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井水位同震响应是地震波作用于井孔含水层系统的最直接体现[1]。同震响应能够有效揭示孔隙压和周围介质应变的变化特征,反映介质的应力-应变过程[2],其现象包含着一定的前兆信息,能够在一定程度上反映出地震发生及震后调整过程[3]。目前,同震响应以井水位、水温为主要研究对象,井水位同震响应效果明显优于水温。沈平等[1]研究了湖南省13口井水位远场大震的同震响应特征,认为井-含水层系统的固有振动周期越接近地震瑞利波的振动周期响应能力越明显;陆丽娜等[4]分析了赵各庄井地下流体的映震响应,发现井水位同震响应异常变化与断裂带的活动性有关,而水位异常变化又会影响断裂带的活动,故认为分析远场大震引起的同震响应机理和特征对余震、外围区及井附近未来可能发生地震的地点具有一定的指示性意义。因此,加强井水位对远场大震的同震响应特征研究对于促进地震预测研究和地壳应力状态变化研究具有重要意义。
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范县井位于河南省范县颜村铺乡榆林头村(35.88°N,115.56°E)。此井原为石油勘探井,1979年进行改造并投入地震观测。该井深2 267.03 m,孔口标高46.2 m,套管深度1 032.32 m,直接坐落于古生代奥陶纪灰岩地层上,采用水泥固井,止水条件好,观测层段为1 030.0~1 977.0 m,为古生代奥陶纪石灰岩岩溶裂隙承压水,裸孔观测[5]。观测井具有裂隙发育、含水层厚度大、承压性能强、封闭性好的特点(图1)。
范县井四周为广阔的黄河冲积平原区,古生代基岩埋深1 010 m,第四系沉积厚度大于250 m[6]。构造上位于华北断陷区南部,NNE向兰聊断裂带中段与近EW向汶泗断裂交汇处附近,属鲁西隆起西部边缘地带。
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范县井于1979年12月正式投入观测,1982年采用SW-40型水位仪进行模拟观测,2015年开始采用SWY-2型数字式水位仪进行观测,观测仪器分辨率优于1 mm,采样率1次/s,量程0~10 m,仪器运行长期稳定可靠。近几十年的观测资料表明,范县井水位可有效反映出地球固体潮、气压波动,并有良好的映震能力;水位年动态受降雨影响较小,是一口灵敏度和精度都较高的静水位观测井。
本次研究选取的静水位数据起止时间为2018—2021年,为分钟值。地震目录来源于中国地震台网目录,选取2018—2021年期间全球发生的MS6.5及以上地震。
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在统计期间内,全球共发生MS6.5及以上地震196次,其中具有同震响应的地震次数为34次,占全部地震的17.35%(表1)。
表 1 范县井对不同震级地震响应次数统计表
Table 1. The response times statistics of Fanxian well to seismic event
测项 数据时段 次数 MS 6.5~6.9 7.0~7.9 ≥8.0 井水位 2018—2021年 发震/次 135 58 3 响应/次 5 26 3 -
从响应特征筛选和计算结果(表2)可知,范县井水位同震响应时间最长的是2021年3月5日克马德克群岛MS8.1地震,震后128 min井水位开始响应;响应最短的是2021年5月22日青海玛多MS7.4地震,响应时间仅有3 min。
表 2 范县井水位同震响应特征
Table 2. The co-seismic responsive characteristic of water level in Fanxian well
