丹江口井网流体动态与尼泊尔M8.1地震同震响应分析

李俊超 康 波 陈星星 王秋良

1 中国地震局地震研究所(地震大地测量重点实验室)，武汉市洪山侧路40号，430071 2 湖北省地震局，武汉市洪山侧路40号，430071



丹江口井网流体动态与尼泊尔M8.1地震同震响应分析

李俊超1,2康 波1,2陈星星1,2王秋良1

1 中国地震局地震研究所(地震大地测量重点实验室)，武汉市洪山侧路40号，430071 2 湖北省地震局，武汉市洪山侧路40号，430071

分析丹江口井网3口井水位、水温2013～2015年的观测数据，建立各个测项的正常动态，总结井网对2015-04-25尼泊尔M8.1地震的响应特征，探讨同震响应差异的可能原因，初步得到水位同震响应幅度与震级、井震距的关系。结果表明，井网水位年动态受降雨影响有一定规律，月正常动态普遍显示出固体潮效应与气压效应；水温年动态平稳，年变幅度在0.1 ℃左右。对于尼泊尔地震同震效应，唐扒井水位阶升-阶降式脉冲变化和水温陡降-缓升式脉冲变化是由水位和水温的变化机理不同导致的；雷庄井与唐扒井水位表现出不同的同震响应特征，判断与它们所处断裂的不同走向有关；盛湾井水温阶降型同震响应幅度较唐扒井小得多，可能是观测层岩性及地下水类型等差异导致的。

井水位;尼泊尔地震;同震效应;后效特征

为了更好地监测和研究丹江口水库续建工程诱发地震，南水北调中线水源有限责任公司于2012年建设了专用的丹江口水库诱发地震监测系统，该系统包括11个测震台和3个地下流体观测井(丹江口井网)。本文对2013年以来产出的数据进行整理分析，建立了3口井水位水温测项的正常动态，选取2015-04-25尼泊尔M8.1地震引起的井网同震变化特征进行分析探讨，为续建工程高水位运行期库区诱发地震的机理研究提供基础。

1 地震地质及井网概况

丹江口库区地处秦岭褶皱系东南缘，北跨大巴山褶皱带，南跨秦岭冒地槽褶皱带，东部紧邻南阳-襄樊坳陷。丹江口水库由汉库和丹库组成，沿汉库展布的断裂主要有北北西向的白河-谷城断裂和两郧断裂。汉库的基底主要是元古界石英片岩等变质岩系和白垩-第三纪的红层，仅艾家河一带有少量下古生代地层分布，透水性弱，库水不易渗透到深部。初期工程建设以来，极少发生水库地震。丹库库段主要分布下古生代灰岩、夹砂页岩、上古生代砂页岩、上白垩纪-第三纪红层和第四纪沉积。丹库及邻区的区域性断裂有北西西向的金家棚断裂、陶岔断裂、瓦屋厂-周山断裂和厚坡断裂，以及近南北向的丹江深断裂。这种构造环境利于库水向库岸深部渗透，并打破库区应力平衡[1-2]而诱发地震。

丹江口井网由雷庄井(W1)、唐扒井(W2)和盛湾井(W3)3口井组成, 分设在重点监视区和水库诱发地震潜在危险区内(见图1，图中地震为初期工程发生的水库地震)，井间距为5～20 km。主要测项包括水位、水温与气象三要素等辅助观测，观测技术全部为数字化连续观测。使用的仪器是中国地震局地震研究所研制的DSW-01 型地下流体综合观测仪, 水位分辨力为1 mm, 水温分辨力为0.001 ℃, 采样周期为1 min。3口观测井的基本特征如表1 所示。观测井的井孔结构除了井深略有差异外, 观测层以上部分为全封闭不锈钢套管，观测层及以下部分为镂空不锈钢套管，上部封闭套管的底部钢管与孔壁间用橡胶止水材料封井，长度约50 cm，以保证观测层不受地表降雨等因素的干扰。

2 地下流体动态分析

以2013～2015年丹江口井网实际观测数据

图1 丹江口水库诱发地震监测系统观测台站分布示意图Fig.1 Distribution of Danjiangkou reservoir induced earthquake monitoring stations

为基础，建立水位、水温测项的正常动态。年动态以日均值绘制，月动态以整点值绘制。在此基础上，对2015-04-25尼泊尔M8.1地震同震效应进行分析。

2.1 井水位动态分析

丹江口井网3口井的水位年动态曲线如图2所示。W1井整体趋势平稳，年变幅度为2.5 m；2013-04因雷击更换仪器，曲线出现台阶；受降雨影响，每年7～9月水位曲线出现上升波动。W2井年变幅度达5.3 m； 2013-04、2014-04两次因水位下降，探头漏出水面，曲线出现台阶；因降雨影响，2013-07～2014-03水位曲线出现起伏，2014-09、10曲线出现波动；2014-04以后曲线整体趋势平稳。W3井整体为趋势下降型，年变幅度达9.2 m。各井水位动态类型及年变幅度等动态特征见表2。根据观测数据计算结果，3口井水位均有地球固体潮汐效应, 潮差为13～50 mm；均有气压效应, 气压系数为0.02～1.20 mm/hPa；W2井显示典型潮汐效应、气压效应、降雨干扰效应(图3)，反映了井水位对地壳应力应变的响应能力。

