江苏流体井网对汶川和日本地震的同震响应特征研究*

郑江蓉，杨从杰，江昊琳

(江苏省地震局，江苏南京210014)

0 引言

远场大震的同震水位振荡现象在1899年意大利的一口深井记录中被发现，之后多位学者开展了相关研究工作，Blanehand和Byerly(1935)提出了水位波动反映地震波的简明理论，Rexin等(1962)证实了水井的长周期反应优势(陈大庆，刘耀炜，2006)。地下流体是地壳中最活跃的介质，用于地震前兆监测承压井的水位与水温变化不仅能反映出无震时期含水层的受力状况(如固体潮响应)，而且对远场大震也有显著的同震响应，通过对这种响应的研究，能够揭示地震波作用下含水层介质对应力应变的响应，促进区域构造应力作用下地下水运动的研究，加强对井区地质和水文地质条件的认识，从而促进对地震孕育过程中流体前兆现象的识别与研究(车用太等，2006;王博等，2008;黄辅琼等，2000;张永仙，1991，徐桂明等，2010)。近10年来，几次特大地震引起的全国地下流体观测井网的同震效应现象引起众多学者的关注，成为研究热点并开展了较多的研究工作(鱼金子等，2012;付虹等，2007;刘五洲等，2009;高小其等，2006;杨竹转等，2007;廖丽霞等，2009;顾申宜等，2010;尹宝军等，2009)，这些研究发现地震波引起的同震响应基本以水位振荡、水温下降—恢复的形态出现，水位振荡和水温下降的幅度均与震中距、震级有着一定的量化关系，机理比较复杂，目前解释较多的有气体逸出说、热弥散说和冷水下渗说等3类，各观点均具有合理性，也能解释一定的观测现象，但哪种机理更具普适性和合理性，有待于更进一步的研究。

笔者整理收集了江苏数字化地下流体观测井网中10口同时具有水位、水温2个测项观测井的观测资料，对2008年汶川8.0级和2010年日本9.0级两次大地震的水位、水温同震变化特征和响应能力进行研究分析，给出观测井水位、水温同震响应具有的一般规律，讨论了流体观测井网对远大震响应能力出现较大差异的可能原因，对提高江苏省地下流体观测井网的监测能力和今后井孔改造有较好参考价值。

1 区域地质构造背景和流体观测井网概况

江苏地质分类上跨华北断块区与下扬子断块区两个大地构造单元，以郯庐断裂带和淮阴—响水口断裂带为界。区域内断裂构造较为发育，按断裂走向可分为北东向、北西向、北北东向和近东西向4组。其中北东向断裂在数量上占优势，区域内较大的活动断裂有:郯庐断裂带、淮阴—响水口断裂带、江山—绍兴断裂带、幕府山—焦山断裂和茅山断裂等。

江苏省水位和水温观测点基本位于活动断裂带(包含震中分布带、地热异常带)及其两侧，同时充分考虑到江苏平原广阔，松散堆积物发育，地下水以孔隙水为主，岩溶水和基岩裂隙水资源相对较少的现状，结合观测层岩性性质，对不同区域按照不同的成井结构、成井深度、固体潮记录精度、映震效能和震后效应进行观测布局。经过“九五”、“十五”数字化改造，现在这些观测井点的地震构造条件、观测环境、仪器设备基本上能够满足地震监测预报的需求。区域主要活动断裂和江苏区域内10口水温与水位同井观测井孔基本参数如图1和表1。

表1 江苏省数字化水位和水温观测点基本参数Tab.1 Basic parameters of the digitalized observation points of water level and water temperature in Jiangsu Province

图1 江苏省水温和水位同井观测点分布图Fig.1 Distribution of digitalized observation points of water level and water temperature in the same well in Jiangsu Province

水位和水温观测配有流量、气温、气压、降水等辅助测项，水位观测使用LN－3或LN－3A型数字水位仪，水温观测使用SZW－1A型数字测量仪。以昆山21井为例(图2)，由于近年来苏南地区严格控制地下水开采，水位呈现匀速缓慢上升年变趋势(图2a)，水温日变形态稳定(图2b)。从全省流体观测的长期变化趋势分析(图略)，除个另台点因仪器故障或雷击等引起短暂缺记之外，大部分台(点)观测精度较高，固体潮汐记录清晰完整，资料连续率达到99%，记录到的远大震同震响应特征明显。

