段美芳 陈佳 陆丽娜
[摘要] 基于2008—2023年云南井网中26口观测井水温和水位的同震响应资料,以对云南地区影响较显著的8次地震为例,对比分析各观测井水温和水位的同震响应特征,分别从地震波能量密度、岩性、断裂带的控制作用以及动态协调性等角度对其同震响应机理进行了探讨。结果表明,云南井网水温和水位对远场大震的响应较近震显著,响应主要集中在滇中一带,水位响应较水温显著,水位同震变化以振荡和上升为主,水温以脉冲为主。德宏法帕滇22井和丽江象山井有更好的响应能力,剑川滇06井、会泽甘沟滇01井、昆明官渡区小哨井、大姚地温井和南华震2井的同震响应能力较其余21口井弱。进一步分析表明,地震波能量密度与震中距线性拟合相关系数大于?0.9,成明显负相关,与震级成正相关,并给出了能量密度与渗透系数的对应关系。最后分别对水温和水位同震响应机理进行了探讨。
[关键词] 云南井网; 水温; 水位; 同震响应
[DOI] 10.19987/j.dzkxjz.2023-105
0 引言
水温和水位作为地下流体的重要观测手段,其变化可以反映地壳运动的活动性,在地震预测和预报中起着重要作用。有学者采用“一震多井”[1]、“一井多震”[2]、“一震一井”[3]的方法对云南地区水温水位同震响应做了不同程度的研究并取得了一定的成果。但因受限于地震频次、观测技术和观测台站密度等因素,目前,该项工作仍缺乏利用多个地震对云南井网响应特征的系统研究。中国地震局“十五”重大工程项目之“中国数字地震观测网络”的实施,为云南地区水温和水位的同震响应研究提供了较好的数据基础。
为更好地监测研究云南地区地震活动性和观测井同震变化情况,本文系统收集和整理了云南井网水温和水位的长期监测数据,采用“多震多井”的研究方式,分析和总结同震响应特征,结合井孔水文地质条件探讨不同响应现象的可能机理,并对云南井网地下流体的同震响应能力进行评价,为今后提高研究区监测能力以及監测井的布设提供参考。
1 研究对象
1.1 云南流体观测井网概况
云南地区于1982年陆续开展地下流体观测,经过近40年的发展,已建立了比较完善的地震地下流体观测网。到目前为止,在云南地区模拟及数字化观测台网中,水温共计97项,水位共计104项,其中,水温水位同井运行观测的有87口,占所有测井的84%,基本实现高精度、高分辨率、实时监测和数据共享。
现用的水位观测仪器有3种:LN-3A型、SWY-2型和ZKGD3000数字化水位仪。除SWY-2水位仪为秒采样外,其他两种水位仪均为分钟采样,3套仪器分辨率均优于1 mm。现用的水温观测仪器有5种:SZW-1A、SZW-1、SZW-2、SZW-1AV2004和ZKGD3000-NT型数字水温仪。其中,SZW-2水温仪为秒采样,其余仪器均为分钟采样,5套仪器分辨率均为±0.0001℃。为保证数据一致性,本文统一采用分钟值进行研究。
本文以2008—2023年间我国及邻区发生的重大地震为例,研究云南井网的同震响应特征。经调查,此期间发生的并能显著引起云南地区地下流体同震响应的重大地震有8次(表1)。其中,2008年5月12日汶川MS8.0地震,2011年3月11日日本MS9.0地震,2012年4月11日苏门答腊MS8.6地震和2015年4月25日尼泊尔MS8.1地震为远场大震(震中距在1000 km以上);2013年4月20日芦山MS7.0地震、2014年8月3日鲁甸MS6.5地震、2017年8月8日九寨沟MS7.0地震和2021年5月21日漾濞MS6.4地震为近场地震(震中距在100~1000 km之间)。
1.2 数据来源和选取
水温和水位观测资料来源于云南省前兆台网数据库,考虑到下文需从观测井、测项和同震响应3方面进行多角度综合分析对比,所选观测井需满足如下两个特征:①水温水位同井观测,且在地震响应前后仪器都正常工作;②选取的8次地震中至少有一次地震引起了水温水位中一个测项的同震响应。基于上述原则,本文挑选出26口数字化观测井进行研究。为了进一步分析同震响应特征,本文分别对观测井的分布情况和基本参数进行了统计(图1,表2)。
