信宜地震臺(tái)3號(hào)井?dāng)?shù)字化水位同震響應(yīng)淺析

張印愛(ài)　鄭水軍

摘 要：本文收集了2008—2018年3號(hào)井?dāng)?shù)字化水位觀測(cè)對(duì)地震同震響應(yīng)的數(shù)據(jù)資料，分析了井水位對(duì)7.8級(jí)以上大震的響應(yīng)能力和同震變化特征。結(jié)果顯示，3號(hào)井對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)大震響應(yīng)能力較強(qiáng);水位同震響應(yīng)類(lèi)型均表現(xiàn)為階降;水位同震響應(yīng)變化幅度與震中距和震級(jí)有明顯的關(guān)聯(lián)性;從同震響應(yīng)方向來(lái)看，遠(yuǎn)場(chǎng)大震對(duì)本區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力的影響以張應(yīng)力為主。

關(guān)鍵詞：信宜;3號(hào)井;水位;同震響應(yīng)

中圖分類(lèi)號(hào)：P315.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）20-0155-04

Preliminary Analysis of Coseismic Response of Digital

Water Level in No.3 Well of Xinyi Seismic Station

ZHANG Yinai ZHENG Shuijun

（Xinyi Seismological Station of Guangdong Seismological Bureau，Xinyi Guangdong 525300）

Abstract： This paper collected the data of the digital water level observation of the No. 3 well from 2008 to 2018 on the earthquake coseismic response， and analyzed the response capacity and coseismic variation characteristics of the well water level to large earthquakes above 7.8. The results show that No. 3 well has strong response to far-field large earthquakes; the water level coseismic response type shows a step-down; the magnitude of the water level coseismic response has obvious correlation with the epicenter distance and magnitude; from the perspective of coseismic response， the influence of far-field large earthquakes on tectonic stress in this region is dominated by tensile stress.

Keywords： Xinyi;No. 3 well;water level;coseismic response

井水位同震響應(yīng)是地震波作用于井含水層最為直接的體現(xiàn)，它與井孔的地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件﹑震級(jí)﹑震中距以及觀測(cè)系統(tǒng)等很多因素有關(guān)。本文根據(jù)信宜臺(tái)3號(hào)井水位2008—2018年記錄的遠(yuǎn)場(chǎng)大震同震響應(yīng)數(shù)據(jù)資料，進(jìn)行具體分析和討論。

1 信宜地震臺(tái)3號(hào)井井孔概況與觀測(cè)情況

信宜地震臺(tái)的地理位置為（22°21′11″N，110°55′45″E），海拔高度為90m。它在大地構(gòu)造上屬于粵西隆起帶，本地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，總體格局為一組北東向的活動(dòng)斷層和一組北西向的活動(dòng)斷層互相切割，形成網(wǎng)格狀構(gòu)造。其中，北東向的斷層有合浦—玉林—梧州斷裂、廉江—信宜—牛衛(wèi)斷裂、湛江—吳川—四會(huì)斷裂;北西向的斷層有橫縣—博白—茂名斷裂、高州—電白斷裂、茶山—閘坡斷裂[1]。臺(tái)站基巖為花崗片麻巖，巖性堅(jiān)硬、完好，節(jié)理不發(fā)育。

3號(hào)井位于臺(tái)站大院內(nèi)，為靜水位觀測(cè)井，于2006年8月建成。開(kāi)孔直徑168mm，終孔直徑130mm，孔深100.7m，終孔斜度2.71°，止水深度29.84m，穩(wěn)定水位深度4.2m，井底沉渣孔1.2m，直徑110mm?？卓谥?4.4m處為微風(fēng)化眼球狀混合巖，以下至井底為微風(fēng)化黑云母變粒巖和微風(fēng)化眼球狀混合巖，儲(chǔ)水空隙類(lèi)型以裂隙承壓水為主，含有少量孔隙水。觀測(cè)層地下水埋藏類(lèi)型以混合型水為主。井孔水的化學(xué)特征為pH值7.2中性水，水的化學(xué)類(lèi)型為重碳酸鹽-鈉型水。

