基于含水层体应变反演的天津地区井水位同震响应特征分析

杨 柳， 马 婷， 马建英， 邵永新

(天津市地震局，天津 300201)



基于含水层体应变反演的天津地区井水位同震响应特征分析

杨 柳， 马 婷， 马建英， 邵永新

(天津市地震局，天津 300201)

以汶川MS8.0地震、日本MW9.0地震和尼泊尔MS8.1地震为例，统计了天津地区7口井水位的同震响应特征。在此基础上，利用水位反演含水层体应变的方法，反演出天津地区井含水层的同震响应体应变变化量。结果表明，利用水位同震变化量反演出的含水层体应变，能够较为真实地反映出井孔所在位置的应变变化情况。

天津地区；地下水位；同震响应；体应变

0 引言

观测记录井孔内水位的变化，是测量地下介质应力应变变化的有效途径[1]。在一个封闭性良好的含水层当中，地下水可以客观灵敏地描绘地壳中的应力变化状态[2]。关于井水位同震响应机理，目前国际上尚无统一的认识，总体而言，可归纳为静态应变和动态应变2个方面。静态应变一般是永久性变形，通常产生水位阶变，但随震中距衰减较快，主要在近场较为显著；动态应变不直接引起永久变形，主要是通过改变含水层参数、井孔特性及水文地质等特征而引起同震水位阶变[3-4]。Tsu-tomu等[5]和Yuichi等[6]也发现地下水同震变化的幅度和方向与地震时地壳应变相对应。因此，我们可以认为水位的同震响应变化，主要是由地震时含水层所受到的应力应变变化引起的。

1899年，在意大利的一口深井最早记录到了地震引起的水位振荡[7]。70年代，我国首先在北京洼里井观测到同震水震波现象。近年来，国内学者在井孔水位同震响应方面做了许多的研究。针对天津地区的水位井，马建英等[8]和马君钊等[9]曾对部分井孔的同震效应进行不同程度的分析研究；尹宏伟等[10]研究了河北省地下流体水位对远场大震的响应特征；巩浩波等[11]分析了重庆井网水位水温同震响应特征。在利用承压井水位反演含水层体应变方面，国内外许多科技工作者做了大量工作。Narasimhan等[12]给出了固体潮引起的水位变化与体应变之间的定量关系式；史浙明等[13]利用同震水位阶变资料和水位固体潮效应，反演了含水层对汶川8级地震产生的体应变响应；杨柳等[14]利用华北地区承压井水位动态，反演出华北地区含水层体应变场的等值线变化图；秦双龙等[15]反演了汶川8级地震和日本9级地震对福建地块的井一含水层系统产生的体应变变化。

本文利用水位反演含水层体应变的方法，在统计天津地区井水位同震响应特征的基础上，分振荡和阶变2种情况反演天津地区井-含水层的同震响应体应变变化量，从而对天津地区水位井的同震响应特征做出定量的分析。

1 天津地区流体水位井基本资料

目前，天津前兆台网设有流体观测项目的站点共12个，其中水位观测井11个，包括桑梓井、高村井、王3井、张道口井、塘沽井、宁河井、静海井、徐庄子井、辛庄井、宝坻新井、汉1井，均为静水位观测，采样率为分钟值采样。对水位原始曲线进行分析，发现各个井孔对地震的同震响应程度差异较大，有的井孔可以记录全球7级以上、国内6级以上地震的同震响应，如张道口井[8]，而有的井孔则记录不到任何同震响应。因此，本文去除了观测时间较短的宝坻新井，以及记录不到任何地震同震响应的宁河井、徐庄子井、塘沽井和汉1井，最终选取7口水位井进行同震响应分析(包括已停测的宝坻井)。图1是这7口井的分布情况，基本参数见表1。需要说明的是，宝坻井2015年5月底因老台拆迁停测，但由于其观测时间长、数据质量好，本文仍将其列为研究对象。

2 井水位同震响应特征的提取

对2001年以来的7口井水位数据曲线进行分析发现，天津地区井水位同震效应表现出振荡和阶变2种情况。全球8级以上远大震的同震响应主要表现为振荡，少数伴随阶变变化，而水位同震阶变所对应的地震主要集中在中国大陆及周边地区。因此，本文选取2008年5月12日汶川MS8.0地震、2011年3月11日日本本州东海岸附近海域MW9.0地震和2015年4月25日尼泊尔MS8.1地震3个比较显著的地震事件，对天津地区水位井的同震响应特征进行分析。

