山西水位观测井对远场大震记震能力及震时应力变化量分析

穆慧敏，刘国俊，胡玉良，程冬焱，李惠玲

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.山西省地震局夏县中心地震台，山西 夏县 044400；3.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西 太原 030025)

0 引言

井水位是我国地震地下流体观测的主要测项，在地震监测预报中发挥着重要的作用。我国流体监测井网“十五”“十一五”数字化升级改造之后，高精度数字化观测仪的研制并投入使用，为水位动态研究提供了丰富的数据，分析研究同震水文响应的特征及机制，对于深入理解构造运动与地壳流体之间的相互作用，理解地震的孕育过程及地震触发有着重要意义[1]。笔者在前人研究的基础上，收集、整理了山西地震水位观测资料，对各观测井远场大震响应能力进行分析，计算远场地震震时应力场的变化，总结井水位同震响应变化特征，探讨水位同震变化的机理，从中发现一些水位同震响应变化规律，为地震预测研究提供参考。

1 山西观测井概况

山西地区流体井水位目前由12口观测井组成，除红崖头、鸦儿坑为背景场项目新增测点(2014年2月1日正式入网)外，其余为“十五”数字化期间新增改造的测点。流体观测井沿北东向山西断裂带自南向北分布，分别布设在各构造边界带或主要断裂带上，除镇川井、红崖头井、漫水井为动水位观测外，其余9口井均为静水位观测。水位观测仪器为LN-3A和SWY-II型水位仪，两套仪器运行稳定，观测数据一致性较好，精度均优于0.001 m[2]。观测井概况如第37页表1所示。

分析2007年以来的观测资料可知，东郭井、孝义井、临汾井、红崖头井属趋势下降型变化；太原井属趋势上升型变化；介休、朔州、漫水、祁县、静乐井属起伏型变化；镇川井、鸦儿坑井属平稳型变化。12口井水位均不同程度地受降雨渗入补给的干扰，具有明显的地球固体潮汐日变化、气压效应。

2 山西省水位观测井记震能力分析

2.1 记震能力统计

2007-2016年，全球发生7级以上地震221次，山西有9个水位观测井记录到不同程度的同震效应，分别为朔州井、静乐井、漫水井、孝义井、祁县井、介休井、太原井、东郭井、镇川井(见第37页表2)；临汾井未记录到同震效应；红崖头井、鸦儿坑井为新增测点，自2014年2月1日正式观测以来未记录到同震效应。

由表2可见，朔州井、静乐井、漫水井记震能力最强，结合水文地质资料，朔州井、静乐井均为岩溶承压水，所属观测层均为奥陶系灰岩；漫水井为承压自流水，所属观测层为T1砂岩。记录到水位同震响应的9口观测井，其含水层岩性大多为灰岩，其次是砂岩。表明含水层为灰岩和砂岩的井孔记震能力强，这与张淑亮等人的相关研究成果有相似的特征[3]。

2.2 同震响应特征

收集山西地震水位观测井2007年以来记录到的全球7级以上地震的同震响应资料，根据各自的特征进行归类分析。结果显示，山西水位记录到的同震响应形态主要以振荡型和阶变型为主，静水位的上升、振荡两种形态较多,动水位则以下降形态为主,响应幅度在2～1 480 mm之间变化,响应时间与地震波到达时间基本一致,震后恢复时间不等，且同一口井水位对不同地震的响应形态不同(见表3)。

表1 山西水位观测井概况Table 1 General survey of water level observation wells in Shanxi

表2 2007-2016年山西水位对全球7.0级以上地震的同震响应能力Table 2 Coseismic response ability of water level observation in Shanxi to M>7earthquakes in the world from 2007 to 2016

表3 山西水井记录到全球7.0级以上地震的同震响应特征Table 3 coseismic response characteristics of water level observation in Shanxi to record M>7 earthquakes in the world

从表3可见，朔州井、静乐井、漫水井与孝义井同震响应以振荡型为主，祁县井、介休井、东郭井、太原井与镇川井以阶变型为主。水位振荡型是指在地震振动作用下，井水位在一个相对稳定的“基线”上出现类似地震波的高频振荡；水位阶变型是指在地震波作用下，井水位出现阶变式上升或下降[4]。在应力作用下含水层瞬时变形引起孔隙压力的瞬时变化，使孔隙水来不及与外界交换。若此时岩石受到张力作用，则岩石的孔隙率变大而孔隙水压变小，水流由井孔返回含水层，致使水位下降；反之，受到压力作用时，水位则表现为上升[5-6]。

