涂先新 呂品姬 安一凡 曾智輝

1 中國(guó)地震局地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢市洪山側(cè)路40號(hào),430071

受含水層地質(zhì)條件及其所處孕震狀態(tài)等因素的影響,同一口井在不同時(shí)期的映震能力不盡相同[1]。有學(xué)者認(rèn)為,將同震響應(yīng)與地震孕育狀態(tài)結(jié)合起來(lái),或許可以識(shí)別地震孕育前兆[2-4]。本文首先評(píng)價(jià)長(zhǎng)江三峽工程水庫(kù)誘發(fā)地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)井網(wǎng)(簡(jiǎn)稱三峽井網(wǎng))8口流體井的同震能力,分析其同震響應(yīng)形態(tài),探討出現(xiàn)波動(dòng)型、臺(tái)階型同震響應(yīng)的條件,以及不同的同震響應(yīng)方式與區(qū)域孕震狀態(tài)的關(guān)系;然后探討巖性參數(shù)對(duì)映震能力的影響;最后分析三峽井網(wǎng)對(duì)2008年汶川8.0級(jí)地震和2021年瑪多7.4級(jí)地震的同震響應(yīng)特征,進(jìn)行應(yīng)力反演,探討影響應(yīng)力調(diào)整的因素。

1 三峽井網(wǎng)概況與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

三峽井網(wǎng)是我國(guó)第一個(gè)以監(jiān)測(cè)誘發(fā)地震為目的建設(shè)的地下水前兆專用臺(tái)網(wǎng)。2017年進(jìn)行改造之后,其水溫、水位觀測(cè)數(shù)據(jù)精度達(dá)到秒級(jí)。8口觀測(cè)井分布較為集中,丁家坪、高家溪、韓家灣、茅坪4口井集中圍繞在壩區(qū),大河口、周坪、郭家壩、屈家灣4口井布設(shè)在庫(kù)首區(qū),所有井均處在三峽庫(kù)區(qū)主要斷裂附近,井位置和斷層分布見(jiàn)圖1。其中,仙女山斷裂比較活躍、規(guī)模相對(duì)較大,具備發(fā)生4級(jí)以上地震的活動(dòng)背景。整個(gè)三峽井網(wǎng)區(qū)域較小,展布面積約為25 km×25 km,地質(zhì)背景基本一致,地震波傳到此處能量差異不大。8口流體井分布在5條斷層附近,含水層所處的介質(zhì)條件、巖性等不盡相同,這為探討同震響應(yīng)特征與巖性、含水層水文參數(shù)之間的關(guān)系提供了有利條件。觀測(cè)井所處的斷層、巖性等信息見(jiàn)表1。

表1 三峽井網(wǎng)各井信息Tab.1 Information of each well of Three Gorges well network

圖1 三峽井網(wǎng)地質(zhì)概況Fig.1 Geological overview of Three Gorges well network

2 映震能力分析

2.1 地震能量密度與同震幅度的關(guān)系

地震能量密度(e)與地震震級(jí)(M)和震中距(r)的關(guān)系為[5]:

lge=3(0.48M-lg(r)-1.4)

(1)

理論上,地震波作用在地質(zhì)體上的能量越大,井水位的同震響應(yīng)就越明顯。從歷史同震震例來(lái)看,大河口井和高家溪井記錄到的地震次數(shù)明顯多于其他井。掃描2018～2021年的水位觀測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)大河口井、高家溪井的同震響應(yīng)幅度與地震能量密度的關(guān)系進(jìn)行相關(guān)性分析。由于三峽井網(wǎng)距離三峽大壩較近,且水庫(kù)蓄水量的變化也較大,水位變化范圍為145～175 m,考慮不同庫(kù)水位可能會(huì)對(duì)同震幅度造成影響,分析時(shí)用點(diǎn)的顏色來(lái)表示庫(kù)水位的高度,藍(lán)色代表高庫(kù)水位(160～175 m),紅色代表低庫(kù)水位(145～160 m),擬合結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 大河口井和高家溪井水位同震響應(yīng)幅度與地震能量密度的關(guān)系Fig.2 Relation between coseismic response amplitude and seismic energy density of Dahekou and Gaojiaxi wells

