2021年玛多M_S7.4...山东井水位同震响应特征分析_刘凯.pdf

文章编号:1001-8956(2023)02-0210-07中图分类号:P3157文献标识码:A2021 年玛多 MS74 和 2022 年门源 MS69地震引起的山东井水位同震响应特征分析刘 凯1，陈其峰1，张 军2，孙 豪3，宋 磊4(1山东省地震局聊城地震监测中心站，山东 聊城 252000;2山东省地震局菏泽地震监测中心站，山东 菏泽 274000;3山东省地震局烟台地震监测中心站，山东 烟台 264000;4枣庄市应急管理局，山东 枣庄 277000)摘要:2021 年 5 月 22 日青海玛多 MS74 地震和 2022 年 1 月 8 日青海门源 MS69 地震引起栖霞鲁 07井、枣庄鲁 15 井和菏泽鲁 27 井水位不同程度的同震响应。基于秒数据，对比分析 3 口井水位同震变化形态、幅度与分钟值记录的差异，并从含水层渗透性变化、地震能量密度等方面进行同震响应机理探讨。结果表明，井水位秒数据能够更加完整地记录水震波信息，更加精确展现水位同震变化形态、幅度;井水位对于远场大震的震荡形态主要受含水层水文地质条件的影响。在正常应力背景下，远场大震引起枣庄鲁 15 井水位同震响应的地震能量密度阈值大约是 154104Jm3。关键词:水位;同震响应;秒数据doi:1016256/jissn1001-8956202302012地震孕育、发生过程中产生的静态或动态应力作用于含水层，体现在观测井的水位变化上1，可直接、有效地揭示含水层介质对应力应变的响应过程2，其响应范围和变化幅度是传统的抽水、注水等研究手段所达不到的3。由于井水位同震响应分布的广区域性和响应特征的易识别性4，受到许多学者的关注。目前大多数的研究主要是从一井多震、一震多井两个角度开展5。针对不同的地震，记录同一口井的同震响应变化特征，有助于排除井孔水文地质条件的影响，突出地震因素;记录一次地震所引起的不同区域多口井的同震响应特征，有助于分析不同井孔水文地质条件对地震的响应3。已有的研究结果表明井水位同震响应形态主要为震荡和阶变6。同震响应幅度与井孔条件、含水层的导水系数、储水系数、含水层孔隙度7 和地震波类型、周期、振幅8 等因素有关，其受地震面波影响最为明显9。井水位同震变化的观测记录取决于水位仪的采样率。频率越高，越能真实还原水位变化。地震波和水震波都属于高频信号，周期远小于 1 min，相较于分钟值和时值，秒数据具有绝对优势，能更清晰完整地记录到水震波10。本文中利用山东省地下流体观测台网中的栖霞鲁 07 井、枣庄鲁 15 井和菏泽鲁 27 井的水位秒数据(水位均指水位埋深)，结合 2021 年 5 月 22 日青海玛多 MS74 地震和 2022 年 1 月 8 日青海门源 MS69 地震，进行井水位的同震响应特征分析。第37卷第2期2023年6月内陆地震INLANDEATHQUAKEVol37No2Jun2023收稿日期:2022-07-14;修回日期:2022-09-05作者简介:刘凯(1988)，男，工程师，2009 年毕业于山东师范大学地理科学专业，主要从事地震地下流体观测工作 E-mail:LK8822 126com1同震响应变化栖霞鲁 07 井、枣庄鲁 15 井和菏泽鲁 27 井是山东省地下流体观测台网中的骨干观测点，三口井水位日变化动态清晰，含水层承压性好，均有明显的潮汐变化11。栖霞鲁 07 井井深600 m，套管深度 7355 m，主要观测段为 7355 600 m 的花岗岩裂隙承压水，井孔水温140，pH 值 836。枣庄鲁 15 井井深约 501 m，下套管 23962 m，揭露含水层为砂岩孔隙裂隙承压水。菏泽鲁 27 井井深 2 000 m，井孔上层为松散砂土黏土沉积层，1 138 m 以下为基岩，观测水层为深层奥陶系裂隙岩溶水(表 1)。表 1观测井基本信息序号井孔名称井深/m观测含水层岩性断裂带观测仪器型号投入观测时间(年-月-日)1栖霞鲁 07 井600花岗岩刘家亭断裂DSC-2018-07-182枣庄鲁 15 井501砂岩韩庄断裂SWY-2017-12-073菏泽鲁 27 井2 000灰岩聊考断裂带DSW-2018-03-032021 年 5 月 22 日 2 时 4 分，青海果洛州玛多县发生 MS74 地震，震中位于 3459N，9834E。2022 年 1 月 8 日 1 时 45 分，青海海北州门源县发生 MS69 地震，震中位于 3777N，10126E。