图2 昆山21井水位长趋势变化图(a)和水温正常日波动变化图(b)Fig.2 Long-time trend change of water level(a)and normal daily fluctuation change of water temperature(b)in Kunshan 21 well

2 水位和水温的同震响应特征

选取距江苏区域约1 300～1 500 km的2008年汶川8.0级和距江苏区域约2 400～2 600 km的2011年日本9.0级两次远场大震，分别讨论江苏区域10口数字化流体观测井的同震响应特征，进而深入研究不同构造单元不同位置井孔的映震能力。

2.1 汶川8.0级地震水位和水温同震变化

图3是汶川8.0级地震发生时，江苏10口流体观测井网中8口有同震异常的观测井分钟值曲线图，曲线a为观测井深层水温记录，曲线b为同一口井的水位记录，表2为地震时(后)水位和水温同震响应的主要参数。

分析图3和表2，可知同一井孔水位、水温两种不同测项和不同井孔同一测项的同震响应变化特征均有较大的不同。水位响应形态上看，主要有3类:(1)脉冲型:快速上升或下降变化后，持续数分钟至半小时后观测值恢复正常动态变化值，振荡幅度不同井孔有较大差异。如苏02井和苏22井，震后4分钟水震波到达，形成振幅达1 m以上的阶降一阶升(或阶升一阶降)变化，持续半小时左右恢复正常;苏06、08、12井等仅记录到微小脉冲，没有压制正常固体潮变化形态。(2)突变型:震时(后)观测值受水震波影响出现突跳，变化幅度不及脉冲型大，震后调整不能在短期恢复到震前的正常动态变化值。如苏18井和苏16井，震后6分钟出现快速抬升，上升幅度约0.2 m，之后在新的基值上波动变化，从长期观测形态分析，两口井均用了近1年的时间才逐步回落到震前水位观测值;(3)脉冲趋势型:具有脉冲变化的特征，但没有回落到正常动态变化，出现趋势性上升变化。如苏21井，震后4 min出现上升—下降脉冲变化，回到正常动态值后，受水震波的后续影响出现缓慢趋势性上升变化，约2个月后逐步恢复到汶川强震前的水位值。

水温的同震响应变化与水位有较好的一致性，也有一定的差别，总体上水温的响应能力不如水位强。苏06井和苏08井没有明显的同震响应变化;苏21井在较为平缓的波动变化背景下有一约0.006℃的凹型变化，持续88分钟后恢复正常变化;苏02井、苏12井和苏18井的水温变化呈现脉冲型突变，快速下降变化之后在新基值上波动变化，约3个月左右恢复到原有的正常观测水温;苏22井水温在强震后出现台阶，上升幅度为0.012°C;苏16出现向下小幅脉冲之后转为缓慢趋势性上升变化，上升幅度累计0.044°C，约2个月后又缓慢下落，逐步恢复到地震前的水温值。

图3 汶川8.0级地震江苏水位和水温观测井网同震变化图像Fig.3 Co-seismic variations of observation well net of water level and water temperature with Wenchuan M8.0 earthquake in Jiangsu Province

2.2 日本9.0级地震水位和水温同震变化

由于日本地震震级大，8口观测井的水位同震响应中有7口井均呈现出快速大幅度阶降一阶升(或阶升一阶降)的脉冲变化，持续数分钟－半小时后观测值恢复正常动态变化值;但在汶川8.0级地震时出现小幅波动变化的南通12井水位在日本地震时基本没有记录到任何同震变化(表3)。

表2 汶川8.0地震时水位和水温同震响应主要参数Tab.2 Major parameters of co-seismic response of water level and water temperature with Wenchuan M8.0 earthquake

表3 日本9.0地震时水位和水温同震响应主要参数Tab.3 Major parameters of co-seismic response of water level and water temperature with Japan M9.0 earthquake

在出现快速脉冲变化的7口井中有6口井水位是在震后4～10 min记录到同震水震波，而金湖06井水位的同震记录起始时间却表现出不一样的变化，从表3的同震起始时间可发现，该井水位在震前4 min就出现快速下降，13时46分发生9.0级主震，震后2 min即13时48分出现一组最大脉冲变化，幅度为0.368 m(图4)，之后持续约20 min的小幅波动变化，恢复到正常背景值。比较汶川地震时06井水位没有出现这种现象，分析认为这是水位观测仪器服务时钟的误差造成，由于地震发生时的观测记录已入库，现已无法对时间进行准确校正。虽然本文的研究对时间精度要求不是很高，但对于前兆观测数据的精确性和今后的深入应用上，数分钟的时间误差还是值得重视的。

