地下水井水位及化学组分的同震差异响应特征分析——以青白江地震为例

顾鸿宇，王东辉，李胜伟，郑万模，刘 港，向元英，李 丹，陈能德

（1.中国地质调查局成都地质调查中心，四川 成都 610081；2.中国地质调查局西安地质调查中心，陕西 西安 710054；3.四川省工程咨询研究院，四川 成都 610016；4.四川省开元集团有限公司，四川 成都 610081）

近年来，地下水系统对地震的响应机理引发了众多学者的广泛关注。地下水系统对地震的响应，从地震时间历程划分，包括震前响应、同震响应和震后响应3 个阶段。其响应方式多种多样，包括地下水水位、水温、水化学组分及地下水流量的改变等[1−2]。

由于地下水水位监测简便，前人研究普遍关注地下水水位对地震的响应规律[3]。研究形式可归结为2 类：（1）单一监测井对多次地震的监测，此方法有利于消除非地震引发的水位变动以及不同水文地质条件的干扰，常用于分析地震引起的应力扰动[4−5]；（2）多监测井对同一地震响应规律的监测，监测井的空间分布有利于研究地下水位在不同水文地质条件及构造条件中对地震的差异响应[6]。由于地震能改变地球的地壳结构，从而导致岩体内孔隙压力变化以及含水层介质特性（如渗透率），进而产生不同形式的同震水位响应。地下水水位的响应通常有阶跃式、渐变式和振荡式3 种典型形式以及不同的组合形式，其空间分布与地震震级及震中距有关[6]。

此外，由于地下热流分布广泛，岩体的热导率在空间和时间上变异性较小等特点，地下水温度也可用于追踪地震对地下水系统的影响[7]。温度剖面和温度时间序列数据常被用于解释地下水系统的地震响应。地层浅部的温度通常反映气候周期的变化规律（日变化、季节变化和年变化）。不同深度之间的温度差异及不同的时间变化规律可以造成热流扩散。由于地震改变了岩体渗透性，地下水在流动过程中会对温度场进行重构，改变温度数据的时间序列特征。因此，对比地震前后的温度时间序列规律常用于判断地下水系统特征变化。

地下水水化学组分的地震响应规律更为复杂，地震引发的物理作用（如渗透性改变）和水-岩反应均会造成水化学组分的改变[8−10]。由于地震可能导致岩体的塑性变形，不同含水层间的隔水层被破坏，不同化学特征的水源混合，甚至发生化学反应。同时，地震对流体压力的改变可能导致某些矿物发生溶解或结晶。因此，离子本身在场地环境中的化学稳定性以及浓度是其地震敏感性的重要影响因素。

目前，水位、水温的联合监测较为普遍，而地下水水化学组分的时间序列数据还较为缺乏。一方面，水化学数据大多是定期采样检测，其采样周期较长，难以捕捉到地震期间的短时响应特征。另一方面，由于地下水系统的各个指标对地震响应的敏感性不同，单一指标可能会忽略重要的信息，从而导致对机理认识出现偏差。本文采用了水位、水温、溶解性总固体（TDS）、pH 及氧化还原电位（Eh）多参数联合实时监测，获得了用较高频率采样的时间序列数据，并探讨了龙泉山地区地下水系统对近场地震的差异响应机理。

1 研究区概况

1.1 地质概况

研究区位于成都市龙泉山（图1），地貌属构造剥蚀浅切脊状低山地貌，地势呈西北高东南低，高差约100 m。龙泉山断裂总体走向NE20°～30°，断裂带北端位于德阳以北，向南经过中江县西侧、金堂镇、龙泉驿镇、久隆场镇和仁寿镇西侧，直达乐山新桥镇附近，全长大于230 km。研究区内密切相关的构造有金龙寺背斜和四方山断裂，位于龙泉山背斜北西翼，西距龙泉山断层约2.5 km[11]。

图1 研究区构造地质概况Fig.1 Tectonic geology in the study area

金龙寺背斜呈北东走向，全长约16 km，两翼受四方山断层的影响呈不对称形态，西翼倾角8°～11°，东翼倾角4°。研究区内出露的地层均为蓬莱镇组地层，局部出现岩层倒转。

