張衛(wèi)華 王秋良 李井岡 羅俊秋 郭熙枝

1)中國地震局地震研究所(地震大地測量重點實驗室)，武漢 430071

2)中國地震局地殼地殼應(yīng)力研究所武漢創(chuàng)新基地，武漢 430071

三峽井網(wǎng)地下水同震效應(yīng)特征研究*

張衛(wèi)華1，2)王秋良1，2)李井岡1，2)羅俊秋1，2)郭熙枝1，2)

1)中國地震局地震研究所(地震大地測量重點實驗室)，武漢 430071

2)中國地震局地殼地殼應(yīng)力研究所武漢創(chuàng)新基地，武漢 430071

基于三峽水網(wǎng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，以2007年9月12日印尼蘇門答臘M8.5、2011年3月11日日本M9.0、2008年5月12日汶川M8.0地震及2008年9—11月三峽地區(qū)地方震為對象，研究了三峽井網(wǎng)的水位同震變化特征，初步得到了三峽井網(wǎng)井水位同震效應(yīng)與遠、近震地震參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系。

三峽井網(wǎng);同震效應(yīng);地震參數(shù);遠震;近震

1 引言

自1899年意大利一口深井首先記錄到遠震地震波引起的水位震蕩以來，國內(nèi)外地震學(xué)家和水文地質(zhì)學(xué)家對此進行了多方面研究［1－5］。但這些研究基于單個井臺，對比研究的井臺巖性和構(gòu)造都不同。三峽井網(wǎng)八口井分布于壩區(qū)和庫首區(qū)［6］，井臺巖性和構(gòu)造類似，井距在15 km范圍內(nèi)，如此密集的井網(wǎng)布局為研究井水位同震變化特征提供了便利條件，為此，本文將在前人研究的基礎(chǔ)上，選取2007年9月12日印尼蘇門答臘Ms8.5、2011年3月11日本Ms8.6遠震、2008年5月12日汶川Ms8.0近震以及2008年9—11月三峽發(fā)生的四起地方震引起的水位同震變化特征作對比，推導(dǎo)了三峽井網(wǎng)井水位同震效應(yīng)與遠、近震地震參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系。

2 遠震及近震效應(yīng)

2.1 印尼蘇門答臘Ms8.5地震

2007年9月12日印尼蘇門答臘Ms8.5地震，三峽井網(wǎng)有6口井井水位出現(xiàn)同震效應(yīng)(圖1)，響應(yīng)特征因井而異，表現(xiàn)為階降型的有W2、W4、W6，階升型的有W7，振蕩型為W1、W5。震后效應(yīng)差異性也各不相同，其中W2、W4與W6井水位同震下降后未恢復(fù)到震前水位，W1與W5井水位振蕩后恢復(fù)到原水位，W7井則上升后沒有恢復(fù)到原水位，各井階升與階降的幅度也不等(表1)。

圖1 三峽井網(wǎng)井水位對印尼8.5級地震的同震響應(yīng)Fig.1 Water level coseismic response to Ms8.5 Indonesia earthquake in Three Gorges well network

表1 三峽水網(wǎng)井水位對印尼8.5級地震同震階變幅度值Tab.1 Water level amplitude value of Ms8.5 Indonesia earthquake in Three Gorges well network

2.2日本Ms8.6地震

日本2011年3月11日8.6級地震，距三峽井網(wǎng)各井點距離在3 000千米左右，部分井水位同震效應(yīng)幅度較大(圖2)。W1、W6井水位同震響應(yīng)特征為振蕩型、W8、W7分別為陡降與階升型。W2、W3、W4井未出現(xiàn)同震效應(yīng)，值得注意的W1與W6井水位同震下降-上升后均恢復(fù)到震前水位，W7井水位上升后沒有恢復(fù)，W8井則下降后沒有恢復(fù)到原水位，表現(xiàn)出階降后效特征。而且各井階升與階降的幅度也不等(表2)。

2.3 汶川Ms8.0地震

2008年5月12日四川汶川8.0級地震距三峽井網(wǎng)各井點距離在700千米左右，整個井網(wǎng)井水位全部表現(xiàn)為劇烈的同震效應(yīng)(圖3)。井水位同震響應(yīng)特征分為陡降-陡升型(W4、W7)、陡降-緩升型(W1、W6)與緩降型(W2、W3)與起伏型(W5)等 4種類型，W8井因水位記錄不全暫不歸類。除W5井之外，均以先下降為特征，下降的幅度各井不等(表3)。W1與W4井水位同震后效表現(xiàn)為下降-上升后均恢復(fù)到震前水位，W2與W3井水位下降后沒有恢復(fù)，W6井則下降后雖有恢復(fù)，但沒有恢復(fù)到原水位，表現(xiàn)出階降后效，而W5與W7井則水位恢復(fù)到比原水位還高，表現(xiàn)出階升后效，而且階升與階降的幅度也不等(表3)。

