秦雙龍，劉水蓮，廖麗霞，洪旭瑜

（福建省地震局，福州350003）

福州連江江南井水位水溫同震響應變化特征及機理探討

秦雙龍，劉水蓮，廖麗霞，洪旭瑜

（福建省地震局，福州350003）

分析了福州連江江南井水位、水溫對多次大地震的同震響應資料，該井在多次大地震后同震形態(tài)表現(xiàn)為水位震蕩-水溫下降-水溫上升或水位震蕩-水溫上升型。分析研究表明：該井水位的同震變化幅度隨著震中距的增大而衰減，隨著震級的增大而增大。并進一步探討了震后該井呈現(xiàn)水位震蕩-水溫下降-水溫上升和水位震蕩-水溫上升兩種同震現(xiàn)象的機理，結合前人所提出的同震響應機理，分析認為，在地震波的作用下，井水位產生振動效應，可能導致地下水向下垂直運動速率增大，上層冷水快速混入觀測含水層中，引起溫度快速下降，同時，由于地震波激發(fā)了井深部較熱的含水層中的熱流體混入井孔中，導致水溫上升，震后由于水位振動停止，較熱的含水層混合通道閉合，井水溫通過井壁及井水間的熱傳遞而使水溫逐漸恢復到背景水平。關鍵詞：井水位；水溫；同震響應；同震機理；含水層

0 引言

地下水是地球系統(tǒng)中重要的組成部分，具有廣泛、易流動和不可壓縮等特征，當?shù)叵滤幱诜忾]性良好的承壓體系統(tǒng)中時,就能客觀、靈敏地反映地殼中應力-應變的變化信息。地下水位、水溫的同震響應特征，反應了在地震波作用下，地下含水層系統(tǒng)中介質貯層變形、孔隙或裂隙以及地下水垂向運移等變化，由于產生同震水位、水溫的變化機理不同，因而產生形態(tài)變化也不同。近些年來，一直也是研究人員關注的焦點問題。

地下井孔水位、水溫的同震響應變化是一個比較復雜的現(xiàn)象，它與地震、井孔水文地質環(huán)境條件、觀測系統(tǒng)等多種因素有關，具有一定的個體研究特征。綜合前人的研究成果，水位的同震機理一般可解釋為：由于地震波的作用，含水層受到壓縮或擴展變形從而引起水位的變化；而水溫的同震機理變化則較為復雜，綜合前人當前的研究成果，可主要歸納為三類：（1）冷水下滲機理：由于地震波的激發(fā)作用，地下井水位產生振動效應，向下垂直運動的速率加大，低溫水快速混入觀測含水層中，從而引起水溫快速下降；（2）氣泡逸出機理：由于地震波作用，井水位產生震蕩，水中氣體得到釋放，同時釋放出了井水中的熱量，從而導致井水溫降低；（3）熱彌散機理：在水位同震的震蕩作用下，熱彌散系數(shù)增加，溫度較高的一些高動能的水分子彌散到較冷的低動能水分子中，以及溫度較低一些低動能水分子彌散到溫度較高處，形成水溫的變化，在一定條件下，形成了同震水溫下降現(xiàn)象。

本文主要分析福州連江江南井水位、水溫資料對多次大地震的同震響應變化，該井水位、水溫的同震響應變化特征有與觀測臺網(wǎng)記錄到的該區(qū)域其它井孔的水位、水溫同震現(xiàn)象有些區(qū)別。福州連江江南井井孔水位、水溫在一些大震后的同震現(xiàn)象主要表現(xiàn)為水位震蕩-水溫下降-水溫上升和水位震蕩-水溫上升兩種類型。結合前人所提出的同震響應機理以及該區(qū)域的水文地質構造環(huán)境特征，對該井的水位、水溫同震變化加以分析研究，并試圖對該井水位、水溫的同震響應現(xiàn)象機理作出一個較為合理的解釋。

