日本MW9.0地震引起的吉林省地下流体同震响应特征分析

綦 伟, 李仲巍, 刘达峰, 金 伟, 张 磊

（龙岗火山监测站，吉林 抚松 134528）

日本MW9.0地震引起的吉林省地下流体同震响应特征分析

綦 伟, 李仲巍, 刘达峰, 金 伟, 张 磊

（龙岗火山监测站，吉林 抚松 134528）

分析了吉林省境内地下流体观测井网对日本MW9.0地震的同震响应。结果表明，尽管震中距离、地下流体观测井岩性及环境各异，多数的观测井仍具有较好的同震响应。同震响应主要以水位阶变和振荡为主，而水温观测无明显变化。基于如上分析，讨论了同震响应变化的可能机理。

日本MW9.0地震；同震响应；地下流体

P315.723

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.04.009

1674-8565（2017）04-0049-05

吉林省地震局合同制科研课题项目（编号：201705）；地震行业科研专项结余资金使用计划项目（2013年吉林前郭5.8级震群研究）

2017-08-22

2017-10-02

綦伟（1973-），男，吉林省抚松县人，1996年毕业于吉林省化工学校，本科，工程师，现主要从事火山与地震观测研究工作。E-mail： qw731215281@sina.com

0 引言

2011年3月11日，日本宫城县以东太平洋海域发生了MW9.0特大地震。这次地震，造成重大人员伤亡和财产损失，地震影响和波及范围广泛。据有关研究表明，此次地震造成了日本本土列岛向东移动数米，与之相毗邻的东亚大陆也出现程度不等的地表移动[1]，并引起了我国境内较多地震台站前兆观测的同震响应。仅以地下流体观测为例，从距震中较近的东北地区，到西北的新疆，均有不同程度的同震变化[2-4]。这表明，地下流体观测作为地震前兆监测的重要组成部分，其动态变化能较灵敏地反映地震和构造活动的信息。吉林省是我国发生大震较少的地区，前兆观测台网的映震能力缺乏有效的验证，而这次日本MW9.0大震提供了检验的契机，归纳总结该井网对这次地震的同震反应并分析其变化，对研究该区井-含水层系统中的应力状态、大地震的远场效应特点以及评估该井网的映震能力，是十分必要和有益的。

1 吉林省地下流体观测网基本情况

吉林地下水井网始建于80年代，历经“八五”、“九五”清理攻关，特别是“十五”数字化改造后，井网布局趋于合理，观测系统环境得到进一步改善，多数水井增加了水温观测，实现了一井多用和数字化记录。观测井孔以纵贯吉林省的伊通—舒兰断裂为界，分布于东部山区和西部平原不同地貌构造单元之中。东部观测井岩性多为火成岩，西部观测井主要为沉积相的砂岩、细粉砂岩。观测井多数为承压井，观测静水位或自流水位。井深埋深从数十米至几百米不等，但东部观测井埋深普遍浅于西部。多数观测井的水位仪为LN-3A数字化水位，水温仪器为SWA-1A数字化水温仪，并实现了数字化传输。

图1为吉林省地下流体观测井网的空间分布图，其中标绘了在这次地震中具有同震效应的井位。从图中可以看出，多数观测井记录到了这次的同震变化，在其余未能记录到同震效应的观测井中，除个别井记录质量欠佳外，还有部分井为非数字化记录未参与分析。表1给出了这次地震具有同震效应观测井的基本参数。

图1 吉林省地下流体井位分布图Fig.1 Location map of ground fluid in Jilin Province

表1 井孔（同震效应）相关参数

2 日本MW 9.0地震同震反应

2.1 地下水位同震反应

前已述及，在日本MW9.0地震后，吉林省境内有相当部分的水井水位出现同震反应。表2列出这些井同震反应的具体情况。从表2中可以看出，这些观测井的水位同震反应大致可分为两类：即一类井水位在正常的日变背景上出现脉冲式振荡，持续时间较短，之后恢复正常变化形态；另一类井则出现阶升或阶降，持续时间较长，具体形态变化如图2-5所示。

表2 各井孔的同震效应统计表

2.1.1 阶变式同震反应

阶变式同震反应的特点为地震时在正常观测值曲线的背景下，出现较缓的阶升或阶降，或地震时出现振荡并伴有阶升或阶降，持续时间较长。如抚松井水位在震时即出现较大阶降，至当日晚17: 50，下降幅度约为0.239m，之后降幅转缓，至次日13: 20，共累积下降0.339m，之后观测值曲线虽然恢复为正常的固体潮日变形态，但仍处于低值区，直至4月中旬才恢复至正常背景。云峰井水位从震时13: 52起至14: 23急速上升，上升幅度为0.078m，然后下降恢复，到18:52至正常背景值附近，之后观测值曲线持续缓慢上升，持续时间约70h，变幅达0.117m，在此高水位值的背景下数日后缓慢下降，至4月初恢复至正常背景。蛟河井水位变化同云峰井类似，地震初始时有变幅较大振荡，变幅达0.224m，然后观测值曲线持续下降，直至4月中旬才恢复到正常背景值附近。

图2 抚松井水位观测值曲线（分钟值）Fig.2 Water level observation curve of Fusong well（Minute value）

图3 云峰井水位观测值曲线（分钟值）Fig.3 Water level observation curve of Yunfeng well（Minute）

图4 蛟河井水位观测值曲线（分钟值）Fig.4 Water level observation curve of Jiaohe well（Minute）

图5 三岗井、乾安井水位观测值曲线（分钟值）Fig.5 Water level observation curves of Sangang and Qianan well（Minute value）

