芦山、汶川地震对水井位同震变化的对比研究

芦山、汶川地震对水井位同震变化的对比研究

0最佳震源的确定地下流是地壳最活跃的介质。通过形成具有特定封闭条件的压裂系统，可以客观、准确地反映地壳的应力和变形信息。地震引起井水位的升降变化和泉、自流井流量变化的现象早已有报道,近年来,研究人员一直致力于同震变化特征及其机理的分析研究(Roeloffsetal.,1998;黄辅琼等,2000;Montgomeryetal.,2003;Jónssonetal.,2003;刘耀炜等,2005;Wangetal.,2008,2010;廖丽霞等,2009;Mangaetal.,2012)。2013年4月20日8时2分四川省雅安市发生强烈地震,震中位于芦山县境内(30.29°N,102.97°E),震源机制解显示,发震断层面走向214°,倾角38°,滑动角102°,面波震级MS7.0,矩震级MW6.6,反演得到的最佳震源深度17~18km(单斌等,2013;刘成利等,2103)。芦山MS7.0地震(以下简称芦山地震)是一次发生在龙门山断裂带南段的典型的逆断层型地震(韩竹军等,2013),这次地震与2008年5月12日汶川MS8.0地震位于同一断裂带上,相距大约82km(图1)。本文以芦山、汶川地震震中为中心,根据下文说明的原则筛选出一些井点,比较汶川和芦山地震引起的井水位同震变化的差异,并对差异产生的原因进行了分析。1井点和井点位置本研究收集的资料来源于中国地震前兆台网数据库,选择井点时遵循以下原则:1)井水位测项在汶川和芦山地震当日仪器正常工作,有完整的分钟值记录资料;2)至少记录到其中一个地震引起的水位同震变化;3)水位具有相对稳定的动态背景。水位同震变化是指地震发生后在短时间内最先出现的阶变(包括上升、下降)或振荡。当同时记录到振荡和阶变时,更应关注阶变。经过对前兆台网数据库中芦山地震震中400km范围内井点的筛选,选择了8口井,井点基本情况见表1,井的空间位置与汶川、芦山地震震中分布见图1。图1显示,从与汶川、芦山地震的发震断层———龙门山断裂带的位置关系上看,井点地理位置全部位于NE向龙门山断裂带的东侧(图1),其中4口位于重庆市,4口位于四川省。由于受经济发展和人口分布的影响,中国水位观测井网布设很不均匀,在龙门山断裂带西侧山区震中附近范围内几乎没有井点。从表1中各井点对应的具体构造部位来看,四川邛崃自流井位于断层上。8口井中,7口井井深在100~300m范围内,井深达到3072m的德阳井为石油钻井改造而成。从井口泄流情况来看,重庆的巴南安澜、四川的邛崃2口井为自流井,其余6口为静水位井。2同震变化汶川地震和芦山地震引起的8口井水位同震变化方向、幅度统计情况见表2。由表2可见,汶川地震引起的水位同震变化中,4口井上升,4口井下降;芦山地震引起的水位变化,6口井上升,1口井无变化,1口井下降。对8口井2次地震中的变化情况做一一对应比较。对比结果有3种情况:1)3口井同震变化方向相同,重庆巴南安澜井、四川邛崃井和四川南溪井在2次地震中水位同震阶变都为上升;2)1口井汶川地震有同震变化,而芦山地震无同震变化,即四川德阳井;3)4口井同震变化反向,重庆的荣昌华江井、北碚柳荫井和大足拾万井在汶川地震时水位同震变化为下降而在芦山地震时表现为上升,四川的泸沽湖井在汶川地震时水位同震变化为上升而芦山地震时同震变化为下降。比较表2中各井与汶川、芦山地震震中距离可见,重庆的荣昌华江井、北碚柳荫井、大足拾万井和四川泸沽湖井4口井与汶川、芦山地震震中距离相近,但其水位在2次地震同震变化出现反向的情况,这与我们在以往单口井对多个地震的同震变化对比研究结果———上升的总是上升,下降的总是下降的情况(杨竹转等,2008,2010)不同。