对于这 2 次地震，栖霞鲁 07 井、枣庄鲁 15 井和菏泽鲁 27 井的水位秒数据记录值和分钟记录值呈现出不同的同震响应变化。玛多 MS74 地震引起的栖霞鲁 07 井水位秒数据呈现震荡形态，向下波动最大幅度 165 cm，向上波动最大幅度 95 cm，向下幅度是向上幅度的174 倍;水位分钟值呈现突降形态，下降幅度 17 cm，向上波动最大幅度 08 cm，向下幅度是向上幅度的 213 倍。枣庄鲁 15 井水位秒数据呈现震荡形态，向下波动最大幅度 21 cm，向上波动最大幅度 15 cm，向下幅度是向上幅度的 14 倍;水位分钟值呈现突降形态，下降幅度 06cm，向上无明显变化。菏泽鲁27 井水位秒数据呈现震荡形态，向下波动最大幅度49 cm，向上波动最大幅度 58 cm，向下幅度是向上幅度的 084 倍;水位分钟值也呈现震荡形态，下降幅度18 cm，上升幅度 09 cm，向下幅度是向上幅度的 20 倍(表 2 和图 1)。表 2玛多 MS74 地震引起的井水位同震变化参数观测井井震距/km水位分钟值/m均值最高点最低点水位秒数据/m均值最高点最低点栖霞鲁 07 井2 055696869606985696868737133枣庄鲁 15 井1 742453094530945315453094529445330菏泽鲁 27 井1 547605936058460611605936053560642门源 MS69 地震引起的栖霞鲁 07 井水位秒数据呈现震荡形态，向下波动最大幅度78 cm，向上波动最大幅度 47 cm，向下幅度是向上幅度的 166 倍;水位分钟值呈现突降形态，突降幅度59 cm，突升幅度03 cm，向下幅度是向上幅度的1967 倍。枣庄鲁15 井水位秒数据1122 期刘 凯等:2021 年玛多 MS74 和 2022 年门源 MS69 地震引起的山东井水位同震响应特征分析波动频率增大，但是变幅不明显;水位分钟值无明显响应变化。菏泽鲁 27 井水位秒数据呈现震荡形态，向下波动最大幅度 06 cm，向上波动最大幅度 06 cm，上下波动对称;水位分钟值也是呈现震荡形态，突降幅度 03 cm，突升幅度 02 cm，向下幅度是向上幅度的 15 倍(表 3 和图2)。图 1玛多 MS74 地震引起的井水位同震变化曲线图(a)栖霞鲁 07 井水位秒数据(b)栖霞鲁 07 井水位分钟值(c)枣庄鲁 15 井水位秒数据(d)枣庄鲁 15 井水位分钟值(e)菏泽鲁 27 井水位秒数据(f)菏泽鲁 27 井水位分钟值Fig1Coseismic variation curves of well water level caused by Maduo MS74 Earthquake表 3门源 MS69 地震引起的井水位同震变化参数观测井井震距/km水位分钟值/m均值最高点最低点水位秒数据/m均值最高点最低点栖霞鲁 07 井1 733533553325394533652895414枣庄鲁 15 井1 48143832438324382743831菏泽鲁 27 井1 281613016129961304613026129661308212内陆地震37 卷图 2门源 MS69 地震引起的井水位同震变化曲线图(a)栖霞鲁 07 井水位秒数据(b)栖霞鲁 07 井水位分钟值(c)枣庄鲁 15 井水位秒数据(d)枣庄鲁 15 井水位分钟值(e)菏泽鲁 27 井水位秒数据(f)菏泽鲁 27 井水位分钟值Fig2Coseismic variation curve of well water level caused by Menyuan MS69 Earthquake2结果与分析远场大震的地震波作用于井含水层，在动态应力作用下，井含水层系统原有的水位动态平衡被打破，含水层介质孔隙压力、渗透系数及层间连通性的改变都有可能引起井水位的变化12。一般来说，同一口井对不同远震的同震响应形态一致13，不受震源机制与震中方位的影响。同震响应幅度与震级、井震距存在一定比例关系14。当响应过程发生改变时，有可能预示着含水层所处区域的应力状态发生变化15。21变化形态远场大震地震波产生的动态应力作用于井含水层系统，含水层介质发生有规律的弹性变化，使得井水在井孔含水层之间流动，出现水位变化。震后随着地震波能量的衰减，水位慢慢恢复至震前水平16。水位震荡是含水层对地震波的弹性响应。玛多 MS74 地震和门源MS69 地震引起的三口井水位秒数据同震变化均为震荡形态。与分钟值相比，秒数据记录的水震波震荡形态更加对称，波形更完整。