河北无极井同震响应特征分析

董 博, 纪春玲, 周安聘, 张环曦, 赵雨晨, 李 凤, 章 阳, 王 时

(河北省地震局石家庄中心台, 河北 石家庄 050021)

0 引言

地震孕育过程中,由于应力-应变逐渐积累,会引起局部或区域尺度地壳深、浅部介质结构和物理化学性质的变化,而井-含水层系统对地震波有天然的放大作用[1-3],当地震孕育过程使含水层受力状态发生变化时,有可能引起井孔水震波记震能力的显著变化。地下水位的同震变化,反映了地壳变形和地面震动引起的地下流体同震响应现象[4-7]。

无极井从2001年开始进行数字观测,数据质量良好,水位对远场大震反应灵敏[8],屡次在省局、国家局评比中获奖。目前绝大部分观测井有井水位的同震响应,却没有地震前兆异常。研究表明无极井自观测以来出现过多次典型的震前异常[8],故有必要对无极井同震响应做全面深入分析。本文对2011—2018年无极井水位对全球M≥5.0地震记录到的同震异常数据及其对远场大震的响应能力及基本特征进行分析,并在前人提出同震效应机理的基础上,结合无极井实际观测资料,对无极井同震变化的可能机理进行了解释。

1 无极井概况

无极井位于河北省无极县,属华北深井网,地处冀中拗陷,衡水断裂北侧,如图1所示。该井孔口标高44.5 m,为承压含水层,含水层为震旦系、寒武系灰岩、白云岩,地下水类型为岩溶裂隙承压水。水文地质条件属岩溶水的弱交替区,地下水由东向西缓慢渗流,属大气成因的深循环热水,封闭性尚好。井孔所处的环境地面平坦、盖层厚、无干扰源。无极井于1986年开始进行模拟静水位观测,观测仪器为SW-40;2001年开始进行数字化观测,现使用的数字化观测设备为ZKGD3000-NL型地下水数据监测系统。

图1 无极井周边地质构造图Fig.1 Geological structure map around Wuji well

2 资料选取

无极井数字化水位分钟值曲线显示固体潮日变清晰,呈现明显的日波和半日波;气压正常动态为夏高冬低型,与水位成负相关;水位多年动态变化较平稳,表现为趋势性下降(水位值为水面至井孔之间的距离),无明显季节特征,如图2所示。本文收集2011—2018年无极井数字化水位分钟值数据和该时段内全球M≥5.0地震资料。地震目录从哈佛大学网站查询,包含地震三要素和震源机制解等信息,共获得3 283次地震,其中5.0≤M≤5.9地震2 187次,6.0≤M≤6.9地震957次,7.0≤M≤7.9地震128次,M≥8.0地震11次。近年来,无极井周边M≥5.0近震较少,发生井震距小于1 000 km的地震9次,2016年7月31日江苏高邮M5.0地震井震距最小,约为708 km,其余8次地震井震距为755～992 km,且M≤6.0。

图2 无极井2011—2018年井水位趋势性下降曲线Fig.2 Trend decline curve of well water level of Wuji well from 2011 to 2018

3 同震响应及特征分析

3.1 同震响应的前兆异常

大部分流体观测井具有同震响应特征,但较少的井口能出现前兆异常。笔者运用小波变换对无极井具有同震响应的前6个月水位分钟值数据进行了分析,发现无极井自数字观测以来出现多次震前异常的同震响应,其中大部分异常出现在震前三个月或震前一个月,这与前人研究结果相符[8],在判断异常时以偏离正常值3倍均方差为判别指标[9]。

本文以2012年4月11日北苏门答腊西海岸远海M8.6地震为例,对无极井2012年全年分钟值数据进行db5小波变换,如图3所示。由图可以看出,在地震前3个月井水位小波变换出现高频异常,震前1个月异常幅度增大,同震效应明显,震后小波细节图无异常出现,小波变换细节分量明显地反映出该次地震的临震信息和同震响应。

图3 2012年井水位分钟值原始曲线、小波分析细节图及4月11日水位同震响应曲线Fig.3 Original curve of minute value of water level in 2012,detail diagram of wavelet analysis and coseismic response curve of water level on April 11

3.2 同震响应能力

统计2011年以来无极井同震响应和全球M≥5.0地震的相关信息,包括井震距、水震波振幅、形态、持续时间等信息,进而分析无极井水位的同震效应特征,见表1。鉴于地震样本量较大,对不同震级档的地震采用不同的分析策略:M<7.0地震分震级档、按照井震距排列从近到远依次分析,直至井孔无法记录到该震级档的水震波,M≥7.0地震全部参与统计。

表1 2011—2018年无极井部分水位对远场大震的同震响应形态特征Table 1 Coseismic response characteristics of part of water level of WuJi well to far-field large earthquakes during 2011-2018

5.0≤M≤5.9地震统计结果显示,井震距小于1 600 km的地震共有37次,无极井只记录到2012年9月7日云南彝良M5.6地震,井震距为1 566 km,水震波形态为震荡型,幅度1 mm。其余36次地震井震距为707～1 594 km,均未记录到水震波。推测无极井无法明显监测到M<6.0地震水震波。

