山东南麻井水位和水温对大震的同震响应特征及机理浅析

陈 童，周慧芳

(山东省淄博市应急救援指挥保障服务中心，山东 淄博 255000)

一次大地震发生后，其产生的地震作用力可以在瞬间改变地壳介质的状态，地下水作为地壳中最活跃的介质，可以响应由于地震波传播而造成观测井的水位、水温同震效应。井水位和水温同震效应是揭示地壳介质对应力—应变过程响应的有效观测手段，能够有效反映出地壳动力作用下地下介质应变和孔隙压的变化特征(张彬等，2015)。因此，研究地震引起的井水位水震波响应特征对了解研究区域的构造应力释放情况和研究区域未来地震危险性具有十分重要的意义(向阳等，2017)。

1 南麻观测井概况

山东沂源南麻井是山东省地震局“十一五”防震减灾规划项目中首个专门用于地震前兆异常观测而钻探的地下流体观测井。该井位于山东淄博市沂源县涝坡河村北，构造上处于南麻悦庄断陷盆地中南部，上五井断裂—沂源断裂上盘断裂带东5500 m(见图1)。于2009年12月20日完成钻探，井口标高290 m，完钻深度为201 m，其中：0～30 m深安装直径219 mm螺旋套管，31～201 m深安装直径140 mm的PVC套管。其主要含水层为139～151 m的红色灰岩质砾岩，该部位岩溶裂隙发育，最大溶洞的口径大于0.5 m，属于岩溶裂隙水。

图1 南麻井位置示意图

南麻井于2010年9月2日建成投入观测，观测项目有气压、水位和水温测项，观测仪器为ZKGD2000数字水位/水温观测仪，“十二五”期间又将观测设备升级改造为ZKGD3000数字水位/水温观测仪。仪器升级改造后，水位观测分辨率达到0.1 mm，水温观测精度达到0.0001 ℃。观测井周围500 m内无其他深井或河流干扰；井水位受季节性降雨影响，总体水位呈现出夏高冬低的变化趋势，大量的降雨过后，水位会表现出一定程度的上升，且存在1～2天的延时现象；水温总体变化较为平稳。自投入观测以来，该井资料完整，数据质量较好，为进一步分析区域地下流体变化提供了良好的实测数据。

2 南麻井水位和水温同震响应特征分析

2.1 总体概况

2011年以前，由于南麻井水位、水温数据采样率较低，为simple/10 min，2011年进行了设备升级改造，之后采样率大大提升，达到simple/1 min，故本研究选取了2011年1月至2019年12月作为研究时间段。根据中国地震台网中心地震速报目录资料，对2011年1月至2019年12月期间全球8.0级以上、全国6.5级以上地震的同震响应特征进行了分析研究。本研究的地震同震响应记录情况见表1。

表1 全球6.5级以上地震同震响应记录情况(2011-2019年)

由表1可以看出，2011年1月至2019年12月期间共发生6.5级以上地震32次，除2013年10月31日吉林松原6.7级地震和2014年2月12日新疆于田7.3级地震期间南麻观测井数据缺失外，其余地震期间南麻井同震响应程度都比较高，其中水位响应25次，响应形态均为振荡，响应率约为86.2%；水温响应14次，响应形态以阶变上升为主(简称：阶升)，响应率约为48.2%。可看出，南麻井水位的同震响应能力要明显优于水温。

2.2 典型震例分析

本文从研究时间段的32次地震中选取了6个具有代表性的典型震例进行分析研究(表2)。

表2 6个典型震例中南麻井水位、水温同震响应情况

2.2.1 日本本州海域9.0级地震同震响应特征

2011年3月11日在日本本州东海岸附近海域发生9.0级特大地震，该地震震中距离南麻井 2 159 km。地震发生后南麻井水位出现剧烈振荡，记录到水震波，水位最大双振幅达到 2 080 mm，水震波振荡的持续时间约为215 min(见图2)。南麻井水温也出现了明显的阶升，上升幅度达0.15 ℃，此次地震对南麻井水温的影响一直持续到2011年8月，这是南麻井自投测以来同震响应幅度最大的一次(见图2)。

图2 日本9.0级地震后南麻井水位、水温同震响应曲线

2.2.2 苏门答腊海域8.6级和8.2级地震同震响应特征

2012年4月11日在苏门答腊海域先后发生8.6级、8.2级地震，这两次地震震中距离南麻井分别为 4 566 km、4 749 km。震前南麻井水位、水温均波动正常，苏门答腊海域8.6级地震发生后井水位于4分钟后出现水震波，最大双振幅达到664 mm，振荡持续一段时间后开始逐渐减弱。随后该地区再次发生8.2级地震，井水位再次大幅度振荡，直至68 min后恢复至震前水平(见图3)。井水温则在苏门答腊海域8.6级地震发生后先出现了小幅度的阶降，随后又出现明显阶升，在井水温上升过程中，该海域再次发生8.2级地震，水温随即继续上升，整个上升幅度达到0.104 ℃，直至397 min后才逐渐恢复至震前水平(见图3)。这两次地震到南麻井的震中距虽然相差不大，但由于前后两次地震震级不同，井水位振荡的幅度差别也较大，最大振幅相差达到3倍，水体振荡的持续时间也随振幅的减小而缩短。