2 结果
2.1 响应形态特征
比较这8次地震对云南井网的影响程度(表3)可知:云南井网水位的同震响应类型表现为脉冲、振荡、上升和下降等形式,以振荡和上升两类为主;水温的同震响应类型表现为脉冲、上升和下降,以脉冲为主。
其中,下关团山井水温水位同震响应具有明显协调性,具体表现为:对有响应的尼泊尔地震(图2a和图2d)、日本地震(图2b和图2e)、汶川地震(图2c和图2f)和苏门答腊地震(图2g和图2i)水位均表现为振荡,对漾濞地震(图2h和图2j)水位表现为上升;水温变化均表现为极其相似的上升形态。5次水位同震响应变化幅度范围为0.019~0.073 m,水温同震响应变化幅度范围为0.0112℃~0.08℃。
图 2 下关团山井水温水位同震响应曲线
Fig. 2 Coseismic response curves of water temperature and water level of well in Xiaguan Tuanshan
汶川MS8.0地震时,云南地区共有17口测井记录到同震响应,其中有9口测井的水温水位均记录到同震响应(图3)。在该次地震响应中,水位多表现为振荡和上升的形态,水温多表现为先降后升或趋势上升的形态,如昆明基准台ZK1井(图3a和图3d)、建水黄龙寺井(图3b和图3e)、德宏法帕滇22井(图3c和图3f)的响应形态均表现为水位振荡,水温先下降后趋势上升;弥勒县弥东哨井(图3g和图3j)和普洱大寨滇17井(图3h和图3k)的响应形态均表现为水位阶升,水温趋势上升。
图 3 汶川地震云南井网水温水位同震响应曲线
Fig. 3 The coseismic response curves of water temperature and water level in Yunnan well pattern to Wenchuan earthquake
漾濞MS6.4地震时,云南地区共有8口测井记录到水位同震响应,有10口测井记录到水温同震响应(图4)。水位同震响应表现为上升、下降、振荡和向上的脉冲4种形态;水温同震响应表现为上升、下降、向上的脉冲和向下的脉冲4种形态。值得注意的是,本次地震引起元谋滇02井(图4o)、剑川滇06井(图4p)、南华震2井(图4q)和大姚地温井(图4r)4口测井水温出现明显同震变化的同时水位无变化,这与以往井水温同震响应多是由水位同震变化引起的观点不一致[4-5]。
2.2 响应频次及分布特征
由表3可知,德宏法帕滇22井对8次地震均记录到水位同震变化;丽江象山井对8次地震均记录到水温同震变化,同震响应能力较强。剑川滇06井、会泽甘沟滇01井、昆明官渡區小哨井、大姚地温井和南华震2井对选取的8次地震中仅有一次地震引起了水温和水位中一个测项的同震响应,占所有观测井的19%,说明上述5口井同震响应能力较其余21口测井弱。
从空间分布上看,8次地震引起的同震响应主要集中在滇中一带(图1)。由图5可知,除汶川和漾濞地震水温响应测井数略高于水位外,其余地震对应的水位同震响应测井数均明显大于水温。对尼泊尔地震发生同震响应的测井数最多,共有20口测井水位记录到水震波,占所有观测井的77%,12口测井记录到水温变化,占所有观测井的46%;对九寨沟地震发生同震响应的测井数最少,只有5口测井记录到水温水位变化。综上所述,水位的响应能力明显强于水温;测井对汶川MS8.0,日本MS9.0,苏门答腊MS8.6和尼泊尔MS8.1四次远场大震的响应较其他4次近场地震显著。
2.3 水温同震变化分析
本研究所选测井除普洱大寨滇17井和大姚地温井是浅层水温外,其余都是深层和中层水温。由表3可知,不同井水温对不同地震的响应形态和变化幅度不同,但其中4口井有一定规律可寻:建水黄龙寺井对有响应的6次地震均表现为向下的脉冲,最大变幅为0.128℃;昭通渔洞井对有响应的4次地震均表现为向上的脉冲,最大变幅为0.176℃;元谋滇02井对有响应的6次地震均表现为下降,最大变幅为0.0176℃;下关团山井对有响应的5次地震均表现为上升,最大变幅为0.0278℃。