圖2 三峽井網(wǎng)井水位對日本8.6級地震的同震響應(yīng)Fig.2 Water level coseismic response to Ms8.6 Japan earthquake in Three Gorges well network

表2 三峽水網(wǎng)井水位對日本8.6級地震的同震階變幅度值Tab.2 Water level amplitude value of Ms8.6 Japan earthquake in Three Gorges well network

表3 三峽水網(wǎng)井水位對汶川8.0級地震的同震階變幅度值Tab.3 Water level amplitude value of Ms8.0 Wenchuan earthquake in Three Gorges well network

3 地方震效應(yīng)

2008 -09 -27—11 -30日，三峽地區(qū)發(fā)生2級以上地震3次(9月27日郭家壩M3.2、11月22日香溪M4.1地震和11月30日屈原鎮(zhèn)M2.4)。3起地震發(fā)生前，整個三峽井網(wǎng)的水位、水溫各測項未出現(xiàn)中長期、短臨異常，地震發(fā)生時部分井水位出現(xiàn)同震效應(yīng)。11月30日屈原鎮(zhèn)M2.4地震周坪井出現(xiàn)較弱同震效應(yīng)，另兩起地震發(fā)生時部分井水位和水溫同震效應(yīng)明顯。這3起地震震中都位于三峽井網(wǎng)監(jiān)測范圍內(nèi)。

圖3 三峽井網(wǎng)井水位對汶川8.0級地震的同震響應(yīng)Fig.3 Water level coseismic response to Ms8.0 Wenchuan earthquake in Three Gorges well network

3.1 郭家壩M3.2地震

距震中分別為5 km、13 km、23 km和26 km的郭家壩、周坪、大河口和茅坪井同時記錄到郭家壩M3.2地震的同震效應(yīng)(圖4和表4)。其中周坪、大河口井水位曲線為階升型，反映井臺所在地含水層呈受力擠壓狀態(tài);茅坪井、郭家壩為階降型，體現(xiàn)出含水層呈受力拉張狀態(tài)。結(jié)合震中分布圖、井臺所處仙女山斷裂帶的位置，各井含水層應(yīng)力變化與該地震的左旋走滑震源機制一致。

表4 2008-09-27日M3.2地震同震效應(yīng)參數(shù)Tab.4 Water level coseismic response to M3.2 earthquake in Three Gorges well network on Sep.27 in 2008

3.2 香溪M4.1地震

11月22日香溪M4.1地震發(fā)生時，震中距分別為12 km、17 km、19 km和26 km的郭家壩、周坪、韓家灣和大河口井水位皆記錄到同震效應(yīng)(圖5和表5)。其中仙女山斷裂帶左側(cè)的周坪井、大河口和郭家壩井水位曲線為階升型，體現(xiàn)出含水層呈受力擠壓狀態(tài);韓家灣井的階降體現(xiàn)為含水層呈受力拉張狀態(tài)，與該地震的震源機制解一致。大河口井水溫也記錄到同震效應(yīng)(圖6)。

表5 三峽井網(wǎng)對M4.1地震同震效應(yīng)參數(shù)Tab.5 Water level coseismic response to M4.1 earthquake in Three Gorges well network

3.3 屈原鎮(zhèn)M2.4地震

11月30日M2.4地震發(fā)生時，僅距震中18 km的周坪井水位出現(xiàn)階升同震效應(yīng)(圖7)。其他井未表顯出同震效應(yīng)。

圖7 周坪井2008年11月30日屈原鎮(zhèn)M2.4地震水位曲線Fig.7 Water level coseismic response to M2.4 earthquake in the Zhouping well(2008-11-30)

表6 三峽水網(wǎng)井水位觀測層的導(dǎo)水系數(shù)值Tab.6 Values of transmissibility in observational layer of the Three Gorges well network

各井臺井水位地方震響應(yīng)幅度與各井含水層滲透系數(shù)(導(dǎo)水系數(shù))的大小成正比，含水層的滲透系數(shù)或?qū)禂?shù)大的井水位同震響應(yīng)幅度大，如郭家壩、大河口和茅坪井;含水層的滲透系數(shù)小的周坪井水位同震響應(yīng)幅度就小。滯后時間與震中距基本一致。

4 井水位同震變化關(guān)系

據(jù)研究，井水位變化量級與震級大小、井震距的關(guān)系為［7］:

式中，△hi為水位上升的幅值，M為面波震級;b1、b2、a為常數(shù);D為井震距。Roeloffs［7］得到的美國加利福尼亞州Parkfield BV井的水位變化與震級大小、井震距的關(guān)系為:

對三峽井網(wǎng)井水位同震變化做類似分析研究，排除丁家坪、茅坪和韓家灣等沒有地震水位沒有變化的井，僅對地震引起顯著水位變化的高家溪、大河口、屈家灣、周坪和郭家壩5口井進行回歸計算，△hi表示水溫變化幅度，M為震級，表1-6中對應(yīng)參數(shù)代入式(1)進行二元回歸分析，得出上述5口井的近似關(guān)系式為:

式(3)～(7)表明，高家溪、大河口、屈家灣、周坪和郭家壩5口井水位同震變化幅度與震級正相關(guān)，與震中距對數(shù)反相關(guān)，也即隨震級的增大而增大，隨震中距的增大而減小。

5 結(jié)論

1)三峽井網(wǎng)各井臺井水位的遠近與地方震震時階變類型不一致，表現(xiàn)為震蕩型、階降型和階升型。

2)水井含水層系統(tǒng)對近震的響應(yīng)不如遠震，經(jīng)研究主要是由于遠震面波比較發(fā)育所致。三峽水網(wǎng)井孔含水層的固有周期大多為20 s左右，正好處于面波發(fā)育的周期范圍內(nèi);地方震和近震主要是體波的振動，體波的振動周期一般小于幾秒。

3)井水位同震幅度與含水層巖性有直接關(guān)系。壩區(qū)高家溪、丁家坪、茅坪和韓家灣四口井含水層巖性是花崗巖，滲透性較差，遠震瑞雷波激不起井水位振蕩響應(yīng)，通常記錄不到全球6級以上同震效應(yīng)。

4)壩區(qū)茅坪井水位對近震和地方震記錄較好，主要是該井孔固有振蕩周期為10.9 s，在體波周期的邊緣，共振效果較好。壩區(qū)的大河口井幾乎能記錄到所有全球6級以上地震和地方震同震效應(yīng)，該井孔含水層巖性為灰?guī)r，水體相當大，且含水層內(nèi)有許多溶洞，含水層內(nèi)水的連通性非常好。

5)井水位同震階變同方向說明，地震波可能只起觸發(fā)作用，其變化方式是由觀測井局部的地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)條件決定的。同一口井井水位總是以其固有的方式響應(yīng)，而觸發(fā)能量的大小——地震波，則受震級和井震距的影響。

1 Blanchard F B and Byefly.A study of a well gauge as a seismograph［J］.Buletion of the Seismological Society of America，1935，25:38 －46.

2 Rexin E E，Oliver J and Prentiss D.Seismically-induced fluctuation of the water level in the Nunn-Bush Well in Milwaukee［J］.Bulletion of the Seismological Society of America，1962，52(1);17 －25.

3 車用太，等.我國水震波研究的現(xiàn)狀與動向［J］.地震，1989(20):70 － 72.(Che Yongtai，et al.The current situation and trend of coseismic responses of water level in China［J］.Earthquake，1989，20(1):70 －72)

4 張昭棟，等.井水位的振蕩與地震波［J］.地震研究，2000，23(4):41 － 42.(Zhang Zhaodong，et al.Shake and earthquake wave of water in well［J］.Earthquake Research，2000，23(4):41－42)

5 張衛(wèi)華，等.三峽井網(wǎng)井水位固體潮汐和氣壓響應(yīng)特征研究［J］.大地測量與地球動力學(xué)，2008，(5):46 －48.(Zhang Weihua，et al.Study on water-well earth tidy and atmospheric response in Three Georges well network［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2008，(5):46 －48)

6 張衛(wèi)華，等.長江三峽水庫二期蓄水前后地下水動態(tài)特征分析［J］.大地測量與地球動力學(xué)，2007，(5):92－93.(Zhang Weihua，et al.Analysis of dynamic characteristics of groundwater before and after second impoundment of Three Georges Reservoir［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2008，(5):46 －48)

7 Roeloffs E A.Persistent water level changes in a well near Parkfield California，due to 1ocal and distant earthquakes［J］.J Geophys Res.，1998，103(B1):869－889.

ANALYSIS ON COSEISMIC EFFECT OF GROUNDWATER FROM THREE GORGES WELL NETWORK

Zhang Weihua1，2)，Wang Qiuliang1，2)，Li Jinggang1，2)，Luo Junqiu1，2)and Guo Xizhi1，2)
1)Key Laboratory of Earthquake Geodesy，Institute of Seismolody，CEA，Wuhan430071
2)Wuhan Base of Institute of Crustal Dynamics，CEA，Wuhan430071

The paper studies the different coseismic changes of water level caused by theM8.5 Sumatra earthquake on Sep.12 in 2007，theM9.0 Japanese earthquake on Mar.11 in 2011 and theM8.0 Wenchuan earthquake on May.12 in 2008 and local earthquakes in the Three Gorges area between Sep and Nov in 2008 through the Three Gorges well network，the mechanism is explained.Corresponding relationship between coseismic changes of water level and parameters of teleseism and local earthquakes is deduced.

Three Gorges well network;coseismic effect;earthquake parameter;teleseism;local earthquake

P315.72+3

A

1671-5942(2013)04-0031-05

2013-03-27

中國長江三峽工程開發(fā)總公司專項基金(SXSN/2377)

張衛(wèi)華，男，1972年生，碩士，助研，從事地下流體、地殼形變與地震預(yù)報方向的研究.E－mail:zwh@eqhb.gov.cn