黄骅井水位映震效能分析

尹宏伟梁丽环韩文英李 凤刘 静

1） 中国河北053800深州地震台

2）中国河北050021石家庄中心地震台

黄骅井水位映震效能分析

尹宏伟1）梁丽环1）韩文英1）李 凤2）刘 静2）

1） 中国河北053800深州地震台

2）中国河北050021石家庄中心地震台

收集整理河北省地下流体观测井网黄骅井水位对2004年以来全球MS≥8.0地震的同震响应资料，从响应形态、响应幅度、响应时间等方面进行分析，并对黄骅井水位阶变异常进行分析。结果表明，黄骅井水位的同震响应形态以阶变为主；水位的同震响应幅度随震级增大而增大，但非单纯地随井震距的增大而减小；井震距越近震级越大，水位响应地震速度越快。分析认为，2015年以来黄骅井水位阶变异常可能与昌黎4.2级地震有一定相关性。

水位；同震响应；阶变异常；昌黎4.2级地震

0 引言

由于地下水具有流动性、普遍性以及难压缩性等特点，当其封闭条件足够好，埋藏深度足够深时，形成承压含水层，就能客观、灵敏地反映地壳应力应变状态。一次地震发生后，震中外围井孔因地震波传播作用水位出现振荡或阶变，称为井水位同震响应。井孔水位同震响应研究是揭示地壳介质对应力—应变过程响应最有效和最直接的手段之一，是近年来国内外地震工作者研究的热点（Cooper，1965；黄辅琼等，2000；张国民等，2005；舒优良等，2006；付虹等，2007；廖丽霞等，2008；顾申宜等，2011；鱼金子等，2012；郑江蓉等，2013）。

在地震孕育过程中，岩石中的微小应变反映在孔隙压力变化上，并通过静水压力的传递或水的渗流，在井孔水位动态中表现出来（陈大庆等，2006）。地下水位的震前异常已经被许多专家研究所证实。张世民等（2003）研究了周至井地下流体观测资料在2002年12月14日甘肃玉门5.9级地震短临异常特征；车用太等（2014）研究了金沙江水网地下水动态在彝良MS5.7地震前兆异常及特征；付虹等（2014）研究了云南开远井水位震前持续低值异常。

本文通过收集整理黄骅井水位观测资料，研究该井水位2004年以来17次国内外MS≥8.0地震的同震响应特征，及河北昌黎近期MS4.2地震前异常变化，以期最大限度地挖掘黄骅井水位资料蕴含的有用信息，为相关地震研究服务。

1 井孔地质构造背景

黄骅井1971年成井，为自流井，奥陶系灰岩裂隙承压水，水中含有大量砂石块和气体，出水量375 m3/h，多年泄流后，2001年出水量约170 m3/h，井孔—含水层系统导水性能良好。该井地处华北沉降带埕宁隆起东北部边缘埕西潜山构造带，距渤海约30 km，井深1 250 m，1 100 m深处穿越羊二庄断裂带（周边地质构造及井孔柱状见图1），该断裂带延伸方向长，切割深度深，从沙垒田凸起西侧向NE方向延伸，与辽河中央凸起西侧的台安—大洼断裂相连，表现为左阶雁列—梳状NE向展布，在剖面上表现出高陡或花状特点，两侧地层差异较大（刘建忠等，2004；李三忠等，2004）。

黄骅井含水层岩性为灰岩，质地较松软，连通的地下含水体裂隙大且发育，水循环深、径流长，尤其在较高温度和较低有效围压环境条件下，特殊的地质构造和含水体结构决定了该井含水层可能更易受华北地区应力场变化影响，更易处于受力破裂或变形状态（车用太等，1989；车用太，1990）。所以，在地震孕育过程中，当与黄骅井含水层有关联的断裂块体应力状态发生改变时，岩体裂隙度就可能发生变化，从而导致该井含水层应力变化，引起井孔水位出现异常变化。

图1　黄骅井地质构造和井孔柱状Fig.1 The geological structure of Huanghua well and the well bore log chart