图1 天津地区7口水位井分布图

井孔名称经度/°E纬度/°N构造部位井深/m含水层岩性张道口井117.2139.01白塘口西断裂带下盘1406矽质灰岩宝坻井117.2839.72唐山隆起上的宝坻凸起,距宝坻断裂3km427白云岩高村井116.8739.62冀中坳陷北端、宝坻断裂南侧3403灰岩静海井116.8638.94沧东隆起、静海斜坡带上,天津南断裂西侧505第三纪砂岩辛庄井117.3139.02沧东隆起,白塘口凹陷648第四系中砂桑梓井117.4540.03蓟县山前断裂附近300花岗岩王3井117.3539.55冀中坳陷王草庄凸起1077奥陶纪灰岩

表2统计了天津各井水位同震响应特征。从震中距上来看，这3个地震都属于远震且震中距相差较大，但大的构造上它们同属欧亚板块。从方位上来看，日本地震位于天津东侧的日本海沟地区，而汶川地震和尼泊尔地震位于天津西南方向的青藏块体周边地区。从同震响应形态来看，7口水位井的数据曲线有的仅呈现出阶变变化(图2b)，有的仅有振荡变化(图2a)，有的同时出现阶变和振荡变化(图2c)，还有个别情况下井水位没有出现同震响应变化(图2d)。

表2 7口水位井同震响应特征统计表

注：“振荡↑”表示振荡伴随阶升，“振荡↓”表示振荡伴随阶降。 阶变幅度：正值代表水位上升，负值代表水位下降。

注：a 张道口井；b 桑梓井；c 高村井；d 桑梓井图2 天津地区4口水位进同震响应曲线图

3 利用同震响应幅度反演含水层体应变

3.1 含水层体应变反演的理论基础

承压井水位变化一般是由井-含水层内水量变化或含水层所受体应变的变化而引起的[16]。对于封闭性较好的承压含水层，我们可以理想化的假设水位的变化仅由含水层所受体应变的变化所引起。因此，根据孔隙弹性介质理论，可以得到井水位的变化量与体应变之间的关系式[17]：

(1)

等式中间部分均为描述井孔含水层物理性质的参数，包括：含水层内水的密度ρ；地球表面重力加速度g；含水层孔隙度n；岩石固体颗粒和孔隙流体的体积模量Em和Ew。等式最左侧的δ代表井水位的潮汐因子，最右侧的dh表示井水位的变化量、ΔΘ表示含水层的体应变量。

由公式(1)可以看出，通过代入含水层参数和计算潮汐因子这2种方法，都可以反演含水层体应变。但是由于利用含水层参数反演的方法，是建立在水平层状承压含水层假设的基础上，且在选取参数时只能取其可能值或平均值，容易使计算结果出现较大误差[16]。因此，对于有着较好封闭性的承压井，可以通过计算井水位潮汐因子的方法来反演井孔含水层体应变的变化情况。

3.2 井水位潮汐因子的计算

本文选取的天津地区的7口井均为承压井，且其观测曲线均能表现出比较清晰的潮汐变化。因此，我们利用公式(1)，通过计算这几口井的潮汐因子，反演其同震变化所反映出的含水层应变变化情况。由于本文要反演的是3次地震水位同震响应的含水层体应变，因此，选取地震前6个月的水位数据来进行计算。

计算井水位的潮汐因子，首先要提取井水位的固体潮变化，由于气压的变化周期与水位固体潮变化周期接近，因此本文只考虑去除气压对水位固体潮的影响。这里我们利用BETCO程序[18]，应用卷积回归法来去除水位的气压影响，该方法可以估计出气压与井水位变化之间的时间滞后，并可以去除气压对观测水位数据的影响，去除气压后的数据更加清晰地表现出水位的潮汐变化(图3)。

注：a 井水位；b 静海气压；c 静海井水位去气压图3 静海井水位数据曲线图

采用Venedikov调和分析方法，选取每次地震发生前6个月的水位数据进行调和分析，并计算M2波潮汐因子的均值(表3)。

表3 天津地区井水位潮汐因子计算结果 mm/10-9

3.3 根据井水位同震响应幅度反演体应变

根据孔隙弹性介质理论，利用井水位的变化量与体应变之间的关系式，即公式(1)，计算得到3次地震同震响应所反映出的含水层体应变变化量(表4～5)。

表4 井水位同震振荡的含水层体应变反演结果 (×10-8)

表5 井水位同震阶变的含水层体应变反演结果 (×10-8)

