江苏流体井网水位对青海玛多7.4级地震同震响应特征差异及原因分析

胡米东，毛华锋，陈启林，王 皓，张 杰，霍雨佳，黄 群

（江苏省溧阳地震台，江苏 溧阳 213332）

大量地下流体以多种形态存在各种地壳介质中，地下流体较活跃，在一定条件下地下流体能形成位置和形态变化。地下流体观测能间接获得来自地球深部信息，地下流体同震响应能够有效揭示地壳介质对应力应变响应，近十多年来一直是研究热点。井水位同震响应研究有助于对地下流体前兆现象的认识与理解，是揭示地壳介质对应力-应变过程响应最直接和最有效的手段之一（中国地震局监测预报司，2005）。向阳等（2020）从地震波能量密度、含水层渗透性参数变化及断裂带控制作用等方面探讨同震响应机理，结果显示井水位同震响应幅度与地震波能量密度有一定关系。张明哲（2019）利用河北冀21井水位部分强震同震观测资料，研究认为：水位对远场大震记录较灵敏，水位同震响应最大振幅与地震强度成正比，与震中距关系不强。杨斐等（2013）对比发现汶川8.0级和日本9.0级地震时青海观测井水位和水温同震响应特征有差异。针对水位同震响应机理，学者们认为地震引起的地壳运动造成井水位同震下降（Matsumoto et al，2003），地震波穿过井孔断层导致张合或蠕动，从而引起观测井内水外泄最终引起井水位同震下降变化等（杨竹转等，2010）。

据中国地震台网测定，2021年5月22日02时04分（北京时间）青海省果洛州玛多县发生7.4级地震，震源深度17 km，发震断裂可能为东昆仑断裂带南部的玛多—甘德断裂带（詹艳等，2021），该地震为汶川8.0级地震后我国发生的最强地震，给青海基础设施造成较大损失。地震震中距江苏一千多千米，仍然造成江苏大量地下流体井水位出现同震响应现象。本文收集江苏流体井对青海玛多7.4级地震同震响应水位资料、各流体井基本参数资料和井周边构造资料，对水位响应特征进行分析，找出响应特征差异，并结合前人研究成果，对各响应特征差异原因进行分析，以期对江苏地下流体井各水位同震响应特征取得一些新看法。

1 江苏流体井网概况

江苏区域跨华北地块、秦岭—大别山造山带东段和下扬子地块三大主要地质构造单元。区域内断裂构造较发育，其中北东向断裂数量较多。区域内较大活动断裂主要有郯庐断裂带、淮阴—响水断裂带和茅山断裂等。江苏地下流体井网构建已五十多年，受经济条件和技术条件制约，最初江苏地下流体井大多利用石油等外系统探测井改造后进行观测。随着近年来数字化改造项目、监测环境改造和抗干扰项目的建设，江苏地下流体井观测环境、观测设备质量、观测设备数量及分布密度等已初步满足地震监测预报需求。江苏地下流体井孔大多位于活动断裂带附近，地下水类型以孔隙承压水为主、岩溶裂隙水为辅。区域内主要活动断裂分布和27口观测井孔的基本参数分别见图1和表1。观测井除水位和水温测项外，还配备气温、气压、降雨量辅助观测。水位观测大多使用SWY-Ⅱ型数字水位仪，传感器采样率为1次/min。

图1 江苏地下流体井观测点分布

表1 江苏流体井基本参数

2 江苏各流体井同震响应典型特征

青海玛多7.4级地震后，江苏流体井网27口井中有17口井水位出现同震响应，测项响应比为63%。17口井水位同震响应形态不尽相同（见表2和图2），根据形态差异可简单分两类：振荡型（笔者把脉冲型归于此类）和阶跃型（阶跃上升型和阶跃下降型）。为更清楚显示水位形态变化，对同震响应相关时段水位数据曲线进行放大处理。由于17口井数量较多，所有图像展示篇幅将过大，因此根据空间分布和形态特征等因素选取苏02井、苏03井、苏20井、苏22井和灌云台井对其同震响应形态特征详细描述。

表2 江苏流体井同震响应基本参数

图2 江苏地下流体井对青海玛多7.4级地震同震响应空间分布

2.1 苏22井

苏22井位于宜溧山区的东西向背斜轴布附近，周边有茅山断裂，地下水类型为裂隙承压水。该井由原石油系统探测井改造而来，井深243 m，套管深度26 m。水位同震响应形态为阶跃上升型（见图3），震前水位变化平稳，5月22日02：12（玛多7.4级震后8 min）水位出现振荡变化，记录水位初动上升，最大振幅143 mm，是所有收集27口观测井中振荡幅度最大的一口井。经历8 min振荡之后，水位出现阶跃，阶跃幅度50 mm，水位振荡持续至03：26左右水位振荡逐渐结束，5月30日阶跃完全恢复。