2.4 水位同震变化分析
本研究所选观测井有17口为静水位观测,有10口井为动水位观测。相关研究表明,动水位的映震能力明显高于静水位[6],但近年来,由于对地下水开采过多等因素,导致部分动水位观测井断流后改为静水位观测。例如:洱源滇20井于1986—2008年为动水位观测,2008年9月因含水层弹性储水量的减少及周围温泉和井水开采的影响导致出水口断流,随后改为静水位观测至今;丽江象山井受降雨影响,雨季井水位高于泄流口呈自流状态,旱季则处于低水位不自流。不同井对不同地震水位的响应形态和变化幅度不同,但其中4口井对有响应的地震同震方向始终保持一致,主要表现为:
(1)下关团山井静水位:对尼泊尔、日本、汶川和苏门答腊4次地震的响应形态均表现为振荡型。从变化幅度来看,苏门答腊地震时该井变化幅度最大,达到0.073 m,汶川地震时变化幅度最小,只有0.019 m。
(2)普洱大寨滇17井动水位:对尼泊尔、日本、汶川、苏门答腊、鲁甸和漾濞6次地震的响应形态均表现为上升型,这与以往思茅井水位的同震变化总是上升的研究结果[5,7]较一致。汶川地震时该井响应幅度最大,达到0.386 m,鲁甸地震时响应幅度最小,只有0.005 m。
(3)弥勒县弥东哨井动水位:对尼泊尔、日本、汶川、苏门答腊和鲁甸5次地震的响应形态均表现为上升型。汶川地震时该井响应幅度最大,达0.661 m,鲁甸地震时响应幅度最小,只有0.275 m。
(4)保山滇14井动水位:对尼泊尔、汶川、苏门答腊和鲁甸4次地震的响应形态均表现为上升型。汶川地震时该井变化幅度最大,达0.047 m,苏门答腊地震时变化幅度最小,只有0.01 m。
3 讨论
3.1 地震波能量密度的影响
地震波能量密度是厘定地震释放能量的重要参数,利用与震级和井震距之间的相关性是现阶段获取地震波能量密度的重要方法之一。Wang等[8]利用美国南加利福尼亚的地震数据推导得到如下的经验公式:
式中,e为地震波能量密度,单位为J/m3;M为震级;r为井震距,单位为km。
将表3中所列的8次地震时水温水位变化对应的震级和震中距参数带入式(1)进行回归分析。由图6可知,震级一定时,地震波能量密度与震中距线性拟合相关系数R值均大于?0.9,即能量密度与震中距明显负相关;当震中距为500 km时,鲁甸、芦山、汶川地震的能量密度依次增大,说明震中距一定时,地震波能量密度与震级正相关。
当地震引起的地震波能量密度达到一定阈值时,地震波作用于裂隙介质的水平剪切力会使裂隙介质中胶体等物质得到更强的疏通和迁移,致使含水层渗透系数增大,从而触发同震水温和水位响应[9-10]。Wang等[8]在研究地震波能量密度与震级、震中距之间的关系时,认为地震波引起含水层渗透系数变化的能量密度下限约为 10?4J/m3,當地震波能量密度大于10?3J/m3时,地震波对裂隙的剪切作用会更强,从而能更显著地引起含水层渗透系数的变化。由表3计算可得,本研究中95.5%的地震波能量密度大于10?3J/m3,说明8次地震的地震波对裂隙的剪切作用较强,能显著的引起云南井网含水层渗透系数变化。渗透系数的改变使得含水层系统内水流流程或流速(流量)和地下流体的压力发生变化,从而引起井水温度和水位的变化。
3.2 岩性对水温和水位同震响应变化的影响
岩性亦会对同震响应特征和响应幅度产生较大影响。在含水层埋深大致相同时,水位同震响应的幅度取决于观测井含水层的岩性,一般灰岩>变质岩>砂岩>第四系砂砾岩,但在震中距差别很大的情况下岩性对振幅的影响可以忽略不计[11]。汶川地震时,昆明基准台ZK1井、建水黄龙寺井和德宏法帕滇22井均表现为水位震荡或上升,水温下降的响应形态(图3),3口井含水层岩性均属于灰岩,地下水类型均为岩溶裂隙承压水,且井深均在200 m左右(表2)。由此可知,这3口井的水温和水位响应形态可能受观测井含水层岩性的控制。