6.0≤M≤6.9地震统计结果显示,井震距小于2 600 km的49次地震,无极井只记录到3次地震,其中2014年3月3日琉球群岛M6.8地震的水震波,井震距为1 697 km;2018年8月3日云南鲁甸M6.5地震,井震距为1 641 km;2017年11月18日西藏米林M6.9地震,井震距为2 061 km,这3次地震引起的水震波形态均为震荡型。由于地震震级对水位同震效应的影响较大,笔者进一步统计了井震距大于10 000 km的41次6.0≤M≤6.9地震,均未记录到同震响应。

M≥7.0地震统计结果显示,2011—2018年全球发生M≥7.0地震共计139次,无极井共记录到85次地震的水震波,占总数的61%,表明无极井水位对全球M≥7.0大震具有较好的同震响应能力。所有记录到强震的水震波均为振荡型。

3.3 同震响应特征

3.3.1 震级、振幅、持续时间与井震距的关系

M≥7.0地震统计结果显示,48次地震井震距小于5 000 km,其中20次记录到水震波,占比为42%;103次地震井震距小于10 000 km,其中60次记录到水震波,占比为58%;36次地震井震距大于10 000 km,其中25次记录到水震波,占比为69%。由此可见,无极井对于全球范围内的大震随着井震距越大,记震能力呈现出增大的趋势。

M≥7.0地震振荡型水震波振幅为1～80 mm,持续时间为2～1 132 min。15次M≥7.0地震的水震波持续时间均超过120 min。统计结果发现,相同震级情况下,无极井水震波振幅与井震距基本成反相关关系。震级相同,且井震距≤10 000 km情况下,水震波持续时间与井震距基本呈反相关关系,大于10 000 km,相关性不明显,如图4所示。

图4 M≥7.0地震震级、振幅、持续时间与井震距的关系Fig.4 Relationship between magnitude, amplitude,duration of M≥7.0 earthquakes and well-hypocenter distance

3.3.2 震源机制类型、震级与井震距的关系

2011年以来全球M≥7.0地震(地震井震距介于1 141～19 325 km)主要集中在环太平洋地震带,其次是地中海—喜马拉雅地震带,如图5所示。由图显示的红色部分为无极井水位能记录到水震波的地震,黄色部分为未记录到水震波的地震。由统计可知,无极井能记录到欧亚板块大部分地震信息,相对于板内地震,板缘地震的记录效果更好。

图5 2011—2018年无极井同震效应分布Fig.5 Coseismic effect distribution of WuJi well in 2011-2018

统计震源机制类型对该井记录水震波的影响,见表2。结果显示,无极井对走滑型地震的响应能力最高,达到71%,对逆断型地震的响应能力次之,为63%,对正断型和逆斜滑型地震响应能力一致,均为62%,对正斜滑型地震响应能力最弱,为54%。当井震距小于5 000 km时,无极井能记录到M≥7.0所有类型地震的水震波,响应能力分别为逆断型82%,逆斜滑型80%,正断型100%,正斜滑型56%,走滑型60%。当距离为5 000～10 000 km时,井孔依然能记录到不同类型地震的水震波,但是

表2 地震震源机制类型和同震效应的关系Table 2 Relationship between focal mechanism type and coseismic effect

同震响应能力明显下降,逆断型地震降至67%,逆斜滑型40%,正断型降至50%,正斜滑型61%,走滑型100%。当距离大于10 000 km时,逆断型41%,正断型50%,逆斜滑型50%,正斜滑型17%,记录不到走滑型地震的水震波,如图6所示。表明无极井对不同类型地震水震波的记录能力存在差异。

图6 不同类型地震的井震距和同震效应的关系Fig.6 Relationship between well spacing and coseismic effect of different types of earthquakes

将全球M≥7.0所有地震(不考虑震中距范围)划分为4个震级档,统计震级对台站记录水震波效果的影响,见表3。无极井对M≤7.5地震的响应能力为52%,对7.6≤M≤7.9地震的响应能力显著提升,达到81%,对M≥8.6地震的响应能力达到100%,表明无极井对水震波的记录能力随地震震级增大而显著提升。

表3 地震震级和同震效应的关系Table 3 Relation between magnitude and coseismic effect

4 同震响应机理探讨

无论地震方位和震源机制解如何,无极井水位对远场大震的同震响应形态均为震荡型,表现为水面的上下波动,波动停止后水位恢复至震前正常形态变化。选取典型同震震例,如图7所示。

图7 无极井水位典型同震响应曲线Fig.7 Typical coseismic response curve of water level in WuJi well

在此基础上,笔者进一步研究了无极井水位同震响应曲线与地震波形之间的关系,并对当天的水位数据进行了db小波分析,如图8所示。井震距为3 018 km的2015年4月25日尼泊尔M8.1地震在地震P波到达之后水位开始震荡,最大面波R到达之后响应幅度最大。db小波分析异常判断时,以偏离正常值三倍均方差为指标[9],由图可以看出震前高频异常明显,小波变换细节分量反映出该次地震的同震响应,震后异常逐渐减小。