钻孔资料表明，黄骅井孔地层缺少下第三系和石炭二叠系，上第三系明化镇组直接与奥陶系不整合接触，断层、裂缝和地质不整合面构成流体活动通道，决定了该井水位的动态灵敏性，表现为水位呈趋势下降变化，微动态清晰，气压效应、潮汐效应明显。而该井观测的含水层距地面较深，因此受大气降雨渗入影响较小，水位持续下降是因为：①长期开采导致地下水储量减少；②大港油田石油开采降低整个区域地层压力，引起水位埋深降低（盛艳蕊等，2010）。

2 井孔水位同震响应特征

选取2004年1月至2015年11月全球17次MS≥8.0地震，分析黄骅井水位同震响应特征，响应形态特征统计见表1，水位同震响应记录见图2。

表1　黄骅井水位同震响应形态特征统计Table 1 The morphological feature statistics of coseismic response as water level of Huanghua well

图2　黄骅井水位同震响应动态记录曲线Fig.2 The dynamic curve of coseismic response of Huanghua well water level against the earthquake

2.1 响应幅度

从表1、图2可见，黄骅井水位对17次MS≥8.0地震中9次地震产生同震响应，6次地震无响应，2次地震资料缺失。从图2看出，黄骅井水位同震响应形态以阶变为主，表现为阶升、阶降—缓升、振荡—阶升、振荡—阶降形态。黄骅井水位对各地震同震响应幅度不同，持续时间不等，且井孔水位响应地震时间不一致。其中，2008年汶川8.0级地震响应幅度最大，震后水位阶升879 mm，2006年11月15日千岛群岛MS8.0地震响应幅度最小，仅5 mm。

（1）2004年以来印度尼西亚苏门答腊附近共发生6次MS8.0以上地震，与黄骅井距离相近，震级从8.2—8.7不等，井水位响应幅度也不一致。从表1可见，震级最大的两次地震分别是2004年12月26日MS8.7地震和2012年4月11日MS8.6地震，黄骅井水位响应幅度分别为227 mm和250 mm；震级最小的两次地震分别是2007年9月13日MS8.3地震和2012年4月11日MS8.2地震，黄骅井水位响应幅度分别是11 mm和54 mm，可见，当井震距相近时，黄骅井水位的同震响应幅度大体随震级增大而增大。

（2）2004年以来全球发生8次MS8.0、MS8.1地震，黄骅井水位对其中3次地震产生同震响应（表1）：①2008年汶川MS8.0地震距黄骅井1 543 km，是井震距最近的8.0级地震，井水位响应幅度在17次大震中最大，为879 mm；②2006年4月21日勘察加半岛MS8.0地震井震距4 220 km，水位响应幅度为23 mm；③2006年11月15日千岛群岛MS8.0地震井震距3 036 km，水位响应幅度为5 mm。

2005年6月14日和2014年4月2日智利2次MS8.1地震，黄骅井水位均无响应。调查发现，河北省测震台站均记录到此2次远震，其中玉田井记录到2005年6月14日智利8.1级地震的大幅度水震波，峰4井记录到2014年4月2日智利8.1级地震的大幅度水震波（受篇幅所限，未附图件），可见地震已波及河北省，并被某些观测井记录到。黄骅井未记录到智利2次地震，可能是因为：①与井孔结构及含水层有关，井筒半径、井筒内水柱高度、含水层岩体结构等决定了观测井的固有频率，当该频率与地震面波频率一致时，井孔水位响应地震能力最强（张子广等，1998），黄骅井固有频率可能与智利地震面波频率不一致；②与距离有关，井震距太远，地震波经过长距离传播，能量衰减，到达黄骅井后剩余能量不足以引起井孔水位变化。

（3）2013年5月24日鄂霍次克海MS8.2地震和2015年5月30日日本小笠原群岛MS8.0地震井震距不是太大，黄骅井水位无同震响应，可能是震源深度太大的原因，鄂霍次克海地震震源深度为600 km，日本小笠原群岛地震震源深度为690 km。研究发现，当震级相近时，黄骅井水位的同震响应幅度有随井震距增大而减小的趋势，但不完全一致，勘察加半岛MS8.0地震的井震距比千岛群岛MS8.0地震的井震距大，二者震源深度同为33 km，但黄骅井水位对其响应幅度却比千岛群岛地震大。