发震日期 发震时刻 水位开始变化时间/时:分 纬度/(°N) 经度/(°E) MS 震源深度/km 震中距/km 参考地点 水位变化幅度/mm 同震响应形态类型 滞后时间/min 2018-01-10 10:51:33 11:39 17.24 −83.33 7.9 10.90 13 773 加勒比海 15 振荡型 48 2018-01-23 17:31:37 17:50 56.00 −149.06 8.2 10.90 7 076 阿拉斯加湾 13 振荡-脉冲型 19 2018-02-04 21:56:41 22:01 24.12 121.42 6.6 12.71 1 422 台湾花莲海域 65 振荡-脉冲型 5 2018-02-26 01:44:42 01:59 −6.11 142.46 7.3 30.90 5 444 新几内亚 26 脉冲型 15 2018-05-05 06:32:53 07:10 19.25 −155.08 6.8 10.90 8 707 夏威夷群岛 30 脉冲型 38 2018-08-05 19:46:34 20:07 −8.20 116.27 6.9 30.90 4 898 巴厘地区 7 脉冲型 21 2018-08-19 08:19:37 08:40 −18.06 −178.06 7.8 570.90 9 190 斐济地区 6 振荡-脉冲型 21 2018-09-28 18:02:42 18:11 −0.15 119.54 7.4 10.90 5 212 米那哈沙半岛(西里伯斯) 7 振荡型 9 2018-12-21 01:01:53 01:17 54.56 164.47 7.7 20.90 4 240 科曼多尔群岛地区 14 脉冲型 16 2018-12-29 11:39:07 11:50 5.00 126.50 7.0 50.90 3 609 棉兰老岛 19 脉冲型 11 2019-02-22 18:17:20 19:01 −2.10 −76.52 7.1 140.90 16 048 秘鲁 24 振荡-脉冲型 44 2019-05-07 05:19:36 05:43 −6.54 146.30 7.3 130.90 5 697 新几内亚东部地区 53 脉冲型 24 2019-05-14 20:58:28 21:13 −4.10 152.29 7.7 30.90 5 857 新不列颠地区 28 振荡-脉冲型 15 2019-05-26 15:41:12 16:20 −5.49 −75.11 7.6 100.90 16 444 秘鲁北部 7 振荡-脉冲型 39 2019-06-24 10:53:36 11:10 −6.21 129.15 7.1 210.90 4 886 班达海 14 脉冲型 17 2019-07-14 17:10:48 17:23 −0.32 128.11 7.0 10.90 4 226 查伊洛洛贾洛洛(哈马黑拉)岛 21 脉冲型 13 2019-11-15 00:17:41 00:31 1.00 126.33 7.1 50.90 4 032 马鲁古海峡 41 脉冲型 14 2020-01-29 03:10:22 03:48 19.28 −78.47 7.9 10.90 13 697 加勒比海 9 振荡型 38 2020-03-25 10:49:16 10:59 48.56 157.44 7.6 30.90 3 666 千岛群岛地区 5 脉冲型 10 2020-07-22 14:12:37 14:30 55.08 −158.35 7.9 10.90 6 577 阿拉斯加以南地区 11 振荡-脉冲型 18 2020-10-20 04:54:36 05:19 54.44 −159.47 7.7 39.90 6 533 阿拉斯加半岛 5 振荡型 25 2021-01-12 05:32:58 05:41 51.17 100.30 7.2 10.90 2 088 蒙古 8 脉冲型 9 2021-02-10 21:19:55 21:45 −23.03 171.30 7.3 10.90 8 780 洛亚尔提群岛地区 13 振荡型 26 2021-02-13 22:07:47 22:17 37.42 141.48 7.3 50.90 2 309 本州东海岸近海 11 脉冲型 10 2021-03-04 21:27:32 22:07 −37.25 179.30 7.3 10.90 10 443 新西兰北岛东海岸远海 38 振荡型 40 2021-03-05 01:41:16 03:48 −29.44 −177.40 7.4 10.90 10 082 克马德克群岛 7 振荡型 127 2021-03-05 03:28:30 05:36 −29.31 −177.02 8.1 10.90 10 100 