可以看出,大河口井的地震能量密度與同震振幅有較好的正相關(guān)性(圖2(a)),擬合曲線為y=2.652 0x0.389 5(r2=0.726 9),能夠引起大河口產(chǎn)生同震響應(yīng)的最小地震能量密度為10-7J/m3。高家溪井的地震能量密度與同震振幅同樣具有較好的正相關(guān)性(圖2(b)),擬合曲線為y=4.542 9x0.626 2(r2=0.8),能夠引起高家溪產(chǎn)生同震響應(yīng)的最小地震能量密度為10-6J/m3。從擬合結(jié)果來(lái)看,紅點(diǎn)和藍(lán)點(diǎn)并沒(méi)有明顯的分界,較為平均地分布在擬合曲線兩側(cè),說(shuō)明庫(kù)水位變化對(duì)同震幅度沒(méi)有太大影響,地震能量密度對(duì)同震響應(yīng)振幅的大小起著主導(dǎo)作用,地震能量密度越大,同震響應(yīng)幅度越大。

2.2 映震能力分析

統(tǒng)計(jì)各井記錄到的2013～2022年全球134次7級(jí)以上地震,并繪制震中距(r)和震級(jí)(M)散點(diǎn)圖(圖3)。根據(jù)式(1)對(duì)這些地震的能量密度進(jìn)行分級(jí),能夠引起同震響應(yīng)的地震能量密度值越小,說(shuō)明該井的映震能力越強(qiáng)。研究發(fā)現(xiàn),大河口井、周坪井的映震能力強(qiáng),有些能量密度為10-7J/m3的地震波都能引起這2口井產(chǎn)生同震響應(yīng);高家溪井的映震能力較強(qiáng),同震地震能量密度閾值為10-6J/m3;其他井的映震能力相對(duì)較弱,郭家壩井同震地震能量密度閾值為10-5J/m3,屈家灣井同震地震能量密度閾值為10-4J/m3,丁家坪井、茅坪井、韓家灣井同震地震能量密度閾值為10-3J/m3。

圖3 三峽井網(wǎng)井水位同震響應(yīng)能量密度Fig.3 Water level coseismic response energy density of Three Gorges well network

3 同震響應(yīng)形態(tài)分析

從地震形態(tài)來(lái)看,井水位的同震響應(yīng)可分為波動(dòng)型和臺(tái)階型[6]。波動(dòng)型隨著地震結(jié)束,井水位恢復(fù)原有的變化趨勢(shì);階變型則在同震響應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生臺(tái)階,地震結(jié)束后不再恢復(fù)原有的變化趨勢(shì),通常認(rèn)為這是區(qū)域應(yīng)力調(diào)整的結(jié)果,其階變量的大小可以反映應(yīng)力變化量的大小[7]。

統(tǒng)計(jì)2008年以來(lái)三峽井網(wǎng)記錄到的地震能量密度大于10-4J/m3的震例,見(jiàn)表2。從形態(tài)上來(lái)看,當(dāng)?shù)卣鹉芰棵芏却笥?0-3J/m3時(shí),多數(shù)井水位的同震響應(yīng)表現(xiàn)為臺(tái)階型;地震能量密度低于10-3J/m3時(shí),多數(shù)井水位同震響應(yīng)表現(xiàn)為波動(dòng)型,甚至沒(méi)有響應(yīng)。說(shuō)明井水位的同震響應(yīng)方式受地震能量密度的影響,只有當(dāng)?shù)卣鹉芰棵芏冗_(dá)到一定值時(shí),才能表現(xiàn)為臺(tái)階型同震響應(yīng)。值得注意的是,2021年瑪多7.4級(jí)地震時(shí),三峽井網(wǎng)有6口井表現(xiàn)為臺(tái)階型同震響應(yīng),而2015年尼泊爾8.1級(jí)地震產(chǎn)生的地震能量密度達(dá)到1.7×10-3J/m3,比瑪多地震高0.4×10-3J/m3,但是只有大河口井表現(xiàn)為臺(tái)階型同震響應(yīng),多數(shù)井表現(xiàn)為突跳型同震響應(yīng),且尼泊爾地震所引起的水位同震響應(yīng)強(qiáng)度遠(yuǎn)弱于瑪多地震。此外,2017年九寨溝7.0級(jí)地震的地震能量密度也較高(1.7×10-3J/m3),但整個(gè)三峽井網(wǎng)幾乎沒(méi)有響應(yīng)。這就意味著并不是只要地震能量密度大于10-3J/m3,井水位的同震響應(yīng)方式就一定表現(xiàn)為臺(tái)階型,水位同震的響應(yīng)方式還受其他因素的影響。

表2 三峽井網(wǎng)對(duì)不同地震的同震響應(yīng)Tab.2 Coseismic response of Three Gorges well network to different earthquakes

