鲁32井地下流体观测数据动态变化分析

林 眉 卢忠斌

（中国济南250014山东省地震局）

鲁32井地下流体观测数据动态变化分析

林 眉 卢忠斌

（中国济南250014山东省地震局）

鲁32井水位原始曲线难以判定地震前该井含水层系统的应力状态是否发生变化，采用类似Nakai拟合模型，计算水位观测数据体应变固体潮响应振幅因子比，结果表明，胶东半岛及海域发生的ML≥3.9地震前均出现高值异常。与地震活动参数对比分析，发现鲁32井200 km范围内ML≥3.9地震前，水温观测数据动态变化幅度及频度明显较高。

鲁32井；振幅因子比；地下流体；水温异常

0 引言

地下流体研究工作是地震预报分析的一项重要内容（张国民等，2001），地下流体异常能够提供许多地质构造活动过程的前兆信息，并以不同方式和特点反映出来（缪阿丽等，2014）。崔居全等（2014）总结了荣城鲁32井水温正常及自然环境干扰形态特征，探究该井水温异常变化特征，通过对该井中等地震及远场大震与水温异常时段对比分析，认为鲁32井水温存在附加地热场异常变化的构造条件，可作为近场中等地震前兆异常和远场大震前兆异常中短期判别指标之一，但是崔居全等未对水位观测数据展开分析。因包含各种背景变化、周期变化等较大幅度的干扰信息，观测井水位原始观测数据不能有效识别并提取地震前兆异常，观测井水位对地壳固体潮体应变振幅因子响应比方法可以克服此弊端。本文利用该井水位固体潮观测资料，采用该振幅因子响应比方法，初步判断地壳应变状态，结合水温观测数据，跟踪对比分析地下流体异常，解释地下水温变化，进一步认识鲁32井构造条件。

1 观测井概况

鲁32井位于山东省荣成市成山镇松埠嘴村，地处海西头—俚岛断裂东侧，观测井含水层为花岗岩裂隙水，井孔现有深度94 m，2007年11月采用SZW-1A 型数字水温仪进行观测，探头投放深度为89.75 m；采用LN-3A数字水位仪进行数字化水位观测，探头投放深度为7.111 m。荣成地震台作为中韩合作项目台站，仪器运维环境良好，鲁32井水位、水温观测数据连续可靠，观测资料质量较高。鲁32井水温、水位长趋势日值曲线见图1。

图1　鲁32井水位、水温长趋势日值曲线Fig.1 Long trend daily value curve of water level and water temperature for Lu No.32 well

2 水位动态曲线特征

2.1 原始曲线动态

选取2014年4月至2015年6月鲁32井水位观测数据，与同期当地降雨量进行对比，见图2。由图2可见，观测井水位呈夏高冬低的年变规律，主要受降雨影响，降雨量大，水位数据动态曲线上升，然后逐渐恢复平稳。水位原始曲线难以判定地震前观测井所处含水层系统的应力状态是否发生变化。

图2　鲁32井水位、降雨量对比Fig.2 Water level and rainfall comparison chart of Lu No.32 well

2.2 水位固体潮加卸载响应比方法

张昭栋等（1997）证明深井水位的潮汐现象是对地固体潮的响应，论证了应用地下水位潮汐来计算固体潮加卸载响应比的可行性，结合典型地震实例计算，分析认为震前响应振幅因子比值有增大变化。因此，可以利用井水位对地壳固体潮体应变响应的振幅因子比，初步判断地壳应变状态。兰双双等（2011）认为，正常状态下井水位固体潮加卸载响应比背景值低且平稳，以“1”为均值线上下波动；当孕震系统处于不稳定状态时，响应比异常变化多表现为计算值偏高或出现大幅突跳、连续突跳现象。

采用典型的水平层状承压含水层模型，假设含水层除井口外封闭良好，在不排水条件下，根据孔隙弹性介质理论，作用于含水层某一平面上的荷载分别由固体颗粒与颗粒间的孔隙流体共同承担，由此推导井水位变化与体应变之间的关系，即

式中，dh为含水层水头变化，θ为含水层体应变量，ρ为水的密度，g为重力加速度，n为含水层介质孔隙度，Em为含水层岩石固体颗粒体积模量，EW为水体积模量。当井—含水层系统上述参数不变时，井水位变化与应变成正比。含水层介质的应变是固体潮应力和区域构造应力共同作用的结果。