图8 2015年4月25日无极井水位同震响应曲线与地震波形曲线对比及井水位小波细节分析Fig.8 Comparison of seismic waveform and coseismic response curve of Wuji well water level on April 25, 2015 and wavelet detail analysis of water level

2018年1月23日阿拉斯加湾M8.0地震,井震距为6 909 km,井水位在地震S波到达之后开始震荡,并在最大面波R到达时水位震荡振幅达到最大。由小波细节分析可以看出,在地震发生前出现了明显的高频异常,且异常一直持续到地震发生,小波细节分析明显的反映出该次地震的同震效应。如图9所示。

图9 2018年1月23日无极井水位同震响应曲线与地震波形曲线对比及井水位小波细节分析Fig.9 Comparison of seismic waveform and coseismic response curve of Wuji well water level on January 23, 2018 and wavelet detail analysis of water level

2018年8月19日斐济群岛M8.1地震,井震距为9 382 km,水位在地震P波到达之后,S波到达之前产生波动,P波引起的水位变化幅度要大于S波引起的水位变化幅度,水位同震响应最大幅度同样发生在最大面波R到达时,此次地震当天水位数据经小波细节分析可以看出,震前存在高频异常,同震效应及震后高频异常明显,如图10所示。

图10 2018年8月19日无极井水位同震响应曲线与地震波形曲线对比及井水位小波细节分析Fig.10 Comparison of seismic waveform and coseismic response curve of Wuji well water level on August 19, 2018 and wavelet detail analysis of water level

由以上分析可知:水位响应时刻受地震震级和震中距影响,当震级足够大且井震距较小时,首先到达的P波即可引起水位震荡,最大面波R波引起的水位震荡幅度最大。这个结果与诸多学者研究一致[10-11]。

碳酸岩的透水性最强,砂岩、泥质砂岩次之,岩浆岩最差。井孔含水层的岩性决定了其导水性能的强弱,进而影响记录水震波的效果[12]。无极井含水层为震旦系、寒武系灰岩、白云岩,属碳酸岩类,具有导水性好的地质条件。无极井记录到的水震波均为震荡型。目前,振荡型水震波成因的认识目前有以下2种:一种是水位的波动主要由周期为15～20 s瑞利面波引起,瑞利面波可同时引起体积膨胀和垂直运动。当P波、S波、面波通过含水层时,含水层介质发生体积变化使得水位振荡[13]。另一种是水震波成因也可能与气体脱逸有关。当直径达7～8 mm的气泡上涌时,井水位抬升,而气泡由水面释放后,井水位下降,如此反复过程导致了井水位的同震振荡现象[14]。无极井含水层观测系统的固有周期和地震的P波、S波、面波接近时,可能会产生共振进而记录到振荡型的水震波。由于无极井同震效应曲线与该地震台的地震波形记录对应较好,且该井封闭性尚好,笔者查阅相关资料得知自观测至今无极井没有出现过气泡上涌的情况,所以排除气体脱逸导致井水位振荡[15-16]。

综合分析认为,地震发生后,S波或面波引起含水层瞬时变形,致使含水层内空隙压力发生升降交替变换,造成井-含水层水流的交替运动,最终引起水位震荡,最大面波到时水位震荡幅度达到最大值,此时可能记录到振荡型的水震波。

5 讨论和结论

本文系统地分析2011年1月至2018年12月无极井同震响应资料,重点研究139次全球M≥7.0地震井水位同震响应特征及机理,得到以下结论:

(1) 无极井对全球M≥7.0地震具有较好同震响应,能清晰记录到全球61%的M≥7.0地震。从空间上看,无极井能记录到欧亚板块大部分地震的水震波,相对于板内地震,板缘地震的记录效果更好。几乎记录不到震中位于海洋板块内部的地震水震波。

(2) 不同方位、震级、震中距的地震,在台站观测条件未发生变化时,无极井对地震的响应方式一致,均表现为震荡型。这种现象说明地震波可能只是触发作用,水位震荡的方向与触发源无关、与应力场相关性不明显,其固有的响应方式主要取决于观测井局部的地质构造和水文地质条件。

(3) 井含水层观测系统、地震震级、井震距是影响水震波记录效果的重要因素。相同震级情况下,无极井水震波振幅与井震距基本成反相关关系。震级相同,且井震距≤10 000 km的情况下,水震波持续时间与井震距基本呈反相关关系。无极井对于全球范围内的大震随着井震距越大,记震能力呈现出增大的趋势。震源机制类型可能会影响井孔记录水震波的效果。

(4) 地震发生后,S波(部分为P波或R波)引起含水层瞬时变形,致使含水层内空隙压力发生升降交替变换,造成井-含水层水流的交替运动,最终引起水位震荡,面波到时水位震荡幅度达到最大值,此时可能记录到振荡型的水震波。小波细节分析,震前存在高频异常,同震效应及震后高频异常明显。