2021年青海玛多7.4级地震的江苏流体井水位同震响应特征*

2023-01-12缪阿丽叶碧文

地震研究 2023年1期

缪阿丽，祝涛，张艺，叶碧文，王凯

(1.江苏省地震局，江苏南京 210014；2.防灾科技学院，河北三河 065201)

0 引言

地震地下流体直接参与地壳中的各种动力作用过程，是有效的中短临地震预测手段之一。研究表明，在地震前流体观测井测项会记录到前兆异常变化(付虹等，2021；付虹，赵小艳，2013；孙小龙等，2016，2018；缪阿丽等，2017，2018，2021；颜玉聪等，2022；廖丽霞等，2022)，研究人员通过归纳提取地震前的异常信息，总结其在时间上和空间上的分布特征，并将结果应用于地震预测预报工作中(车用太等，1999；刘耀炜等，2000，2008，2015)。

基于地震地下流体水位对远场大震地震波的同震动态响应，一些学者试图从其变化特征分析研究同震响应异常的空间丛集区与未来地震活动的关系，如万登堡(1995)在云南地下水动态短临指标体系研究中提出，地下水位后效异常对后续地震地点、时间，特别是地点有预报指示意义；付虹等(2002)通过分析云南省54口地下水观测井在十数年间累积的同震效应和震后效应与地震活动的关系，认为震后效应的单井、密集、条带、迁移等空间分布，可对老震区余震、外围区及井位附近牵动性后续地震地点的预报有指示意义；黄辅琼等(2000)通过分析中国大陆地下流体观测对中国台湾南投7.6级地震的同震响应特征后认为，响应异常的空间丛集区对未来地震危险区具有短期至中短期指示意义；廖丽霞等(2009)将福建流体井的同震效应时空展布特征结合福建地区同期发生的地震事件进行分析，认为震后阶跃上升变化的井水位可能包含有区域应力场信息，水位阶跃上升集中区可能是区域应力相对集中区，对未来该区域发生较显著的地震具有空间上的指示意义；任宏微和张磊(2017)分析了2015年尼泊尔8.1级地震对我国大陆井水位动态的影响，并在此基础上分析了水位同震响应阶变与区域应力调整的关系，结果表明水位同震效应阶变反演得出的震时应力增强区域，可能对未来地震危险区具有一定的指示意义；胡小静等(2020)分析了云南普洱大寨井水位同震响应特征与后续中强地震的关系后认为，井水位同震响应可作为探索区域构造和地震活动的参考指标。

江苏地区地下流体井对远场大震的响应也非常灵敏，有学者曾就江苏地区地下流体井网对远场大震的响应特征和机理做过分析(缪阿丽等，2014；郑江蓉等，2013)，但并未对远场大震引起的井水位变化与后续地震活动的关系进行分析。2021年5月22日青海玛多发生7.4级地震，江苏流体观测井网较多观测井出现同震响应现象。本文主要分析玛多7.4级地震后，江苏流体观测井网水位出现的同震响应特征及其与区域后续地震活动的关系。

1 江苏流体观测井网概况

江苏流体观测井网共有27口观测井，基本位于活动断裂带附近，地下水类型以岩溶裂隙水和孔隙水为主。经过“九五”“十五”数字化改造后，江苏流体观测井的观测环境、仪器设备等基本能够满足地震监测预报需求，观测测项除水位和水温测项外，还有气温、气压、降雨量等气象要素作为辅助测项。水位观测主要使用LN-3或LN-3A型数字水位仪，传感器分辨率为1 mm，采样率为1 mm。

2 井水位同震响应特征分析

2021年青海玛多7.4级地震发生后，江苏流体观测井网有同震响应的观测井共16口(图1)，占江苏观测井总数的59.3%，主要分布在茅山断裂带及附近地区，苏中和苏北也有分布。区域内具有同震响应的流体观测井井孔基本参数及同震响应参数见表1，其同震响应变化如图2所示。

图1 江苏水位同震响应观测井分布

由表1和图2可以看出，同一井孔不同测项、不同井孔同一测项的同震响应变化均有较大不同。水位响应形态主要有3类：①振荡：主要表现为快速上升、下降变化后恢复到正常动态变化值。出现这种形态的水位观测井数量最多，共7口，占同震响应井总数的43.8%。但不同井所表现出的振荡形态特征不同、振荡幅度有较大差异。如苏02井水位振荡的最大幅度达12.3 cm，而支塘井水位振荡的最大幅度仅为0.4 cm。②先振荡后上升：主要表现为地震发生后水位先发生振荡，在振荡结束后并未回落到正常动态变化值，而是出现阶跃上升变化。如苏22井在震后7 min后发生振荡变化，振荡持续时间58 min，在振荡过程中出现阶跃上升，回到正常动态值后出现阶跃上升变化，上升幅度为7 cm，之后在新的基值上继续波动变化。出现这种形态的流体观测井较多，共6口，占同震响应井总数的37.5%。③阶降：主要表现为地震发生后水位出现阶降变化，且下降后并未恢复到原先动态变化值，而是在新的基值上继续波动。如溧阳台井水位在震后出现下降台阶变化，下降幅度为9.1 cm，下降变化结束后在新的观测值上波动。

