唐山地区数字化井水位对远场大震同震响应特征分析

王 妍，符泽宇，赵建明，李 金，刘燕翔，董祎玮，荣伟健

(河北省地震局唐山中心台，河北 唐山 063000)

0 引言

地壳中的流体在地震孕育过程中，作为传递、转换、接收异常信息的载体起着非常重要的作用。因此，地下流体异常能反映井—泉含水层系统受区域构造应力的影响而产生的变化，还具有一定的前兆指示意义。我国许多地震专家学者对水位的同震响应进行了大量研究，并对同震响应的特征进行了分析[1-6]。 但对水位同震变化的研究多停留在定性阶段，缺乏进一步的定量分析。

通过选取2005—2015年全球发生的33次7级以上大震，对比分析唐山地区较具代表的玉田井、唐山矿井、马家沟矿井、滦县井水位记录的远场大震水震波形态，得到一震多井和一井多震的水位同震变化特征。分析其特征、影响因素及其机理，通过反演研究唐山地区地壳活动规律，以解决在分析预报工作中遇到的实际问题，为唐山地区分析预报工作提供新的分析方法，具有重要的现实意义。

1 数字化观测井概况

选取唐山地区数字化井数据较好的玉田井做一井多震同震分析,唐山矿井、玉田井、滦县井、马家沟矿井做一震多井同震分析(表1)。

2 一井多震同震响应分析

2.1 玉田井记震能力

根据中国地震台网中心大震目录统计，自2005年4月至2015年12月全球共发生7.0级以上地震237 次，其中玉田井记录到了169次，记震能力71.3%，这样的比例与全国地震地下流体台网中水位动态对以往的世界Ms≥8.0地震的同震响应比例大体相当[7-9]。说明玉田井记震能力较好。选取2005—2015年全球发生的18次7级以上地震对玉田井的同震效应进行对比分析。

2.2 一井多震同震响应形态

根据玉田井与震中位置分布情况，将典型大震分为6个地区进行分析，分别为印尼苏门答腊岛、日本本州东、智利、俄罗斯西伯利亚东、巴基斯坦和国内大震(图1)。

2.3 一井多震同震响应特征

(1)由表2、图1可见，玉田井记录到的水震波振荡的形态除芦山7.0地震外大多表现为震荡型，震相单一，初动之后呈现最大振幅，之后随震波逐渐衰减，震后水位能恢复到震前水平，只有四川芦山7.0级同震表现形态为水位大幅度下降[10]；(2)震级越大水位振荡幅度越大，振荡时间越长，对于同等震级大震，井震距越近，水位振荡幅度越大；(3)根据计震数目、同震响应幅度玉田井对东南部日本、智利地震和印尼苏门答腊的地震记震能力要强于西北部巴基斯坦、俄罗斯等地。

表1 数字化观测井特性表

表2 玉田井水位同震响应特征表

(a)印尼苏门答腊岛北部地震; (b)日本本州东地震; (c)智利地震; (d)俄罗斯西伯利亚东部地震; (e)巴基斯坦地震; (f)国内大震图1 玉田井水位同震响应曲线Fig.1 Co-seismic Response Curve of Water Level in Yutian Well

图2 2015年全球典型大震Fig.2 Global typical earthquakes in 2015

3 一震多井同震响应分析

选取2015年4月至12月全球发生的Ms7.0级以上18次大震，进行一震多井同震响应分析。其中玉田井、唐山矿井记录到地震15次，滦县井记录到地震12次，马家沟矿井记录到地震9次。根据震中分布位置，选取记录较好的11次地震进行同震响应分析(见表3)。

表3 一震多井同震响应特征表

续表3

序号日期地点纬度/(°)经度/(°)震级Ms 观测井井震距/km 形态初动方向最大双震幅/m 10 2015-11-14 中国东海海域31 128.7 7.2 玉田井1386 震荡型向下0.022 唐山矿井1321 震荡型向上0.084 滦县井1331 无记录 无无马家沟矿井1353 震阶型向上0.079 11 2015-12-07 塔吉克斯坦38.2 72.9 7.7 玉田井3846 震荡型向下0.022 唐山矿井3924 震荡型向上0.032 滦县井3922 震荡型向上0.054马家沟矿井3888 无记录 无无

3.1 一震多井同震响应特征

(1)玉田井、唐山矿井、滦县井数字化水位对远场大震的同震响应在形态上存在着明显的一致性，主要表现形态为震荡型水震波。

(2)马家沟矿井有两种表现形态：一种为震荡型水震波；一种为震阶型。

(3)对同一远场大震滦县井的水位振幅要大于唐山矿井，唐山矿井的水位振幅大于玉田井。

(4)对同一大震，从初动方向上看，玉田井水位同震响应水震波的初动方向，大多与其他三口井相反。

4 井孔构造背景与同震响应特征关系浅析

从玉田井、唐山矿井、滦县井、马家沟矿井同震响应水震波特征来看，玉田井水震波初动方向总是与唐山矿井、滦县井、马家沟矿井水震波初动方向相反，且对于同一大震，滦县井的同震响应幅度最大。从构造位置来看(见图3)，玉田井位于林南仓向斜南翼，唐山矿、马家沟矿井处于开平向斜西北翼奥陶系地层，滦县井位于滦乐断裂带北段附近。因此试推断对于唐山地区数字化井水位来说，当井孔处于不同的构造位置时，其同震响应的水震波的初动方向受构造位置影响，在向斜的南翼和北翼的水井同震反应的水震波初动方向总是相反，位于唐山东部的水井同震响应幅度高于唐山西部水井，所以说其同震响应机理很可能与地质构造位置关系最为密切，其次也与断层性质有关。

5 结论与讨论

(1)从玉田井、唐山矿井、滦县井、马家沟矿同震响应特征和井点位置、含水层特性对比分析，看出唐山地区这四口较具代表性的数字化井水位，除马家沟矿井外都具有很高的同震响应能力。玉田井、唐山矿井、滦县井地层岩性均为奥陶系石灰岩，地下水类型均为承压水，数字化水位对远场大震的同震响应在形态上存在着明显的一致性。通过进一步分析四口井水位的同震响应影响因素，得出与震级相关性最高，其次为井震距。

(2)有专家分析认为，井水位同震变化的地震波对东部南部的地震比西部、北部的地震记录更清晰，振幅更大，持续时间更长。这是由于瑞利面波的弥散性质，往往从东南洋壳传播比从西北陆壳传播更强烈[11-14]。而唐山地区4口典型数字化井对东南部日本、智利地震和印尼苏门答腊的地震记震能力要强于西北部巴基斯坦、俄罗斯等地也印证了此结论。

(3)对于水震波同震变化机理，一些学者认为是地震波作用下含水层的压缩与张拉变形及由此引起的井-含水层间水交替运动[9-11]。刘耀炜等认为同震响应变化形态主要是受区域构造环境和井孔本身的水文地质条件控制，外力作用只是对其响应幅度产生一些影响[4-5]。本文讨论认为唐山地区数字化井同震特征机理，与井孔所处地质构造环境关系最为密切，与断层性质以及所处地质环境位置有关，也与地震波到达井孔的特性有关，是多种因素共同作用的结果。