四方山断裂走向为北北西向（图2），地表出露约6 km。断层两盘均为蓬莱镇组地层，两侧岩层产状陡峭，局部倒转。断层带岩体破碎，裂隙和劈理发育，此断层为倾向北西的高角度逆断层。断层附近有2 组节理：25°∠38°，节理密度7 条/m；2°∠53°，节理密度0.4 条/m。井位附近地表测得2 组节理：15°～30°∠80°～89°和45°～50°∠70°～89°。

图2 研究区水文地质剖面图Fig.2 Hydrogeological profile of the study area

研究区内地下水补给主要为大气降水，地表无自然水体下渗。含水基岩主要为蓬莱镇组的互层砂泥岩，地下水总体沿顺层裂隙自南向北流动。

1.2 监测井概况

ZK1 位于垃圾填埋场大坝北渗滤池下游沟谷600 m左侧斜坡上，钻孔孔口标高为576.2 m，深度90.7 m。表层0～8 m 用直径110 mm 钢管护壁，并进行水泥永久止水，8 m 以下采用花管。ZK6 位于长安垃圾场北西20°方位1.2 km 处，钻孔孔口标高为555.5 m，深度61.2 m。表层0～5.6 m 用直径110 mm 钢管护壁，并进行水泥永久止水，5.6 m 以下采用花管。ZK6 位于ZK1西北方向下游位置，直线距离约700 m（图3）。

图3 监测井位置Fig.3 Location of two monitoring wells

根据抽水试验结果，ZK1 在井深7.2～63.7 m 的渗透系数为9.491×10−5～1.227×10−4cm/s，井深63.7～90.7 m 的渗透系数为1.632×10−4～1.910×10−4cm/s。ZK6井深7.0～61.2 m 的渗透系数为4.815×10−4～6.644×10−4cm/s。ZK1 水温为18.87～20.36 ℃，ZK6 水温为18.82～19.30 ℃。

根据钻孔岩芯、物探电阻率、声波测井并结合水位观测等资料，综合确定了水文地质结构，揭露2 层含水层（图4）：第一含水层，在斜坡区埋深32.5～46.2 m，在山谷地区顶板埋深为12.0～21.0 m，底板埋深为31.0～32.2 m，厚度为11.0～16.0 m，岩性以粉砂质泥岩为主，中风化，表面可见灰绿色粉砂质斑点及条带，发育5 条斜倾角节理，倾角为30°～68°，裂面起伏粗糙；发育一组陡倾角节理，倾角为85°，裂面起伏粗糙。第二含水层，顶板41.6～48.9 m，底板深度51.6 m 以下（未揭穿），含水岩组（段）厚度3.0～5.5 m，岩性以中-强风化粉砂质泥岩为主，节理裂隙较为发育，岩体破碎，为风化带裂隙孔隙水。

图4 钻孔ZK1、ZK7 岩性柱状图及含水层位置Fig.4 Lithologic log of wells ZK1 and ZK6 and the depth of two identified aquifers

ZK1 取样深度为50.0 m，位于第二含水层，其主要化学指标及TDS 值分别为15，16.88，<0.04，431.2 mg/L，水化学类型为HCO3—Na·Ca·Mg型。ZK6 取样深度为19.0 m，位于第一含水层，其主要化学指标及TDS 值分别为1 274，68.72，<0.04，1 791.0 mg/L，水化学类型为HCO3·Cl—Na·Ca·Mg型。结果表明垃圾渗滤液主要影响第一含水层，对第二含水层影响较小。

1.3 监测设备及方法

为了获得地下水系统的变化规律，2019年10月25日—2020年7月16日对2 口井中地下水进行自动监测，仪器型号为In-Situ 公司Aqua TROLL@500 型水位水质自动监测仪，见图5。监测参数包括：地下水水位，温度，溶解性总固体（TDS）、pH、氧化还原电位（Eh）。数据采集间隔为12 h，即0 点和12 点整采集数据，数据发射频率为1 次/d。各传感器在布设前采用标准液进行标定。

图5 监测井及仪器设备Fig.5 Photo of the monitoring well and equipment

2 结果

2.1 同震差异响应特征

2020年2月3日0 时5 分，成都市青白江发生5.1 级地震，引发了龙泉山地下水监测井ZK1 和ZK6的水位、水化学组分及其他参数的同震异常。两口监测井距离震中约13 km（图1）。两口监测井虽相距仅约700 m，但其响应特征明显不同。差异性响应为研究地下水系统的地震响应机理提供了更详实的依据。

