长春富锋山地震台地下流体观测井建设可行性研究

张 晖

（长春市地震速测速报中心富锋山地震台，吉林 长春 130000）

0 引言

地震孕育过程中会导致地下介质中水和气的化学成分和物理性质发生变化。通过对地壳介质中地下流体的动态变化，可以获得孕震过程中及震前震后地下流体效应的信息。国内外均开展了地震地下流体观测研究与实践。我国于1966年邢台地震后，相继建立了大量地震地下流体观测台站，观测项目较多，积累了大量数据资料，并开展了几十年的地震预报实践，取得了一定的效果，获得了丰富的观测经验。在地下流体观测井建设方面积累了较为成熟的经验，相继出台了如DB/T 20.1-2006行业标准《地震台站建设规范：地下流体台站》等一系列相关规范和标准，地下流体观测台网不断扩大并逐步完善，监控能力不断提高。长春市地处松辽盆地东部边缘，伊通—舒兰断裂带从境内的双阳和奢岭之间穿过，过境长度约70 km。全市幅员面积约20000 km2，目前仅在榆树市土桥镇有一口由煤田勘探井改造而成的模拟观测井，地下流体监控能力十分薄弱。为更好地监控伊通—舒兰断裂带中段沿线地下流体异常变化，提高长春市地震监测预报能力，有必要在现有长春市富锋山地震台增设地下流体观测手段。本文从台站所在区域地震构造背景及水文地质条件入手，从地下流体观测井建设选址、地质构造、场地条件、水文地质条件等方面进行了详细分析，并评估了场址周边环境影响因素，提出了台站地下流体观测手段建设的可行性意见。

1 地震地质构造背景

1.1 区域地震地质环境

长春地区自西向东形成了四大构造单元：松嫩盆地、大黑山条垒带、伊舒地堑、将军岭褶皱带[1]，新近纪时期，该地区处于隆起剥蚀状态，第四纪时期至少有四次地壳运动，且属于垂直升降运动型式，东南部地区继续隆起剥蚀而其他地区接受沉积拗陷。断裂活动十分频繁，尤其是伊通—舒兰断裂带最为明显。最近研究显示，在舒兰一带，该断裂带表现出全新世活动特征，研究发现该断裂段存在古地震的证据[2]。富锋山地震台附近有四平—长春断裂经过，该断裂形成于中生代，新生代构造活动较为频繁，沿该断裂带分布有大屯—范家屯火山群，现代中小地震活动较为频繁。

1.2 区域地震活动性分析

从吉林省地震震中分布图上看，现代中小地震在长春市东南一带呈丛集分布特点，地震主要沿四平—长春断裂、伊通—舒兰断裂带及其与北西向断裂交汇处分布。近年来在伊通曾发生过2009年4.3级地震，有感范围较大，曾造成一定的社会影响。吉林省地震监测台网成立以前，沿伊通—舒兰断裂带还发生过1937年吉林缸窑5.0级地震、1960年榆树土桥5.8级地震，1966年怀德范家屯5.2级地震；位于长春市以西的松原市前郭县、宁江区一带，近年来地震活动较为频繁，相继发生了2006年前郭5.0级地震、2013年前郭5.8级震群（5次5级以上地震组成）及2018年松原5.7级地震，表现出吉林省中西部地区地震活动增强的特点。

从新一代中国地震动参数区划图上看，长春市处于Ⅶ度区内。富锋山地震台毗邻1966年范家屯5.2级地震的发震构造即四平—长春断裂带，距离本次地震的宏观震中范家屯镇五家子村仅9 km。

2 台站选址及技术要求

2.1 选址原则

2.1.1 必须满足观测环境技术要求

根据中国地震局《地震台站观测环境技术要求》（GB/T 19531.4-2004）第4部分[3]：地下流体观测，确定如下选址原则。

表1 流体台站管控措施表

2.1.2 必须满足观测井位勘选基本条件

一是宜选在活动断裂带及其附近、台站距主干断裂的距离不宜超过10 km；二是宜选在断裂带的端点、拐点及与其它断裂交汇的部位；三是宜选在深大断裂带上；四是应确保地下发育有含水层或储水构造；五是观测含水层应为承压含水层；六是应优先选择空隙率大、连通性好，渗透性强，厚度大，导水系数大的含水层。

2.1.3 应该兼顾考虑综合成本控制

地下流体观测涉及工程占地、网络传输、运行维护等相关事宜，如果优先选建在地震台站院内，可最大程度降低建设成本。具体井点确定应以满足观测环境技术要求为基本前提。

2.2 地下流体观测井位勘选

富锋山地震台位于长春汽车经济技术开发区泡子沿村下堡子屯，周边交通便利，站内电、网通畅，长年有人值守，运行维护成本低，周边环境影响因素清晰。新开河从台站正北向流经而过，直线距离5 km，远大于《地震台站观测环境技术要求》关于地表水体最小距离要求。经富锋山地震台工作人员现场调查，该河段雨季水流正常，其余季节局部呈干枯状态，因缺乏水文地质资料，无法查阅年均流量，总体看，流量极小，对地下水体影响微弱。

