新疆新21號(hào)泉水位同震響應(yīng)研究及預(yù)測(cè)意義初探①

趙 娜， 賈東輝， 梁 卉， 劉建明

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011)

地下水具有一定的流動(dòng)性、普遍性和不可壓縮性，當(dāng)它是一個(gè)封閉的受壓系統(tǒng)時(shí)，可以客觀、靈敏地反應(yīng)地殼中的應(yīng)力變化狀態(tài)[1]。研究地下水水位的同震響應(yīng)可直接、有效的揭示地殼介質(zhì)對(duì)應(yīng)力—應(yīng)變的響應(yīng)過(guò)程[2]。地震波會(huì)造成動(dòng)態(tài)應(yīng)力改變，使含水層巖體滲透率改變，這就是遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)震引起水位同震響應(yīng)的原因。對(duì)于近場(chǎng)大震而言，地震孕育過(guò)程中，斷層破裂會(huì)造成靜態(tài)應(yīng)力改變，使巖體中孔隙壓力改變，從而引發(fā)水位同震響應(yīng)[3]。陳瑋等[4]從計(jì)算不同井的地震能量密度分析水位映震能力大小。胡小靜等[5]計(jì)算普洱大寨井水位M2波相位差，分析研究含水層系統(tǒng)滲透率與井水位同震響應(yīng)之間的關(guān)系。劉凱等[6]研究顯示，區(qū)域構(gòu)造環(huán)境和井水文地質(zhì)條件是影響同震響應(yīng)規(guī)律變化的關(guān)鍵因素。汪成民等[7]分析大量同震數(shù)據(jù)資料，根據(jù)震中距的大小劃分出不同的同震響應(yīng)形態(tài)，王妍等[8]發(fā)現(xiàn)同震響應(yīng)形態(tài)與震中距之間不存在必然聯(lián)系。上述研究表明，井水位同震響應(yīng)的機(jī)理比較復(fù)雜，因此各學(xué)者針對(duì)不同的研究提出了不同的觀點(diǎn)。顏龍等[9]從“多井多震”方面研究了新疆井水位的同震響應(yīng)特征，李新勇等[10]對(duì)1990～2012年期間新21號(hào)泉水位前兆異常特征及部分全球強(qiáng)震引發(fā)的同震響應(yīng)進(jìn)行了詳細(xì)梳理研究。但該泉2016年重建以來(lái)的同震響應(yīng)特征未有學(xué)者進(jìn)行系統(tǒng)全面的研究。本文中選取新疆呼圖壁新21號(hào)泉LN-3A水位儀記錄的水位分鐘值數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)2016年9月至2021年8月近5年內(nèi)的水位同震響應(yīng)特征，計(jì)算地震能量密度和含水層M2波相位差，分析該泉的同震響應(yīng)機(jī)理、映震能力，初探同震響應(yīng)幅度與計(jì)算響應(yīng)幅度、S波最大振幅速度之間的差異性對(duì)后續(xù)地震活動(dòng)的預(yù)測(cè)意義。不僅可以增加數(shù)據(jù)樣本，補(bǔ)充該泉同震響應(yīng)資料，同時(shí)為研究地殼對(duì)應(yīng)力—應(yīng)變的響應(yīng)具有重大意義。

1 觀測(cè)井基本概況

新21號(hào)泉位于昌吉州呼圖壁縣境內(nèi)，海拔高度1 370 m，出露于石炭系火山凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)角礫巖構(gòu)成的背斜軸部和準(zhǔn)噶爾南緣大斷裂東端上盤[11]。該泉于1990年開始系統(tǒng)觀測(cè)水位，最早采用SW-40水位儀模擬生成觀測(cè)數(shù)據(jù)，2009年開始使用LN-3A數(shù)字化水位儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)，2012年8月因山洪沖毀了井房及觀測(cè)儀器，開始采用每周一次的人工觀測(cè)數(shù)據(jù)，2014年8月對(duì)該泉完成觀測(cè)點(diǎn)重建工作，10月底水位和水溫?cái)?shù)據(jù)并入前兆數(shù)據(jù)庫(kù)，直到2016年8月數(shù)據(jù)測(cè)試穩(wěn)定并開始正常觀測(cè)，該泉重建后沿用LN-3A數(shù)字化水位儀觀測(cè)數(shù)據(jù)，采樣率為1次/分鐘。該泉靜水位動(dòng)態(tài)十分穩(wěn)定，周圍1 km以內(nèi)無(wú)地下水抽取或注水，水位動(dòng)態(tài)變化與周邊地表水體無(wú)關(guān)，偶爾會(huì)有循序漸進(jìn)的變化。

