玛多MS7.4级地震引起的甘肃地区水位、水温同震响应特征分析

姜佳佳，冯建刚，2，张昱

(1.中国地震局兰州地震研究所，甘肃 兰州 730000；2.甘肃兰州地球物理国家野外科学观测研究站，甘肃 兰州 73000)

0 引 言

地下流体是地壳中最活跃的介质，具有分布的广泛性、易流动性和不可压缩性等特征，当井—含水层系统处于封闭性良好的承压体系中时，它能够客观、灵敏地反映地壳的应力应变信息。因此，地下水位和水温观测是地震前兆观测的重要测项之一。国内外地震学者曾以大量的观测事实论证了水位动态不仅可以直接反映受力状态变化引起的孔隙压力的变化，而且还可以反映出含水层地下水径流的速度与流量等的变化；不仅水位对含水层受力有所反映，井水温度也会有灵敏的响应。井—含水层系统所受的动力加载作用方式有多种，地震波作用就是其中重要的一种，地下流体观测中水位与水温对大震的同震响应是地震波作用于井—含水层系统最直接的体现[1]。

上世纪90年代后，中国地下流体水温观测网进行了高精度数字化仪器的改造使用，近几年收集了大量的同震响应观测资料，针对这些资料国内学者进行了系统的分析和深入的研究讨论[2-4]。据中国地震台网测定，北京时间2021年5月22日02时04分青海玛多(34.59°N，98.34°E)发生MS7.4地震。甘肃地区部分水位、水温观测井也记录到了其同震响应和震后效应。本文选取此次大震中记录到同震、震后效应井点的水位、水温资料，对其同震响应特征进行分析讨论。

1 甘肃地区井孔条件及概况

甘肃地区目前有现有19口地下流体观测井，其中有16个水位测项和23个水温测项，分别采用LN-3A型数字化水位仪、SZW-1A型水温仪和ZKGD-3000型水位、水温综合观测仪进行观测。本地区的数字化流体水位、水温观测最早始于2001年的“九五”改造，之后是2007年“十五”改造，直至汶川8.0级地震灾后恢复重建，多数资料从2007年下半年的“十五”数字化改造开始，最短的为汶川8.0级地震灾后重建项目。

从甘肃地区多年来连续观测的资料来看，多数井点的井水位观测资料表现出比较明显的年变规律，年动态以年变型为主，也有平稳波动型；多数井点具有记录固体潮的能力，但程度不同；部分井点有明显的气压效应变化[5]。

2021年5月22日青海玛多发生Ms7.4级地震，甘肃地区流体各观测井中主要有古浪横梁、武都两水、武都樊坝、平凉华亭、平凉铁路小区、平凉威戎、天水013、临夏1和临夏2等9口井，观测井基本概况如表1。

表1 观测点资基本概况

2 水位响应特征分析

本文收集了在2021年5月22日玛多Ms7.4级地震中甘肃地区各观测井中水位具有明显同震及震后效应的观测井资料，包括古浪横梁、武都两水、武都樊坝、平凉华亭、平凉铁路小区、平凉威戎、临夏1和临夏2共8口井，主要位于六盘山断裂带，老虎山断裂带和迭部—白龙江断裂带附近(图1)。玛多Ms7.4级地震引起的同震响应现象中，古浪横梁、武都两水、武都樊坝和平凉华亭等4口井水位表现为突升(图2、表2)，平凉铁路小区和临夏井等3口井表现为突降(图3、表2)，而平凉威戎井表现为脉冲型(图4、表2)。

图1 水位、水温同震响应观测井空间分布(底图来源：http://bzdt.ch.mnr.gov.cn/index.html)

表2 观测点资料及水位响应类型统计

2.1 突升、缓降型同震反应

玛多Ms7.4级地震引起的甘肃地区流体水位同震响应中，表现为同震突升的为古浪横梁、平凉华亭、武都两水和樊坝4口观测井(图2)；表现为同震缓降的为平凉铁路小区、临夏1号和2号井(图3)。这些台站距离本次震中均大于500 km。

图2 平凉华亭(a)、两水(b)、武都樊坝(c)、横梁(d)水位分钟值曲线(2021-05-21～2021-05-22)