2014年，台站院内新建一口生活用井，井深177 m，一直使用至今。在台站1 km范围内，暂未发现其它干扰源。经富锋山地震台工作人员外围调查，台站周围5 km范围内暂未发现地下水体以及大型注水井、抽水井，无大型厂矿。在台站西南1 km左右有一个糊精厂即公主岭泡子沿糊精厂，经现场调查，该厂已经停产多年，厂区没有使用抽水井。毗邻台站北东向1 km，有大屯山采石场，已被关停多年，现场无其它采矿作业区。

通过总结前人成果发现，在地下流体观测中出现的异常变化，往往与地壳介质的应力、应变状态有关，特别是在强震孕育过程中，随着区域应力场的增强，震源区周围的断裂构造也在不断调整，因而沿断裂带及其附近的异常显示往往比其它地区显著集中[4]。富锋山地震台处于四平—长春断裂带两条次级断层（图1中的F1和F3）之间，沿四平—长春断裂带曾发生过1966年范家屯5.2级地震，并分布有大屯火山群，是开展地下流体观测的理想地点。

台站地处山前地区，地下含水层发育，在地形上具有良好的汇水条件。根据台站院内生活用井钻探情况，结合多年连续使用情况，该区域地下发育有含水层，在青山口组上部为红褐色泥岩，泥质结构，层状构造，成岩差，成分主要为粘土矿物，岩心呈块状，隔水性好，其下为承压含水层，且空隙率较大，连通性较好，渗透性较强，厚度较大，导水系数较大，受气象水文因素的干扰小而弱。台站所在区域第四系地层较薄，存在适合开展地下流体观测的基岩含水层。当承压含水层受到力的作用而变形破坏，引起其空隙率、孔隙压力变化时，在承压含水层的井孔水位动态中会表现出明显的放大效应，进而可见潮汐效应、气压效应、同震效应，且观测资料的信噪比高。

总体看，富锋山地震台现址符合《地震台站观测环境技术要求》，适合开展地下流体观测。

从测项选择上看，台站所处位置符合《地震台站观测环境技术要求》中规定的水温水位观测应当具备的地质构造基本条件、地形地貌基本条件、水文地质基本条件和环境观测基本条件，可优先考虑开展水温水位观测。

图1 富锋山地震台区域地震构造图Fig.1 Seismic tectonic map of Fufeng Mountain Seismic Station

3 拟建观测井所在区域地质构造条件

3.1 区域地层特点

根据吉林省地质工程勘察院提供的资料，区域地层结构（从老到新）如下：

（1）中生界白垩系下统青山口组（K1qn），上部为红褐色泥岩，泥质结构，层状构造，成岩差，成分主要为粘土矿物，岩心呈块状，隔水。厚90.7 m；下部为灰黑色泥岩，泥质结构，层状构造，成岩差，成分主要为粘土矿物，岩心呈块状，隔水。厚49.9 m。

（2）中生界白垩系下统姚家组（K1y），上部为灰色玄武岩，具有气孔状、杏仁状结构和斑状结构，由火山喷发的岩浆冷却后凝成，压缩强度大。厚19.8 m；下部为灰黑色泥岩，泥质结构，块状构造，成岩较差，成分主要为粘土矿物。岩心呈块状，隔水。厚99.3 m。

（3）新生界古近系古新统富峰山组，上部为黑灰色玄武岩，具有气孔状、杏仁状结构和斑状结构，由火山喷发的岩浆冷却后凝成，压缩强度大。厚59.6 m；下部为红褐色泥质砂岩，结构呈颗粒状、块状结构，主要成分为砂，砂粒比较细小，含少量的粘土矿物和胶结物，结构稳定。厚20.6 m。

（4）新生界第四系中更新统冲、洪积层，黑色、黄色亚粘土。厚9.7 m。

（5）新生界第四系全新统新凯河条带状河谷平原，主要由河流冲积物所组成，耕植土，黑色，含有植物根系和有机质。厚0.5 m。

拟建观测井下部含水层为白垩系泉头组四段地层，岩性为泥岩、泥岩砂岩互层、中粗砂岩。

3.2 近场地质构造

近场主要断裂为四平—长春断裂带的两条次级断裂（图1）。四平—长春断裂带由四平经长春西部向德惠方向延伸，沿长大铁路线展布，多数地段属隐伏性断裂。

尖山子—卡伦断裂F1：断裂沿贾家洼子、砖瓦厂、腰分水岭一线展布，总体走向为NE，总体倾向NW，局部的分支断裂倾向SE，倾角70°。浅层地震探测表明，尖山子—卡伦断裂仅断在白垩系内，上断点位于白垩系顶部，没有错动中更新世地层。断裂两侧中更新统底界没有明显的落差，中更新统内部的标志层也没有明显的落差，推断长春市市区范围内尖山子—卡伦断裂中更新世以来没有活动过。

