邱桂蘭,官致君,楊賢和,楊 虹

(四川省地震局,成都 610041)

四川地區(qū)地下水位對汶川地震的同震效應

邱桂蘭,官致君,楊賢和,楊 虹

(四川省地震局,成都 610041)

系統(tǒng)地清理、分析了四川地區(qū)2008年汶川地震時在測水位觀測到的同震效應。結果顯示:汶川地震的水位同震效應以階躍變化中的階升變化為主,同時兼有持續(xù)緩慢變化、潮汐畸變變化、無變化、脈沖變化和突跳式變化。研究表明:階升、階降井點在空間上分布不均勻,相對于震中位置的關聯(lián)性不強,但距離震中越近,階升的臺項越多。震時水位變化幅度不是簡單地隨井震距的變大而衰減。

汶川地震;水位觀測;同震效應;四川地區(qū)

0 引言

汶川地震是本世紀以來,繼2001年11月14日昆侖山口西8.1級地震后我國西部發(fā)生的又一次8級地震,是唐山地震后我國的又一次人員傷亡較大的大地震。在探索震前前兆異常的同時,震時變化特點也倍受關注。

研究表明,當大地震發(fā)生時,對水位變化的影響十分顯著,水位的同震效應能有效、直接揭示地殼介質(zhì)對應力一應變的響應[1]。同時,地下水位同震階變的研究對于減輕次生災害,追溯地震前兆,跟蹤后續(xù)地震,促進對地震孕育過程中地下水位前兆現(xiàn)象的識別與研究,以及研究地殼活動規(guī)律等都具有重要的理論和實際意義[2]。本文主要對四川地區(qū)水位觀測資料在汶川地震時的變化進行研究,為進一步研究井水位同震效應與未來地震活動之間的關系奠定基礎。

1 四川省水位觀測概況

2008年5月12日汶川地震時,四川省在測水位觀測共26臺項,其中模擬觀測15臺項,九五動水位觀測3臺項,十五靜水位觀測8臺項。觀測點主要圍繞龍門山斷裂、安寧河斷裂、鮮水河斷裂和華鎣山斷裂分布(圖1)。在井點的布設中,間距最小的測點為150m、最大的測點間距近600km,全省井點分布密度為每平方公里0.27個。最深井深為5240m,最淺井深3.12m。觀測地下水類型有:裂隙水、潛水、地表潛水,其中以觀測裂隙水為主,占觀測井的90%。2007年至2008年7月,全川水位測點儀器平均運行率為96.4%。

圖1 四川省2008年在測水位與汶川地震位置分布圖

2 四川地區(qū)水位觀測記錄到的汶川地震同震效應及特征分析

地下水位的震時及震后變化,從形態(tài)上可分為3類,第1類是急速的階躍變化(一般有階升和階降2種類型),這主要是近震(震中距小于500km)的井水位效應。第2類是水位的振蕩變化(又稱水震波),一般震中距大于2000km的井孔出現(xiàn)這種變化[1]。第3類是持續(xù)緩慢變化,指地震時井水位在地震波的影響下緩慢地持續(xù)上升或下降,逐漸偏離震前水位線[3]。以上3種水位同震效應類型只是水位同震變化的基本類型,而水位同震的變化往往是一個非常復雜的過程,時常是3種類型的綜合,有時甚至難以判斷。在此次汶川地震記錄到四川地區(qū)的水位同震效應的研究中,發(fā)現(xiàn)還存在無變化、潮汐畸變變化、脈沖變化和突跳式變化等表現(xiàn)形式。

2.1 按觀測類型劃分

汶川地震時,四川地區(qū)的在測水位有3種觀測模式,即模擬觀測、九五動水位觀測和十五靜水位觀測。在15臺項模擬觀測中,有整點值觀測9臺項,日均值觀測6臺項。日均值觀測取數(shù)時間間隔長,不容易提取到真實的震時變化,依賴震后趨勢進行的判斷存在誤差。整點值觀測,采樣時間稍短,有利于震時判斷。