克马德克群岛 14 振荡型 128 2021-03-20 17:09:43 17:13 38.26 141.50 6.9 60.90 2 307 本州东海岸近海 99 脉冲型 4 2021-05-22 02:04:13 02:07 34.37 98.22 7.4 17.63 1 582 青海玛多 4 脉冲型 3 2021-07-29 14:15:41 14:33 55.27 −157.57 8.1 10.90 6 616 阿拉斯加以南地区 4 振荡型 18 2021-08-14 20:29:09 21:24 18.24 −73.18 7.8 10.90 13 918 海地地区 17 振荡-脉冲型 55 2021-11-10 23:45:09 23:50 23.30 126.33 6.8 10.90 1 740 琉球群岛地区 26 脉冲型 5 2021-12-14 11:20:24 11:33 −7.36 122.12 7.3 35.90 4 853 佛罗勒斯地区 8 振荡-脉冲型 13 2021-12-30 02:25:51 02:39 −7.45 127.42 7.3 200.90 4 972 帝汶岛 11 脉冲型 14 在统计期间内,新几内亚附近发生具有同震响应的地震有2次,震源深度分别为30.9 km和130.9 km,相应的震后响应时间分别为15 min和24 min;秘鲁附近发生具有同震响应的地震有2次,震源深度分别100.9 km和140.9 km,相应的震后响应时间分别为39 min和44 min;阿拉斯加附近发生具有同震响应的地震有4次,发震时间分别为2018年1月23日、2020年7月22日、2020年10月20日和2021年7月29日,相应震源深度分别为10.9 km、10.9 km、39.9 km和10.9 km,相应的震后响应时间分别为19 min、18 min、25 min和18 min。由此可见,当震中距相近时,震源深度对响应时间影响明显。震源深度差相对于震中距来说,可以忽略不计。众所周知,地震波是一种弹性波,且地球内部物质均匀不一,导致地震波在不同介质传播时容易发生反射以致传播路径复杂多变。因此认为,不同震源深度的同震响应时间差主要是受地质构造不同的影响。
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在统计期间内,全球共发生MS 6.5~6.9地震135次,范县井水位有5次明显的同震响应,响应比例为3.7%;发生MS7.0~7.9地震58次,范县井水位有26次明显的同震响应,响应比例为44.8%;发生MS8.0及以上地震3次,范县井水位有3次明显的同震响应,响应比例为100%。由此可见,震级越大,同震响应越明显。
范县井水位对各远场大震的响应幅度表现不一。其中,2021年5月22日青海玛多MS7.4地震响应幅度最大,震后水位响应幅度达到99 mm;2018年2月4日台湾花莲海域MS6.6地震和2018年5月5日夏威夷群岛MS6.8地震响应幅度最小,震后水位响应幅度均为4 mm。
据已有资料证实,水位变化幅度与震级、震中距存在一定的数学关系:
$$ \lg \Delta hi = \lambda_1M + \lambda_2D + \lambda_3 $$ (1) 式中:Δhi为水位变化幅度(mm);λ1、λ2、λ3为常数;D为震中距(km);M为Ms,表示面波震级。
陆丽娜等[4]通过对赵各庄井的研究得出以下关系:
$$ \lg \Delta hi = 1.923M + 1.084D - 19.350 $$ (2) 针对范县井,根据式(1)和表(2)数据结果,对水位变化幅度、震中距和震级之间做二元回归计算分析,得到以下关系:
$$ \lg \Delta hi = - 0.490M + 0.176D + 4.120 $$ (3) 经过计算,所选震例中共有6例符合式(3),其他震例计算的预测震级均大于实测震级,显然范县井水位变化不受此公式严格约束。根据响应特征绘制出震中距、震级与水位变化幅度的三维关系图(图2),反映了引起井水位变化的地震分布情况。由图可2可看,出范县井水位对MS6.5~7.5地震响应幅度最为显著,小震中距的响应幅度相比大震中距地震有明显优势。
图 2 井水位的变化幅度与震中距、震级之间的关系