图3 苏22井水位同震响应曲线

2.2 灌云台井

灌云台井位于郯庐断裂带东侧45 km处，地下水类型为空隙承压水，井深280 m，套管深度260 m。该井水位响应类型为阶跃下降型（见图4），震前水位变化平稳，02：15出现小幅振荡，振荡时间较短，02：17快速阶跃下降，阶跃过程持续9 min，阶跃下降12 mm，5月23日阶跃完全恢复。

图4 灌云台井水位同震响应曲线

2.3 苏02井

苏02井位于郯庐断裂带东侧15 km处，地下水类型为岩溶裂隙承压水，井深934 m，套管141 m。该井水位响应类型为振荡型（见图5），震前苏02井水位变化平稳，02：09（玛多7.4级震后5 min）水位出现振荡变化，记录水位振荡初动上升，最大振幅为102 mm，水位振荡49 min，02：58水位振荡逐渐结束，该井水位振荡幅度是苏北地区变化幅度最大一口井。

图5 苏02井水位同震响应曲线

2.4 苏03井

苏03井位于近南北向郯庐断裂带西侧约15 km处，北西向废黄河断裂南侧交汇处附近，地理位置位于废黄河冲击平原。该井水位响应类型为振荡型（见图6），地下水类型为岩溶裂隙承压水，井深449 m，套管深度95 m。震前苏03井水位变化平稳，02：11（玛多7.4级震后7 min）水位出现振荡变化，记录水位初动下降，最大振幅46 mm，该井水位振荡时间持续103 min，是27口观测井中水位振荡持续时间最长的一口井，同时也是唯一出现两次较大振幅的一口井，03：54水位振荡逐渐结束。

图6 苏03井水位同震响应曲线

2.5 苏20井

苏20井位于EW向苏州—湖州断裂附近，该断裂属于正断层性质，与EW向苏州—无锡断裂联合运动，中新生代断陷盆地内沉积厚度大于2000 m，地下水类型为断层裂隙水，井深368 m，套管深度202 m。该井水位观测曲线正常（见图7），未出现同震响应。

图7 苏20井水位同震响应曲线

3 江苏各流体井响应特征差异原因分析

3.1 同震响应区域差异

据统计发现在本次玛多7.4级地震中，江苏27口观测井中有10口观测井水位未出现同震响应（见图2），占总数的37%。根据图1和表1可知，该10口观测井并非震中距最远的观测井。研究表明对于同一口观测井，一定时期之内震级与震中距是影响水位同震响应是否出现以及同震响应幅度大小的主要原因，但对于不同观测井，震级与震中距往往不是主要影响因素，井孔所在位置的构造环境、水文地质条件和成井工艺水平均有影响，同时断裂带上或附近的井含水层系统对地震波或同震破裂应力加载更为敏感。分析本次10口观测井分布可以发现，与其它17口观测井出现水位同震响应的观测井相比，该10口井周边大部分没有丰富断裂带分布。例如苏南东部地区断裂带较少，该地区6口井均未出现同震响应，而出现同震响应的17口观测井或处于断裂带上或周边有着丰富断裂带分布。这说明处于断裂带上或者附近有丰富断裂带分布的井含水层系统相较远离断裂带的井含水层系统对应力变化更敏感，断裂带对观测井水位同震响应有较大影响作用。分析认为在受到应力应变作用时，位于断裂带上或附近的井含水层系统，其水位更易发生变化、断裂带内的流体更活跃，更易出现同震响应现象。

3.2 同震响应形态差异

本次玛多7.4级地震，江苏井网出现同震响应的17口观测井，水位形态主要包括振荡型和阶跃型。例如苏02井和苏03井出现振荡型同震响应，苏22井出现阶跃上升型同震响应，灌云台井出现阶跃下降型同震响应。笔者未发现观测井地下水类型、观测井深度、观测层岩性和震中距与同震响应形态之间存在必然联系。地震发生后，地震波传播至井孔含水层和周边岩体，在一定能量范围内，含水层岩体发生弹性压缩与膨胀交替变形，使含水层内孔隙压力出现增大与减小交替变化，表现为井内水位的交替升降变化，其中以可同时引起膨胀和垂直运动的瑞雷波造成的井水位波动最大（Brodsky et al，2003）。当地震波能量超过一定标准或者一些井的构造环境和周边岩体较为敏感，能量积累程度超过岩体弹性变化临界点，含水层岩体不再出现弹性压缩与膨胀，岩体内部结构将发生塑性变化，含水层渗透率发生改变，井水流量发生阶跃改变，因此出现阶跃型同震响应形态（孙小龙等，2007）。

