楊 柳， 馬 婷， 馬建英， 邵永新

(天津市地震局，天津 300201)

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基于含水層體應變反演的天津地區(qū)井水位同震響應特征分析

楊 柳， 馬 婷， 馬建英， 邵永新

(天津市地震局，天津 300201)

以汶川MS8.0地震、日本MW9.0地震和尼泊爾MS8.1地震為例，統(tǒng)計了天津地區(qū)7口井水位的同震響應特征。在此基礎上，利用水位反演含水層體應變的方法，反演出天津地區(qū)井含水層的同震響應體應變變化量。結(jié)果表明，利用水位同震變化量反演出的含水層體應變，能夠較為真實地反映出井孔所在位置的應變變化情況。

天津地區(qū)；地下水位；同震響應；體應變

0 引言

觀測記錄井孔內(nèi)水位的變化，是測量地下介質(zhì)應力應變變化的有效途徑[1]。在一個封閉性良好的含水層當中，地下水可以客觀靈敏地描繪地殼中的應力變化狀態(tài)[2]。關(guān)于井水位同震響應機理，目前國際上尚無統(tǒng)一的認識，總體而言，可歸納為靜態(tài)應變和動態(tài)應變2個方面。靜態(tài)應變一般是永久性變形，通常產(chǎn)生水位階變，但隨震中距衰減較快，主要在近場較為顯著；動態(tài)應變不直接引起永久變形，主要是通過改變含水層參數(shù)、井孔特性及水文地質(zhì)等特征而引起同震水位階變[3-4]。Tsu-tomu等[5]和Yuichi等[6]也發(fā)現(xiàn)地下水同震變化的幅度和方向與地震時地殼應變相對應。因此，我們可以認為水位的同震響應變化，主要是由地震時含水層所受到的應力應變變化引起的。

1899年，在意大利的一口深井最早記錄到了地震引起的水位振蕩[7]。70年代，我國首先在北京洼里井觀測到同震水震波現(xiàn)象。近年來，國內(nèi)學者在井孔水位同震響應方面做了許多的研究。針對天津地區(qū)的水位井，馬建英等[8]和馬君釗等[9]曾對部分井孔的同震效應進行不同程度的分析研究；尹宏偉等[10]研究了河北省地下流體水位對遠場大震的響應特征；鞏浩波等[11]分析了重慶井網(wǎng)水位水溫同震響應特征。在利用承壓井水位反演含水層體應變方面，國內(nèi)外許多科技工作者做了大量工作。Narasimhan等[12]給出了固體潮引起的水位變化與體應變之間的定量關(guān)系式；史浙明等[13]利用同震水位階變資料和水位固體潮效應，反演了含水層對汶川8級地震產(chǎn)生的體應變響應；楊柳等[14]利用華北地區(qū)承壓井水位動態(tài)，反演出華北地區(qū)含水層體應變場的等值線變化圖；秦雙龍等[15]反演了汶川8級地震和日本9級地震對福建地塊的井一含水層系統(tǒng)產(chǎn)生的體應變變化。

本文利用水位反演含水層體應變的方法，在統(tǒng)計天津地區(qū)井水位同震響應特征的基礎上，分振蕩和階變2種情況反演天津地區(qū)井-含水層的同震響應體應變變化量，從而對天津地區(qū)水位井的同震響應特征做出定量的分析。

1 天津地區(qū)流體水位井基本資料

目前，天津前兆臺網(wǎng)設有流體觀測項目的站點共12個，其中水位觀測井11個，包括桑梓井、高村井、王3井、張道口井、塘沽井、寧河井、靜海井、徐莊子井、辛莊井、寶坻新井、漢1井，均為靜水位觀測，采樣率為分鐘值采樣。對水位原始曲線進行分析，發(fā)現(xiàn)各個井孔對地震的同震響應程度差異較大，有的井孔可以記錄全球7級以上、國內(nèi)6級以上地震的同震響應，如張道口井[8]，而有的井孔則記錄不到任何同震響應。因此，本文去除了觀測時間較短的寶坻新井，以及記錄不到任何地震同震響應的寧河井、徐莊子井、塘沽井和漢1井，最終選取7口水位井進行同震響應分析(包括已停測的寶坻井)。圖1是這7口井的分布情況，基本參數(shù)見表1。需要說明的是，寶坻井2015年5月底因老臺拆遷停測，但由于其觀測時間長、數(shù)據(jù)質(zhì)量好，本文仍將其列為研究對象。