2 結(jié)果與分析

對(duì)距新21號(hào)泉震中200 km內(nèi)的MS≥4.0地震、500 km內(nèi)的MS≥5.0地震及全球范圍內(nèi)MS≥7.0強(qiáng)震整理歸納，共獲取83次地震(表1)。其中4.0≤MS≤4.9地震14次，5.0≤MS≤5.9地震7次，6.0≤MS≤6.9地震2次，7.0≤MS≤7.9地震54次，MS≥8.0地震5次。查看地震發(fā)生時(shí)新21號(hào)泉水位對(duì)應(yīng)的變化，統(tǒng)計(jì)出在此期間內(nèi)共7次地震發(fā)生后，水位出現(xiàn)同震響應(yīng)變化。對(duì)這7次地震的發(fā)生時(shí)間、地點(diǎn)、震源深度與震級(jí)等進(jìn)行歸納，同時(shí)對(duì)地震發(fā)生后水位出現(xiàn)的同震變化時(shí)間、變化幅度和響應(yīng)形態(tài)進(jìn)行分析(圖1、表2)。

表1 按震級(jí)分檔統(tǒng)計(jì)同震響應(yīng)事件百分比

2.1 同震響應(yīng)特征統(tǒng)計(jì)

新21號(hào)泉水位觀測(cè)資料中有響應(yīng)的地震為7次，記震率為8.43 %(表1)。該泉對(duì)70 km范圍內(nèi)MS<5.0地震、300 km范圍內(nèi)MS<7.0地震能產(chǎn)生同震響應(yīng)現(xiàn)象，其中在20 km范圍內(nèi)響應(yīng)能力最強(qiáng)(表2)。因此，新21號(hào)泉水位僅在震中距為300 km范圍內(nèi)的MS<7.0近震發(fā)生同震響應(yīng)現(xiàn)象，而遠(yuǎn)震的映震能力較弱。由于地震響應(yīng)事件的樣本量比較少，推斷結(jié)果可能與實(shí)際有所偏差，因此需要更多的震例進(jìn)行驗(yàn)證。

水位異常變化時(shí)間均晚于地震的發(fā)震時(shí)刻(≤25 min)，即具有明顯的滯后效應(yīng)，并與震中距呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，即距離震中越遠(yuǎn)，水位的響應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)。變化幅度3～249 mm，范圍多處于10 mm內(nèi)(占82.6%)。響應(yīng)形態(tài)表現(xiàn)為震蕩型、階變型、脈沖型和脈沖—階變型4種，同震響應(yīng)曲線如圖1所示，其中圖1(b)、圖1(c)和圖1(f)中的水位變化為振蕩型，圖1(g)為階變型，圖1(e)為典型的脈沖型，圖1(a)和1(d)型則是兼有脈沖和階變變化的脈沖—階變型。汪成民等[7]對(duì)大量同震數(shù)據(jù)資料分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)震中距小于500 km時(shí)，水位以階變型為主要響應(yīng)特征；當(dāng)震中距大于2 000 km時(shí)，水位以震蕩型為主要響應(yīng)特征，因此井水位對(duì)近震的同震響應(yīng)形態(tài)與遠(yuǎn)震有所不同。本次研究中7次地震的震中距最小為13 km，最大則達(dá)到近7 436 km，其中2016年呼圖壁MS6.2地震和2018年昌吉MS4.3地震的震中距小于500 km，是以階變型為主的復(fù)合形態(tài)，符合上述規(guī)律；其余5次地震則不符合上述研究(表2)。

圖1 水位同震響應(yīng)Fig.1 Co-seismic response of water level

表2 同震響應(yīng)特征統(tǒng)計(jì)表

2.2 地震能量密度和含水層滲透性變化

2.2.1 地震能量密度

地震能量密度表示地震波在傳播過(guò)程中作用在單位體積地層介質(zhì)上的最大能量值，相關(guān)研究表明，地震能量密度(e)達(dá)到一定閾值才能觸發(fā)同震響應(yīng)，它與地震的震級(jí)(M)、震中距(h)緊密相關(guān)。Wang等[12]推導(dǎo)出地震能量密度計(jì)算公式，

lg(h)=0.48M-0.33lg(e)-1.4.

