(Xining Seismic Station,Earthquake Administration of Qinghai Province,Xining 810001,Qinghai,China)
Menyuan MS6.4 earthquake; underground fluid; coseismic response
备注
通过对门源6.4级地震周边的地下流体同震响应特征进行研究,分析门源地震发生时有响应井孔的水(地)温或静水位变化情况,结果表明:门源6.4级地震震中周边600 km范围内有4个水温、1个静水位的井孔出现了同震响应,水温井孔同震响应变化形态为下降—回升,静水位井孔同震响应的变化形态为突升。同震变化的台站分布、变化形态与震中距、方位的关系不明显。通过同震变化机理的探讨,认为5个观测井的同震变化原因不尽相同。
We study the coseismic response of underground fluid in and around Menyuan MS6.4 earthquake,and analyze the variation of the water temperature and static water level of observation wells with coseismic response when the Menyuan earthquake occurred. The results show as follow:there appeared coseismic response of water temperature in four observation wells and static water lever in one observation well in the area of 600 km around the epicenter. The coseismic response variation shape of water temperature shows decrease-rise,and that of water level shows jump. The relation between station distribution,the variation shape of coseismic response and epicenter,azimuth is not obvious. Through the study of the mechanism of coseismic response change,we deduce that the reason of the coseismic response variation of the 5 observation wells is not the same.
引言
巨大地震产生的地震波传播过程可以看做是一次范围广泛的动力过程,不同地下流体的同震响应特征是对应力应变过程最直接的反映。近十几年来,几次特大地震引起的全国范围地下流体观测井的同震响应现象引起了众多学者的关注。学者们分析了水位、水温同震响应的特征并对其机理进行了探讨。付虹等(2002)通过多年预报、研究、实践后认为,分析同震效应的机理、特征,提出震后效应的单井、密集、条带、迁移等空间分布,可对老震区余震、外围区及井位附近牵动性后继地震地点预报有指示意义,亦可对中短期预报及后继地震震型判定提供线索。刘耀炜等(2005)广泛收集了大陆地下流体台网对2004年12月26日苏门答腊地震的同震响应,分析了水温响应特征的基本类型,提出地下水温的同震下降变化是因为井孔含水层周边上层地下水随着振动效应的作用,加大了向下垂直运动的速率,低温水快速混入观测含水层中,从而引起水温的快速下降变化。鱼金子等(1997)研究了北京太平庄井水温的同震响应现象,并提出了另一种同震响应机制,认为北京太平庄井水温的同震突降是由于井水气体的释放造成的。陈大庆等(2007)在总结分析2004年12月26日苏门答腊地震所引起的中国大陆121个观测井水位与水温同震响应特征时,也提出了气体逸出导致水位振荡-水温下降的机制。杨竹转等(2007)收集并分析了北京塔院井一井多震的水位和水温同震响应资料,认为井孔中的水体受振荡激发而加速对流与掺混是导致水温同震下降的主要原因。孙小龙等(2007)研究认为,地震波作用过后井水水位和水温出现阶变且不会在短时间内恢复,则可能是由于地震波作用过程中使含水层局部地区介质发生了塑性形变,从而使得流向观测井孔的地下水流流程或流速(流量)发生变化所致。
2016年1月21日1时13分,青海省海北州门源县(37.7°N,101.6°E)发生6.4级地震,震源深度10 km,极震区烈度为Ⅷ度,震中距门源县城33 km,门源县城震感强烈,西宁市区普遍有感。本文通过收集门源6.4级地震震中周边600 km范围内的46个地下流体水温和水位井的观测资料,分析研究同震响应变化特征,并对其变化的机理进行了探讨。
1 地下流体观测井孔基本情况