对比分析栖霞鲁 07 井和菏泽鲁 27 井水位秒数据变化形态可以发现，2 次地震引起的菏3122 期刘 凯等:2021 年玛多 MS74 和 2022 年门源 MS69 地震引起的山东井水位同震响应特征分析泽鲁 27 井水位上下波动幅度比较接近，说明含水层进行了有规律的弹性压缩与拉张;而栖霞鲁 07 井均是突降幅度明显大于上升幅度。井水位的上升或下降，是井孔与含水层交互作用的结果17。井含水层系统既有水平向的井孔含水层间的水流交换，也有垂向的含水层弱透水层间的水流交换18。在地震波动态应力作用下，含水层交替发生压缩与拉张19。在极短时间内，栖霞鲁 07 井含水层受到拉张作用，介质孔隙增大，渗透性变强，水从井孔净流向含水层，再交替受到压应力作用，含水层受到压缩，介质孔隙减小，渗透性降低，水从含水层回流向井孔的速度减弱，导致水位上升幅度变小。在地震波的动态应力消失之后，含水层水文地质条件恢复，井水位便恢复至震前水平。因此，两口井水位呈现出的不同震荡形态与当地的水文地质条件有关，远场地震波只是起到触发作用20。22变化幅度远场大震引起的井水位同震响应幅度与震中距、震级有一定关系。震中距越小、震级越大，引起的井水位同震响应幅度越大21。部分学者据此提出地震能量密度参数22，表示地震波在传播过程中作用在单位体积地层介质上的最大能量值，与地震震级和震中距密切相关23。一般来说，对于同一口井，在相对稳定的井孔结构和含水层水文地质条件的前提下，远场大震能够引起井水位同震响应的地震能量密度存在一个阈值24。当地震能量密度高于阈值时，井水位产生同震响应;低于阈值时，井水位不受影响。如果地震能量密度小于阈值，却能引起井水位同震响应，在一定程度上有可能表明观测井含水层受张应力影响较大，含水层介质孔隙变大，水流渗透性增强，较小的地震能量密度就能引起井水在井含水层之间流动。当含水层受到压应力作用时，含水层介质孔隙率变小，渗透性降低，需要较大的地震能量密度才能引起井水位的同震响应。因此，井水位的记震能力可能会出现地震能量密度超过阈值无法激发同震响应，或者低于阈值时却能记录到水位同震响应的情况，即引起同震响应的地震能量密度阈值发生变化。井水位记震能力的变化在一定程度上可以反应区域应力场变化，对于研究地震的孕育和发展起到一定的指示作用。枣庄鲁 15 井水位秒数据对于玛多 MS74 地震，有明显的同震变化;但是对于门源 MS69地震，只是水位震荡频率增大，波动幅度基本不变。结合近几年井孔周围 100 km 范围内无MS20 地震发生，区域应力场相对稳定，基本可以推断门源 MS69 地震产生的地震能量密度，非常接近引起枣庄鲁 15 井水位同震响应的阈值。对于震级 M，距离为 r 处的地震能量密度 e 可以用经验关系式表示22，logr=048M033loge14(1)式中:r 为井震距，单位 km;e 为地震能量密度，单位 Jm3。将门源 MS69 地震要素导入式(1)，得到引起枣庄鲁 15 井水位同震响应的地震能量密度阈值为 154104Jm3。玛多 MS74 地震的地震能量密度为 501104Jm3，明显大于阈值，所以能够引起井水位同震响应。为了进一步检验阈值的可靠性，选取 2022 年以来发生在日本地区的两次大地震计算其地震能量密度。2022 年 1 月 22 日，日本九州岛附近海域发生MS64 地震，井震距 1 380 km，地震能量密度 036104Jm3，小于阈值，没有引起枣庄鲁 15井水位同震响应。2022 年 3 月 16 日，日本本州东岸近海发生 MS74 地震，井震距2 217 km，地震能量密度 241104Jm3，大于阈值，引起枣庄鲁 15 井水位同震响应，向上最大幅度 05412内陆地震37 卷cm，向下最大幅度 03 cm。此次地震能量密度不足玛多 MS74 地震的一半，引起的同震变化幅度也明显较小。从震例检验结果来看，目前所得到的地震能量密度阈值有可行性。因此，当未来远场大震发生时，如果地震能量密度超过了 154104Jm3，却没有激发枣庄鲁 15 井水位变化;或者低于这个阈值却能记录到水位同震变化，则预示着该区域应力场可能发生变化，需提高警惕。3结束语水位秒数据能够更加完整地记录水震波信息，更加精确展现水位同震变化形态和幅度，可以提高同震响应分析结果的准确性。井水位的同震响应与井孔周围的水文地质条件有关。不同的观测井对同一地震具有不同的响应变化，远场地震波只是起到触发作用，含水层孔隙压的改变起主导作用。栖霞鲁 07 井和菏泽鲁 27 井水位不同的震荡形态主要是受井孔含水层水文地质条件的影响。