將各次地震的同震響應(yīng)方式與三峽庫(kù)區(qū)ML4.0以上地震活動(dòng)情況結(jié)合(圖4)起來(lái)分析?？梢园l(fā)現(xiàn),三峽井網(wǎng)同震響應(yīng)表現(xiàn)為波動(dòng)型為主時(shí),多數(shù)同震響應(yīng)強(qiáng)度較弱的地震震前1 a內(nèi)都曾發(fā)生過(guò)ML4.0以上的地震。如2017-08-08九寨溝7.0級(jí)地震前,三峽庫(kù)區(qū)在2017-06-16、18分別發(fā)生ML4.8、ML4.6地震,區(qū)域應(yīng)力得到有效釋放,所以三峽井網(wǎng)對(duì)九寨溝地震幾乎沒(méi)有響應(yīng)。同震響應(yīng)表現(xiàn)為臺(tái)階型為主時(shí),多數(shù)都處在區(qū)域ML4.0以上地震不活躍的時(shí)期,地震活動(dòng)基本上都平靜了2 a以上,具備一定的應(yīng)力積累條件。這說(shuō)明井水位的同震響應(yīng)方式除了受到地震能量密度的影響,還受區(qū)域介質(zhì)的孕震狀態(tài)影響。當(dāng)含水層介質(zhì)處于應(yīng)力水平較高時(shí),較強(qiáng)的地震能量可以導(dǎo)致含水層導(dǎo)水能力和孔隙水壓發(fā)生改變,從而表現(xiàn)為同震臺(tái)階,這可能也是臺(tái)階型同震的形成機(jī)理。

圖4 同震響應(yīng)形式與區(qū)域地震的關(guān)系Fig.4 Relationship between coseismic response forms and regional earthquakes

4 影響因素

對(duì)于同一次地震的同震響應(yīng),8口井的水位除了在響應(yīng)方式上不同以外,在幅度上也存在差異。以瑪多7.4級(jí)地震的同震響應(yīng)(表2)為例進(jìn)行分析。從同震響應(yīng)幅度來(lái)看,大河口井的同震效果最明顯,最大振幅達(dá)到100m;周坪井和高家溪井的最大振幅為10-1m;丁家坪井、韓家灣井、屈家灣井、郭家壩井的最大振幅為10-2m;茅坪井的最大幅度為10-3m?？梢钥闯?同震響應(yīng)幅度與井的映震能力有一定關(guān)系,映震能力強(qiáng)的井,同震幅度大,說(shuō)明同震幅度在一定程度上可以反映井的映震能力。

8口井相對(duì)集中,可以排除地震波成分對(duì)同震響應(yīng)的影響,那么同震響應(yīng)的不同應(yīng)該源自井本身的介質(zhì)參數(shù)的影響。從文獻(xiàn)[8]中搜集三峽井網(wǎng)各井含水層的巖性參數(shù)(表3),對(duì)同震響應(yīng)幅度與巖性參數(shù)等因素的相關(guān)性進(jìn)行研究。

表3 各井巖性參數(shù)Tab.3 Lithologic parameters of each well

對(duì)同震幅度與巖性參數(shù)進(jìn)行擬合,結(jié)果見(jiàn)圖5?？梢钥闯?水位振幅大小與單位存儲(chǔ)系數(shù)、壓縮系數(shù)、孔隙度的相關(guān)性不明顯(r2<0.5),與導(dǎo)水系數(shù)呈現(xiàn)正相關(guān)性(r2≈0.7),與體積壓縮模量(r2≈0.5)和斷層距(r2≈0.6)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性。

圖5 同震幅度與巖性參數(shù)的相關(guān)性Fig.5 Correlation between coseismic amplitude and lithologic parameters

5 應(yīng)力反演

8口井為典型的承壓水水井[9],其水位變化與固體潮應(yīng)力變化的關(guān)系為[6]:

式中,Δσz為含水層體應(yīng)力的變化量,β為水的體積壓縮系數(shù),ρ為水的密度,η為含水層的孔隙度,E為含水層的固體骨架的楊氏模量,g為重力加速度,ΔH為含水層應(yīng)力變化引起的水頭變化量。對(duì)于單口井來(lái)說(shuō),β、ρ、g、η、E均為固定常數(shù),Δσz與ΔH存在正相關(guān)關(guān)系,所以固體潮體應(yīng)力變化引起的水頭變化與固體潮體應(yīng)力之間存在如下關(guān)系:

ΔH=KΔσz

式中,K為理論固體潮體應(yīng)力最大變化幅度與理論固體潮引起的水頭最大變化幅度之比,是井的水頭變化對(duì)體應(yīng)力變化的響應(yīng)系數(shù)。

使用以上公式計(jì)算瑪多7.4級(jí)地震后三峽井網(wǎng)應(yīng)力場(chǎng)相對(duì)變化量,結(jié)果見(jiàn)表4。從表4可以看出:1)各井的應(yīng)力響應(yīng)系數(shù)存在較大差異,井水位變化幅度大小并不能直接代表應(yīng)力場(chǎng)變化的強(qiáng)度,還與該井對(duì)應(yīng)力變化的響應(yīng)系數(shù)有關(guān)系,如大河口井水位變化值最大,但是其應(yīng)力場(chǎng)變化卻不如周坪井明顯;2)丁家坪井、茅坪井、韓家灣井、大河口井、周坪井所在區(qū)域表現(xiàn)為應(yīng)力增強(qiáng),其中大河口井、周坪井應(yīng)力增強(qiáng)更明顯;高家溪井、屈家灣井、郭家壩井所在區(qū)域表現(xiàn)為應(yīng)力減弱,其中高家溪井應(yīng)力減弱最明顯。

表4 瑪多地震后各井的區(qū)域應(yīng)力變化Tab.4 Regional stress changes of each well after Maduo earthquake

為了更直觀地體現(xiàn)瑪多7.4級(jí)地震對(duì)三峽庫(kù)區(qū)應(yīng)力場(chǎng)變化的影響,采用Kriging插值法計(jì)算三峽井網(wǎng)地區(qū)應(yīng)力變化圖像(圖6(a))。此外,在前人研究的基礎(chǔ)上[10],對(duì)汶川8.0級(jí)地震后三峽井網(wǎng)的應(yīng)力場(chǎng)變化進(jìn)行空間網(wǎng)格化分析(圖6(b))。結(jié)果表明:1)2次地震后,三峽井網(wǎng)的應(yīng)力調(diào)整非常相似,0值線總體方向沿著北偏西45°,且0值線西南一側(cè)表現(xiàn)為應(yīng)力積累,西北一側(cè)表現(xiàn)為應(yīng)力減弱;2)2次地震后,應(yīng)力調(diào)整0值線在接江坡斷裂、長(zhǎng)木坨斷裂的北端沿著斷層走向出現(xiàn)轉(zhuǎn)折,形成鼓包,說(shuō)明斷層對(duì)應(yīng)力調(diào)整起一定的控制作用;3)井水位對(duì)不同地震的同震響應(yīng)結(jié)果并不一致,如丁家坪井對(duì)瑪多7.4級(jí)地震表現(xiàn)為應(yīng)力增強(qiáng),對(duì)汶川8.0級(jí)地震表現(xiàn)為應(yīng)力減弱。

圖6 三峽庫(kù)區(qū)震后應(yīng)力變化Fig.6 Post earthquake stress variation in Three Gorges reservoir area

6 結(jié) 語(yǔ)

1)從同震響應(yīng)特征來(lái)看,同震響應(yīng)幅度與水庫(kù)水位無(wú)關(guān),與能量密度密切相關(guān)。各井的映震能力有明顯差別,大河口井、周坪井映震能力較強(qiáng),它們產(chǎn)生同震響應(yīng)的地震能量密度閾值為10-7J/m3;高家溪井的同震地震能量密度閾值為10-6J/m3;郭家壩井的同震地震能量密度閾值為10-5J/m3;屈家灣井的同震地震能量密度閾值為10-4J/m3;丁家坪井、茅坪井、韓家灣井的映震能力較弱,同震地震能量密度閾值為 10-3J/m3。

2)三峽井網(wǎng)各井映震能力與導(dǎo)水系數(shù)正相關(guān),與體積壓縮模量、斷層距負(fù)相關(guān)。臺(tái)階型同震響應(yīng)的出現(xiàn)與地震能量密度和區(qū)域應(yīng)力積累程度有關(guān),當(dāng)?shù)卣鹉芰棵芏却笥?10-3J/m3,且區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力積累較強(qiáng)時(shí),三峽井網(wǎng)井水位多數(shù)會(huì)表現(xiàn)出臺(tái)階型同震響應(yīng)。

3)通過(guò)反演汶川8.0級(jí)地震和瑪多7.4級(jí)地震后三峽井網(wǎng)的應(yīng)力變化情況,發(fā)現(xiàn)同震應(yīng)力調(diào)整受區(qū)域斷層控制明顯。