从表4的计算结果可以看到，各井水位同震振荡幅度所反演出的体应变量级基本在10-8到10-7，个别井孔可达到10-6量级。其中，宝坻水位的同震振荡幅度较大，在10-7到10-6量级。其余各井在汶川地震和尼泊尔地震中为10-8量级，在日本地震中为10-7量级左右。而从井水位同震阶变反演出的体应变结果(表5)显示，3次地震中的体应变量级较为一致，基本在10-8左右。

由于不同水井的同震振荡反演结果在量级上存在明显的差异。为了进一步检验结果的真实性，本文搜集了首都圈地区内包括易县、怀来、张家口、宝坻和唐山赵各庄矿的体应变资料。由于易县、怀来、张家口体应变均分布在首都圈西区，构造环境与天津地区差别较大，且距天津地区水位井较远(最近相距130km)，因此我们选取本区的宝坻体应变和距天津较近、构造环境也比较相近的唐山赵各庄矿体应变分钟值数据来进行对比。宝坻体应变的数据仅到2012年底，因此我们仅统计了前2次地震的同震响应变化量。

表6是宝坻体应变和赵各庄矿体应变的同震响应幅度统计情况。由于宝坻水位井与宝坻体应变井相距不到1km，故先将这2个测项的同震数据进行对比。汶川地震时，水位反演的振荡体应变为61.411×10-8，体应变的同震振荡幅度为71.195×10-8；水位阶变反演结果为3.1×10-8，体应变阶变为3.715×10-8。可以看到，这2组数据不仅量级一致，而且具体数值也非常接近，其同震阶变也比较一致地反映出相对拉张的变化。从图4中也可以看到，宝坻井水位(图4a)和宝坻体应变(图4b)的同震响应形态非常一致。日本地震时，水位反演结果为245.297×10-8，是表4中数量级唯一达到10-6的数据，而宝坻体应变振荡幅度为122.576×10-8，数值相差1倍，而数量级一致。在日本地震时，宝坻水位和体应变都没有产生阶变变化。通过上述数据的对比，可以看出宝坻井水位的同震变化比较真实地反映了当地局部体应变的变化情况。

注：a 宝坻水位井；b 宝坻体应变井图4 汶川8.0级地震宝坻同震响应曲线图

表6 宝坻体应变和赵各庄矿体应变3次地震的同震响应幅度统计 (×10-8)

从唐山赵各庄矿体应变的数据来看，汶川地震和尼泊尔地震时，同震振荡体应变量为10-8量级，日本地震时为10-7量级。这与除宝坻井之外的其他井孔反演结果数量级较为一致，其同震阶变体应变变化量也与井水位所反演出的量级相一致。

4 结论与讨论

从井水位同震响应特征统计结果(表2)可以看出，3次地震中，日本地震的同震振荡幅度要普遍大于汶川地震，尼泊尔地震最小，这可能是震中距与震级共同作用的结果。每口井的阶升与阶降并不因地震的不同而发生变化，而只与井孔本身相关。也就是说，同一口井在同震响应时，阶升的会一直呈现阶升变化，阶降的也会一直保持阶降变化。具体来看，桑梓井和宝坻井表现为阶降，张道口、高村、辛庄、王3井表现为阶升。从井孔分布图中可以看到(图1)，宝坻和桑梓井分布在天津北部宝坻断裂以北；其他4口井分布在宝坻断裂以南。而我们统计的没有任何同震响应的宁河、塘沽、徐庄子这3口井在沧东断裂东侧，延渤海海岸分布。这说明井水位对于远震的同震响应，其阶变性质可能与井孔所处的构造环境密切相关。

本文根据孔隙弹性介质理论，利用井水位的潮汐因子以及同震水位的变化量，反演了汶川MS8.0、日本MW9.0、尼泊尔MS8.1地震对天津地区井孔含水层体应变量。结果显示，3次地震对各井所处的含水层造成的同震振荡体应变基本在10-8到10-7量级，仅宝坻井可达到10-6量级(表4)。而所有井孔对同震阶变的体应变反演结果(表5)以及2个体应变测项的实测值(表6)都在10-8数量级上。说明同震振荡反映的是测项所在地区瞬时的应力应变变化情况，而同震阶变则可能反映了区域应力场的变化水平。

上述统计和反演计算结果表明，远大震的水位同震响应的幅度和阶变性质主要是与井孔的自身特性密切相关的。其阶变性质与井孔所在的构造位置有较大关系，而其振荡和阶变幅度可能是井孔的构造环境、深度、观测系统、含水层性质等综合作用的结果。因此，井-含水层系统的水位同震响应变化机理是相当复杂的。在这一方面，未来可以进行更加深入的研究。

[1] 黄辅琼,晏锐,陈颙,等.利用深井地下水位动态研究大华北地区现今构造应力场状态[J].地震,2004,24(1): 112-118.