图4 金湖06井2011年3月11日8～20时水位曲线图Fig.4 Water level curve recorded by Jinhu 06 Well from 8 am to 20 pm on Mar.11，2011

虽然日本地震震级较之汶川地震更大，但日本地震对江苏区域井网水温的同震影响要小，仅有苏02、18、16井有同震响应，苏02井的水温同震变化形态与汶川地震极其相似，呈现凹型变化，且变化幅度相近，分别下降0.035℃和0.032℃;苏16井和苏18井水温同震变化形态与汶川地震也相似，只是下降(上升)变化的幅度较小，分别为0.011℃和0.006℃，变化趋势更为平缓。图5是有水温同震响应的3口井3月11日震后3个月的水温整点值曲线图，从图中可看出，同一次地震不同井孔的水温震后效应是完全不同的，苏02井在快速突降之后迅速稳定在一个新的基值温度上保持平稳变化，苏16井在震前变化平稳，震时突升，在高值持续1天后开始趋势下降，下降速度先急后缓，至2011年6月时趋于稳定，之后在30.255℃新的基值线波动变化，比地震前的基值30.279℃下降了0.024℃;苏18井水温背景波动起伏较大，虽然同震影响呈现凹型变化，但变化幅度较小，只有0.006℃，震后水温小幅抬升，约1个月后趋于正常。

图5 日本9.0级地震震后苏02、16、18井水温整点值曲线Fig.5 Water temperature hour values curve recorded by Su 02，16 and 18 Wells after the Japan M9.0 earthquake

2.3 两次地震的同震响应特征对比分析

2.3.1 水位、水温变化与震级和距离的响应关系

Matsumoto(1992)研究了日本 Haibara井、Roeloffs(1998)研究了美国加利福利亚州Parkfield BV井、杨竹转(2006)研究了云南思茅井的水位变化幅度与震级和距离的关系，这些研究结果显示，地震后井水位变化与震级的大小和井震距满足如下关系:

式中，Δh为水位变化幅度，单位为cm;M为地震震级;α，b1，b2为常数;D为井震距。

根据表2和表3的统计值对江苏10口井进行回归计算，得

区域内两次强地震时的水位变化幅度基本满足关系式(2)，特别是睢宁02井和溧阳22井均出现Δh＞100 cm的水位大幅脉冲型上升(或下降)变化。

进一步分析水位和水温的变化可知，当地震引起的水位变幅越大，温度变化的幅度也越大(图6)，取水位变幅为自娈量X(单位为m)，温度变幅为因变量Y(单位为℃)，满足幂函数:

从图6可知两次强震时大部分台站在水位变化10 cm＜Δh＜50 cm，水温变化在0.005℃之内，当水位变化幅度大于1 m时，温度变化较大，由此可知在流体的同震响应中温度的变化和水位的振荡有很好的对应关系。

图6 同震响应的水位和水温变化幅度关系图Fig.6 Co-seismic response range change relationship between water level and water temperature

2.3.2 同井不同测项的对比分析

综合统计10口井在两次地震时的同震响应情况结果如表4。

江苏区域10口井水位均为静水位观测，自井口固定基准面向下至井筒内投放探头的垂直距离在30～50 m左右;水温观测中金湖06井、兴化08井为深层水温，分别自井口固定基准面向下400 m和800 m深度，其余8口井为中层水温，均为自井口固定基准面向下200 m深度。

从表4可知，宿豫05井和海门14井水位和水温对两次强震无任何同震响应，占全部观测井的20%，汶川地震时8口井水位记录到水震波，占观测井的80%，7口井记录到水温变化，占观测井的60%，日本地震时6口井水位记录到水震波，占观测井的70%，仅有3口井记录到水温变化，占观测井的30%。水位同震响应以脉冲型变化为多，变化幅度大于水温同震变化，而水温以趋势性变化为多，其同震响应的持续时间和震后调整时间大于水位。

水位和水温记震能力的强弱与各自的变化机制有很大的关系，水位的变化主要受含水层系统内孔隙压力及水流速度的影响，如果井—含水层系统的承压性和封闭性好，那么应力—应变十分微弱的变化均能体现在水位的变化上;而水温的变化是地下水与其周围介质之间能量交换的结果，能量的交换并不受地下水存贮空间的限制，水温的变化除了受水流速度的影响外，还受水流路径、围岩介质的传热性能以及观测井内水温探头所处的深度等多种因素的控制，水位和水温不同的变化机理导致同井观测对同一次地震的响应能力和响应图像有较大差异。