普洱大寨滇17井、弥勒县弥东哨井和保山滇14井(除保山滇14井对日本地震表现为震荡外)水位对有响应的地震均表现为上升的变化形态,表明地震导致上述3口井所在构造应力场压性增强张性减弱。分析发现,这3口观测井含水层岩性均为砂岩和粉砂岩,地下水类型均为裂隙承压水(表2)。经查阅观测资料,排除观测系统、自然环境、场地环境和人为等干扰因素后,本文认为引起这3口观测井水位有规律变化的原因是地震波加载于含水系统,与含水层发生交互作用,引起含水系统渗透性、孔隙率、空隙压力等参数的变化,从而打破了地下水系统的动态平衡,致使该井所在区域呈压性特征。
3.3 断裂对水温和水位同震响应变化的影响
断层可以为地下流体的运移提供良好的通道,同时地下流体又会对断层的活动产生一定的促进作用,二者密切相关。本次研究的观测井基本位于活动断裂带附近,多数为非自流井;地下水类型主要是岩溶裂隙承压水;92.6%的观测井观测深度为100~620 m,属于中等深度的观测井;分布在背斜上的昆明官渡区小哨井最深,为2156 m,而分布在断裂交汇处的腾冲袁家塘井、下关团山井和弥渡石咀CK2井井深较浅(图1,表2)。
不同断裂上距离较近的观测井水温和水位对同一地震的响应特征不同。如相距约20 km的通海高大井和曲江滇16井对8次地震的同震响应形态、变化幅度和能量密度有很大差异(表3)。本文认为,造成两口井同震响应能力差异较大的原因可能是应力的不同。
地震发生瞬间,由于局部岩石的破裂及断层的错动,一方面会使断层附近大量的流体沿破裂面迅速移动,另一方面震源区的断层滑动会使得其周围应力场发生变化,这种应力场的变化在有利条件下会触发与震源区断层存在相互作用的其他断层的活动。当一次大地震发生时,发震断层的破裂并不能引起所有断层的应力释放,而是根据断层之间的几何关系,在某些断层上造成应力卸载(释放),使其趋于稳定,而在另一些断层上造成应力加载,使其趋于滑动[12]。曲江断裂位于哀牢山—红河断裂和鲜水河—小江断裂带向南延伸的交汇处,即川滇菱形块体东南端,应力释放强烈。对于布设在曲江断裂北盘的通海高大井和曲江隐伏断裂上的曲江滇16井,地震引起该地区应力场的变化作用于井-含水层系统,即地震波不同程度的改变了两个断层面上的正压力和孔隙压力,从而触发水温和水位的变化。
3.4 水温水位同震响应机理研究
相对于水位,水温的同震响应机理较复杂,时常与区域地质构造环境、水文地质条件、介质裂隙、含水层参数、探头放置的位置等因素有关[13]。本次研究中,水温水位响应特征主要有4种:
(1)水位震荡或上升,水温上升:如下关团山井(图2)、弥勒县弥东哨井(图3g和图3j)和普洱大寨滇17井(图3h和图3k)。其中,下关团山井位于红河断裂与西洱河断裂交汇处,含水层岩性以紫红色粉砂岩为主,富水性能较弱。井深315.07 m,套管深315.07 m,水位埋深1.26 m,水温探头放置于距井口290 m深处,地下水类型为基岩裂隙承压水(表2)。对下关团山井同震响应过程分析发现,水温响应均发生在水位响应之后13~36 min,初步判断水温变化是由水位响应造成的。水位振荡和上升后恢复的过程使上层(井水面向下100 m以内)、中层(井水面向下100~300 m之间)和下层(井水面向下300 m往下)3层井水加速对流,而在回流过程中,下层水回升到中层再到上层,因下层水温较高,导致中层水温因下层井水的混入而上升。当地震结束后,水温仍保持高值,说明此时对流达到一个平衡的状态,水温稳定。当水位同震响应结束后,上、中、下3层井水缓慢恢复至原来的水温。
(2)水位震荡或上升,水温下降:如昆明基准台ZK1井(图3a和图3d)、建水黄龙寺井(图3b和图3e)、德宏法帕滇22井(图3c和图3f)。上述3口观测井地下水类型均为岩溶裂隙承压水,含水层岩性均为灰岩,透水性较好,在地震波的作用下,水位发生震荡使得周围温度较低的裂隙水进入观测含水层,发生水岩交互作用致使水温下降,当震荡结束后裂隙缓慢愈合,水温趋势上升。