2.2 脉冲型同震反应

玛多7.4级地震甘肃水位观测井中出现脉冲型同震响应的为平凉威戎井，距离震中690 km。

图3 平凉铁路小区(a)、临夏水位(b、c、d)分钟值曲线(2021-05-21～2021-05-22)

图4 平凉威戎井水位分钟值曲线(2021-05-21～2021-05-22)

从图2～4中看出不同测点记录同震响应的能力明显不同。其中古浪横梁、平凉华亭、武都两水和樊坝井(图2)记录到的突升型同震响应比较明显；临夏1号(两套仪器)、临夏2号(图3)、平凉铁路小区井记录到的缓降型的同震响应相对较弱一些；平凉威戎和天水013井记录到微弱的脉冲型同震响应信息(图4)。最大同震变化幅度是资料日变幅的数倍(古浪横梁井)，而最小的为日变幅的六分之一(平凉威戎井)。

2.3 水位同震响应分析与讨论

地下水位的同震变化反映地壳形变和地面震动引起地下介质贮层变形、孔隙疏通、裂缝的清理、产生裂缝等变化。地震引起水位同震变化形态有阶变和振荡(脉冲)两种。阶变型的同震变化改变了水位背景，它反映了地下介质的孔隙、裂隙被疏通或地下水力学特征发生改变，可能是塑性变化的结果，是表现为地下水位阶变式的上升或下降变化，这种变化通常需要十几分钟至几个月的时间才能恢复，有时甚至产生永久性的改变[6]。振荡型(即脉冲型)的同震变化是指在地震波作用下水位快速来回波动，地震波经过后水位很快平静下来，仍沿原来的形态变化，它反映了地下含水层介质弹性模量较大、岩层透水性好，是地震波传播过程中含水介质的一种弹性变化的结果。

通常情况下，阶变型水位同震响应一般为地方震及近地震，振荡型水位同震响应一般为远大震，但也有远震能引发同震阶变现象。水位同震升降的方向不因地震的远近、大小、震源机制或地震方位的变化而改变，更多地受控于本地的地质构造环境和水文地质条件，如当一个构造带区域上井水位普遍上升，代表构造应力场压性增强、张性减弱，水位下降代表构造应力场压性减弱、张性增强；因此水位同震阶变的观测井空间分布与构造区域的相互关系对判断构造应力场的变化也具有积极意义。地震波能量的变化不能改变水位同震变化的方向，当地震波能量足够大时，会使一些原来仅产生振荡或无同震响应的井孔水位发生阶变[6]。水位同震变化振幅除了与震中距、震级密切相关外，还可能与观测井含水层系统自身特性、震源方位、震源机制以及地震波的传播途径有关。振幅与震级呈正比关系，水位的同震阶变可视为大震后区域应力调整的表现，井水位同震阶升说明井区压应力作用增强[6]。

3 水温响应特征分析

地震波作用可导致井—含水层系统介质发生一定的形变，这种变化一方面会影响地下水的流动速度和路径，另一方面也会影响它与周围岩体的热量交换，从而影响到观测井中水体的温度变化[2-4]。甘肃地区流体台网有水温观测井点18个，共有水温测项23个，其中只有平凉威戎水温出现了同震响应。

3.1 水温同震响应

2021年5月22日青海玛多7.4级地震发生后，甘肃地区水温观测井中只有平凉柳湖井记录到同震响应(图5)。平凉柳湖观测井位于六盘山东侧泾河I级阶地，完钻井深301.07 m，套管深度198.14 m，8.14 m以上井径300 mm，至190 m井径190 mm，下段井径160 mm，观测含水层为白垩纪砂砾岩层。

图5 平凉柳湖水温分钟值曲线(2021-01-01～2021-06-20)