在正常应力背景下，远场大震激发井水位同震响应的地震能量密度存在一个阈值。当井水位记震能力发生变化，即地震能量密度超过阈值时无法激发同震响应，或者低于阈值时却能记录到水位同震响应，在一定程度上能够反映周边区域应力场的变化。枣庄鲁15 井的地震能量密度阈值大约是 154104Jm3。井水位的同震响应机理比较复杂，即使是相似的井水位变化，其响应机制也可能不同。高采样率的观测数据能够更加真实还原水位变化。因此，提高观测仪器的采样率和精准度，对于分析地震波和水震波之间的响应机制有重要意义。参考文献:1付虹，刘丽芳，王世芹，等地方震及近震地下水同震震后效应研究J地震，2002，22(4):55-64 2颜龙，梁卉，向阳，等新疆北天山地区井水位同震响应特征分析研究 J 内陆地震，2019，33(1):59-67 3曹梦涵，薛莲井水位同震响应特征与机理研究进展 J 地震研究，2022，45(2):173-186 4黄辅琼，迟恭财，徐桂明，等大陆地下流体对台湾南投 76 级地震的响应研究 J地震，2000，20(增刊):119-125 5刘凯，张辉，张军，等山东省井水位对几次大地震同震响应的比较分析 J 地震学报，2019，41(1):69-79 6周志华，黄辅琼，马玉川中国大陆井水位观测网对甘肃岷县漳县 66 级地震同震响应特征分析J地震工程学报，2013，35(3):529-534 7丁风和，戴勇，宋慧英，等大甸子井含水层系统水文地质参数间的变化关系 J 地震地质，2015，37(4):982-990 8孙小龙，向阳基于同震水震波的水文地质参数求取方法探讨 J 水文地质工程地质，2018，45(3):22-29 9赵頔，张宝匀，丁谋谋，等北京昌平井水位对日本 MW90 地震的响应J内陆地震，2020，34(4):347-354 10 廖丽霞，秦双龙，陈昌泳不同采样率水位同震响应能力及其特征分析J地震地磁观测与研究，2013，34(3/4):150-155 11 陈其峰，温丽媛，连凯旋，等山东省地下流体数字化水位与水温监测效能评估J 内陆地震，2018，32(4):334-342 12 Elkhoury J E，Brodsky E E，Agnew D CSeismic waves increase permeabilityJ Nature，2006，441(7 097):1 135-1 138 13 张涛，杨晓芳，朱成英日本 90 级、苏门答腊 86 级地震新疆地区水位、水温同震响应特征分析J 内陆地震，2013，27(3):235-241 14 杨竹转，邓志辉，高小其，等新疆乌鲁木齐 04 号井数字化水位同震阶变的研究 J中国地震，2010，26(3):329-339 15 胡小静，付虹，李涛，等云南普洱大寨井水位同震响应研究及预测意义 J 地震研究，2020，43(2):340-347 16 Huang F Q，Chen Y，Ji P，et alCo-seismic changes of well water level and volume strain meter in capital area and its vicinity，due to the Nov14，2001 MS81 Kunlun mountain earthquake，China J Geodesy and Geodynamics，2015，6(6):460-4665122 期刘 凯等:2021 年玛多 MS74 和 2022 年门源 MS69 地震引起的山东井水位同震响应特征分析 17 向阳，孙小龙，梁卉2016 年 12 月 8 日呼图壁 MS62 地震引起的新 10、新 11 井水位同震响应对比分析J内陆地震，2017，31(3):259-269 18 向阳，孙小龙，高小其，等新 10 井水位对九寨沟 MS70、精河 MS66 地震同震响应 J 中国地震，2017，33(4):563-574 19 薛红盼，张乐，陆丽娜，等夏垫断裂带地震地下流体的同震响应研究J地震，2020，40(1):184-202 20 赵娜，贾东辉，梁卉，等新疆新 21 号泉水位同震响应研究及预测意义初探J内陆地震，2022，36(2):148-155 21 杨竹转，邓志辉，赵云旭，等云南思茅大寨井水位同震阶变的初步研究 J 地震学报，2005，27(5):569-575 22 Wang C YLiquefaction beyond the near field J Seismological esearch Letters，2007，78(5):512-517 