江苏地下流体对青海玛多M7.4地震的同震响应分析＊

倪昊琦 张 朋 陈 浩 王 凯

（江苏省地震局， 江苏南京 210014）

0 引言

地下流体是一种非常活跃的地下介质，其分布十分广泛，具有很好的流动性且稳定不易被压缩[1]。当井下的地下流体层处于一个稳定承压的状态时，一旦地下构造应力发生变化，它能够及时、准确地作出反映[2]。受地震波的影响，地下应力作用，地下流体中水位和水温变化的影响最为直接。因此，地下流体观测被认为是最有效的中短临预测手段之一[3]。前人通过对大震后的地下流体同震响应变化做了大量分析，如对尼泊尔8.1级地震同震响应的研究[4-6]，日本9.0级地震同震响应及其机理的研究[7-9]，对水温水位同震变化的相关性以及水温水位同震响应的机理进行了探讨，解释了水位变化与区域应力场的关系，对影响水温水位同震响应的因素，也进行了细致的讨论。这些对区域内的地下流体同震变化的特征研究和机理分析，有助于了解区域应力变化情况以及地下含水层的结构情况，对区域内的地质构造研究和地震短临预测有重要意义。

2021年5月22日02时04分，青海省果洛州玛多县境内（34.59°N，98.34°E）发生7.4级大地震。通过对江苏地下流体井的数据查看分析，发现多地的水温、水位测项在此次特大地震后，记录到了较为明显的同震变化现象，且变化情况存在差异。通过对江苏地下流体水温和水位的观测资料进行分析，初步分析差异原因以及机理探讨，以便后续对江苏省地下流体同震响应有更进一步的研究，对地下流体井优劣的判断和合理选址提供参考。

1 江苏地下流体井网概况

江苏地下流体观测井共有27个（图1），省内各主要断裂带附近均有分布，观测层岩性以砂岩为主，地下水类型主要为岩溶裂隙水和孔隙承压水。经过数字化改造以及各项抗干扰设施设备建设，监测环境维护改造建设，目前江苏地下流体井网的观测条件、仪器设备运行、数据产出质量，均已满足常态化地震监测预报的要求。流体井具体分布情况图1中部分地图数据来自何奕成等[10]。

图1 江苏主要地下流体井分布图Fig.1 Distribution map of major underground fluid wells in Jiangsu Province

表1为江苏地下流体井的基本参数统计表（部分参数引自胡米东等[11]）。

表1 江苏各流体井具体情况统计表Table 1 Statistical table of specific information for each fluid well in Jiangsu

2 同震响应变化情况

图2为江苏地下流体水温同震响应变化情况。图3为水位同震响应变化情况。表2为同震响应变化情况统计。图4、图5分别为水温、水位同震响应形态分布图。

表2 流体井同震响应变化情况Table 2 Changes in co-seismic response of fluid wells

图2 2021年5月19—25日江苏地下流体水温同震响应曲线Fig.2 Co-seismic response curve of underground fluid water temperature in Jiangsu from May 19 to 25，2021

图3 2021年5月21—23日江苏地下流体水位同震响应曲线Fig.3 Co-seismic response curve of underground fluid water level in Jiangsu from May 21 to 23，2021

图4 水温同震响应形态分布图Fig.4 Distribution map of water temperature co-seismic response

图5 水位同震响应形态分布图Fig.5 Distribution map of water level co-seismic response

综上可知，江苏27个流体井能记录到水位同震变化的有16个，占总体的59%，其中变化幅度最大的井为溧阳苏22井，达到0.248 m；水温发生变化的流体井有5个，约占总体的19%，其中变化幅度最大的井为灌云台井水温3测项，达到0.043℃，主要变化类型为阶变。从变化时间上来看，所有变化均为同震变化，未发现震前异常，变化类型主要有振荡、阶变和趋势变化。从空间分布上来看，水温、水位发生变化的井主要分布在郯庐断裂带和茅山断裂带附近。

一般认为，地下流体井的水温水位变化幅度与震级和震中距有关，同震变化效果主要看观测层的含水层情况、传感器所在位置以及井孔承压性、密闭性等情况综合分析[12]。

震中距的影响在此次青海地震中并不明显。从水温测项看，丰县苏23井无变化，丹徒苏18井发生了阶降，而丰县苏23井的震中距远小于丹徒苏18井。从水位测项看，溧阳苏22井变化幅度达到0.248 m，丰县苏23井变化幅度为0.045 m，溧阳苏22井震中距远大于丰县苏23井。

3 分析与讨论

3.1 水位同震响应分析讨论

水位的同震响应变化是由地震和地壳形变导致的地下含水层的形变、裂隙或孔隙增大等，从而引起的水位变化。主要形态为振荡和阶变。发生振荡形态变化的流体井，在剧烈波动之后水位能够快速恢复平静，并且恢复到原来的波动状态。这说明这类井下的含水层有着良好的弹性，岩层的透水性也非常好。而发生阶变形态变化的流体井，在地震波作用下，含水层发生了变化，裂隙产生、孔隙增大等，从而导致水位在发生阶变后会持续一段时间才能恢复到原来的形态，有的变化甚至是不可逆的[6]。