(1)

圖2 水位同震響應(yīng)能量密度Fig.2 Energy density of water level co-seismic response

式中，當(dāng)震中距一定時(shí)，地震能量密度隨震級(jí)增大而增大；當(dāng)震級(jí)一定時(shí)，則隨震中距的增加而減少。觸發(fā)同震響應(yīng)的地震能量密度越小，觀測(cè)井映震能力越強(qiáng)。史浙明等[13]研究表明，觸發(fā)中國(guó)大部分井網(wǎng)水位響應(yīng)的能量密度閾值為10-3J/m3。根據(jù)2016年以來(lái)新21號(hào)泉水位同震響應(yīng)數(shù)據(jù)，對(duì)該泉的地震響應(yīng)能量密度定量計(jì)算，引起該泉同震響應(yīng)的能量密度絕大部分大于10-3J/m3。因此，新21號(hào)泉不易觸發(fā)水位同震變化(圖2)。

2.2.2 含水層滲透性變化分析

地震使井水位發(fā)生變化的同時(shí)，也會(huì)以多種形式影響含水層滲透系數(shù), 甚至改變含水層孔彈性參數(shù)，進(jìn)而引發(fā)井水位潮汐振幅和相位差的變化。井水位潮汐受到固體潮、氣壓潮和海洋潮汐等多種荷載的影響，而M2、S2、0l、S1、Kl和M3波等5個(gè)潮汐分波包含了井水位變化的大部信息。其中，M2波是振幅最大、影響因素最少的一個(gè)諧波，是分析水位固體潮和含水層特征最為有效的潮汐分量。本研究采用Baytap.G(Bayesian Tidal Analysis Program-G ouping Model)潮汐分析軟件對(duì)近5年來(lái)的水位進(jìn)行調(diào)和分析，將M2波相位差按照月值進(jìn)行繪圖，新21號(hào)泉M2波相位差整體在150°附近波動(dòng)(圖3)。2016年呼圖壁MS6.2地震前一個(gè)月，相位差突然由正值變負(fù)值，并在地震發(fā)生時(shí)由負(fù)值變正值；2018年昌吉MS4.3地震，呼圖壁MS4.0地震和2021年美國(guó)阿拉斯加州以南海域MS8.1地震發(fā)生時(shí)，相位差瞬時(shí)由正值變負(fù)值，并很快恢復(fù)正常，這表示地震發(fā)生時(shí)新21號(hào)泉的含水層滲透性發(fā)生明顯改變。而2017年精河MS6.6地震，2018年烏魯木齊MS4.8地震和呼圖壁MS4.5地震并未造成含水層滲透性的明顯改變。

2.3 后續(xù)預(yù)測(cè)意義分析

2.3.1 同震響應(yīng)幅度的差異性

已有研究表明,水位的變化幅度與地震震級(jí)、震中距之間存在如下定量關(guān)系[14]，

lgΔhi=α1M+α1lgD+α3.

(2)

式中，α1、α2、α3為常數(shù)；Δhi為水位變化幅度，單位為mm；D為震中距，單位為km；M表示面波震級(jí)。

對(duì)新21號(hào)泉的水位變化幅度、震中距和震級(jí)之間做二元線性回歸計(jì)算得到關(guān)系式，

lgΔhi=0.690M-1.128lgD-0.584.

(3)

水位變化幅度的偏差率是指實(shí)際值比預(yù)測(cè)值的偏差程度(表3)，對(duì)偏差率進(jìn)行歸一化處理后，2018年昌吉MS4.3地震和2018年呼圖壁MS4.5地震的同震響應(yīng)變化幅度與正常狀態(tài)存在顯著差異，并分別于震后6個(gè)月、震后2個(gè)月內(nèi)在北天山地區(qū)發(fā)生了精河MS5.4、塔城MS5.2地震。