表1 丹江口井网的基本特征

表2 丹江口井网井水位动态特征

图2 丹江口井网3口井水位年动态曲线Fig.2 Curves of annual behaviors of groundwater levels in 3 wells of Danjiangkou well network

图3 丹江口井网水位典型月动态曲线(2013-06)Fig.3 Typical monthly behaviors of groundwater levels in Danjiangkou well network(June 2013)

2.2 井水温动态分析

丹江口井网3口井水温年动态见图4。除2013-04因仪器故障出现台阶外，W1井整体趋势平稳，变化范围为17.996～18.393 ℃，年变幅度在0.01 ℃左右。W2井为趋势下降型，变化范围为17.424～17.632 ℃，年变幅度达0.104 ℃。W3井呈趋势上升型，变化范围为17.301 7～17.327 5 ℃，年变幅度达0.003 ℃。各井水温日变幅与月变幅统计结果(见表3)表明，井水温度日变幅一般为千分之几℃，月变幅一般小于0.01 ℃。

图4 丹江口井网3口井水温年动态曲线Fig.4 Curves of annual behaviors of groundwater temperature in 3 wells of Danjiangkou well network

井号日变幅度/℃月变幅度/℃月变形态W10.0001～0.00200.0011～0.0076下降、平稳W20.0001～0.00220.0044～0.0186下降、平稳W30.0001～0.00190.0012～0.0073起伏、平稳

3 尼泊尔M8.1地震同震响应分析

3.1 同震效应特征

2015-04-25尼泊尔M8.1地震发生，丹江口井网井水位出现震后同震效应(见图2)。W1井水位表现为振荡型变化，水位降幅达3.8 cm，后未恢复到原水位，表现为阶升后效；W2井水位表现为阶升-阶降的脉冲变化，水位降幅达6.4 cm，恢复后水位较原水位有所上升；W3井水位同震变化不明显，震前一直处于快速下降变化，对其作线性去倾处理后，震后井水位有下降趋势(见表2)。

W1井水温测项同震效应不明显。W2井水温测项表现为陡降-缓升的脉冲变化，变化幅度达0.028 ℃，恢复后水温较震前水温下降0.002 ℃。W3井水温测项震后呈振荡型阶降变化，变化幅度达0.000 5 ℃，后恢复至震前水温(图2、表3)。

3.2 同井位不同测项对比分析

W1井水位表现为振荡型同震变化，水温测项同震效应不明显；W2井水位表现为向上的脉冲响应，水温为向下的脉冲效应；W3井水位表现为不明显的阶降响应，水温为阶降型同震变化。水位变化受含水层系统内孔隙水压力及水流速度影响较大，如果含水层有较好的承压性及封闭性，则微小的应力应变变化就能对井水位产生影响。水温变化是地下水与其周围介质能量交换的结果，除受水流速度的影响外，还受水流路径、围岩介质的传热性能及观测井内水温探头所处深度等多种因素控制。

3.3 不同井位同测项对比分析

W1井与W2井处于南秦岭褶皱带次级单元不同的断裂带，W1井处于NWW走向的两郧断裂，W2井处于NNW走向的金家棚断裂，2口井的观测层都为灰岩。W1井水位响应变化时间滞后于W2井15 min左右，W1井水位响应形态为向下的脉冲响应，而W2井水位响应形态为向上的脉冲响应，判断与它们所处的断裂走向不同有关。W3井处于NWW向的瓦屋厂-周山断裂，观测层为砂岩层，水位测项未记录到明显的同震效应，可能与其所处断裂类型及观测层岩性等有关。W1井水温同震变化记录不明显；W2井与W3井处于不同的构造带，2口井水温测项均表现为阶降型同震效应，W2井下降幅度较W3井大得多，可能与2口井不同的观测层岩性及地下水类型等有关(见图5、表4、表5)。

表4 丹江口井网井水位对尼泊尔M8.1地震

表5 丹江口井网井水温对尼泊尔M8.1地震

3.4 井水位同震变化关系

井水位变化量级与震级大小、井震距的关系可以表示为[3-7]：

(1)

式中，Δhi为水位上升的幅值，cm；M为面波震级；b1、b2、a为常数；D为井震距。

图5 丹江口井网对尼泊尔M8.1地震的同震效应Fig.5 Coseismic changes of Danjiangkou well network caused by the Nepal M8.1 earthquake

表3列出了2013-05-24鄂霍次克海M8.2地震、2014-06-24拉特群岛M7.9地震、2015-04-25尼泊尔M8.1三次地震时W1井、W2井水位同震响应特征。经回归计算，得出上述2口井的近似关系式为：

lgΔhi=-0.84M-2.87lgD+17.22

(2)