2.1.2 振荡式同震反应

此类同震反应在吉林省地下水位观测井中占多数，主要特征为地震时在正常的日变背景上叠加振荡式脉冲变化，持续时间较短，振幅相对于日变较小，多数无后效影响或后效影响甚微。从持续时间上可分为两类观测井，一类是震动持续几分钟，振幅小，随即恢复正常，如乾安、套浩太井等；另一类持续时间较长，可达数小时，并具有一定的后效影响，如三岗、长岭，东大什等观测井。

2.2 水温同震反应

吉林省地下流体观测中水温观测对这次地震有响应的观测井甚少，白城井水温观测有微弱反应。地震时温度值曲线出现向下的脉冲变化，持续时间为12m，变幅为0.0153℃，之后恢复正常背景值。其余观测井均未记录到同震效应。

图6 白城井水温观测值曲线（分钟值）Fig.6 Water temperature observation curve of Baicheng well（Minute value）

3 讨论与结论

综上分析，给出如下认识与结论：

日本MW9.0大地震的同震效应空间分布广泛，在吉林省境内有明显同震影响，表明吉林地下流体观测网的映震能力较强，能够较灵敏监测到井-含水层系统中应力的扰动变化。

对比各观测井同震效应的不同变化，可以看出，距震中相对较近的观测井水位，多出现阶升或阶降变化，而距震中相对较远的观测井水位则为振荡型变化。这表明，震中较近的观测到的水位阶变是由于应力波作用于含水层介质产生的孔隙压力的变化引起的，含水层受压时上升，受拉张时下降 , 因此震后阶跃上升的水井水位可能包含有区域应力场的信息。水位阶升集中区可能是区域压应力相对集中区, 反之，水位阶降区可能为应力引张区[5]。另外，上述观测井的同震变化还可能与所处的不同构造单元有关，以伊舒断裂带为界，东部山区为张广才岭—长白山隆起带，西部分松辽断陷沉降带。两大构造单元的基岩存在明显差异，井-含水层系统受构造应力场的响应特征也不一样。

观测井出现振荡型的同震效应可视作井孔—含水层-记录仪器水位观测系统与拾震器-地震记地震观测系统相似 , 记录了地震面波的长周期分量，即在地震应力的作用下，含水层介质变形引起孔隙压力的变化，孔隙压力的变化导致井口水位震荡[6]。

从表2中可以看出，各观测井同震效应的变化幅度各异、量级不同，似乎与震中距关系不大，但相对于各井自身的日变幅而言，具有阶变反应的观测井，即离地震震中距较近的井，相对变化较大。各观测井记录到地震同震效应的差异，除上述条件外，还与观测井孔的岩性、观测水柱的高度及体积、埋深等观测环境密切相关，同时还可能与地震波传波过程中的地质构造条件有关。

研究区内水温同震效应不明显，仅白城井有微弱反应。一般认为，水温同震效应与水位同震效应存在一定的关系，即水井水位振荡引起水体热交换形成的，即井孔中的水体受振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。除与震中距、震级密切相关外，还与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、水温探头观测位置等有关[7]。需要指出的是，与吉林省毗邻的辽宁省地震前兆观测网，也未记录到这次地震的水温同震效应[4]。由此可以推测，此次地震的震源类型及对区域应力场的作用方式，可能是造成此现象的主要原因。

目前，已有大量的震例表明，大地震会引发各类前兆观测的同震效应，其中地下流体的同震效应是最为丰富和复杂的，亟待更深入的探索与研究。本文仅是初步总结分析了吉林省地下流体井对这次日本地震同震效应的变化特征，更细致的研究，还需进一步挖掘资料，并拓展至其它相关观测资料，开展更深入的实验和研究，以期得到更多有意义的认识。

[1]王敏，李强，王凡，等.全球定位系统测定的2011年日本宫城MW9.0地震远场同震位移[J].科学通报，2011，56（20）：1593-1596.

[2]姜城，王禹萌.吉林通化地震台四分量钻孔应变在日本9.0级地震前后的变化特征[J].山西地震，2014，3（1）：16-18.

[3]吴海波，李希文，柴红泽，等.延寿井水温资料的远场效应研究[J].防震减灾学报，2011，27（4）：26-29.

[4]包秀敏，冀林旺.辽宁前兆台网观测与日本3.11地震同震效应研究[J].防震减灾学报，2012，28（4）：21-27.

[5]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）：55-65.

[6]汪成国，盛琰，高守权，等.日本9.0级地震引起新30井水位水温同震响应及震后效应特征分析[J].内陆地震，2015，29（1）：37-42.

[7]鱼金子，车用太，刘成龙.金沙江水网对日本9.0级地震的同震响应及其特征与机理[J].地震，2012，32（1）：61-69.

Coseismic Response Characteristics of Ground Fluid in JiLin Province Caused by JapanMW9.0 Earthquake

QI Wei，LI Zhong-wei，LIU Da-feng，JIN Wei，ZHANG Lei

（Volcanic Observatory of Longgang，Jilin Fusong 134528，China）

This paper analyzes the coseismic response of the ground fluid observation network in Jilin Province to the JapanMW9.0 earthquake. The results show that most of the observation wells have good coseismic response despite the epicentral distance, the lithology of the subsurface fluid observation well and the environment. The coseismic response is dominated by water level change and oscillation, while no significant change in water temperature observation. Based on the above analysis, the possible mechanism of coseismic response is discussed.

JapanMW9.0 earthquake; coseismic response; Jilin Province; ground fluid