2 井水位同震響應特征的提取

對2001年以來的7口井水位數(shù)據(jù)曲線進行分析發(fā)現(xiàn)，天津地區(qū)井水位同震效應表現(xiàn)出振蕩和階變2種情況。全球8級以上遠大震的同震響應主要表現(xiàn)為振蕩，少數(shù)伴隨階變變化，而水位同震階變所對應的地震主要集中在中國大陸及周邊地區(qū)。因此，本文選取2008年5月12日汶川MS8.0地震、2011年3月11日日本本州東海岸附近海域MW9.0地震和2015年4月25日尼泊爾MS8.1地震3個比較顯著的地震事件，對天津地區(qū)水位井的同震響應特征進行分析。

圖1 天津地區(qū)7口水位井分布圖

井孔名稱經(jīng)度/°E緯度/°N構(gòu)造部位井深/m含水層巖性張道口井117.2139.01白塘口西斷裂帶下盤1406矽質(zhì)灰?guī)r寶坻井117.2839.72唐山隆起上的寶坻凸起,距寶坻斷裂3km427白云巖高村井116.8739.62冀中坳陷北端、寶坻斷裂南側(cè)3403灰?guī)r靜海井116.8638.94滄東隆起、靜海斜坡帶上,天津南斷裂西側(cè)505第三紀砂巖辛莊井117.3139.02滄東隆起,白塘口凹陷648第四系中砂桑梓井117.4540.03薊縣山前斷裂附近300花崗巖王3井117.3539.55冀中坳陷王草莊凸起1077奧陶紀灰?guī)r

表2統(tǒng)計了天津各井水位同震響應特征。從震中距上來看，這3個地震都屬于遠震且震中距相差較大，但大的構(gòu)造上它們同屬歐亞板塊。從方位上來看，日本地震位于天津東側(cè)的日本海溝地區(qū)，而汶川地震和尼泊爾地震位于天津西南方向的青藏塊體周邊地區(qū)。從同震響應形態(tài)來看，7口水位井的數(shù)據(jù)曲線有的僅呈現(xiàn)出階變變化(圖2b)，有的僅有振蕩變化(圖2a)，有的同時出現(xiàn)階變和振蕩變化(圖2c)，還有個別情況下井水位沒有出現(xiàn)同震響應變化(圖2d)。

表2 7口水位井同震響應特征統(tǒng)計表

注：“振蕩↑”表示振蕩伴隨階升，“振蕩↓”表示振蕩伴隨階降。 階變幅度：正值代表水位上升，負值代表水位下降。

注：a 張道口井；b 桑梓井；c 高村井；d 桑梓井圖2 天津地區(qū)4口水位進同震響應曲線圖

3 利用同震響應幅度反演含水層體應變

3.1 含水層體應變反演的理論基礎

承壓井水位變化一般是由井-含水層內(nèi)水量變化或含水層所受體應變的變化而引起的[16]。對于封閉性較好的承壓含水層，我們可以理想化的假設水位的變化僅由含水層所受體應變的變化所引起。因此，根據(jù)孔隙彈性介質(zhì)理論，可以得到井水位的變化量與體應變之間的關(guān)系式[17]：

(1)

等式中間部分均為描述井孔含水層物理性質(zhì)的參數(shù)，包括：含水層內(nèi)水的密度ρ；地球表面重力加速度g；含水層孔隙度n；巖石固體顆粒和孔隙流體的體積模量Em和Ew。等式最左側(cè)的δ代表井水位的潮汐因子，最右側(cè)的dh表示井水位的變化量、ΔΘ表示含水層的體應變量。

由公式(1)可以看出，通過代入含水層參數(shù)和計算潮汐因子這2種方法，都可以反演含水層體應變。但是由于利用含水層參數(shù)反演的方法，是建立在水平層狀承壓含水層假設的基礎上，且在選取參數(shù)時只能取其可能值或平均值，容易使計算結(jié)果出現(xiàn)較大誤差[16]。因此，對于有著較好封閉性的承壓井，可以通過計算井水位潮汐因子的方法來反演井孔含水層體應變的變化情況。