（1）水位

震前，两口井水位未见异常波动。地震发生时，两口井的地下水位都发生了同震阶跃形式的上升，但上升幅度不同。ZK1 水位上升了0.80 m，见图6（a），ZK6 水位上升了0.25 m，见图7（a）。两口井的含水层厚度差异可能是导致补给量差异的原因之一。

图6 ZK1 地下水各类参数对青白江地震的响应特征Fig.6 Coseismic characteristics of groundwater parameters in ZK1 to the Qingbaijiang earthquake

图7 ZK6 地下水各类参数对青白江地震的响应特征Fig.7 Coseismic characteristics of groundwater parameters in ZK6 to the Qingbaijiang earthquake

（2）水化学组分

Cl−在地下水中化学性质较稳定，因此可作为示踪离子。震前两口井的Cl−未见异常波动，以一定的速率不断增大。地震发生时，ZK1 中Cl−浓度出现了同震阶跃形式的下降，浓度下降幅度达196 mg/L，见图6（b）。ZK6 中Cl−浓度则出现了相反的变化趋势，Cl−浓度同震阶跃上升了752 mg/L，见图7（b）。两者的差异变化反映了地震时地下水补给来源发生改变。

震前，两口井中的pH 都未发生异常波动。地震发生时，ZK1 中的pH 有小幅度升高，但并未偏离其长期变化趋势，见图6（e）。ZK6 中的pH 出现了较大幅度的增加，从7.27 增加到7.35，见图7（e）。

ZK1 的Eh为负值，而ZK6 的Eh为正值，这表明两口井所处的氧化还原环境差异明显，地下水的补给来源不同。地震发生时，ZK1 中的Eh变化规律和变化规律相似，出现了周期的短暂改变，见图6（f）。ZK6中的Eh出现了阶跃式的下降，从481 mV 下降到404 mV，见图7（f）。

震前，两口井的TDS 均保持原有的趋势性变化。地震发生时，ZK1 中TDS 出现了明显的下降，从1 435.5 mg/L下降到1 384.9 mg/L，见图6（g）。ZK6 中TDS 则出现了大幅增长现象，从1 888.7 mg/L 增加到2 247.3 mg/L，见图7（g）。地下水补给来源的不同以及不同含水层在地震时的补给比例差异是导致两口井TDS 差异变化的因素之一。

地震对两口井的温度并无影响，两口井温度都保持在18.7 ℃，见图6（h）、图7（h），说明向井补给的含水层无明显温度差异，且地震并未导致深部高温地下水的补给。

2.2 震后差异响应特征

两口观测井的震后差异主要表现在各参数的恢复特征不同（表1）。ZK1 中的水位和Cl−震后呈现出平移现象，即震后并未出现明显的恢复过程，地震后各参数的变化速率（曲线的斜率）与震前基本一致。TDS 震后也未出现明显的恢复过程，但其变化趋势相反，TDS 值由逐渐增加变为缓慢下降。ZK6 中Cl−、、pH 及TDS 均出现了明显的恢复过程，恢复周期约40 d。水位的恢复过程较快，周期约15 d，且恢复曲线特征呈突变的形状。ZK6 中在震后无恢复过程，可能是部分不连通裂隙中高浓度地下水在地震作用下短暂开启并排入井内，从而掩盖了的恢复过程。

表1 ZK1 和ZK6 水位及水化学参数同震变化表Table 1 Coseismic response of water levels and chemical components in ZK1and ZK6

3 地下水系统地震响应机理探讨

3.1 地震敏感性分析

地震能量密度代表着地震施加在单位体积介质上的最大能量，关键参数包括震中距以及震级。Wang 等[12]根据全球地震数据统计了同震响应大小和震中距以及震级的相关性，研究表明10−4J/m3是激发同震响应所需的最小能量密度阈值。本文中监测井与震中的距离约13 km，小于单位断裂长度。因此，以震源与监测井距离判断，青白江地震属于近场地震。根据Wang 等[13]提出的能量密度计算公式：

logr=0.48∗M−0.33∗loge−1.4

式中：r—震中到监测井距离/km；

e—能量密度/（J·m−3）；

M—地震震级。

本次地震在监测井附近产生的能量密度为4.77×10−1J/m3（图8），远高于同震地下水位响应的阈值10−4J/m3。两口井的位置虽相距较近，但水位变幅却相差达到0.55 m。这说明能量密度只能判断ZK1 对近场地震的敏感性高于ZK6，可能是由于两口井结构、含水层厚度、岩体结构以及地形差异等造成的。