2.3.2 同震響應(yīng)幅度與地震波振幅

通常認(rèn)為，水位的同震響應(yīng)與S波密切相關(guān)。理論上，當(dāng)周圍介質(zhì)處于正常狀態(tài)時(shí)，地震臺(tái)在小范圍內(nèi)每次地震時(shí)所記錄到的S波的最大振幅與水位的同震響應(yīng)振幅具有一定的正比關(guān)系[15]。因此從呼圖壁臺(tái)記錄的6次同震響應(yīng)的地震波中統(tǒng)計(jì)S波的最大振幅速度，與同震響應(yīng)的振幅進(jìn)行線性回歸擬合計(jì)算其殘差(表3)。因此，結(jié)合同震響應(yīng)幅度的偏差率研究，2018年呼圖壁MS4.5地震的同震響應(yīng)幅度分別與預(yù)測(cè)值、最大振幅速度之間存在較為明顯的偏離，可能表明地震發(fā)生時(shí)，能量尚未完全釋放，該地區(qū)應(yīng)力水平仍較高，可能預(yù)示著完成能量釋放的后續(xù)地震風(fēng)險(xiǎn)較大。呼圖壁MS4.5地震后2個(gè)月內(nèi)發(fā)生的塔城MS5.2地震可能是較好的例證。綜上所述，當(dāng)同震響應(yīng)幅度與預(yù)測(cè)響應(yīng)幅度、S波最大振幅速度均存在較為明顯的偏離時(shí)，對(duì)該區(qū)域周邊后續(xù)中強(qiáng)地震的活動(dòng)性具有一定的指示意義。

表3 同震響應(yīng)幅度和波形最大振幅速度

3 討論與結(jié)論

(1) 響應(yīng)機(jī)理分析。2017年精河MS6.6地震(圖1b)、2018年烏魯木齊MS4.8地震(圖1c)和2018年呼圖壁MS4.5地震(圖1f)中的水位變化為振蕩型，說(shuō)明地震產(chǎn)生的地震波在傳播至井孔含水層和周邊巖體時(shí)，彈性壓縮和膨脹變形在含水層中交替發(fā)生，導(dǎo)致含水層中的孔隙壓力交替增大和減小，產(chǎn)生有規(guī)律的地下水位振蕩，地震波過(guò)去后，水位很快就會(huì)恢復(fù)到與以前一樣[15]。同時(shí)，地震發(fā)生時(shí)水位M2波的相位差沒(méi)有發(fā)生顯著的正負(fù)值改變，說(shuō)明該泉的含水層滲透性未發(fā)生改變。2018年呼圖壁MS4.0地震為典型的脈沖型(圖1e)，其機(jī)理可用震蕩型水位解釋。2016年呼圖壁MS6.2地震和2018年昌吉MS4.3地震發(fā)生時(shí)，其水位異常形態(tài)復(fù)雜。起初有向下的脈沖異?，F(xiàn)象，然后水位上升，呈現(xiàn)顯著的階升形態(tài)。兩次地震與新21號(hào)泉的震中距均小于20 km，受震源構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的影響較大。地震發(fā)生時(shí)，含水層介質(zhì)出現(xiàn)了一定的彈性形變，使地下水位先呈現(xiàn)出脈沖型異常；震后，地下水位在震源構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的擠壓作用下表現(xiàn)出顯著的大幅度上升異常，變幅分別為249 mm和55 mm，且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，說(shuō)明表面含水層介質(zhì)遭到破壞，可能產(chǎn)生了塑性變形。呼圖壁MS6.2地震發(fā)生時(shí)水位M2波的相位差由負(fù)值變?yōu)檎?，昌吉MS4.3地震發(fā)生時(shí)M2波的相位差瞬時(shí)由正值變負(fù)值，說(shuō)明該泉的含水層滲透性發(fā)生了明顯改變。

一般情況下，階變型水位的同震響應(yīng)是由近震引起的，但也存在遠(yuǎn)震引起的同震階變現(xiàn)象[6, 16]。2021年美國(guó)阿拉斯加州以南海域MS8.1地震，距新21號(hào)泉震中超過(guò)2 000 km，同震響應(yīng)形態(tài)為階變型(圖1g)，不能直接用靜態(tài)應(yīng)力場(chǎng)理論來(lái)說(shuō)明，可以理解為地震波作用于含水層結(jié)構(gòu)進(jìn)行相互影響的結(jié)果。遠(yuǎn)震的作用機(jī)制可能是，在地震波到達(dá)瞬時(shí)，含水層結(jié)構(gòu)巖石原有裂縫體系出現(xiàn)彈—塑性的張開和閉合現(xiàn)象，當(dāng)張開程度小于閉合程度時(shí)，含水層介質(zhì)被擠壓，孔隙被堵塞，從而引起含水層滲透系數(shù)減小，導(dǎo)致水位顯著階升[6]。地震發(fā)生時(shí)水位M2波的相位差瞬時(shí)由正值變負(fù)值也定量的說(shuō)明含水層滲透性發(fā)生了改變。因此，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境和井孔水文地質(zhì)條件是影響水位同震變化形態(tài)的主要因素，與震中距之間不存在必然聯(lián)系，含水層對(duì)地震波的響應(yīng)模式?jīng)Q定了同震響應(yīng)的變化形態(tài)是振蕩型還是階變型。當(dāng)同震響應(yīng)形態(tài)為震蕩型表明含水層滲透性未發(fā)生改變，響應(yīng)形態(tài)為階變型表明含水層滲透性發(fā)生了改變。地震波僅作為觸發(fā)因素，水文地質(zhì)條件變化才是決定因素。