3.3 同震响应时间差异

根据表2统计可知，江苏各流体井水位对青海玛多7.4级同震响应时间有很大差异。同震响应较快的井集中出现在苏北地区，其中徐州苏02井在震后5 min出现响应，是所有井中最快出现响应的。在出现同震响应的17口井中，最慢出现响应的是丹徒苏18井和灌云台井，地震发生11 min后水位才出现振荡变化。同震响应时间快与慢相差6 min左右。目前水位观测普遍使用采样率1次/min的数字化记录仪，因此两口井响应时间可能因为采样率引起最大1 min误差。即使如此，仍无法解释部分相邻井出现的响应时间差异。例如苏23井是所有观测井中震中距最近的井，但响应时间比震中距更远的苏02井慢3 min，这是采样率记录误差无法解释的。分析后可知目前水位观测仪不像地震计采用GPS卫星对时，而是每周进行一次人工授时，人工授时精度较低，同时每周一次的授时频率会造成各个观测井水位仪器的时间服务系统产生较大误差。因此部分井地震响应时间异常是人工授时引起的时间误差以及仪器较低采样率造成的误差共同影响的结果。

3.4 同震响应幅度差异

青海玛多7.4级地震后，江苏各观测井水位同震响应振荡幅度差别也较大，苏22井水位振荡幅度最大，达143 mm；盐城台井最小，只有5 mm。分析发现井孔水位振荡幅度亦不随震中距增大而单纯衰减。茅山断裂带周边苏22井与溧阳台井震中距并非最小，但两口井水位振荡幅度是27口井中较大的。据表1可知，溧阳台井和上兴井含水层岩性均为砂岩，且两口井均位于茅山断裂带附近，两口井距离6.5 km，但两口井水位最大振荡幅度却相差较大，溧阳台井水位最大振荡幅度比上兴井大110 mm。可见还有其他因素影响水位同震响应幅度。张昭栋等（2000）专家利用弹性理论和渗流理论，对水井进行SLUG实验，得到井水位振荡曲线，认为观测井含水层对地震波的响应主要与其固有振动周期和观测井含水层振动阻尼系数有关。井含水层主要对周期20 s瑞利波产生较好的响应，因此井含水层系统的固有振动周期越接近20 s，对地震波响应越好，水位振荡幅度越大。另外井含水层系统的振动阻尼系数越小，振动响应越好，水位振荡幅度越好。井孔基本参数包括井深、井径、套管深度等和井孔周边构造环境，水文地质条件均对井含水层系统的固有振动周期和阻尼系数产生影响。因此水位同震响应振荡幅度不是单一因素的线性变化，而是多因素共同影响的复杂变化结果。同时发现同一口观测井同震响应时上下振幅大部分情况下也不是大小对应，分析原因仍然与仪器较低采样率有一定关系，1 min一个数值的采集频率无法详细反映水位振动。

4 结论

（1）江苏流体井网27口井中，17口观测井水位对青海玛多7.4级地震出现同震响应，测项响应比达63%，表明江苏地下流体观测网大多数井孔水位对远强震高频成分有较好响应能力。（2）江苏流体井对青海玛多7.4级地震同震响应形态主要分为两类：振荡型（把脉冲型归于此类）和阶跃型（阶跃上升型和阶跃下降型）。而造成响应形态差异的原因是井孔含水层系统和周边岩体性质所影响的。在一定能量范围内，含水层岩体发生弹性压缩与膨胀交替变形，出现振荡型形态；超出一定能量范围，岩体内部的结构将发生塑性变化，出现阶跃型形态。（3）江苏各观测井水位对青海玛多7.4级地震响应幅度并不是单纯地随震中距的增大而减小，首先与井孔位置是否位于断裂带上或者断裂带附近有关，其次与井含水层系统的固有振动周期和振动阻尼系数有关。（4）江苏各流体井同震响应时间差异的原因是由人工授时引起的仪器记录时间误差以及仪器较低采样率造成的误差共同影响的结果。（5）10口观测井未出现同震响应的井并非震中距最远的井，主要原因是这10口井大部分井孔位置不位于断裂带上或者断裂带附近。（6）同一口观测井同震响应时上下振幅大部分情况下也不是大小对应，分析原因与仪器较低采样率有一定关系。