井水位的阶变，可能是大震之后区域应力的调整，井水位的阶变上升，说明区域的应力增强，反之则说明区域应力减弱。单个井孔发生阶变并不能说明该区域内发生了应力调整，但如果该区域在远场发生大震后，出现明显的应力调整变化，且表现出一定的群集性和集中性[13]，那么该区域可能应力相对集中，这对判断未来该区域地震发生位置具有一定的指示意义。青海玛多地震后，茅山断裂带附近的5口井水位都发生了阶升，同年12月22日21时46分常州天宁发生4.2级地震，之后5口井水位又发生了阶降。这5口流体井的具体参数和变化情况如表3。天宁4.2级地震前后的井水位变化如图6所示。

表3 流体井参数及地震前后变化情况Table 3 Fluid well parameters and changes before and after earthquakes

图6 2021年12月20—30日常州天宁4.2级地震前后井水位变化Fig.6 Changes in well water levels before and after M4.2 Changzhou Tianning earthquake from December 20 to 30，2021

由流体井分布图可知，这5口流体井都处于茅山断裂带附近，它们的观测含水层的岩性、井孔情况和所处位置的构造决定了它们对于含水层的变化是比较敏感的。尤其是当出现区域性、集中性的异常，能够一定程度上说明该区域的应力状态发生变化。据此我们可以认为，青海玛多地震引起了茅山断裂带附近的区域应力增强，使附近5口井水位发生同震响应变化，井水位发生阶升，而在常州天宁4.2级地震发生后，茅山断裂带附近的区域应力得到了释放，含水层压力减小，所以井水位都发生了阶降。

3.2 水温同震响应分析讨论

水温同震响应的机理成因较为复杂，目前比较主流的3种观点是：气体逸出说[14]、井内水体热弥散说[15]和冷水下渗说[16]。

（1） 气体逸出说：研究者发现，井水温发生同震变化时，井水面伴有气泡逸出，认为是气泡的逸出，带走了井水的热量，导致井水水温下降。

（2） 热弥散说：石耀霖等[15]在经过数据统计后提出了水温的热弥散模型，认为水温同震响应是由于水分子的热弥散效应引起的。流体井在发生水位同震响应后，水分子热弥散系数增大，温度较高的一些高分子动能水分子弥散到冷的低分子动能水中，同时温度较低处一些低分子动能水分子也会弥散到温度较高处，从而造成水温的变化。

（3） 冷水下渗说：研究者认为水位振荡—水温下降是由于井孔含水层周边上部的地下水，由于振荡加快了垂直向下运动的速率，低温水快速混合到观测井水中，引起了水温的下降。

由此可见，对于水温同震响应的机理尚在讨论阶段，前人的各种机理解释也都有一定的依据。对于江苏地下流体水温同震响应的机理仍有待进一步研究。水温的同震响应变化也不一定完全是水位变化造成的，也可能与地下水流速、井孔孔隙度、套管深度、探头位置等有关，影响因素较为复杂[17]。

4 结论

本文通过对青海玛多地震后江苏地下流体的同震响应情况分析，总结如下：

（1）江苏省地下流体井在青海玛多地震后大多出现了同震响应，同震响应井占比达到59%，说明江苏省大多数地下流体井的水位在此次地震中都有良好的响应能力。其中，地下流体水位测项受影响最为明显，有16个井的水位发生变化，水温受影响则较弱，仅有5口井的水温发生变化，说明江苏地区各测点对于此次地震，水位监测能力强于水温监测能力。

（2）青海玛多地震引起的江苏地下流体同震响应中，震中距影响不明显，水位和水温变化幅度并没有随震中距的减小而增大。

（3）青海玛多地震引起的同震响应分布，在空间上呈现出一定的特征，玛多地震同震变化的井主要集中分布在郯庐断裂带和茅山断裂带附近。

（4）水位同震响应和区域构造、水文环境有着直接的联系，含水层受挤压则应力增强，受拉伸则应力减弱。因此，当水位的变化呈现出区域性或者集中性时，说明该区域的应力状态发生了变化，这对地震的短临预测有一定的指示意义。青海玛多7.4级地震中，5口井水位阶升的井位于茅山断裂带附近，之后2021年12月22日发生了常州天宁4.2级地震。

（5）水温的同震响应机理复杂，水体运动方式、水流速度、水温探头的位置及井孔温度梯度等都有一定影响。青海玛多地震后，江苏部分地下流体井在水位变化的同时，水温并未变化。因此，江苏地下流体井水温的机理研究还需要多方面和更进一步的数据才能够确认。