(2) 映震能力分析。新21號(hào)泉的記震率為8.43%，僅在震中距為300 km范圍內(nèi)的MS<7.0近震發(fā)生同震響應(yīng)現(xiàn)象，對(duì)遠(yuǎn)震的映震能力較弱。通過(guò)計(jì)算能量密度閾值發(fā)現(xiàn)，7次地震中共有6次地震能量密度閾值大于10-3J/m3，表明該泉不易觸發(fā)水位的同震變化。因此，本研究定量說(shuō)明該泉的映震能力較弱。而前人對(duì)1990～2012年期間新21號(hào)泉水位前兆異常特征進(jìn)行詳細(xì)梳理分析指出，該泉的映震能力強(qiáng)；同時(shí)對(duì)部分全球強(qiáng)震引發(fā)的同震響應(yīng)進(jìn)行整理研究，結(jié)果顯示共有14次MS>7.0 大震引發(fā)了水位同震響應(yīng)現(xiàn)象[10]。但由于該泉前期采用的是模擬觀測(cè)數(shù)據(jù)，資料缺失及人為誤差的弊端會(huì)造成難以逐一查找同震響應(yīng)事件，使該泉的同震響應(yīng)數(shù)據(jù)資料不夠完整，無(wú)法準(zhǔn)確定量地反映其映震能力，因此，無(wú)法對(duì)研究結(jié)果作出指導(dǎo)與參考。映震能力與觀測(cè)地區(qū)的含水層巖性有關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，越堅(jiān)硬、難以變形的巖體地區(qū)水位潮幅變化越大，越松軟、易于變形的巖體潮幅變化越小，該泉的含水層為火山凝灰?guī)r，屬于較軟巖，記錄到的同震響應(yīng)幅度較小，因此映震能力較差。綜上所述，新21號(hào)泉的映震能力較弱，但映震能力還與井孔振動(dòng)周期、水位觀測(cè)儀器的固有頻率[4]和采樣率[17]、含水層滲透率[5]、水動(dòng)力學(xué)性質(zhì)[18-20]等多重因素有關(guān)，仍需進(jìn)一步研究。

通過(guò)對(duì)新21號(hào)泉在近5年內(nèi)引發(fā)的同震水位響應(yīng)統(tǒng)計(jì)及分析研究，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

① 新21號(hào)泉水位響應(yīng)地震為7次，記震率為8.43 %，其中有6次地震能量密度閾值大于10-3J/m3；并且僅對(duì)300 km范圍內(nèi)MS<7.0近震產(chǎn)生同震響應(yīng)現(xiàn)象，對(duì)遠(yuǎn)震映震能力較弱。因此，該泉不易觸發(fā)水位的同震變化，映震能力較弱。② 水位同震響應(yīng)形態(tài)與震中距之間不存在必然聯(lián)系，含水層對(duì)地震波的響應(yīng)模式?jīng)Q定了同震響應(yīng)的變化形態(tài)是振蕩型還是階變型，震蕩型表明含水層滲透性未發(fā)生改變，階變型表明含水層滲透性發(fā)生了改變。③ 水位同震響應(yīng)變化幅度為3～249 mm，幅度與震級(jí)呈正相關(guān)關(guān)系、與震中距的對(duì)數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，水位變化受震級(jí)與震中距的嚴(yán)格約束。④ 水位同震響應(yīng)幅度與計(jì)算響應(yīng)幅度、S波最大振幅速度均存在較為顯著的偏離時(shí)，表明能量并未完全釋放，區(qū)域內(nèi)應(yīng)力水平仍然較高，這對(duì)后續(xù)周邊中強(qiáng)地震的活動(dòng)性具有一定的指示意義。