综上所述，黄骅井水位的同震响应幅度不仅与震级、井震距、震源深度有关，还可能与震源机制、地震波传播路径的地质构造等因素有关。

2.2 响应时间

从表1可知，黄骅井水位同震响应时间最短的是2004年12月26日印度尼西亚苏门答腊MS8.7地震，震后13 min井水位出现响应；响应时间最长的是2012年4月11日印度尼西亚苏门答腊MS8.2地震，震后24 min井水位才出现响应。因2012年4月11日印度尼西亚苏门答腊发生2次地震，在MS8.2地震前2 h4 min发生1次MS8.6地震，2次地震相隔时间短，MS8.6地震掩盖了MS8.2地震对黄骅井对水位的影响，导致黄骅井水位对MS8.2地震的响应时间判定存在偏差，故对此不做分析。2005年3月29日印度尼西亚苏门答腊MS8.5地震后17 min黄骅井水位出现响应，比2004年MS8.7地震慢4 min，2次地震的井震距相差114 km，而地震波传播速度一般为6—8 km/s，4 min传播距离可达2 000 km，可见响应时间差非距离引起；黄骅井水位仪时钟采用GPS授时，精度高，钟差可以忽略不计，故响应时间差也非仪器钟差引起。因此，①震级决定了黄骅井水位对井震距相近的2次地震响应时间快慢不同，同一地点不同时间发生2次地震，震级越大，水位响应速度越快，反之亦然；②对于不同地点不同时间的2次地震，如：2007年9月12日印度尼西亚MS8.5地震及2007年9月13日印度尼西亚MS8.3地震，由表1可知，MS8.5地震井震距较大，而黄骅井水位对其响应较快，可见此类地震水位响应时间与井震距无关，与震级大小成正比。

3 井孔水位阶变异常分析

黄骅井水位2004年开始数字化观测，由于地热及石油开采过量，水位呈趋势下降变化，至2015年11月累计下降27.2 m，且多次出现大幅度阶变（图3），下降幅度大于0.500 m（同震阶变除外）的阶变统计见表2。

图3　2004—2015年黄骅井水位动态变化曲线（a）2004—2015年；（b）2015年Fig.3 The dynamic level graph of Huanghua well

表2　2004—2015年黄骅井水位阶变统计Table 2 The status variable statistics of Huanghua well water level from the year 2004 to 2015

从图3、表2可见，2004—2014年黄骅井水位出现12次阶变，最大幅度为1.502 m，2015年以来水位阶变频次增加，幅度变大，在不到1年时间内出现6次大幅度阶变，最大幅度为4.356 m，并于9月14日18：10在河北昌黎发生MS4.2地震，震源深度10 km，井震距185 km。在此以此次昌黎地震为例，分析黄骅井水位2015年阶变异常特征。

3.1 水位阶变发震特征

（1）黄骅井水位曾记录到显著地震前兆异常。2005年1月—2006年6月黄骅井水位呈下降趋势，6月28日—29日大幅上升，幅度约0.2 m，之后高值变化，7月4日凌晨水位再次加速上升，11：56发生文安5.1级地震（呼晶磊等，2008）；2012年2月2日02：03—04：38黄骅井水位快速下降0.676 m，之后小幅振荡25 min，然后小幅突升，05：16辽宁营口发生4.3级地震，05：17达最高值，05：29—06：51水位又快速回升0.157 m，05：43营口又发生1次4.1级地震（张素欣等，2013）。

（2）黄骅井水位在整体下降趋势背景下，2015年3月1日14：00至6月28日16：00出现4次大幅度阶升变化，变化幅度分别为4.356 m、1.678 m、1.099 m、2.160 m，之后水位趋势下降，并在下降过程中于9月14日18：10发生河北昌黎4.2级地震，见表2、图3。对2015年3月1日黄骅井水位4.356 m的阶升变化，河北省地震局预测研究中心流体学科组进行现场核实。通过校测水位、检查观测系统工作状态及地表水环境、石油井开采注水等调查，并结合该井以往震例资料，分析认为，黄骅井水位大幅度阶升变化与该井之前阶变成因机理相同，应为构造活动引起，应密切跟踪监视，并关注郯庐地震带及环渤海地区地震活动（丁志华等，2015）①丁志华，张子广，盛艳蕊等，2015，异常核实——2015年3月7日河北黄骅井水位。可见，黄骅井水位阶变异常与地震在时间上对应关系较好，水位变化形态表现为多次大幅度阶升，到达高值后下降，并在下降过程中发震。