2007年5月27日安裝了LN-3型數(shù)字水位儀。水位儀傳感器投放深度離井口9m，每分鐘測(cè)量一次水位數(shù)據(jù)，并可自動(dòng)判別和記錄水位突發(fā)異常事件，當(dāng)水位變化速率超過(guò)所設(shè)定的閾值時(shí)，水位儀會(huì)自動(dòng)識(shí)別并加密采樣速率，由每分鐘一次加密到每秒一次，如圖1所示。12年的觀測(cè)資料顯示，水位觀測(cè)正常，數(shù)據(jù)連續(xù)可靠，能記錄到清晰的固體潮，也能記錄到降雨后的干擾情況，對(duì)大震也有較明顯的同震響應(yīng)。

2 3號(hào)井水位同震響應(yīng)震例分析

2008—2018年，全球共發(fā)生33次7.8級(jí)以上地震，3號(hào)井水位記錄到同震響應(yīng)的有7次，響應(yīng)比例為21.21%，如表1所示。

2.1 四川汶川8.0級(jí)地震

2008年5月12日14：28，四川汶川（31.0°N，103.4°E）發(fā)生8.0級(jí)地震，震源深度14km，震中距離3號(hào)井1 219km。3號(hào)井水位觀測(cè)5月12日14：33初動(dòng)數(shù)據(jù)為4.824m，18日12：20記錄到最低水位值5.339m，顯示水位震后出現(xiàn)大幅度的下降，下降趨勢(shì)從5月12日一直持續(xù)到18日，下降幅度為0.515m，如圖2所示。

2.2 日本9.0級(jí)地震

2011年3月11日13：46，日本本州島東部海域（38.1°N，142.6°E）發(fā)生9.0級(jí)地震，震源深度20km，震中距離3號(hào)井3 489km。水位觀測(cè)3月11日14：03初動(dòng)數(shù)據(jù)為5.012m，17日00：16記錄到最低水位5.542m，數(shù)據(jù)顯示水位震后出現(xiàn)大幅度下降，下降趨勢(shì)從3月11日一直持續(xù)到17日，下降幅度為0.530m，如圖3所示。

2.3 蘇門(mén)答臘島8.6級(jí)地震和8.2級(jí)地震

2012年4月11日16：38，蘇門(mén)答臘島北部附近海域（2.30°N，93.1°E）發(fā)生8.6級(jí)地震，震源深度20km，震中距離3號(hào)井2 949km;同日18：43，蘇門(mén)答臘島北部附近海域（0.80°N，92.4°E）發(fā)生8.2級(jí)地震，震源深度20km，震中距離3號(hào)井3 128km。當(dāng)天，蘇門(mén)答臘島附近海域發(fā)生了兩次地震，其間隔時(shí)間較短，僅有125min，水位出現(xiàn)較大的同震響應(yīng)。水位觀測(cè)4月11日16：40初動(dòng)數(shù)據(jù)為4.954m，4月15日22：53記錄到最低水位值5.220m，數(shù)據(jù)顯示，水位震后出現(xiàn)大幅度下降，下降趨勢(shì)從4月11日一直持續(xù)到15日，下降幅度為0.266m，如圖4所示。

2.4 巴基斯坦7.8級(jí)地震

2013年9月24日19：29，巴基斯坦（27.0°N，65.5°E）發(fā)生7.8級(jí)地震，震源深度40km，震中距離3號(hào)井4 600km;水位觀測(cè)9月24日19：37初動(dòng)數(shù)據(jù)為3.995m，到9月26日08：03記錄到最低水位值4.078m，數(shù)據(jù)顯示，水位震后出現(xiàn)階降，下降趨勢(shì)從9月24日一直持續(xù)到26日，下降幅度為0.083m，如圖5所示。

2.5 尼泊爾8.1級(jí)地震

2015年4月25日14：11，尼泊爾（28.2°N，84.7°E）發(fā)生8.1級(jí)地震，震源深度20km，震中距離3號(hào)井2 713km。水位觀測(cè)4月25日14：23初動(dòng)數(shù)據(jù)為4.560m，27日22：29記錄到最低水位值4.636m，數(shù)據(jù)顯示，水位震后出現(xiàn)階降，下降趨勢(shì)從4月25日一直持續(xù)到27日，數(shù)據(jù)下降幅度為0.076m，如圖6所示。