3.2 井水位潮汐因子的計算

本文選取的天津地區(qū)的7口井均為承壓井，且其觀測曲線均能表現(xiàn)出比較清晰的潮汐變化。因此，我們利用公式(1)，通過計算這幾口井的潮汐因子，反演其同震變化所反映出的含水層應變變化情況。由于本文要反演的是3次地震水位同震響應的含水層體應變，因此，選取地震前6個月的水位數(shù)據(jù)來進行計算。

計算井水位的潮汐因子，首先要提取井水位的固體潮變化，由于氣壓的變化周期與水位固體潮變化周期接近，因此本文只考慮去除氣壓對水位固體潮的影響。這里我們利用BETCO程序[18]，應用卷積回歸法來去除水位的氣壓影響，該方法可以估計出氣壓與井水位變化之間的時間滯后，并可以去除氣壓對觀測水位數(shù)據(jù)的影響，去除氣壓后的數(shù)據(jù)更加清晰地表現(xiàn)出水位的潮汐變化(圖3)。

注：a 井水位；b 靜海氣壓；c 靜海井水位去氣壓圖3 靜海井水位數(shù)據(jù)曲線圖

采用Venedikov調(diào)和分析方法，選取每次地震發(fā)生前6個月的水位數(shù)據(jù)進行調(diào)和分析，并計算M2波潮汐因子的均值(表3)。

表3 天津地區(qū)井水位潮汐因子計算結(jié)果 mm/10-9

3.3 根據(jù)井水位同震響應幅度反演體應變

根據(jù)孔隙彈性介質(zhì)理論，利用井水位的變化量與體應變之間的關(guān)系式，即公式(1)，計算得到3次地震同震響應所反映出的含水層體應變變化量(表4～5)。

表4 井水位同震振蕩的含水層體應變反演結(jié)果 (×10-8)

表5 井水位同震階變的含水層體應變反演結(jié)果 (×10-8)

從表4的計算結(jié)果可以看到，各井水位同震振蕩幅度所反演出的體應變量級基本在10-8到10-7，個別井孔可達到10-6量級。其中，寶坻水位的同震振蕩幅度較大，在10-7到10-6量級。其余各井在汶川地震和尼泊爾地震中為10-8量級，在日本地震中為10-7量級左右。而從井水位同震階變反演出的體應變結(jié)果(表5)顯示，3次地震中的體應變量級較為一致，基本在10-8左右。

由于不同水井的同震振蕩反演結(jié)果在量級上存在明顯的差異。為了進一步檢驗結(jié)果的真實性，本文搜集了首都圈地區(qū)內(nèi)包括易縣、懷來、張家口、寶坻和唐山趙各莊礦的體應變資料。由于易縣、懷來、張家口體應變均分布在首都圈西區(qū)，構(gòu)造環(huán)境與天津地區(qū)差別較大，且距天津地區(qū)水位井較遠(最近相距130km)，因此我們選取本區(qū)的寶坻體應變和距天津較近、構(gòu)造環(huán)境也比較相近的唐山趙各莊礦體應變分鐘值數(shù)據(jù)來進行對比。寶坻體應變的數(shù)據(jù)僅到2012年底，因此我們僅統(tǒng)計了前2次地震的同震響應變化量。

表6是寶坻體應變和趙各莊礦體應變的同震響應幅度統(tǒng)計情況。由于寶坻水位井與寶坻體應變井相距不到1km，故先將這2個測項的同震數(shù)據(jù)進行對比。汶川地震時，水位反演的振蕩體應變?yōu)?1.411×10-8，體應變的同震振蕩幅度為71.195×10-8；水位階變反演結(jié)果為3.1×10-8，體應變階變?yōu)?.715×10-8。可以看到，這2組數(shù)據(jù)不僅量級一致，而且具體數(shù)值也非常接近，其同震階變也比較一致地反映出相對拉張的變化。從圖4中也可以看到，寶坻井水位(圖4a)和寶坻體應變(圖4b)的同震響應形態(tài)非常一致。日本地震時，水位反演結(jié)果為245.297×10-8，是表4中數(shù)量級唯一達到10-6的數(shù)據(jù)，而寶坻體應變振蕩幅度為122.576×10-8，數(shù)值相差1倍，而數(shù)量級一致。在日本地震時，寶坻水位和體應變都沒有產(chǎn)生階變變化。通過上述數(shù)據(jù)的對比，可以看出寶坻井水位的同震變化比較真實地反映了當?shù)鼐植矿w應變的變化情況。