其中，ε为含水层介质的应变，E（t）为介质的杨氏模量，σt为潮汐应力，σs为构造应力。E（t）随应力在岩石的应力应变示意曲线的区域不同而不同，在井水位对固体潮的响应方面，表现为井水位体应变系数的变化。所以，近震源区的承压井水位有可能观测到震前非线性失稳变化，表现为体应变固体潮周期性压缩与拉张过程中水位响应振幅因子比的异常变化，即水位固体潮的加卸载响应比

其中，Δ H为固体潮变化引起的承压井水位变化幅度的观测值，Δ θ为体应变固体潮理论变化值，角标“+”表示压缩响应阶段，“-”表示拉张响应阶段。在实际工作中，地下水位固体潮观测值对体应变固体潮响应的振幅因子比可由近似Nakai拟合模型获得

式中，Hθ（t）为地下水位实际观测值，a为拟合潮汐因子，R（t）为t时刻体应变理论固体潮，β为与潮汐观测的位相滞后有关的系数，K0、K1、K2分别为非潮汐常数（仪器零漂）、速度和加速度相关系数，利用最小二乘法可计算式中各参数值（张昭栋等，1997）。

3 水温动态曲线特征

鲁32井水温在降水量较大时动态曲线出现明显变化，正常水位变化影响较小（图3）。2014年1月观测井水温数据曲线出现动态上升、下降的趋势变化，经现场核实，未发现干扰源；2月在相同观测层位安装相同型号的SZW-1A仪进行对比观测，未发现仪器异常［图3（a）］；2014年10月底水温动态曲线出现大幅上扬，11月中旬迅速下降，上下起伏较大，且数据形态类似，异常持续至12月31日后趋于下降；2015年1月水温动态上升、下降幅度变大，频率较高，持续至2015年6月，见图3。2015年1月检查鲁32井水温观测系统工作状态，并调查环境干扰，均未发现明显干扰。

图3　鲁32井水温对比（a）对比观测水温仪曲线；（b）原有水温仪曲线；（c）降雨量Fig.3 Water temperature comparison chart of Lu No.32 wel

4 水位、水温动态异常与地震活动分析

2014年4月至2015年6月30日，山东及附近海域ML≥3.5地震均发生在胶东半岛及海域（垦利ML3.0、ML3.2地震），见表1。地震均在鲁32井200 km范围内，主要集中在乳山地区，形成乳山震群，最大地震为乳山ML5.0地震，该井位距乳山最近的流体观测井，井震距小于100 km。

表1　2014年9月—2015年6月鲁32井周边ML≥3.5地震参数Table 1 Parameters of the ML≥3.5 earthquakes occurred around Lu No.32 well

4.1 水位振幅因子响应比分析

在计算分析中，可选取N=24，48，…，60，…，120，…（即以1，2，…，5，…，10，任意天数为一组），用最小二乘法解式（4）计算地下水位的加卸载响应比（万永芳等，2004）。本文取N=24（一天24小时整点值数据为1组），对鲁32井地下水位固体潮观测数据进行振幅响应比值计算；选取超过1倍均方差的响应比值作为异常判定指标，计算结果正常值基本在1上下波动（图4），只有个别点超过1倍均方差控制线。分析异常与2014年4月以来胶东半岛及海域ML≥3.9地震（表1）活动的对应关系。

从图4振幅因子响应比值可以看出，2014年9月14日乳山ML4.1地震前，鲁32井出现3次上下波动超过1倍均方差的高值，最高值40.23。2015年5月22日乳山ML5.0地震鲁32井出现3次上下波动超过1倍均方差的高值，最高值12.89。2015年6月1日黄海ML3.9地震前出现一次较大的向下波动，超过1倍均方差，最高值-40.12。

分析认为，2014年9月之前的出现频次较多高值表明荣成32井附近地区处于应力集中状态，9月14日ML4.1地震后，该地区的应力积累具有一定的缓解作用，故而9月份以后振幅因子比趋于正常背景值附近平稳变化，直到11月初应力积累再次达到一定水平，比值又出现高值变化，但相较于4.1级地震之前振幅因子比值有所减弱；2014年11月到2015年4月，鲁32井水位对体应变固体潮响应的振幅因子比出现频次较高的同步高值，2015年5月22日发生乳山ML5.0地震之后又出现一次超过1倍均方差的高值表明此时区域应力较强，并且中小震集中发生；构造上乳山与荣成地区属于鲁东一黄海地块，荣成32井观测井所处蓬莱一威海构造带末端，板块运动产生的区域北西西向挤压应力和渤海上地幔隆起及其产生的构造应力联合作用，控制着渤海及周围地区的断裂和地震活动（崔居全，2014）。

图4　鲁32井振幅因子响应比Fig.4 Calculating result of loading/un1oading response ratio of groundwater lever