门源6.4级地震震中周边600 km范围内共有青海、甘肃、宁夏3省流体观测井孔46个,其中
水温观测井43个,水位观测井32个,部分井孔同时具备水温和水位观测条件。从震中距看,200 km内有9个井孔,200~300 km和300~400 km范围内各6个井孔,400~500 km内有10个井孔,500~600 km内有15个井孔。
通过对地震前后43个水温井、32个水位井的分钟值观测数据进行分析,发现有5个井孔在门源地震震后有同震变化响应,其中水(地)温4个(平安、民和、都兰和中卫倪滩)、水位1个(平凉华亭),出现同震响应的井孔占所有流体井孔的11%。出现同震响应的测项占总测项数的6.7%,其中水温井占9%,水位井占3%,具体情况如图1和表1所示。图1中实心图标为门源6.4级地震同震响应井孔,空心图标为无响应井孔。参予统计分析的流体井孔中,震中距最小的为平安井(140 km),震中距最大的为平凉华亭井(469.6 km)。这5个同震响应井孔,水(地)温观测仪器为SZW-1A型,仪器分辨率小于0.000 1℃,静水位观测仪器为SW40-1型水位仪,仪器分辨率小于0.001 m。
图1 2016年门源6.4级地震前后周边有响应的流体井孔分布图
Fig.1 Distribution of coseismic responsive fluid wells before and after the Menyuan M6.4 earthquake表1 2016年门源6.4级地震周边流体响应情况统计表
Tab.1 Statistics of fluid response around the epicenter of Menyuan MS6.4 earthquake in 20162 同震变化响应特征分析
门源6.4级地震后,震中周边有4个井孔的水(地)温和1个井孔的水位出现了明显的同震变化响应。
2.1 平安台水温平安水温井距离门源地震震中141 km,井深105.3 m,岩性主要以湟水河冲洪积卵石层和泥岩为主,地下水分为两层,浅部(水位埋深11.30 m)属径流型地下水,深部(水位埋深40 m以下)为基岩孔隙、裂隙含水层。
门源6.4级地震发生后,平安水温从01:14的10.425 ℃快速下降至01:21的10.424 ℃,7 min内水温变化幅度达0.001 ℃,低值持续到04:27,之后又逐步回升至10.425 ℃(图2a)。
平安水温自2007年7月正式观测以来一直比较稳定,呈现缓慢上升趋势。8年来,水温从10.082 ℃升至10.427 ℃,累计上升0.345 ℃,日均变化幅度为0.000 1 ℃。而门源地震后短时间的数据变化量是长期变化平均日变幅(0.000 1 ℃)的10倍,因此判定平安水温的异常变化是门源地震的同震变化响应。
2.2 民和台地温民和地温井距离门源地震震中185.2 km,井深105.8 m,上部主要为黄土状土和卵石土,深部为棕红色泥岩,有少量原生和次生裂隙发育,无水。
门源6.4级地震发生后,民和台水温从01:33的14.922 ℃快速下降至01:35的14.921 2 ℃,之后数据低值起伏,最低值为01:39的14.921 1 ℃,累计下降幅度达0.001 1 ℃,之后低值一直持续到08:12,随后逐步回升,数值变化趋于正常。该井水温变化形态与平安水温的变化幅度和形态均类似(图2b)。
民和地温井自2007年6月正式投入观测以来,数据稳定,形态为缓慢上升趋势,截至门源地震
前,累计上升0.072 ℃,日均上升0.000 03 ℃。门源6.4级地震后民和地温的即时变化量(0.001 1)远超过长期日均变化量(0.000 03 ℃),因此,民和地温的异常变化可判定为门源地震的同震变化响应。
2.3 都兰台地温都兰地温井距离门源地震震中348.6 km。井深105.3 m,浅部为角砾,深部为坡积角砾,无水。
图2 门源6.4级地震震中周边台站同震响应动态变化曲线
Fig.2 The coseismic response dynamic change curve of the seismic stations around the epicenter of Menyuan MS6.4 earthquake门源6.4级地震发生后,都兰井地温从01:17的7.233 ℃快速下降至01:23的7.232 7 ℃,下降幅度0.000 3 ℃,低值持续至01:37后逐步回升(图2c)。
都兰井的长期变化形态为缓慢上升,平均每日上升幅度约0.000 06 ℃。变化形态清晰,幅度明显,为门源地震同震变化响应。
2.4 中卫倪滩台水温中卫倪滩水温井距离门源地震震中330.5 km,井深195.7 m,上部为洪积层,下部为第三系沉积层,地下水属潜水―承压水。
门源6.4级地震后,中卫倪滩水温从01:18的17.927 7 ℃快速下降至01:24的17.923 3 ℃,随之转折回升,数据起伏变化,02:13数据恢复正常17.927 7 ℃,变化幅度达0.004 4 ℃(图2d)。
此台水温观测数据的长期变化中虽有起伏,但变化幅度远远小于此次的突降,可判定为门源地震同震响应。