表4 江苏省数字化水位与水温同震响应能力统计表Tab.4 Co-seismic response abilities statistics of the digitalized water level and water temperature in Jiangsu Province

2.3.3 不同地震同一测项的对比分析

从表4可知无论是水位观测还是水温观测，汶川8.0级地震记录到的同震响应变化井孔数量要多于日本9.0级地震的井孔数量，汶川地震震中距江苏约1 300～1 500 km，而日本地震震中距江苏约2 300～2 500 km;虽然日本地震震级更大，但由于距离的增加，使得其间的构造单元、地下水类型、含水层的导水能力更加复杂多样，使得各井水位、水温的同震响应阶变幅度不同，阶变恢复时间不等，同震响应后效也不尽相同。

水位同震响应程度与远场地震的震级密切相关，震级越大则响应程度越高，日本地震时的水位同震变化形态均以大幅脉冲—快速恢复到背景变化为主，汶川地震时的水位同震变化平缓许多，如苏06、08、12、16井。水温不遵循这种规律，如苏22、21井，日本地震时没有任何同震异常，其它井的水温同震变化形态、幅度也整体偏小，由于温度变化通常取决于该处的岩石透水率、温度梯度、探头的温度响应滞后时间等因素，更多的体现一种持续性的影响，其变化要复杂的多。

2.3.4 同一断裂带上相距较近的井孔有完全不同的强震响应能力

在同时设有水位和水温测项的10口观测井中，两次地震时水位与水温皆记录到同震响应变化的井孔有3口，两次地震水位和水温均无同震变化的井孔有2口，说明区域内不同井孔监测能力的差异性较大。

同一断裂带上相距较近的井孔有完全不同的强震响应能力，最典型的有两组:睢宁02井和宿豫05井，南通12井和海门14井。02井和05井位于郯庐断裂带两侧，两井之间相距约80 km，其岩性、成井深度、地下水类型等基本条件相近，对远大震的响应却是完全不同的，05井无论水位还是水温对2次强震没有任何同震变化。同样的情况也出现南通12井和海门14井，2井均位于通扬隆起东西向黄桥—吕四断裂带内，相距20 km，但海门14井对2次强震没有任何同震变化，这种现象更多的反映了该井的监测效能也许是不足的。

从全区域来看，苏中地区由于受覆盖层较厚或者是地下水类型等因素的影响，几口井对远大震响应的总体灵敏度均较低，而苏南的16、18、21、22这4口井对远大震的响应，无论是从响应时间、阶变幅度、后续变化等参数上均体现出较高的监测水平。

3 结论

笔者针对江苏数字化地下流体观测井网中10口同时具有水位、水温2个测项的观测资料，对汶川8.0级和日本9.0级2次大地震的水位、水温同震变化特征和响应能力进行了讨论，得出以下初步结论:

(1)江苏10口井的同震响应资料表明，该区各测点水位测项的记震能力明显强于水温测项。大部分井水位的同震响应有较一致的变化规律，同时与震级密切相关，震级越大则响应程度越高，对井区的应力状态的影响越表现为瞬时特征，以脉冲振荡为主，震后较快恢复原来状态。而水温和水位有不同的响应机理，因此其响应程度与形态是不同的，且不同的井孔之间水温变化也存在较大的差异，更多的表现为缓慢的恢复变化，即当水位停止振荡后，含水层水体与井水的横向水力作用并没未停止，含水层水体仍存在着相对缓慢的对流换热过程，这也许减缓了井水温度的恢复速率。

(2)不同构造单元的井孔同震响应能力有明显差异。苏中和苏北地区的水位和水温测项只有睢宁02井对两次强震有较好的反映，大部分井孔对远场地震所引起的水位和水温微动态变化反映不明显，而苏南地区的井孔水位和水温在这两次地震中均记录到了较好的同震响应变化，这种观测井记震能力南强北弱的原因可能是观测井所处的地质构造不同所致，苏中黄土覆盖层较厚的构造特征使其在捕捉应力—应变状态的微变化时较南部丘陵地带弱，南部较为复杂的地质构造在受到微小扰动后更有利于地下水状态的变化。

(3)金湖06井水位在日本地震时同震响应时间超前与地震发生时间造成的误差，对前兆观测数据的精确性和观测数据的深入应用上有较大的影响，加强对前兆观测的时间服务系统校检是监测工作必须重视的问题之一。

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