3.2 孕震机理

李钦祖（1982）研究震前地下水动态异常展布范围认为，大多数地震前地下水异常可能是与震源相关联区域应力场活动的反映，即各种复杂地下水异常反映的是一个映震场。张素欣等（2013）采用多点应力集中解释了黄骅井水位在辽宁营口地震前出现大幅下降的前兆异常变化机理。地震的孕育与发生是区域应力作用结果，由于地壳被断裂切割成不连续介质，当区域边界上有外力作用时，如板块挤压或地幔物质上涌，必然同步出现多个应力集中点，其介质的构造条件、几何形状和力学性质不尽相同，应力集中的程度、应变水平及演化进程也会多种多样。

黄骅井所处羊二庄断裂带向NE方向延伸穿过河北秦皇岛地区，即2015年昌黎4.2级地震的震中区域，该地震的孕震体可能在羊二庄断裂带，或与该断裂带密切相关。因此，在昌黎地震孕育过程中，孕震岩体应力应变的微小变化通过羊二庄断裂带传播到黄骅井含水层，引起含水层岩体孔隙度改变。因黄骅井孔—含水层系统导水性能良好，含水层岩体孔隙度改变导致井筒与含水层之间水量交换，当含水层岩体孔隙度减小时，水从含水层流向井筒，水位上升；当含水层岩体孔隙度增大时，水从井筒流回含水层，水位下降。观测井含水层岩体相当于1台拾震器，而井筒及所含水柱则相当于1台地震记录仪，黄骅井观测层位承压性好，水位观测灵敏度高，对地壳岩体的微小应变产生放大作用，由此导致该井水位在地震前出现大幅度阶变。可见，黄骅井水位2015年阶变异常与昌黎4.2级地震具有一定相关性。

4 结论

通过对黄骅井水位同震响应和阶变异常特征进行分析，得出以下结论：①黄骅井水位对远场大震的同震响应形态以阶变为主；②水位同震响应幅度大体随震级增大而增大；③水位同震响应幅度并非单纯随井震距增大而减小，还可能与震源深度、震源机制、地震波传播路径等因素有关；④当井震距相近时，井孔水位响应地震速度主要取决于地震震级，震级越大，井水位响应地震速度越快；⑤2015年以来黄骅井水位出现的几次大幅度阶变异常可能与昌黎4.2级地震的发生具有一定相关性。

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Abstract

In our work，earthquake coseismic response data which was provided from the observation well pattern of underground fluid level of Hebei Province at Huanghua well，generated by the earthquake happened in the global MShigher than acuity 8.0 since 2004 are collected and analyzed.The analysis contained many aspects such as the response form，the response amplitude，response time and so on.We also analysed the anomaly step change of water level of Huanghua well.As the results，the form of coseismic response of water level in Huanghua well is mainly performed by step variable.The water level of coseismic response amplitude increases with the growth of the magnitude，but it does not simply decrease with increasing the epicentral distance.When the epicentral distance is similar，the magnitude of earthquake is greater，and the response of water level to the earthquake is faster.Since 2015，the level change of Huanghua well with abnormal status may have certain relevance with Changli M 4.2 earthquake.

The efficiency search of water level in Huanghua well

Yin Hongwei1），Liang Lihuan1），Han Wenying1），Li Feng2）and Liu Jing2）
1） Shenzhou Seismic Station，Hebei Province 053800，China
2） Shijiazhuang Central Seismic Station，Hebei Province 050021，China

water level，co-seismic response，stepping change anomaly，Changli M 4.2 earthquake

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.03.004

尹宏伟（1971—），男，工程师，主要从事地下流体观测与研究工作。E-mail：yinhongwei1971@163.com