因此,下文对以上4口井重点分析,探讨水位同震反向变化的机理。32断层破裂长度为使对比研究结果更可靠,进一步收集了以上4口井在2011年3月11日日本9.0级地震、2012年4月11日苏门答腊北部海域8.6级地震时的水位同震变化观测记录。比较前首先根据4个地震的断层破裂长度和井震距(井点到震中的距离)的大小划分出近震和远震。一般以1~2个断层破裂长度为标准(Roeloffs,1998;Wangetal.,2008),本文划分原则是2个断层破裂长度范围内为近震或近场地震,大于2个断层破裂长度的为远震或远场地震。断层破裂长度是据Wells等(1994)给出的经验关系式通过地震矩求得,芦山MW6.6地震破裂长度为27km,汶川MW7.9地震破裂尺度为194km,日本MW9.0地震破裂长度为1063km,苏门答腊地震MW8.6地震破裂长度为573km。4口井距汶川地震震中最大距离为436km,基本在2个断层破裂长度范围内,汶川地震称为近震。4口井距芦山地震震中的最小距离为266km,距日本地震、苏门答腊地震震中的最小距离是2942km(图2,3,4,5),均超过了相应地震的2个断层破裂长度,因此,芦山、日本、苏门答腊地震称为远震。3.1地下水阶段同震变化荣昌华江观测井井深251.0m,观测含水层为石英砂岩,含水层顶板埋深5.50m,地下水类型为裂隙承压水。正式运行时间2008年1月,荣昌华江井记录到的4次水位同震变化图(图2)显示,汶川近震时出现水位下降—回升的变化特征,回升后的水位值略高于变化前;日本和苏门答腊远震的水位同震变化为振荡,而芦山地震的同震变化则为微小的上升。3.2水位同震变化北碚柳荫观测井井深106.6m,观测含水层为中侏罗统下沙溪庙砂岩,该含水岩层延伸远,受隔水性好的泥岩所分隔,砂岩、泥岩层间相互越流作用微弱,岩体呈独立的含水单元,分布稳定。数字化水位仪正式运行为2008年1月。水位同震变化图(图3)显示汶川地震引起的水位同震变化为阶降;日本、苏门答腊和芦山远震时水位同震变化形态相同,表现为阶升。3.3水位观测系统四川泸沽湖井深200.0m,2006年12月成井,观测层含水层为灰岩裂隙水。水位观测仪正式运行时间2008年1月。由水位同震变化图(图4)可见,汶川地震时泸沽湖井的水位同震变化为阶升,而在日本、苏门答腊和芦山远震时形态相同,均表现为下降。3.4祥灶砂岩地下水水岸带大足拾万井井深108.7m,观测含水层为中侏罗统上沙溪庙组长石砂岩裂隙孔隙水,上沙溪庙组底部砂岩(嘉祥寨砂岩)为测区内主要含水层,由于嘉祥寨砂岩基本沿怀远河分布,局部地段怀远河流经该层砂岩,对地下水起较大的补充,有一定的连通性。图5显示,大足拾万井在汶川、日本、印尼地震时水位同震下降,而在芦山地震时则水位上升,在近震与远震时呈现复杂的变化情况。水文地质情况显示大足拾万井与怀远河在地下有一定的连通性,长期的观测结果显示当相距仅14.6m的邻井抽水时,该井水位不仅不降反升(陈敏等,2012),因此大足井作为特殊情况以后进一步研究,下文中不再涉及。4同震体应变量分布前文比较分析显示,重庆荣昌华江、北碚柳荫和四川泸沽湖3口井在3个远震时的井水位同震变化为振荡或阶变形态相似,而在汶川近震时则表现出反向的阶变形态。为寻求水位同震反向变化的原因,计算了汶川地震和芦山地震时的同震体应变,采用Toda等开发的Coubomb3.3软件进行计算(Linetal.,2004;Todaetal.,2005)。