表1 水位同震响应观测井的基本参数及同震响应参数

图2 江苏水位观测井同震响应变化形态

3 水位同震上升区与历史地震关系

青海玛多7.4级地震引起的江苏流体观测井水位同震响应在形态上虽然呈多样性，但在空间分布上却表现出一定的规律特征，即水位同震上升的6口水位井，除苏23井分布在江苏北部，其余5口井均分布在茅山断裂带及其附近地区。2021年12月22日常州发生4.2级地震，该地震震中位于水位同震上升区域附近(图1)。

2008年以来，引起江苏流体观测井网较大范围产生同震响应的大地震有2008年5月12日四川汶川8.0级地震、2011年3月11日日本9.0级地震、2012年4月11日印尼苏门答腊8.6级地震以及2013年4月20日四川芦山7.0级地震。这4次远场大地震引起的江苏流体观测井网水位同震响应形态及空间分布如图3所示，图中数据引自缪阿丽等(2014)。由图可知，这4次大地震引起的水位同震响应形态以震荡和下降为主，偶有零星水位井出现水位同震上升现象。分析区域地震活动情况可知，2011年日本9.0级地震后，在茅山断裂带及附近地区有3口流体井水位出现同震上升，之后2012年7月20日高邮发生4.9级地震，该地震位于表现为水位同震上升的流体井区域长轴延长线上，震中距离水位同震上升区最北边的苏16井138 km(图3b)。而其余3次大地震发生后，江苏地区并未发生4.0级以上地震。比较这几次大地震后江苏流体观测井网同震响应的不同特征可知，玛多7.4级地震和日本9.0级地震后，形成的水位同震阶升数量较多，且范围较集中，特别是玛多7.4级地震后，在茅山断裂带及附近地区多口流体井出现水位同震上升的现象很少见。这说明，大地震发生后，形成一定规模的水位同震上升区域可能在一定程度上体现了区域应力的一种状态，它对中长期尺度的中强地震的发生地点有一定指示意义。

4 讨论

2021年青海玛多7.4级地震引起的江苏流体观测井网水位同震响应形态在空间分布上具有一定特征，出现水位同震上升的流体井主要分布于茅山断裂带及附近地区，之后2021年12月22日发生了常州4.2级地震。单个井孔水位阶升是由井水流量增大所致，井水流量的增大可能是由深部来水、也可能是由远场地震引起含水层渗透率增大(Brodskyetal，2003；孙仁远，成国祥，2004)导致含水层中水体进入井孔的流速增大从而引起水位值的升高。除此之外，井孔所处区域的构造背景也非常重要。水位动态的物理意义比较明显，当含水层受压时，井水位表现为上升；相反，井水位则表现为下降。因此震后阶跃上升的观测井水位可能包含有区域应力场的信息。单个井孔水位同震形态可能因为诸多因素，如井孔岩性、套管深度等影响，而不能完全包含其所处区域的应力场信息。如果远场大震引起某个区域内应力调整变化比较明显，且表现出一定的群体性或集中性异常，那么其可能是区域应力相对集中的表现(任宏微，张磊，2017；廖丽霞等，2009)，这些地区对未来地震发生地点具有一定指示意义。

图1和3显示，在几次7.0级以上大地震的影响下，苏16井和苏18井水位多次出现同震上升现象，但之后并非均对应地震。这两口井均为自流井，观测岩性相同(均以砂岩为主)、套管深度均较浅(苏18井套管下至75 m，苏16井下至20 m)，都位于茅山断裂带附近，其观测含水层岩性、井孔结构和所处构造决定了其对含水层结构的变化比较敏锐。但同震应力变化能否对区域内的强震活动产生显著影响主要取决于断层的绝对应力是否已临近失稳强度(马胜利等，2011)，或者说，如果区域应力未达到一定程度，远场大震引起的水位同震阶升井的范围将局限或分散，而如果出现较大面积的同震水位阶升，那么可能一定程度上能够反映区域应力状态，而同震水位阶升集中地区对未来中强地震发生地点具有一定指示意义。因此，尽管在几次大地震的影响下，苏16井和苏18井多次出现同震上升现象，但只有与其它多口井同时出现水位同震上升现象时，之后才会对应中强地震。这进一步说明，只有出现群体性水位同震阶升现象，水位同震阶升集中区域对未来地震发生地点才具有一定指示意义。