开源堡—小城子断裂 F3：断裂隐伏于五家子、四间房、小城子、于家一线。断裂走向NE45°、倾向SE、倾角70°，为隐伏正断层。浅层地震探测表明，开源堡—小城子断裂仅断在白垩系内，没有错动中更新世地层。断裂两侧中更新统底界没有明显的落差，中更新世地层内部的标志层也没有明显的落差。综上所述，开源堡—小城子断裂为前第四纪断裂。

3.3 水文地质条件

长春位于长白山隆起带和松辽沉降带的过渡地段。东南部为隆起的低山丘陵，西北部为继续沉降的平原。东南部以碾子山—华道山为分水岭，构成一个独立的水文地质单元。其地下水主要分为四种类型：（1）河谷松散层潜水：含水层主要由第四系中粗砂和砂砾石组成，厚3～5 m；（2）白垩系构造裂隙水，存在两个方向的富水带，一是呈 35°～50°方向，二是呈 5°～10°方向，后者属张性断层，富水性好；（3）碎屑岩孔隙裂隙水，主要发育在白垩系地层内，具有承压性质；（4）风化裂隙水，分布在东南丘陵区，岩石以花岗岩为主，次为凝灰岩、砂岩、板岩和石灰岩，裂隙发育深度一般在15～20 m。

场地地下水类型为孔隙裂隙水，孔隙裂隙水含水层为白垩系泉头组地层，泉头组底部砂岩、砂砾岩有孔隙裂隙发育，地下水主要以东南部丘陵低山地下水径流为补给来源，其次为通过接收大气降水补给。上部泥岩构成区域隔水顶板，在含水层倾没带阻挡地下水流，使水位抬高而承压。含水层厚度在1～2 m，最厚的达310m。水量丰富区单井最大涌水量为500m3/d，贫水区单井涌水量为80 m3/d。其水化学成分为CaHCO3型，矿化度为265.4～268.5 mg/L，总硬度为112～184 mg/L。根据吉林省地质工程勘察院提供资料，建设区域内若凿井深度在200～300 m之间，日涌水量在120～200 m3之间。

说明拟建观测井区域地下含水层富水性强。上覆岩层为亚粘土、泥岩和玄武岩，隔水性较好。从地层结构看，钻探井深以300m左右为宜。

4 井位周边环境影响评估

富锋山地震台东南端距哈大铁路线直线距离600 m左右，西距哈大客运专线铁路5 km左右，北距新开河5 km。东北1 km左右为大屯火山。在东北2 km左右有一加油站，在西南1 km左右有公主岭泡子沿糊精厂。

地震台毗邻村落和工业集中区，生活用井和工业用井具体情况尚不完全掌握，目前掌握的情况是这些生活用井和工业用井多在100～200 m深度，主要含水层为白垩系嫩江组上部含水层。为避开其影响，拟建地下流体观测井应避开这一含水层位，而且要存在有两层隔水顶板。白垩系泉头组含水层水量丰富，与上部白垩系嫩江组上部含水层之间有两层隔水层，可满足要求。地震台站周边无滑坡与泥石流、垃圾或污水存放与处理的因素，满足其他干扰源与观测井（点）的最小距离。总体认为，观测环境基本符合中国地震局《地震台站观测环境技术要求》（GB/T 19531.4-2004）。

图2 富锋山地震台周边环境示意图Fig.2 Map of the surrounding environment of Fufeng Mountain Seismic Station

5 结论

（1）富锋山地震台拟建地下流体观测井位于1966年范家屯5.2级地震的发震断层——四平—长春断裂带附近，该断裂为第四系活动断层，具有开展地下流体观测的构造条件。

（2）富锋山地震台场地所在区地下含水层发育，为白垩系嫩江组和泉头组含水层，地下水类型为孔隙裂隙水，有承压含水层。根据水文地质条件、周围干扰因素等综合考虑，含水层宜选择白垩系泉头组含水层，井深建议在300 m左右。

（3）富锋山地震台是有人值守台站，交通便利，通讯完善，场地周边基本环境清楚，满足地下流体观测的基本要求，也满足《地震台站观测环境技术要求》的要求。

（4）对于封闭良好的承压含水层来讲，井-含水层系统相当于高灵敏波最佳的传播通道[5]。富锋山地震台符合《地震台站观测环境技术要求》中规定的水温水位观测应当具备的各项基本条件，可优先考虑开展水温水位观测。

富锋山地震台所在区域构造背景特殊、水文条件优越、交通通讯便利、环境保护良好，适合开展地下流体观测。