1 福州連江江南井水文地質環(huán)境及井孔特征

福州連江江南井位于福州盆地熱異常區(qū)，該區(qū)內地溫梯度較大，最高達72.9℃/km,且區(qū)域內有多處溫泉出露（圖1）。該井井孔地理位置坐標為：119.53°E，26.19°N，井深100.3 m，海拔高程5.5m。井孔附近主要有NE向的福州一連江斷裂和NW向蓼沿一東塘斷裂通過，在其交匯部位溫泉十分發(fā)育。該井地下水類型為基巖裂隙承壓水，富水性中等，上部松散層用井管隔絕至59.20m，并用水泥封堵井管外壁，井孔柱狀圖見圖2。2006年10月完成數(shù)字化改造后，水溫記錄儀采用TDT-36地溫傳感器，探頭置于90m處，井水溫梯度變化見圖3；水位儀器采HM21F-C1-1-A1水位傳感器，探頭埋深6m。自觀測以來，周邊無環(huán)境干擾，水位、水溫一直變化穩(wěn)定，固體潮記錄清楚，也積累了許多典型震例的水震波及震后效應現(xiàn)象。

2 福州連江江南井水位、水溫同震響應特征

福州連江江南井自數(shù)字化觀測以來，水位、水溫觀測儀器記錄到中國大陸及其周邊多次大地震的同震響應變化（表1），其中包括2007年9月12日蘇門答臘MS8.5級、2007年9月13日蘇門答臘MS8.3級、2008年5月12日中國汶川MS8.0級、2011年3月11日日本本州MS9.0級和2012年4月11日蘇門答臘MS8.6級等典型全球震例，下面對這幾次強震同震變化特征進行逐個分析。

圖1 福州溫泉及連江江南井分布圖Fig.1 Distributionmap of hot spring in Fuzhou and Jiangnan Well in Lianjiang

圖2 福州連江江南井柱狀圖Fig.2 The columnmap of Jiangnan well in Lianjiang

圖3 福州連江江南井水溫梯度曲線Fig.3 Water temperature gradient curve of Jiangnnan Well in Lianjiang

表1 福州連江江南井水位、水溫對6次巨震的同震變化統(tǒng)計Table 1 The coseism ic variation of wellwater level and water tem perature of Jiangnan well in Lianjiang during the 6 huge earthquakes

2.1 2007年9月12日蘇門答臘MS8.5級和2007年9月13日蘇門答臘MS8.3級地震同震變化

2007年9月12日、9月13日印尼蘇門答臘南部海域相繼發(fā)生了MS8.5和MS8.3級地震，震后，福州連江江南井水位均記錄到了震蕩型的同震響應。井水溫曲線在MS8.5級地震后表現(xiàn)為快速下降和小幅上升，持續(xù)時間較短；在MS8.3級地震后則表現(xiàn)為快速下降、緩慢上升型，持續(xù)時間較長，上升幅度約0.004℃（圖4）?？梢钥吹?，在同一地區(qū)發(fā)生的兩次大震，水溫表現(xiàn)形態(tài)卻有所差別，震級大，震中較近MS8.5級地震所引起水溫上升的幅度反而更小，持續(xù)時間也更短，這可能與該井所處的含水層特征有一定的關系。

2.2 2008年5月12日中國汶川MS8.0級地震同震變化

2008年5月12日14時28分，在中國汶川發(fā)生了MS8.0級強烈地震，這次地震后福州連江江南井水位同震響應形態(tài)為震蕩-上升型，表明地震對該井含水層介質造成的影響較大。井水溫在這次地震中表現(xiàn)為快速下降-緩慢上升型，上升幅度達0.010 2℃，持續(xù)時間較長（圖5）。

2.3 2011年日本本州MS9.0級地震同震變化

圖4 福州連江江南井水位、水溫對蘇門答臘8.5級、8.3級地震同震響應圖Fig.4 The coseismic response diagrams ofwellwater level and water temperature of Jiangnan well in Lianjiang during Sumatra M 8.6 and M 8.3 earthquakes

圖5 福州連江江南井水位、水溫對中國汶川8.0級地震同震響應圖Fig.5 The coseismic response diagrams ofwellwater level and water temperature of Jiangnan well in Lianjiang duringWenchuan M 8.0 earthquake

2011年3月11日日本東北部海域發(fā)生了MS9.0級地震，地震引發(fā)了海嘯，地震災害較嚴重。震后，福州連江江南井水位同震形態(tài)為震蕩型，最大雙振幅0.099 6m；水溫表現(xiàn)形態(tài)為快速下降-緩慢上升型，上升幅度約0.003 4℃，持續(xù)時間較長（圖6）。

2.4 2012年4月11日蘇門答臘MS8.6級、MS8.2級地震同震變化

2012年4月11日在蘇門答臘北部海域相繼發(fā)生了MS8.6級、MS8.2級地震，兩次都地震后，福州連江江南井水位同震形態(tài)為震蕩型。在MS8.6級地震后，井水溫并沒有立刻出現(xiàn)明顯變化，而是在MS8.2級地震后，井水溫才開始上升，持續(xù)時間較長（圖7）。