注：a 寶坻水位井；b 寶坻體應變井圖4 汶川8.0級地震寶坻同震響應曲線圖

表6 寶坻體應變和趙各莊礦體應變3次地震的同震響應幅度統(tǒng)計 (×10-8)

從唐山趙各莊礦體應變的數(shù)據(jù)來看，汶川地震和尼泊爾地震時，同震振蕩體應變量為10-8量級，日本地震時為10-7量級。這與除寶坻井之外的其他井孔反演結(jié)果數(shù)量級較為一致，其同震階變體應變變化量也與井水位所反演出的量級相一致。

4 結(jié)論與討論

從井水位同震響應特征統(tǒng)計結(jié)果(表2)可以看出，3次地震中，日本地震的同震振蕩幅度要普遍大于汶川地震，尼泊爾地震最小，這可能是震中距與震級共同作用的結(jié)果。每口井的階升與階降并不因地震的不同而發(fā)生變化，而只與井孔本身相關(guān)。也就是說，同一口井在同震響應時，階升的會一直呈現(xiàn)階升變化，階降的也會一直保持階降變化。具體來看，桑梓井和寶坻井表現(xiàn)為階降，張道口、高村、辛莊、王3井表現(xiàn)為階升。從井孔分布圖中可以看到(圖1)，寶坻和桑梓井分布在天津北部寶坻斷裂以北；其他4口井分布在寶坻斷裂以南。而我們統(tǒng)計的沒有任何同震響應的寧河、塘沽、徐莊子這3口井在滄東斷裂東側(cè)，延渤海海岸分布。這說明井水位對于遠震的同震響應，其階變性質(zhì)可能與井孔所處的構(gòu)造環(huán)境密切相關(guān)。

本文根據(jù)孔隙彈性介質(zhì)理論，利用井水位的潮汐因子以及同震水位的變化量，反演了汶川MS8.0、日本MW9.0、尼泊爾MS8.1地震對天津地區(qū)井孔含水層體應變量。結(jié)果顯示，3次地震對各井所處的含水層造成的同震振蕩體應變基本在10-8到10-7量級，僅寶坻井可達到10-6量級(表4)。而所有井孔對同震階變的體應變反演結(jié)果(表5)以及2個體應變測項的實測值(表6)都在10-8數(shù)量級上。說明同震振蕩反映的是測項所在地區(qū)瞬時的應力應變變化情況，而同震階變則可能反映了區(qū)域應力場的變化水平。

上述統(tǒng)計和反演計算結(jié)果表明，遠大震的水位同震響應的幅度和階變性質(zhì)主要是與井孔的自身特性密切相關(guān)的。其階變性質(zhì)與井孔所在的構(gòu)造位置有較大關(guān)系，而其振蕩和階變幅度可能是井孔的構(gòu)造環(huán)境、深度、觀測系統(tǒng)、含水層性質(zhì)等綜合作用的結(jié)果。因此，井-含水層系統(tǒng)的水位同震響應變化機理是相當復雜的。在這一方面，未來可以進行更加深入的研究。

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Co-seismic Response Characteristics of Groundwater Level in Tianjin Based on Volumetric Strain Inversing of Aquifer

YANG Liu,MA Ting,MA Jian-ying,SHAO Yong-xin

(Earthquake Administration of Tianjin Municipality,Tianjin 300201,China)

Taking WenchuanMS8.0,JapanMW9.0,NepalMS8.1 as instances,this paper analyzed the co-seismic response characteristics of 7 wells’ groundwater level in Tianjin.On this basis,we inversed the volumetric strain of this 7 wells’ aquifer.The results show that,the variations of the volumetric strain of aquifer inversing by groundwater level with earthquake can realistically reflected the strain variation of the location borehole.

Tianjin; groundwater level; co-seismic response; volumetric strain

楊柳，馬婷，馬建英，等．基于含水層體應變反演的天津地區(qū)井水位同震響應特征分析[J]．華北地震科學，2016，34(4):60-66.

2016-03-11

2016年度震情跟蹤定向工作任務(2016010130)和2014年度天津市地震局局內(nèi)課題(20141011)聯(lián)合資助

楊柳(1980—)，女，高級工程師，主要從事地震綜合預報工作.E-mail: yangliu_m@163.com

P315.723

A

1003-1375(2016)04-0060-07

10.3969/j.issn.1003-1375.2016.04.010