图8 青白江地震在监测井位置的能量密度（修改自文献[14]）Fig.8 Seismic energy at the monitoring wells triggered by the Qingbaijiang earthquake（modified from Ref.[14]）

3.2 地下水化学组分及物理参数分析

离子浓度的变化受多种因素影响，尚无统一的机理能对所有现象进行解释。研究表明，地震引起的深部高温地下水与浅部低温地下水混合将引起化学再平衡，最终改变离子浓度及物理参数。青白江地震前后两口井的温度均未发生变化，这表明此次地震并未连通深部和浅部的含水层。因此，化学反应导致的离子浓度变化不能解释观测数据的异常。此外，从观测数据可以看出，ZK1 和ZK6 的离子浓度耦合变化规律截然不同，即ZK1 中各离子浓度及参数变化规律较为独立，而ZK6 中的离子浓度及参数变化协同性较好，这表明不同井中离子浓度变化的控制因素存在差异。

地震导致不同水源混合是地下水化学组分异常的另一可能的原因。从图9 可知，大气压力周期约为128 h，而变化周期依然约为36 h，说明其周期变化并不受大气压力控制。推测可知，影响硝酸根浓度波动的因素可能为固体潮，周期性的固体潮使得裂隙反复地张开和闭合，从而导致不连通裂隙中高浓度间歇性地与井内地下水混合，造成浓度周期性波动。此外，ZK1 水位及Cl−浓度出现同震阶跃变化，其震后未出现缓慢的恢复过程。这种现象表明地震改变了渗透性。由于同震时向井排泄的流体压力远高于震后井水流入含水层的压力，加之裂隙开度在震后减小，使得井水回流到裂隙的体积减少，回流速率急剧降低，最终导致水位及Cl−浓度在震后恢复过程不显著。由于钻孔揭露了两层含水层，必定存在着其中一层含水层地下水发生向井内的大量补给（图10）。伴随着水位上升，Cl−浓度和TDS 显著下降，说明向井补给的地下水中并未受到垃圾填埋场的污染。同时，Eh值未发生同震的显著异常波动，进一步说明该主要补给层控制着井内Eh，Eh为负值说明该含水层较为封闭且与地表连通性差。两层含水层以泥岩作为中间隔水层，隔水性较好，第二含水层理论上应具有更低的Eh值。因此，可以推断地震引发的深部第二含水层大量向井补给和混合是导致ZK1 中化学组分同震异常的主要原因。同时，混合作用并未导致浓度和浓度异常，表明和主要来源于第二含水层，其补给来源主要是大气降水。

图9 大气压力时频谱图Fig.9 Magnitude Scalogram of the atmospheric pressure

ZK6 中化学组分的异常较为一致，呈现阶跃式变化。除Eh出现阶跃下降外，其余组分均出现阶跃上升。随着水位的上升，pH、Cl−浓度和TDS 急剧增加，表明浅部第一含水层（受到垃圾渗滤液的污染）发生了向井的强烈补给。同时，和的阶跃上升表明深部第二含水层也发生了向井的补给，但补给比例比第一含水层小（图10）。从Cl−浓度和TDS 震后恢复曲线可以看出，震前和震后恢复以后其浓度增长速率未出现显著变化，表明地震并未改变两层含水层的渗透性，只是在同震及震后恢复期间出现了渗透性的短暂变化。井中化学组分的同震变化是由于地震沟通了含水层中原本不连通的裂隙，使含高浓度离子的地下水补给到井中并与低浓度地下水（赋存于连通裂隙中）混合。此外，ZK6 中并未出现类似于ZK1 中浓度周期性波动的现象，这可能与ZK6 附近含水层岩体结构变化有关。这也反映了岩体结构的差异影响地下水系统的同震响应特征。

图10 ZK1 和ZK6 同震地下水响应概念模型Fig.10 Schematic diagrams showing the coseismic differential response of groundwater in wells ZK1 and ZK6