(3)水位独立响应:如汶川地震时姚安新井(图3s)、保山滇14井(图3t)、开远滇18井(图3u)和漾濞地震时姚安新井(图4m)、楚雄新井(图4n)均表现为水位独立响应。分析发现,上述4口井对其他地震的水温均没有响应,分析可能是由于水温灵敏度低或是背景噪声过大淹没了水温响应信息。
(4)水温独立响应:如漾濞地震时元谋滇02井(图4o)、剑川滇06井(图4p)、南华震2井(图4q)和大姚地温井(图4r)均表现为水温独立响应。结合前人经验,我们认为该异常现象可能是由固体(岩土)介质的热传导引起的,与井筒或井-含水层系统中水热运动无关,也可能是多个机理共同作用的结果[14]。
4 结论
通过对云南井网在几次地震时的响应特征分析,得出以下结论:
(1)云南井网水温和水位对汶川MS8.0,日本MS9.0,苏门答腊MS8.6和尼泊尔MS8.1四次远场大震的响应较其他4次近震好,水位响应能力明显强于水温。水位的同震响应类型包括脉冲、振荡、上升和下降,以振荡和上升为主;水温的同震响应类型包括脉冲、上升和下降,以脉冲为主。从空间分布上看,8次地震引起的同震响应主要集中在滇中一带。德宏法帕滇22井和丽江象山井有更好的响应能力,在今后的地震监测中应重点关注;剑川滇06井、会泽甘沟滇01井、昆明官渡区小哨井、大姚地温井和南华震2井的同震响应能力较其余21口井弱,未来一段时间需加强对这5口井的探讨。
(2)地震波能量密度与震中距线性拟合相关系数大于?0.9,成明显负相关,与震级成正相关。95.5%的地震波能量密度大于10?3J/m3,说明8次地震的地震波对裂隙的剪切作用较强,能显著的引起云南井网含水层渗透系数变化。
(3)汶川地震时,昆明基准台ZK1井、建水黄龙寺井和德宏法帕滇22井的响应形态极为相似,普洱大寨井、弥勒县弥东哨井和保山滇14井对有响应的地震水位均表现为上升,可能受到观测井含水层岩性的控制。另外,造成通海高大井和曲江滇16井同震响应能力差异较大的原因,可能是地震波不同程度的改变了两个断层面上的正压力和孔隙压力,从而触发水温和水位的变化。
(4)按响应特征对水温水位的响应机理分别进行了讨论。水位震荡或上升时水温下降和上升都是由于对流和掺混使水流所携带的井孔内热量改变造成水温变化。水位独立响应可能是由于水温灵敏度低或是背景噪声过大淹没了水温响应信息。而对于水温独立响应,我们认为该异常现象可能是由固体(岩土)介质的热传导引起的,与井筒或井-含水层系统中水热运动无关,也可能是多个机理共同作用的结果。
致谢
感谢防灾科技学院廖欣副研究员、中国科学技术大学薛红盼博士研究生、中国地震科学实验场大理中心李庆副高级工程师以及审稿专家在本文成文过程中给予的指导和帮助。
参考文献
Coseismic response characteristics of groundwater temperature and level of Yunnan well network to several earthquakes
Duan Meifang1, 2, Chen Jia1, 2, Lu Lina3, 4, *
1. Dali Center of China Earthquake Science Experimental Site, Yunnan Dali 671000, China
2. Xiaguan Seismic Station of Yunnan Earthquake Agency, Yunnan Dali 671000, China
3. Institute of Disaster Prevention, Hebei Sanhe 065201, China
4. Hebei Key Laboratory of Earthquake Dyn