式(2)表明，2口井水位同震变化幅度受井震距影响较大，并随井震距的增大而减小。进一步推导，当Δhi≥5 cm时，震级及井震距满足下式：

M≥-3.42lgD+19.67

(3)

即当震级和井震距满足式(3)时，井水位的上升会超过5 cm。

3.5 引起同震效应的地震波类型

顾申宜等[8]对海南琼海加积井引起水位同震响应的地震波类型进行了分析,得出引起同震响应的地震波大多为面波的结论。将W1井、W2井水位同震响应记录与丹江地震台(32.576 0°N，111.551 0°E)04-25 14:00记录的尼泊尔M8.1地震波进行对比分析。水位观测中使用的时间校准方法是网络IP 地址授时，误差在 0.1 s 级，满足精度要求。将地震波重新采样处理后与2口井的水位水温响应曲线对比分析(见图6)可以看出,同震响应主要发生在面波到达30 min之后，判断为面波引起。

4 结 语

本文建立了丹江口井网3口井2013年运行以来的水位水温年正常动态。水位年动态曲线有一定规律，受降雨影响会出现波动；水温年动态曲线基本平稳，年变化幅度在0.1 ℃左右，月变化幅度在0.01 ℃以下。水位的月正常动态普遍显示出固体潮效应与气压效应。3口井对地震波作用有较强的响应能力，由此可推测该井网具有一定的地震前兆监测能力。对2015-04-25尼泊尔M8.1地震引起丹江口井网的同震效应特征进行了分析，结果显示：

表6 井水位响应特征统计表

图6 井网同震响应曲线与对应地震波形Fig.6 Earthquake response of well network with seismic waveform

1)丹江口井网3口井水温水位阶变类型不一致，表现为振荡型、脉冲型等。水位水温不同的变化机理导致雷庄井水位测项记录到振荡型同震变化，水温测项同震效应不明显；唐扒井水位测项记录到阶升-阶降的脉冲型同震效应，水温测项记录为陡降-缓升的脉冲变化；盛湾井水位测项记录到不明显的阶降响应，水温测项记录到阶降型同震变化。

2)雷庄井水位响应形态为向下的脉冲响应，而唐扒井水位响应形态为向上的脉冲响应，判断与该井所处构造带走向有关；唐扒井与盛湾井水温测项均表现为阶降型同震效应，唐扒井下降幅度较大，可能与2口井不同的观测层岩性及地下水类型等有关。

3)引起唐扒井、雷庄井水位水温同震响应的地震波主要是面波(R波)，同震变化主要发生在面波到达30 min之后。

致谢：本研究得到中国地震局地震研究所高级工程师张卫华在数据处理方面的协助,在此致以谢意。

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Fluid Dynamic and Seismic Response Analysis of Nepal M8.1 Earthquake with the Danjiangkou Well Network

LIJunchao1,2KANGBo1,2CHENXingxing1,2WANGQiuliang1

1 Key Laboratory of Earthquake Geodesy,Institute of Seismology,CEA,40 Hongshance Road,Wuhan 430071,China 2 Earthquake Administration of Hubei Province, 40 Hongshance Road,Wuhan 430071,China

We analyzes the Danjiangkou well network 3 wells water level and water temperature observation data from 2013 to 2015. The normal dynamic individual test items are established. We study the different coseismic changes of water level caused by the Nepal M8.1 earthquake on April 25 in 2015 through the Danjiangkou fluid underground well network. The mechanism is explained. Corresponding relationships between magnitude earthquake response and surface wave magnitude and distance are deduced. We analyze the cause of the earthquake coseismic response waveform. The result indicate that well dynamic affect by rainfall water level has certain rules: monthly normal dynamics generally exhibit tidal and pressure effects; furthermore temperature dynamics are smooth, varying in the range of about 0.1 ℃.; different pulse changes of the Tangpa well are caused by different mechanisms of change between water temperature and well water. Different earthquake response characteristics on water level between Tangpa and Leizhuang wells may be associated with their different fault strikes. The water temperature of Shengwan well decreases much less than Tangpa well, caused by different lithology and groundwater type.

well water; Nepal earthquake; coseismic effect;aftereffect features

Monitoring, Prediction,Research,Three-Pronged Research Topics of CEA,No.151704.

WANG Qiuliang, PhD, associate researcher,majors in reservoir-reduced earthquake,E-mail: wql0703@163.com.

2015-10-30

项目来源：中国地震局监测、预报、科研三结合课题(151704)。

李俊超,工程师,主要从事地震监测预报研究，E-mail:cde159m@163.com。

王秋良,博士,副研究员,从事水库地震研究，E-mail:wql0703@163.com。

10.14075/j.jgg.2016.11.017

1671-5942(2016)011-1025-06

P315

A

About the first author:LI Junchao, engineer, majors in earthquake monitoring and prediction,E-mail:cde159m@163.com.