23 向阳，孙小龙，杨朋涛，等2019 年长宁 M60 和 2018 年兴文 M57 地震引起的井水位同震响应对比分析J地震，2020，40(2):155-165 24 崔瑾，司学芸，孙小龙，等宁夏井水位记震能力变化与周边地震关系研究 J地震，2021，41(3):131-143COSEISMIC ESPONSE ANALYSIS OF WELL WATE LEVELIN SHANDONG POVINCE CAUSED BY 2021 MADUOMS74 AND 2022 MENYUAN MS69 EATHQUAKESLIU Kai1，CHEN Qi-feng1，ZHANG Jun2，SUN Hao3，SONG Lei4(1Liaocheng Earthquake Monitoring Central Station of Shandong Earthquake Agency，Liaocheng 252000，Shandong，China;2Heze Earthquake Monitoring Central Station of Shandong Earthquake Agency，Heze 274000，Shandong，China;3Yantai Earthquake Monitoring Central Station of Shandong Earthquake Agency，Yantai 264000，Shandong，China;4Zaozhuang Emergency Management Agency，Zaozhuang 277000，Shandong，China)Abstract:Coseismic responses of Qixia No07 well，Zaozhuang No 15 well and Heze No27 wellcaused by the May 22，2021 Qinghai Maduo MS74 earthquake and the January 8，2022 QinghaiMenyuan MS69 earthquake Based on the second data，this paper analyzes the differences of waterlevel coseismic change in the form and amplitude compared to the minute data，and discusses coseis-mic response mechanism from the aspects of aquifer permeability change and seismic energy densityThe results show that the well water level second data can record the water shock wave informationmore completely，and show the shape and amplitude of the coseismic change of the water level moreaccurately;Coseismic variation range of well water level for far-field large earthquakes is mainly af-fected by the hydrogeological conditions of the aquifer;The oscillation pattern of the well water levelto the far-field earthquake is mainly affected by the hydrogeological conditions of the aquiferUnderthe normal stress background，the seismic energy density threshold of the water level coseismic re-sponse of Zaozhuang No 15 well caused by the far-field earthquake is approximately 154104Jm3Key words:Water level;Coseismic response;Second data612内陆地震37 卷