水位振荡后基本上沿原上升曲线继续上升。8.6级地震井震距为4 454 km，水位最大振幅为0.09 m，持续时长为16分钟，同震阶变变幅达11.5 cm。8.2级地震井震距为4 637 km，水位最大振幅为0.05 m，持续时长约40分钟。

2.2.4同震形态类型

地震引起水位同震变化有振荡和阶变以及振荡阶变3种，振荡型变化指在地震波作用下，水位快速来回波动，地震波经过后，水位很快平静下来，仍沿原来的形态变化；阶变则改变了水位背景，使得水位出现阶梯式的抬升或者下降，这种变化通常需要十几分钟多至几个月的时间才能恢复，有时甚至产生永久性的改变。

通过图2可以看到，聊古一井所记录到的同震效应分为2种，一种为振荡型，一种为阶变型，振荡阶变的方向有一定的规律性，均为阶升。

2.2.5与地震方向的关系

聊古一井水震波记录具有一定的方向性，根据聊古一井水位分钟值曲线图和震例统计资料分析可以得出，聊古一井对来自东部日本、我国台湾地区以及西南印度尼西亚地区等环太平洋地震带的地震记录能力较强，均能记录到较清晰的水震波以及同震阶变现象。这些地震在地图上显示基本上呈东北—西南走向条带状分布，有一定的规律性。

2.2.6同一时期7级以上地震响应数据统计分析

从聊古一井水位测项开始观测以来，全球共发生16次8级以上强烈地震，这些地震中，除发生在中美洲北部萨尔瓦多的8.0级地震、南美洲西南部的智利8.1级地震、中太平洋南部萨摩亚群岛地区8.0级地震、智利8.8级地震，由于井震距太远未引起聊古一井同震效应外，对其余12次地震，聊古一井均记录到了清晰的水震波。

聊古一井水震波与7级以上地震的对应关系则不是如此明显。1998～2007年间，全球发生168次7级以上地震，聊古一井仅记录到了17次水震波；2008～2012年间，全球发生321次7级以上地震，但未能记录到水震波。聊古一井水位记震能力有所下降。

图2　聊古一井水位同震响应变化曲线

表1

聊古一井同震效应相关参数

续表1

序号发震日期震级/M深度/km井震距/km最大振幅/m持续时长/分钟同震阶变升/降变幅/cm震中位置方位82001-11-148.11522510.34652阶升5.2新疆若羌西92002-03-317.5014540.09721阶升4.2台湾海域东南102002-06-297.254014680.0338阶升0.7吉林汪清东北112002-10-107.5046200.0348不明显印尼东南122003-09-268.03324910.44816阶升9.4日本东北132003-09-277.91527090.09026不明显俄、蒙、中交界西北142003-11-177.63351150.06657不明显拉特群岛东北152003-12-107.01015650.03714不明显台湾近海东南162004-09-057.21519500.0658不明显日本近海东172004-09-057.41519320.08330不明显日本近海东182004-12-268.73341511.89736阶升23.7印尼近海西南192005-03-207.01513130.0607不明显日本东202005-03-298.53342660.21448阶升2.8印尼西南212005-10-087.81538300.03127不明显巴基斯坦西222006-04-218.03344760.04710不明显堪察加半岛东北232006-11-158.03332730.08112不明显千岛群岛东北242007-01-137.93333470.29032不明显千岛群岛东北252007-09-128.51547670.41537阶升8.3印尼海域西南262008-05-128.01413160.13240阶升5.2四川汶川西南272011-03-119.02023550.88015阶升29.2日本海域东北282012-04-118.62044540.09316阶升11.5印尼海域西南292012-04-118.22046370.04840不明显印尼海域西南

3结论与分析

(1)聊古一井所记录到的同震效应分为振荡型和振荡阶变型，且振荡阶变的方向有一定的规律性，均为阶升。

(2)聊古一井对来自东部日本、我国台湾地区以及西南印度尼西亚地区等环太平洋地震带的地震记录能力较强，这些地震在地图上显示基本上呈东北—西南走向条带状分布，有一定的规律性。

(3)聊古一井水震波记录幅度随震级增大而增加、随井震距的增大而缩小的特征并不明显，同样震级地震引起的水震波振幅也差别很大，疑与聊古一井水位逐年下降、井区应力状态发生变化有关。

(4)聊古一井对全球8级以上地震有很好的记录能力，对7级以上地震记录能力不明显。激发自流以及变频稳流状态下，聊古一井水位记震能力有所下降。

参考文献：

[1]张昭栋，赵淑平.井水位阶变与含水层所受体应力之间的定量关系[J].地球物理学报，1994，37(1)：222-229.

[2]王道.天山地震活动区地下水同震、震后效应的研究[J].内陆地震，2000，14(3)：252-259.

[3]付虹，刘丽芳，王世芹，等.地方震及近震地下水同震震后效应研究[J].地震，2002，22(4)：55-66.

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

[5]张素欣，张子广，张跃刚，等.2004年12月26日印尼大地震河北省数字水位、地热记震能力分析[J].华北地震科学，2005，23(3)：27-30.

[6]廖丽霞，王玫玲，吴绍祖.福建省流体台网井水位的同震效应及其地震预测意义[J].地震学报，2009，31(4)：432-441.

[7]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，2007，27(5)：569-574.

[8]王华，王伟，陈其锋，等.地震地下流体自流观测井断流应对技术开发[J].地震学报，2010，32(5)：601-609.

STUDY ON THE COSEISMIC EFFECT OF THE LIAOGU-1 WELL FENG Enguo, LIAN Kaixuan, CHEN Qifeng, WEN Liyuan, LI Yueqiang,

ZHAO Jiefeng, LIU Baohua

(LiaochengSeismicWaterChemistryStation,EarthquakeAdministrationOfShandongProvince,Liaocheng252000,China)

Abstract：The characteristics of coseismic effects in three stages of Liaogu-1 well in 2000～2012 are analyzed, and the results show that the coseismic effect of Liaogu-1 well can be divided to oscillation type and oscillation step-up type. The seismic recording capability of liaogu-1 well is very strong to earthquakes in the circum Pacific seismic belt. The ascending of descending amplitude of groundwater level in a single well usually increases with growing magnitudes of earthquakes and decreases with increasing well-earthquake distances, but this characteristic in Liaogu-1 well is not obvious. The well has a good ability to record for M≥8.0 earthquakes in the global. Liaogu-1 well water level recording capacity declined in the artifical self-flow observation and frequency conversion of submersible pump obversation.

Key words：Liaogu-1 well; Water level; Water shock wave; Coseismic effect

中图分类号：P315.72+3

文献标识码：A

文章编号：1005-586X(2016)01-0019-06

作者简介：冯恩国(1983 —)，男，山东阳谷人，理学硕士，工程师，主要从事地震地下流体观测及GIS在地震研究中的应用。 E-mail：sdlcfeg@qq.com。

基金项目：山东省地震局合同制项目(项目编号：13Y57)资助。

收稿日期：2015-06-29