3 福州連江江南水位、水溫同震變化分析

圖6 連江江南井水位、水溫對日本9.0級地震同震響應圖Fig.6 The coseismic response diagrams ofwellwater level and water temperature of Jiangnan well in Lianjiang during Japan M 9.0 earthquake

六次大地震的詳細信息如表1所示。依據(jù)Roeloffs的研究結果，筆者運用回歸分析方法，分別對水位變化幅度、震級（M）、震中距（D）相互之間的關系進行了分析，各參量之間存在以下關系：

lg（ΔH）=-0.342 7 lg D+1.056M-9.351 1（1）

式（1）反映了六次強震中福州連江江南井水位同震變化幅度與震中距、震級的關系，通過公式中各參量系數(shù)可以看出水位同震振幅隨著震中距的增大而衰減，隨著震級的增大而增大，其相關系數(shù)約為0.904 8。

2007年9月12日蘇門答臘MS8.5級地震引起了福州連江江南井的水位震蕩和水溫下降，但下降結束后上升的幅度較小，而9月13日的蘇門答臘MS8.3級地震不僅引起了井水位震蕩和水溫下降，且井水溫下降結束后以持續(xù)長時間上升。2012年4月11日蘇門答臘MS8.6級地震后，引起了井水位震蕩，但井水溫并沒有顯著變化，之后緊接著發(fā)生的MS8.2級地震，則出現(xiàn)井水位震蕩和水溫顯著上升的同震現(xiàn)象，這表明該井水溫的同震變化及震后效應形態(tài)不僅只受地震震級和震中距離的大小影響，還可能與該井所處的水文地質情況和含水層地質構造環(huán)境有關。

圖7 福州連江江南井水位、水溫對2012年4月11日蘇門答臘MS8.6級、MS8.2級地震同震響應圖Fig.7 The coseismic response diagrams ofwellwater level and water temperature of Jiangnan well in Lianjiang during Sumatra M 8.6 and M 8.2 earthquakes on April 11th，2012

4 井孔水位、水溫同震變化機理解釋

對井水位、水溫同震響應機理已有前人給出了一些的合理解釋。車用太等研究認為：當?shù)卣鸩ń?jīng)過含水層中時，含水層中發(fā)生交替的壓縮與擴張變化，使井-含水層間不斷發(fā)生水交替，造成井水位的不斷振蕩，同時，隨著井筒內水體的上、下震蕩運動，一方面促使上部低溫水與下部高溫水不斷對流，使高低不同溫度的井水發(fā)生混合，另一方面加劇了井水面上熱擴散作用，使井水中的熱擴散到大氣中去，同時井水釋放帶“熱”的氣泡，從而導致井水溫度的下降；劉耀偉等認為：井-含水層中上層地下水由于地震波的作用，發(fā)生振動效應，向下垂直運動速率增強，溫度較低的低溫水快速混入下層的高溫觀測含水層中，引起溫度快速下降。石耀霖等研究認為：地震波的激發(fā)，引起水位的震蕩，在同震水位震蕩過程中，引起熱彌散系數(shù)增加，溫度較高的一些高分子動能的水分子彌散到冷的低分子動能水中，以及溫度較低一些低分子動能的水分子彌散到溫度較高處，引起水溫的變化，在一定條件下，形成了同震水溫降低現(xiàn)象。

結合福州連江江南井地下富含溫泉含水層的特殊水文地質構造環(huán)境特征、井孔溫度梯度資料，還綜合分析了前人所提出的同震響應機理。筆者認為福州連江江南井的同震機理為：由于地震波的激發(fā)作用，導致井孔所處的含水層孔隙壓力發(fā)生變化，當作用力不夠大，含水層孔隙在彈性應變范圍內壓縮和擴張，出現(xiàn)水位震蕩現(xiàn)象，上層低溫水快速混入觀測含水層中，從而引起水溫快速下降。由于福州連江江南井位于福州盆地熱異常區(qū)，附近多處溫泉出露，說明該區(qū)至少存在有顯著溫度差異的兩層地下水。上層水主要來自與地表降水補給，下層水來自深部的地下熱礦水。由于地震波作用，激發(fā)該處的較熱含水層泄流補給熱水混合而產生水溫升高，震后隨著較熱含水層混合通道的閉合，井水溫通過井壁和井水之間熱傳遞致水溫緩慢恢復至原有背景值。利用這種機理也可以合理的解釋2007年印尼蘇門答臘MS8.5、MS8.3級地震和2012年印尼蘇門答臘MS8.6、MS8.2級地震的水溫同震現(xiàn)象，由于地震距離該井較遠，首次大震后，激發(fā)的地震波使得該井較深處的含水層孔隙壓發(fā)生松弛變形，但含水層通道并沒有打開，之后緊接著發(fā)生的地震引起的地震波使得較深處的含水層孔隙壓在松弛變形的基礎上發(fā)生了塑性變形，含水層通道被打開，較熱含水層中的熱水補給到觀測含水層中，使得溫度緩慢上升，之后孔隙壓力發(fā)生緩慢變化，較熱含水層混合通道緩慢閉合，井水溫通過井壁和井水之間熱傳遞致水溫緩慢恢復到背景值。