2.5 平凉华亭台静水位平凉华亭台距离门源地震震中469.6 km,井深225.5 m,静水位埋深2.97 m,含水层岩性为上元古界灰岩。
门源6.4级地震后,静水位观测值从01:18的6.269 m出现上升,01:23达到6.266 m后,恢复为以前的变化形态。变化幅度值达到0.006 m(图2e)。
门源6.4级地震的同震变化叠加在该台的静水位趋势变化之中,显示出加速的特征。
由以上分析发现,门源地震前有4个水(地)温井均出现了以下降—回升为主要形态的同震变化响应,但变化持续时间不一致,最长的民和井达7 h,最短的都兰井仅20 min。静水位井同震反应形态为突升,变化持续时间仅有数分钟。1个静水位井出现了突升形态的同震变化响应。通过分析,发现出现同震变化的台站分布、变化形态与震中距、方位的关系不明显。周志华等(2013)认为:与此次地震类似的是,甘肃岷县漳县6.6级地震后,水位同震响也以水位同震降升为主,且与构造带的对应关系无规律可循。从变化幅度来看,有水井的平均同震响应幅度要明显大于无水井,这可能跟流体与气体对介质的响应灵敏度有关。
3 同震变化机理探讨
3.1 水温水位同震变化机理此次门源地震中有同震反应的几口水温井,仪器探头都是置于100多米深的观测井中,数据变化稳定(杨竹转,2012)。地震发生后,地震波作用在井孔介质上时,会使井孔含水层发生振荡,导致含水层渗透率的增大,从而诱使含水层上部的水体下渗(缪阿丽等,2014)。由于垂向地温梯度的存在,上部相对低温的冷水的混入会使含水层下部的水体温度降低,最终导致水温探头处井水温度的下降。当地震波经过后,水位振荡逐步减弱至停止,下渗作用也就随之逐渐消失。水温下降过程也随即结束。之后,井水会与周围岩体发生热传导作用而逐渐恢复温度,这一过程显示在观测数据中则出现回升现象。民和和中卫倪滩台水温探头均处于含水层,且同震响应变化幅度最明显、形态最显著,其同震变化现象与上述机理吻合。
地震波作用于井孔周围的介质时,原来的含水层系统的动态平衡被打破,出现孔隙压力的改变、层间连通性变化等,从而引起井孔水与周围含水层的水重新调整,包括冷水的下渗、深部热水的涌人、井孔水流向周围介质等(汪成国,2011)。地震发生后由于地震波的作用,进入井孔的水量大于井孔流出的水量,井孔水位就出现了明显的变化。平凉华亭台静水位的同震变化现象与该机理的阐述吻合。
3.2 地温同震变化机理地震发生后地震波的波动改变了区域地应力场的作用,使岩体周围受力平衡再次发生改变,岩体围压发生变化,岩体内裂隙、节理、孔隙压也随之发生变化(姚宝树,2004),岩体裂隙、孔隙里空气受压情况也发生变化,导致通过岩体裂隙、孔隙进入井孔的冷空气增多,和井孔内的空气温度相互交换,井孔内的温度随之发生变化上升或下降,内置的仪器探头温度也跟随发生变化。都兰、平安两个观测井探头所处位置均无含水层,且同震响应幅度低于有水井的同震响应,其同震响应变化现象可能是井孔内空气的相互交换所致。
4 结论与讨论
对门源6.4级地震震中周边600 km范围46个地下流体井同震响应特征进行分析研究,并探讨了同震变化机理,得出如下结论:
(1)2016年门源6.4级地震震中周边500 km范围内,震后有4个井孔水(地)温和1个井静水位出现明显的同震变化,水(地)温同震变化以下降—回升为主,静水位的变化形态为突升。
(2)出现同震变化的台站分布、变化形态与震中距、方位的关系不明显。
(3)从形态上看,静水位同震变化形态以振荡型为主,表现形式为向上的突跳,同震响应时间较短; 水(地)温以阶跃或趋势变化为主,表现形式为向下的阶变,之后数据基本恢复到同震前相当的水平。从变化幅度上看,有水井的数值变化幅度较无水井要大。
(4)门源6.4级地震后,周边流体井孔出现同震响应的比例仅10%左右,大部分井孔没有出现同震变化,水(地)温的同震响应现在还是一种小概率事件,可能跟各井孔的分布、井孔的地质构造、环境、仪器探头置深有一定的关系。这一现象也值得进一步研究探讨。
(5)基于4个水温和1个井水位的同震响应井孔的基础资料,结合前人的研究成果,探讨了水温和水位同震变化的机理。本文认为,由于井孔中的水体受振荡激发而加速对流与掺混是导致民和和中卫倪滩台水温同震下降的主要原因。而地震发生时,在地震波的作用下导致观测井井孔内空气的相互交换是都兰和平安2个水温同震变化的主要原因。地震发生后由于地震波的作用,进入井孔的水量大于井孔流出的水量,导致华亭井孔水位出现上升的主要原因。
本文结合已有的研究成果探讨2个有水井、2个无水井和1个水位的变化机理,探讨比较粗浅,没有具体考虑每个观测井的温度梯度、孔隙压力、层间连通性、以及观测井所处的区域应力场变化等多种因素。每个观测井水温、水位变化的同震变化机理可以进一步通过数值模拟进行更为深入的研究。
本文在撰写过程中,得到了青海省地震局李国佑、甘肃省平凉地震台杨晓鹏、天水地震台周建华和宁夏自治区地震局蔡新华同志的帮助,在此一并表示感谢。
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