4.2 水温异常变化分析

自2014年10月，鲁32井水温观测数据出现不明原因的上升、下降趋势异常（图5）；同时32井附近地区中小地震活跃，通过水温同层对比观测，排除仪器故障、人为干扰及降雨等因素影响。

图5　2015年3月鲁32井水温异常曲线Fig.5 Water temperature anomaly of Lu No.32 well in March，2015

2015年1月—6月鲁32井水温地震异常观测曲线见图6，5月22日乳山ML5.0地震前1个月水温出现下降，幅度≥0.03℃，震前两天再次出现下降，幅度≥0.003℃，震后水温观测数据转平，29日出现明显下降，幅度≥0.018℃，6月1日发生黄海ML3.9地震，6月9日发生乳山ML3.7地震，震前水温振幅出现趋势下降，幅度≥0.003℃。

图6　鲁32井水温整点值动态曲线Fig.6 Water temperature observation curve at Lu No.32 well

对于区域构造200 km范围内ML≥3.9地震发生前，鲁32井水温观测数据动态变化幅度和频度明显高于井水温正常动态。自2014年4月至乳山地区先后发生40余次ML≥2.5地震（地震序列目前仍在发展），地震活动呈现小震群特征，且与鲁32井水温动态变化时间基本一致。表明地下水温变化在某种程度上是构造应力作用的客观反映（丁留伟，2013）。

综上所述，2014年9月到2015年6月，鲁32井水位体应变固体潮振幅响应因子比以大于1倍均方差上下波动，并出现7次高值；井水位对体应变固体潮振幅因子比的变化是对地壳含水介质应力变化的反映，地震前由于应力积累，振幅因子比将出现高值变化。

5 结论

（1）以2014年9月以来胶东半岛及海域发生的ML≥3.9地震为样本，将相关参数分别与鲁32井水位固体潮观测井地震前后振幅因子响应比计算结果进行对比，发现鲁32井对区域构造200 km范围内ML≥3.9地震发生2—3月前水位振幅因子响应比值具有明显高值异常反应，证明井水位固体潮振幅因子响应比值方法是一种识别并提取地震前兆的有效方法。

（2）通过对鲁32井水温同层观测、相同观测仪器的动态曲线和降雨量对比分析，排除各种干扰信息，说明该井水温观测系统反映灵敏，运行正常，观测数据内在质量良好，可以记录到异常变化。而2014年10月底水温动态曲线大幅上扬不明原因事件，怀疑存在干扰源，需积累数据资料进一步研究。

崔居全，杜桂林，等.荣城32井水温动态变化及异常分析［J］.华北地震科学，2014，32（4）：34-38.

丁留伟，邓志辉，陈梅花，等.地下岩体应力场—渗流场—热场三场耦合作用的数值模拟研究初探［J］.华南地震，2013，33（2）：14-26.

兰双双，迟宝明.汶川地震前地下水位固体潮加卸载响应比异常分析［J］.地震研究，2011，34（3）：110-116

万永芳，刘特培.地下水位固体潮加卸载响应比分析及预测意义［J］.华南地震，2004，24（1）：28-34.

缪阿丽，冯志生，沈红会，叶碧文.苏22井水温映震效能及典型地震前兆特征分析［J］.地震地磁观测与研究，2014，35（1/2）：141-145.

张国民，傅征样，桂燮泰.地震预报引论［M］.北京：科学出版社，2001.

张昭栋，陈学忠，陈建民.井水位固体潮加卸载响应比的地震短临前兆［J］.地震学报，1997，19（2）：174-180.

Abstract

It is difficult to determine the well aquifer system stress state changes using the original curve of water level recorded before earthquakes at Lu No.32 well.We adopted fitting model similar to the Nakai to calculate loading and unloading response ratio（LURR） of water level.The results show that，LURR increases anomalously before ML≥3.9 earthquake in Jiaodong Peninsula.Though the comparative analysis of Lu No.32 well water temperature and seismic activity parameter，It is found that，within a range of 200 km of ML≥3.9 earthquake，the magnitude and frequency of changes in water temperature before the earthquake is significantly higher.

Dynamic change analysis of underground fluid for Lu No.32 well

Lin Mei and Lu Zhongbin
（Earthquake Administration of Shandong Province，Jinan 250014，China）

Lu No.32 well，1oading/unloading response ratio，underground fluid，water temperature anomaly

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.03.008

林眉（1981—），女，硕士学历，工程师，从事地震前兆监测工作。E-mail：88520389@qq.com

山东省自然基金项目（ZR2012DQ006）、山东省合同制项目（15Y109）联合资助