[2]BodvarssonG.Confinedfluidsasstrainmeters[J].JournalofGeophysicalResearch,1970,75(14): 27l1-2718.

[3]ShiZM,WangGC,MangaM,etal.Mechanismofco-seismicwaterlevelchangefollowingfourgreatearthquakes-insightsfromco-seismicresponsesthroughouttheChinesemainland[J].EarthandPlanetaryScienceLetters,2015,430: 66-74.

[4]YanR,WoithH,WangRJ.Groundwaterlevelchangesinducedbythe2011TohokuearthquakeinChinamainland[J].GeophysicalJournalInternational,2014,199(1): 533-548.

[5]SatoT,MatsumotoN,KitagawaY,etal.Changesingroundwaterlevelassociatedwiththe2003Tokachi-okiearthquake[J].Earth,PlanetsandSpace,2004,56(3): 395-400.

[6]KitagawaY,KoizumiN,TakahashiM,etal.Changesingroundwaterlevelsorpressuresassociatedwiththe2004earthquakeoffthewestcoastofnorthernSumatra(M9.0)[J].Earth,PlanetsandSpace,2006,58(2): 173-179.

[7] 汪成民,车用太,万迪堃,等.地下水微动态研究[M].北京: 地震出版社,1988.

[8] 马建英,邵永新,汪翠枝,等.天津两井水位同震效应分析[J].华北地震科学,2009,27(1): 20-24,33.

[9] 马君钊,宋军,薛娜,等.天津井水位同震效应分析[J].防灾减灾学报,2012,28(4): 40-46.

[10] 尹宏伟,梁丽环,韩文英,等.河北省地下流体水位对远场大震的响应特征研究[J].防灾科技学院学报,2015,17(3): 37-44.

[11] 巩浩波,郭卫英,李光科,等.重庆井网水位水温同震响应特征分析[J].震灾防御技术,2015,10(S): 794-804.

[12]NarasimhanTN,KanehiroBY,WitherspoonPA.Interpretationofearthtideresponseofthreedeepconfinedaquifers[J].JournalofGeophysicalResearch,1984,89(B3): 1913-1924.

[13] 史浙明,王广才,刘春国.基于汶川地震同震地下水位变化反演含水层体应变[J].地震学报,2012,34(2): 215-223.

[14] 杨柳,马建英,曹井泉,等.利用华北地区承压井水位资料反演含水层体应变[J].中国地震,2014,30(2): 249-259.

[15] 秦双龙,廖丽霞,陈莹,等.利用福建井水位同震变化反演井-含水层体应变及其意义探讨[J].内陆地震,2014,28(4): 353-359.

[16] 张昭栋,刘庆国,耿杰.由承压井水位动态反演水井含水层的应力变化[J].华南地震,1999,19(1): 37-42.

[17]RhoadsJrGH,RobinsonES.Determinationofaquiferparametersfromwelltides[J].JournalofGeophysicalResearch,1979,84(B11): 6071-6082.

[18]TollNJ,RasmussenTC.RemovalofbarometricpressureeffectsandEarthtidesfromobservedwaterlevels[J].GroundWater,2007,45(1): 101-105.

Co-seismic Response Characteristics of Groundwater Level in Tianjin Based on Volumetric Strain Inversing of Aquifer

YANG Liu,MA Ting,MA Jian-ying,SHAO Yong-xin

(Earthquake Administration of Tianjin Municipality,Tianjin 300201,China)

Taking WenchuanMS8.0,JapanMW9.0,NepalMS8.1 as instances,this paper analyzed the co-seismic response characteristics of 7 wells’ groundwater level in Tianjin.On this basis,we inversed the volumetric strain of this 7 wells’ aquifer.The results show that,the variations of the volumetric strain of aquifer inversing by groundwater level with earthquake can realistically reflected the strain variation of the location borehole.

Tianjin; groundwater level; co-seismic response; volumetric strain

杨柳，马婷，马建英，等．基于含水层体应变反演的天津地区井水位同震响应特征分析[J]．华北地震科学，2016，34(4):60-66.

2016-03-11

2016年度震情跟踪定向工作任务(2016010130)和2014年度天津市地震局局内课题(20141011)联合资助

杨柳(1980—)，女，高级工程师，主要从事地震综合预报工作.E-mail: yangliu_m@163.com

P315.723

A

1003-1375(2016)04-0060-07

10.3969/j.issn.1003-1375.2016.04.010