3.3 地下水水位响应机理

根据前人研究[13−14]，引起地下水位变化的机理大致可分为4 类：（1）地壳弹性应变引起孔隙压力振荡；（2）岩土体不排水体积改变，包括不排水剪胀和不排水固结；（3）地震波引起渗透性增强，包括裂隙张开、新裂隙的形成以及驱替填充物，通常引起地下水位缓慢且持续地改变；（4）地震造成井筒-含水层结构共振。

岩土体不排水体积改变被认为是引起近场地下水水位阶跃变化的主要因素[13]。水位波动正比于含水层的体应变，但两者反相，即体应变膨胀时水位下降，压缩时水位上升[15]。研究的两口井均位于砂泥岩互层的岩体中，岩体体积改变首先是结构面的闭合或张开及岩块本身的变形，其次是岩块间的滑移。两者都可能发生弹性变形或者塑性变形。若地震仅引起弹性变形，则在震前加载过程中，震前一段时间水位增速应随结构面开度的增加而增加，反之随开度减小而减小。与此同时，由于地下水的稳定补给，渗流通道的变化会造成地下水压力缓慢变大。地震发生时，岩体卸荷造成结构面的弹性回跳，地下水在较高的压力下向井排泄，将造成地下水位的阶跃变化。由于弹性变形不改变岩体震前的渗透性，震后地下水位应逐渐恢复到震前水平，或震前水位变化的趋势线上。在这个过程中，恢复曲线呈指数型，这是由于在岩体恢复到震前应力状态过程中，渗透性也在逐渐恢复。若地震引起的应变超过10−4，将导致岩体的塑性变形，岩体沿裂隙错动或产生新的裂隙，将导致渗透性的永久改变[16]。

ZK1 水位出现了阶跃上升，震后并未恢复，而是持续上升。这说明岩体在不排水条件下发生的塑性变形导致了裂隙渗透的连通性或者开度的减小，从而降低了渗透性[17−18]。此外，从水位-水化学组分耦合变化规律可以看出，第一含水层的渗透性未出现显著变化，因为震前和震后Cl−浓度增长速率基本一致。第二含水层的渗透性出现了显著降低，井水在震后无法快速回流到岩体裂隙中，导致了水位无法回落并恢复到震前水平。由于第二含水层中的浓度波动周期并未受到地震影响，可以推断第二含水层的渗透性降低并不是裂隙连通性减小引起，而是由于裂隙开度的减小引起（图10）。

ZK6 水位出现了阶跃上升，但在约15 d 后恢复到了震前水平，这种指数型的恢复曲线反映了震后渗透性的缓慢恢复。岩体在地震时发生了弹性变形，增加了裂隙的连通程度以及开度，导致了两层含水层中地下水向井的排泄。地震后岩体内应力水平远低于同震时岩体内的应力水平。因此，震后较慢的卸载速率导致了裂隙的回弹速度减慢，进而使得地下水位的恢复出现了滞后的现象（图10）。

4 结论

本文利用水化学组分和水位联合监测数据分析了龙泉山地区两口相邻地下水监测井的同震差异响应特征：

（1）青白江地震在监测井附近产生了4.77×10−1J/m3的能量密度，远高于地震触发水文响应的能量密度阈值10−4J/m3，但相邻监测井的水位响应差异巨大（ZK1 的水位变幅大于ZK6），表明ZK1 的地震敏感性高于ZK6。

（2）不同含水层地下水的混合引起了水化学组分异常。深部第二含水层大量向井的补给，并与井水混合是导致ZK1 中化学组分同震异常的主要原因。ZK6水化学组分异常主要是浅部第一含水层向井补给，并与井水混合造成，第二含水层向井补给的比例较小。

（3）岩体不排水体积改变引起了地下水水位阶跃变化。ZK1 水位出现了永久性阶跃上升，震后并未恢复，原因是围岩在地震作用下发生了塑性变形，造成第二含水层的裂隙开度减小，从而显著降低了含水层渗透性，而第一含水层渗透性未生显著改变。ZK6 水位出现了阶跃上升，但震后恢复到震前水平。这表明地震造成ZK6 围岩的弹性变形，岩体渗透性虽暂时改变，但应力缓慢恢复后，渗透性也恢复到震前水平。