图3 苏门答腊海域8.6级、8.2级地震后南麻井水位、水温同震响应曲线

2.2.3 尼泊尔8.1级地震、墨西哥8.2级地震同震响应特征

2015年4月25日、2017年9月8日分别在尼泊尔和墨西哥发生8.1级、8.2级地震，震中距离南麻井分别为 3 256 km、13 394 km。这两次地震发生后，南麻井水位、水温均记录到清晰的地震同震响应。虽然这两次地震震级相差不大，但由于震中距相差较大，水震波振荡幅度以及水温的变化幅度也有较大差别。南麻井水位在两次地震发生后均出现振荡，水震波最大振幅分别为306 mm和268 mm；水温则均出现了阶升响应，最大升幅分别为0.07 ℃和0.046 ℃(见图4和图5)。呈现出震中距越小，水位、水温的响应幅度越大的特征。

图4 尼泊尔8.1级地震后南麻井水位、水温同震响应曲线

图5 墨西哥8.2级地震后南麻井水位、水温同震响应曲线

2.2.4 四川芦山7.0级、东海海域7.2级同震响应特征

2013年4月20日四川芦山7.0级地震和2015年11月14日东海海域7.2级地震发生后，南麻井水位均出现不同程度的振荡(见图6和图7)，水温均出现阶升同震响应。东海海域7.2级地震震中距离淄博井网约 1 200 km，是近年来距离淄博地区最近的7.0级以上地震，井水位、水温同震响应幅度相对较大，振荡时间持续也较长。

图6 四川芦山7.0级地震后南麻井水位、水温同震响应曲线

图7 东海海域7.2级地震后南麻井水位、水温同震响应曲线

3 响应机理分析

本文在对南麻井水位、水温的同震响应进行统计分析后发现，南麻井水位的同震响应形态均为振荡型，水温则以阶升为主，个别地震的水温的同震响应在阶升前伴随有小幅度的阶变下降。目前，水温同震响应机理研究有多种不同的观点，但这些观点大都是针对水位振荡—水温阶变下降现象提出的，而对震后水位振荡—水温阶升响应机理的研究则较少。在前人观点的基础上，笔者综合分析认为引起南麻井水位振荡—水温阶变上升的响应机理为：地震发生后，一方面地震波的张、压应力反复作用于含水层系统，造成含水层中的地下水与井筒内的地下水发生流动，从而造成井筒内的地下水呈现出周期性上下波动的现象，在地下水上、下运动的过程中水体与井壁及水温的传感器发生摩擦，从而引起水温的上升；另一方面，地震波使得含水层内的介质发生形变，进而造成含水层局部裂隙的串通，地下水通过裂隙发生垂直渗流，使承压含水层下部热水上升，从而引起温度的上升(马玉川等，2010；车用太等，2008；孙小龙等，2008)。

4 几点认识和探讨

从上述典型震例分析可以看出，南麻井水位和水温观测对大震的同震响应特征：

1)在震中距基本相同的情况下，震级越大，井水位、水温的同震响应幅度越大；而在震级基本相同的情况下，震中距越小，井水位、水温的同震响应幅度则越大。

2)对南麻井水位的同震响应幅度和振荡持续时间进行拟合发现，两者存在以下统计关系为y=0.0809x+48.256，即水位响应幅度x与振荡持续时间y呈线性关系，且振荡持续时间随响应幅度的增加而增加(见图8)。

图8 水位响应幅度、振荡持续时间关系拟合直线

3)以往的研究结果表明，灰岩的同震响应能力较强，砂岩、砾岩的同震响应能力较弱。而南麻井却多次记录到国内外远场大震，其同震响应程度较高。分析原因主要为：南麻井的含水层虽为砾岩，但由于其砾石的组成成分主要为灰岩，少部分泥岩，且该区域最大溶洞的口径大于0.5 m，裂隙发育，连通性好，富水性强，导水好，像一个巨大的连通管，含水层受到挤压和拉张容易引起其容积的较大变化，通过截面积较小的井孔反映出来，即水位的大幅度升降(耿杰等，2008)。

4)在有同震响应的测项中，南麻井水位的同震响应能力要明显优于水温。具体表现为：水温出现同震响应的震例包含有清晰的水位同震响应，而出现水位同震响应的震例则并未全部包含有到水温的同震响应，也就是说水位出现同震响应是水温同震响应的必要条件，且水温同震响应均出现在水位响应之后，一般滞后几分钟(杨竹转，2012；王学聚等，2017)，这也从侧面反映了水温的变化应该与水位的变化有关。

5)南麻井水位对于不同地震的响应形态相同，均为振荡型；而水温对于不同地震的响应形态则不完全相同，除苏门答腊海域8.6级地震后出现小幅度的阶变下降—大幅度阶变上升外，其余的响应形态均为阶升。

6)南麻井出现水位振荡—水温阶降的原因主要有两个：一是井筒内的地下水上、下波动过程中与井壁及水温的传感器发生摩擦产生热量；二是地震波造成含水层局部裂隙的串通，地下水通过裂隙发生垂直渗流，使承压含水层下部热水上升。