在强地震发生过程中，水位的同震响应可能是因为地震时应力传递造成含水层的变化，或是因为地壳在地震发生瞬间使含水层破裂或地下水流的阻塞造成。在远场地震中，地应力的传递及造成区域地壳发生应变的现象，对地下水位变动的直接影响较小，但地震释放的能量却能将地震波传递到很远的距离，地震波引起的动态应力本身不能引起井水位的持续变化，但是能够清除裂隙中的障碍体，从而改变含水层的渗透系数并导致孔隙压力的重新分布[7-8]。井水位同震幅度变化大小取决于井孔尺寸，含水层的传导性、储存系数和孔隙度，也取决于地震波的类型、周期和振幅等多种因素。水位同震升降性质受控于当地的地质构造环境和水文地质条件等因素，其机理更为复杂[9]。

3 由震时水位阶变反演含水层应力值

通过分析井水位与含水层应力应变变化之间的关系，研究井水位与区域应力场的关系，探求地下流体中的前兆信息[10]，利用井水位阶变反演含水层应力变化的理论模式如下[11]。

考虑在各向同性承压含水层中的完整井，该含水层呈水平无限延伸。假设各层的力学性质是各向同性的完全弹性体，在这种理想情况下，当含水层受到一个垂向的应力作用时，含水层发生应变使水井水位发生相应的变化，水井水位深降同含水层垂直向应力有以下定量关系：

其中，对于含水层的空隙度和固体骨架的杨氏模量，根据含水层岩石性质和生成的地质年代，取其一般值或平均值(常见岩石的杨氏模量表略，详见Coast,1978)[12]。

含水层内水的密度取1 020 kg/m3，重力加速度常数g取9.81 m/s2，含水层水的体积压缩系数取4.69×10-9m2/N，含水层的孔隙度采用J.塔罗勃(1965)给出的结果(表略)[13]。

根据上述理论模式，收集12口井的观测资料，选取同震响应形态为阶变型，且具有含水层岩性特征的7口井，进行印尼、汶川、日本、苏门答腊4次地震的震时应力变化数值计算。如表4所示，得出部分井孔资料和计算结果。

一般大地震引起的水位同震阶变与井含水层特征、水文地质条件有很大关系。刘耀炜[14]等统计分析表明，不同的观测层岩性差别较大，如碳酸盐岩、碎屑岩类含水层的水位响应幅度较变质岩 (侵入岩、喷出岩)、第四纪松散层的大。文章根据给定的岩石力学参数和孔隙度，得到接近实际的应力值。4次地震的统计结果表明，漫水井与孝义井在震时的应变响应较为显著，漫水井4次大震均呈压应力变化，孝义井压应力和张应力各2次；同一地震，孝义井响应幅度最大，震时应力变化值最大，而漫水井变化值最小，其他观测井规律不明显；各井水位震时应力变化值与震中距呈负相关，与震级关系不明显。

表4 4次典型远场大震时部分井孔应力变化量Table 4 The stress variation of part wells when the 4 typical far field large earthquakes happened

4 结论

(1) 分析山西水位井网的同震响应变化表明，该区水位观测井对远震的响应能力差异较大,其中朔州井、静乐井、漫水井记震能力最强。水位的同震响应变化形态以振荡型和阶变型为主，个别井记录到脉冲变化形态，同一口井水位对不同地震的变化形态不一致，有待进一步研究。

(2) 通过观测井水位对应印尼、汶川、日本、苏门答腊4次大地震的响应特征分析，发现各观测井不同程度反映了区域应力场变化引起的承压含水层应力-应变的变化。

(3) 利用含水层的水文地质参数以及井水位变化反演含水层的应力时,因含水层的有些参数不易获取,只能参考相近的数值(如含水层的孔隙度和固体骨架的杨氏模量,可根据含水层岩石性质和生成地质时代, 取其一般的可能值或平均值)，结果可能产生一定的误差。因此，在今后的研究中，利用承压井水位的固体潮效应来反演含水层的应力变化，并与现有的计算结果进行对比分析，会提高分析结果的可信度。

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