5 結語

（1）通過福州連江江南井水位、水溫對全球六次強震的同震特征分析，連江江南井水位同震響應形態(tài)主要表現(xiàn)為震蕩或震蕩-上升型，水溫同震響應形態(tài)主要表現(xiàn)為下降-上升型和上升型。

（2）結合前人的研究成果，認為福州連江江南井水位在地震后出現(xiàn)震蕩，是由于地震波的作用，使含水層受到交替的壓縮和擴張，從而使地下水從含水層中進出造成的井孔中水位的變化，水位震蕩的幅度變化隨著震中距的增大而衰減，隨著震級的增大而增大。福州連江江南井水溫的同震形態(tài)變化較為復雜，與該井的水文地質以及含水層所處的地熱環(huán)境情況有關，首先由于地震波影響造成井水垂直震蕩，加大了不同含水層間的垂直運動速率，引起水溫下降，之后由于地震波激發(fā)該處較熱含水層泄流補給熱水混合使水溫升高，隨著較熱含水層混合通道的閉合，井水溫通過井壁和井水之間的熱傳遞導致水溫逐漸恢復至原有水平。

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The Characteristics and M echanism of Coseism ic Response ofW ellwater Level and W ater Tem perature of JiangnanW ell in Liangjiang，F(xiàn)uzhou

QIN Shuanglong，LIU Shuilian，LIAO Lixia，HONG Xuyu

（Earthquake Administration of Fujian Province，F(xiàn)uzhou 350003，China）

This paper analyzes the coseismic response of well water level,water temperature data of Jiangnan well in Lianjiang for multiple large earthquakes，and the cosemic form of Jiangnan well in several large earthquakes is water level shock-water temperature falling-water temperature rising type or water level shockwater temperature rising type.Analysis shows that:the amplitude of coseismic changes of water level decreases with the epicentral distance increases，and increase of the magnitude increase.Combining with the previous proposed coseismic response mechanism，the paper further explores the mechanism of coseimic phenomena ofwell water level.The results show that：vibration effect of well water level of Jiangnan well resulted by the seismic wave lead to increase of the downward vertical velocity of groundwater and the rapid mixing of upper cold watermixing rapid with the observation aquifer,which cause the temperature decreased rapidly；because of the earthquake wave stimulates the hot water in the deeper layers of the well to be mixed into the wellbore，resulting in an increase in water temperature.After the earthquake，the vibration stopped and the hot aquifer mixing channel is closed.The water temperature was gradually returned to the background level by the heat transfer between the borehole wall and wellwater.

W ater level；Water temperature；Coseismic response；Coseismicmechanism；Aquifer

P315.723

A

1001-8662（2016）04-0050-08

10.13512/j.hndz.2016.04.008

秦雙龍，劉水蓮，廖麗霞，等.福州連江江南井水位水溫同震響應變化特征及機理探討[J].華南地震，2016，36（4）：50-57.[QIN Shuanglong，LIU Shuilian，LIAO Lixia，et al.The Characteristics and Mechanism of Coseismic Response of Wellwater Level and Water Temperature of JiangnanWell in Liangjiang，F(xiàn)uzhou[J].South china journal of seismology，2016，36（4）：50-57.]

2015-10-26

中國地震局2016年度震情跟蹤定向工作任務（2016020304）及福建省地震局2014年科研專項資助（SF201418）聯(lián)合資助

秦雙龍（1984-），男，工程師，主要從事地下流體和地震預報研究.

E-mail：slqin0624@126.com.