从图5中可以看出，在地震波到达观测井时，平凉柳湖井水温表现为突然下降，其下降时间较快，持续约58 分钟之后缓慢恢复中，至2021年6月20日还未恢复至震前水平。

3.2 水温同震响应机理探讨

近年来，远场大震引起的观测井水温响应机理的研究越来越多[2-6]，许多结果显示井水温度的变化与井—含水层系统参数改变密切相关。地震发生时，地震波周期性张压作用于含水层系统，使其介质发生变形。这种应力的加卸载作用一方面激活了孔隙、裂隙中的填充物(如气体、滞水等)，另一方面也促使局部裂隙的串通，使得空隙内运移的水体流动状态发生变化，各水体间及水体与围岩的热量交换呈现加强或减弱，导致观测井内水体温度产生变化[4]。

从目前水温观测井同震响应的研究中来看，各学者提出的不同观点概括起来主要有以下3种。

(1)气体逸出说：鱼金子等现场观察发现[7]，井水温度大幅度下降的同时井水面上有大量气泡上涌，所以认为井水温度的同震突降机制可归因于井水气体的释放[2-4]。即当井水气体释放时，同时释放出井水中的热量，从而降低了井水温度。

(2)井内水体热弥散说：石耀霖等[2]在统计分析唐山矿井水温同震响应资料后提出了水温下降变化的热弥散模型，认为其主要机理为水分子的弥散效应，即弥散系数与水的宏观速度密切相关，在静水中弥散系数很低，在同震水位振荡时大大增加，温度较高的水分子弥散到冷的低分子动能的水中，以及温度较低处一些低分子动能的水分子弥散到温度较高处，形成水温的变化。

(3)冷水下渗说：刘耀炜等对远场大震引起水位振荡—水温下降现象的解释是[3]，井孔含水层周边上层地下水随着振动效应的作用，加大了向下垂直运动的速率，低温水快速混入观测含水层中，引起温度的快速下降。由于这些上层低温水是赋存于孔隙或裂隙中的附着水，一般来说不产生长距离的运移，其下渗只引起短时间、短距离地下水的运移，因此不会产生井孔水位的上升。由此可见，水温同震响应机理的研究目前还处于探讨阶段，各学者所提出的机理皆能解释一定的观测现象，但究竟是哪种机理最具合理性有待于更进一步的研究。且同井同震响应特征并不是固定不变的，也与当时的井—含水层状态密切相关。

4 结 论

本文收集整理了甘肃地区水位、水温观测井对2021年5月22日青海玛多MS7.4级地震的同震响应资料，统计分析了不同的响应现象和特征，并对其响应能力进行了分析讨论，得到的结论如下：

(1)水位测项的响应变化明显强于水温测项的响应。根据甘肃地区流体观测井的同震响应资料可知：16个水位观测项中有8个记录到同震响应，而23个水温测项只有1个记录到同震响应，这说明该区各测点相对于青海玛多7.4级地震而言，水位测项的记震能力明显强于水温。

(2)水体热流换过程导致水温同震响应变化延迟。水位的同震响应中，多数井水位的同震响应有比较一致的变化形态，同时与震级密切相关，震级越大则响应程度越高，主要以突升和缓降为主。而水温的响应机理与水位不同，本次出现同震响应的平凉威戎水温表现为同震突降，一个小时后便开始了缓慢的恢复变化，即当水位停止振荡后，含水层水体与井水的横向水力作用并未停止，含水层水体仍存在相对缓慢的对流换热过程，这也许减缓了井水温度的恢复速率。

(3)井水温同震响应变化因素更多造成响应机理更复杂。同井的水位同震响应主要受控于观测井所处的地质构造环境与水文地质条件，而同井的水温同震响应变化还与地震波引起的井孔中水的运动方式、水体热流换以及水温探头放置的位置等诸多因素有关，其响应机理更为复杂。水位测项的同震响应中，同井有水温观测的，水温未见明显变化，主要是由于此类观测井水温探头的观测含水层封闭性不好，气体脱逸的通道并不集中在井孔，所以温度变化不明显，另外，也有可能被水温较大的日变化幅度所掩盖。

(4)构造环境与水文地质对井水位同震响应具有重要的影响。水位动态的物理机理明显，含水层受挤压时水位上升，受拉张时下降，因此震后阶跃上升的水井水位可能包含有区域应力场的信息，水位阶跃上升集中区可能也是区域压应力相对集中区，对未来该区域发生较显著的地震具有空间上的指示意义。