2.6 蘇門(mén)答臘島7.8級(jí)地震

2016年3月2日20：49，印度尼西亞蘇門(mén)答臘島海域（4.90°S，94.21°E）發(fā)生7.8級(jí)地震，震源深度20km，震中距離3號(hào)井3 538km。水位觀測(cè)3月2日20：50數(shù)據(jù)為4.483m，3月8日01：23記錄到最低水位值4.712m，數(shù)據(jù)顯示，水位震后出現(xiàn)大幅度的階降，下降趨勢(shì)從3月2日一直持續(xù)到8日，下降幅度為0.229m，如圖7所示。

3 結(jié)論

①在統(tǒng)計(jì)的2008—2018年33次7.8級(jí)以上地震中，3號(hào)井水位記錄到同震響應(yīng)的有7次，響應(yīng)比例為21.21%。由此可見(jiàn)，該井水位對(duì)大震的響應(yīng)能力較強(qiáng)，雖然所處的區(qū)域?qū)儆谏僬鹑跽鸬貐^(qū)，但對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)大震的遠(yuǎn)場(chǎng)效應(yīng)反應(yīng)靈敏，能反映出區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)變化引起的含水層應(yīng)力應(yīng)變的變化[2]。井水位變化幅度與震級(jí)和震中距有關(guān)，震中距離越近，震級(jí)越大，同震響應(yīng)比例越高，變化幅度越明顯。

②地震引起的水位同震變化主要表現(xiàn)為三種：振蕩型、階躍型和振蕩-階躍復(fù)合型。振蕩型變化是指在地震波的影響下水位在原平衡中心線快速來(lái)回波動(dòng)，地震波過(guò)后能較快恢復(fù)原來(lái)的變化形態(tài);階躍變化是指在地震波的影響下水位偏離震前水位線并產(chǎn)生臺(tái)階，改變水位的背景，出現(xiàn)階梯式的抬升或下降，這種變化需要較長(zhǎng)時(shí)間才能恢復(fù)，有時(shí)甚至產(chǎn)生永久性改變;振蕩-階躍復(fù)合型則是振蕩型和階躍型兩種類(lèi)型的綜合表現(xiàn)[3，4]。當(dāng)?shù)卣鸩ǖ竭_(dá)時(shí)，井所在含水巖體受到壓應(yīng)力或拉應(yīng)力的作用，造成含水層的孔隙壓力發(fā)生突變而形成階變[5]，含水層所受的應(yīng)力增大后體積被壓縮就造成水位的上升，而含水層所受的應(yīng)力降低后體積膨脹就造成水位的下降[6]。3號(hào)井水位在以上所對(duì)應(yīng)的大震同震響應(yīng)中表現(xiàn)出階躍方向均向下的特征，顯示該井含水層巖體受到拉張力作用，巖石孔隙率變大導(dǎo)致孔隙水壓變小，水流由井孔返回含水層致使水位下降[7]，屬于階降變化，下降趨勢(shì)持續(xù)幾天。

③水位同震響應(yīng)上升和下降的方向不因地震的遠(yuǎn)近、大小、震源機(jī)制或地震方向的變化而變化，更多地受控于本地的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境和水文地質(zhì)條件[3]。水位同震階躍響應(yīng)的方向能在一定程度上反映本區(qū)域所受的構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)，為大震后區(qū)域應(yīng)力調(diào)整的表現(xiàn)。當(dāng)井水位同震階升時(shí)，井區(qū)壓應(yīng)力增加，意味著井區(qū)應(yīng)力狀態(tài)的加強(qiáng)，在一定程度上提升了該區(qū)域發(fā)震的危險(xiǎn)性;當(dāng)井水位同震階降時(shí)，大震對(duì)井區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變?yōu)閺垜?yīng)力，在一定時(shí)期內(nèi)不利于該區(qū)域大震的發(fā)生[3，4]。分析3號(hào)井震例可知，水位階躍方向均為階降變化，反映出震例中的遠(yuǎn)場(chǎng)大震對(duì)本地區(qū)應(yīng)力作用以拉張為主，它對(duì)本地區(qū)起著減震作用，在一定時(shí)期內(nèi)不利于大震的發(fā)生。

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