在9臺項模擬整點值觀測中,階升變化有3臺項,階降變化2臺項,緩慢變化的2臺項中,緩升和緩降各1臺項。德陽08井在震時無明顯變化,震后出現(xiàn)了潮汐波畸變、消失的變化,蒲江11井出現(xiàn)了突跳式的變化(圖2)。

圖2 四川地區(qū)水位模擬整點值觀測記錄到的汶川地震同震變化

模擬日均值觀測中,有2臺項階降變化,3臺項震時、震后均無變化,1臺項出現(xiàn)脈沖式變化(圖3)。

圖3 四川地區(qū)水位模擬日均值觀測記錄到的汶川地震同震變化

九五觀測的3臺項動水位中,有2臺項階升變化,1臺項階降變化,3臺項均屬于階躍變化(圖4)。

圖4 四川地區(qū)九五動水位觀測記錄到的汶川地震同震變化

十五儀器觀測的是靜水位,分鐘值采樣,數(shù)據(jù)變化比較清晰,記錄的震時變化更加易于判斷。8臺項觀測中,北川臺水位被損毀,會理臺有觀測數(shù)據(jù),但無法使用。在其余6臺項中,有3臺項階升,1臺項階降,1臺項緩慢下降,1臺項無變化(圖5)。

圖5 四川地區(qū)十五靜水位觀測記錄到的汶川地震同震變化

四川地區(qū)汶川地震時可用水位觀測數(shù)據(jù)24臺項,出現(xiàn)的同震效應有階躍變化、緩慢變化、潮汐波畸變變化、突跳式變化、脈沖式變化和無變化。在以上變化形態(tài)中,階躍變化占 58.3%,無變化占16.7%,緩慢變化占12.5%,其余變化形態(tài)各占4.2%。同震階躍變化的比例進一步驗證了階躍變化主要是近震的井水位同震效應。

從觀測模式看,模擬整點值觀測、九五觀測與十五觀測更利于同震效應的分析,模擬日均值采樣率太低,不利于同震變化的判斷。分析階躍變化中階升、階降井點相對于震中的位置與方向,還發(fā)現(xiàn)階升與階降在地域上無明顯的分界線。但可以看出,距離震中越近,階升的臺項相對越多。

2.2 按震中距離劃分

根據(jù)四川地區(qū)水位觀測點的分布,汶川地震的井震距均在600km范圍內(nèi),最近觀測點位于極震區(qū),最遠觀測點井震距約540km。為了更加清楚汶川地震時不同井震距范圍內(nèi)水位的變化情況,分別對井震距離為500km、300km、200km、極震區(qū)進行分析(圖6)。

圖6 四川地區(qū)水位觀測與震中距分布圖

表1是井震距與水位變化形態(tài)統(tǒng)計表。此表顯示,越接近極震區(qū),發(fā)生階躍變化的比例越大,階升變化臺項越多,緩慢變化、無變化的比例越小。潮汐畸變變化和突跳式變化出現(xiàn)在極震區(qū)。

表1 井震距與水位變化形態(tài)統(tǒng)計表

2.3 按變化幅度劃分

由于觀測模式不同、采樣率不同、觀測的含水層不同,如果按變化幅度劃分,最好按觀測模式進行劃分后再進行比較。

研究極震區(qū)內(nèi)水位變化幅度發(fā)現(xiàn),模擬觀測的5臺項中江油10井水位變化幅度最大,上升了9.188m,其次綿竹39井,震后下降了約0.669m。其它井雖然也不同程度地表現(xiàn)出了變化,但幅度均不如前兩者。極震區(qū)內(nèi),由于所處不同的地理構造位置,不同的觀測狀況等因素,震時表現(xiàn)形式差異也較大。如德陽08井模擬水位,震時僅表現(xiàn)出潮汐波的畸變。模擬觀測的水位變化幅度表明,距離破裂帶越近,水位變化幅度越大(表2)。也就是說,汶川地震時水位變化幅度最大的是在極震區(qū),但在極震區(qū)內(nèi)的變化不一定都是最大的。