计算中汶川地震相关参数的选择见参考文献(王卫民等,2008;石耀霖等,2010;钱琦等,2011),芦山地震相关参数的选择见参考文献(刘成利等,2013;单斌等,2013)。由图6a可见,汶川地震时,位于体应变膨胀区的荣昌华江和北碚柳荫井水位同震表现为下降,位于体应变压缩区的泸沽湖井水位同震表现为上升,符合应变-水位的变化规律;而芦山地震时,位于体应变膨胀区的荣昌华江和北碚柳荫井水位同震表现为上升,位于体应变压缩区的泸沽湖井水位同震表现为下降,与应变-水位变化规律不符(图6b)。分析认为,汶川近震时3口井的水位同震变化可能主要受到了同震体应变影响,因而表现出与日本、苏门答腊和芦山远震时不同的变化形态。3个远震引起的井水位同震变化应是同震体应变以外的机制起主要作用,一些研究认为可能是由于渗透系数的变化引起了同震水位升降变化(Brodskyetal.,2003;Elkhouryetal.,2006;Wangetal.,2010;Mangataetal.,2012)。表2给出了8口井所在位置处汶川、芦山地震时的同震体应变量,可以看出:1)同一口井,芦山远震时的同震体应变量至少比汶川近震引起的同震体应变量少了一个数量级;2)不同井对相同数量级的体应变响应方式不同,例如四川泸沽湖井汶川地震的体应变量-7.18×10-9,重庆荣昌华江井芦山地震时体应变为2.66×10-9,数量级上相近。但从前面分析已知,泸沽湖井水位在汶川近震时同震变化主要机制为体应变,而荣昌华江井在芦山远震可能是同震体应变以外的机制起主要作用,即同等级体应变量的情况下,单口井水位同震的变化机制不同,显示单个井可能对能够响应的体应变量存在一个响应阈值。在汶川同震体应变图上,叠加上了本研究中涉及到的8口井。图6a显示除四川南溪井和和巴南安澜2口井外,其余的6口水位同震上升、下降的井点分布与汶川同震体应变压缩和膨胀区是相符的。关于四川南溪井和巴南安澜井与同震体应变不符的原因有待于进一步研究。对照芦山地震同震体应变与井点分布图(6b),德阳井无水位同震变化,只有邛崃自流井的同震上升变化与位于体应变压缩区是一致的,其余的6口井水位同震变化都不符合应变-水位变化规律。5同震体应变与水陆位同震对比分析自中国有数字化的分钟值记录以来,基于以下的情况能够取得的同震体应变与井水位同震变化比较分析很少:1)中强震影响范围有限,上文分析可见,芦山地震的断层破裂长度理论计算值为27km,同震体应变的影响范围按2个断层破裂尺度算只有50~60km,当地震震级小于MS7.0时其体应变的影响范围更小;2)一些大震震中区井网密度稀疏,21世纪以来,中国陆续发生了2001年昆仑山口西8.1级地震、2008年3月21日新疆于田7.1级、2010年玉树7.1级等地震,西部人口稀少,震中附近观测井点很少,不成规模。因此,虽然国外有一些同震体应变与井水位同震变化的对比,但国内少见,汶川地震与芦山地震在近距离范围内相继发生,为研究提供了一个很好的机会。本研究正是以芦山、汶川地震震中为中心,通过一定的原则筛选了8口井,对比研究8口井水位在汶川地震、芦山地震时的同震变化。取得了如下认识:(1)对比结果中有4口井同震变化反向,即重庆的荣昌华江井、北碚柳荫井和大足拾万井在汶川地震时水位同震变化为下降而在芦山地震时为上升;四川的泸沽湖井在汶川地震时水位同震变化为上升而芦山地震时为下降。结合2011年3月11日日本9.0级地震、2012年4月11日苏门答腊北部海域8.6级地震引起的井水位同震变化资料,重点展示了这4口井的同震变化反向特征。(2)在汶川地震时,荣昌华江井、北碚柳荫井和泸沽湖井位于近震区,水位同震变化与井点位置处的同震体应变一致,即位于同