表2 汶川地震時四川地區(qū)模擬水位同震響應變化幅度統(tǒng)計表

對全川的模擬水位進行分析發(fā)現(xiàn),總體上是井震距越近,水位變化幅度越大。但也有如會理18井等的個例,井震距較遠,變化幅度卻比極震區(qū)內(nèi)的變化幅度還大。由此可見,模擬觀測中,井水位的變化,不是距離震中越遠,水位變化幅度越小的單純衰減。

九五動水位觀測的3套儀器中,西昌太和水位變化幅度達0.112m,比攀枝花水位變化略大。石棉動水位在震前5月12日00時開始就無觀測數(shù)據(jù),震后13日開始才有觀測數(shù)據(jù),若用13日的觀測數(shù)據(jù)與11日的觀測數(shù)據(jù)進行比較,則變化了0.189m,比西昌的變化幅度大。九五觀測數(shù)據(jù)顯示,距離震中越近,變化幅度越大。

十五靜水位觀測中,北川水位位于極震區(qū),儀器在地震中被損毀,無法統(tǒng)計其變化情況。井震距在100km左右范圍內(nèi)的邛崍靜水位變化達1.294m,比極震區(qū)內(nèi)的德陽靜水位變化幅度大1.049m。同樣,距離震中270km的南溪水位變化幅度也比德陽水位變化大(表3)。因此,從靜水位的變化幅度看,也不一定是距離極震區(qū)越近,水位變化幅度越大。

觀測井名 震中距/km 變化幅度/m(↑↓)邛崍 76 ↑1.294南溪 270 ↓0.222德陽 107 ↓0.145西昌03井 367 ↑0.125瀘沽湖 441 ↑0.027

四川地區(qū)模擬水位與十五靜水位的變化幅度均顯示,大地震時,不一定是震中距越大,水位變化幅度單純衰減。九五動水位觀測雖然顯示了距離震中越近,水位變化幅度越大的特性,但九五觀測井點太少,判斷變化幅度特性的可信度明顯不如模擬觀測與十五觀測。

3 淺析水位同震效應

3.1 形態(tài)變化

通過上述分析,汶川地震時的水位同震效應形態(tài)多樣,但主要以階躍變化為主。研究其成因機制,一種是由于地震波的傳播,產(chǎn)生脈沖狀應力作用,使之與含水層引起地下水位的變化,此時含水層主要產(chǎn)生彈性變形。一種是地震破裂傳播(蠕動傳播)及震后應力調(diào)整引起,這種作用的影響時間較長,且具有滯后性。但無論是巖體的彈性變形,還是巖體發(fā)生破壞變形,水位發(fā)生的顯著動態(tài)變化,都是水位短時間的載荷作用和較長時間的載荷作用的靈敏反映,不但有著巖土力學還有著水動力學等多方面的原因[1]。

在汶川地震中,無變化的變化形態(tài)占總變化形態(tài)的16.7%,是一個不小的變化比例。分析原因很可能與井點所在的地質(zhì)構造、井點本身位于特殊構造部位、觀測條件、儀器信噪比等方面的原因有關。

3.2 幅度變化

汶川地震中水位變化幅度表明,大地震時,不一定是震中距越大,水位變化幅度單純衰減。分析原因可能一方面與震區(qū)及附近地區(qū)地質(zhì)構造的復雜性有關,一方面與觀測井點所在的地質(zhì)構造環(huán)境、觀測條件有關,還可能與地震波傳波過程中的地質(zhì)構造有關。

4 問題與結論

4.1 問題

在清理、研究四川地區(qū)水位觀測對汶川地震的同震效應時,發(fā)現(xiàn)以下問題,值得思考:

(1)四川地區(qū)的地下水位觀測井點,雖然主要分布在三大斷裂,但分布極不均勻,大多數(shù)井點不是建在活動斷裂的端點、拐點及2條以上活動斷裂的交匯部位;

(2)大多觀測井點離活動主斷層面的距離,超過5km,且部分井點深度不足100m,未揭穿活動斷裂;

(3)在測井點多數(shù)是石油、水文地質(zhì)部門遺留下來不用的井,觀測上達不到井網(wǎng)布局和井點所要監(jiān)測的構造部位的要求;

(4)水位的同震效應本身是一個非常復雜的過程,往往有多種變化類型的綜合,有時很難給予準確判斷。在對汶川地震同震效應中出現(xiàn)的潮汐波畸變變化、突跳式變化、脈沖式變化,是否在其它大地震中也出現(xiàn)了,還有待進一步研究;

(5)觀測儀器校時不夠準確等問題,也可能導致個別判斷有誤。

4.2 結論

通過對汶川地震時四川地區(qū)水位同震效應的研究,得到以下幾點認識:

(1)汶川地震時,四川地區(qū)的水位觀測記錄到了清晰的同震效應,形態(tài)特征明確,反映了在此次大地震的影響下,四川地區(qū)的應力應變場的劇烈變化及瞬時的調(diào)整過程[4];同時也說明四川地區(qū)的水位觀測儀器具有較高的監(jiān)測靈敏度,具有良好的檢測記錄與反應能力;

(2)汶川地震時的水位同震效應有階躍變化、持續(xù)緩慢變化、潮汐波畸變變化、突跳式變化、脈沖式變化和無變化等變化形態(tài)。在以上變化形態(tài)中,階躍變化占58.3%,是汶川地震時四川水位觀測同震效應的主要變化形態(tài);

(3)階躍變化中階升、階降井點相對于震中位置與方向無明顯的地域分界線,但距離震中越近,階升的同震變化越多;

(4)從水位變化幅度看,不一定是距離極震區(qū)越近,變化幅度越大。水位的變化幅度也不一定是隨震中距的變大而單純地衰減。

[1] 孫其政.地下流體地震預報方法[M].北京:地震出版社,1997:25-26.

[2] 楊竹轉(zhuǎn),鄧志輝,趙云旭,等.云南思茅大寨井水位同震階變的初步研究[J].地震學報,2005,27(5):569-574.

[3] 晏銳.汶川8.0級地震引起的中國大陸井水位同震響應特征分析[J].國際地震動態(tài),2009,(4):32-32.

[4] 蘇樹朋,李津津,張勤,等.易縣地震臺形變資料對汶川8.0級大地震的反應[J].華北地震科學,2009,27(2):54-58.

Study on Coseismic Water-Level Changes of the WenchuanMS8.0Earthquake in Sichuan Area

QIU Gui-lan,GUAN Zhi-jun,YANG Xian-he,YANG Hong
(Earthquake Administration of Sichuan Province,Chengdu 610041,China)

In this paper,coseismic water-level changes of WenchuanMS8.0earthquake in Sichuan area are analyzed.The results indicate that the coseismic water-level changes are mostly of step rising variation accompanied by continual slow change,tidal distortion,impulse and jump.The distribution of the coseismic water-level step changes is not uniform.The closer to the epicenter the more step rising anomalies there are,but the amplitude of the water level changes do not simply decrease with the distance to the epicenter.

the WenchuanMS8.0earthquake;groundwater observation in wells;coseismic effect;Sichuan area

P315.72

A

1003-1375(2011)02-0040-05

2010-09-15

全國地震形勢跟蹤分析項目(09096009)

邱桂蘭(1972-),女(漢族),四川中江人,工程師,主要從事地震分析預報工作.E-mail:qql493@sohu.com