Figure 2. The correlation of water level variation to epicentral distance and earthquake magnitude
在震中距2 000 km内有3次同震响应的地震,其中非大陆型地震2次,为2018年2月4日台湾花莲海域MS6.6地震和2021年11月10日琉球群岛地区MS6.8地震,井水位响应幅度分别为4 mm和5 mm;大陆型地震1次,为2021年5月22日青海玛多MS 7.4地震,井水位响应幅度高达99 mm。由此可见,对大陆型地震响应幅度明显高于非大陆型地震。
绘制震源深度、震级与水位变化幅度关系图(图3),从中可直观看出震源深度对响应幅度影响明显,对震源深度为0~30 km的远场大震响应幅度最为明显。
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响应特征统计结果(表2)和典型水位同震响应曲线(图4)显示,范县井水位对远场大震的同震响应形态表现为脉冲型、振荡-脉冲型和振荡型3 种。图4a、4b为脉冲型,图4c、4d为振荡-脉冲型,图4e、4f为振荡型。经分析发现,对于6 000 km以内的远场大震,响应形态以脉冲型为主,并伴有少量的振荡-脉冲型;对于6 000 km及以上的远场大震,响应形态以振荡型和振荡-脉冲型为主,仅有1例2018年5月5日夏威夷群岛MS6.8地震响应形态为脉冲型。
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目前,主流认为同震响应是震后介质变形导致孔隙流体流动所致[7-8],当地震波到达观测井后,会导致观测井与含水层原有系统平衡被打破,观测井周围介质发生形变,从而导致孔隙压力变化,引发水流流速的改变。当孔隙压力变大,井孔外的水会向井孔内流动,井水位上升;当孔隙压力变小,井孔内的水会向井孔外流动,导致井水位下降[9]。
同震响应比例为17.35%,另有82.65%的地震未有同震响应。原因一是本文水位研究数据为分钟值,采样率较低,导致部分地震同震响应未能有效记录下来;二是水位同震响应存在一个与震级和震中距相关的阈值(震级权重较大),只有达到该值,才能引起水位的同震响应。从表1中可以发现,范县井未发生同震响应的地震震级主要集中在MS6.5~6.9之间,故认为未发生同震响应的地震主要是因为震级较小,地震波传至井孔周围时,地震波能量衰减严重,所剩余能量已不足以引起水位变化。
范县井埋深大,封闭性好,且含水层厚度较大。已有研究证明,这类含水层一般受降雨和浅地表水体的影响较小[10],且范县井的含水层导水能力强[11],即井—含水层振动的阻尼系数较小,意味着振动的阻力小;在地震波作用过程中,观测井与含水层水流交换时的能量损失较小,水位对地震波的响应能力更强,即响应幅度比更大。水位同震响应的幅度与观测井含水层的岩性有关,一般灰岩>变质岩>砂岩>第四系砂砾石。响应幅度还与井孔自身固有频率有关,井-含水层系统主要是对地震瑞利波产生响应,而地震波瑞利波的振动周期在20 s左右,所以井-含水层系统的固有振动周期越接近20 s,其对地震波的响应越好。
范县井对大陆型地震的响应幅度明显大于非大陆型地震,应是大陆型地震的地震波直接作用于固体地壳,地震波传至观测井周围时能量损失较小,导致井周围介质受到挤压更为明显,使得井水与含水层压差更大,从而导致响应幅度明显。非大陆型地震的地震波通过固体地壳-海水-固体地壳等不同介质能量传递转换时损耗较大,导致响应幅度较小。
对于同震响应的水位变化,近场地震以同震阶变为主[12],中场地震多出现缓变[13],而水位振荡则主要出现于远场大震[14]。通过范县井远场大震的同震响应状态研究发现,6 000 km以内的远场大震响应形态以脉冲型为主,并伴有少量的振荡-脉冲型;6 000 km及以上的远场大震响应形态以振荡型和振荡-脉冲型为主,这与以前认为远场大震以振荡型为主不同。究其原因可能是本文所使用水位数据为分钟值,导致同震响应的完整过程没有被全部记录下来,因此在水位同震响应曲线图中表现为脉冲型或振荡-脉冲型。据现有资料表明,范县井对远场大震同震响应有多种形态,并不是一成不变的,但同时根据震中距的大小不同,其同震响应形态也有较为规律的表现形式。因此笔者认为,对于不同观测井的同震响应形态,应结合自身仪器情况、地质构造、含水层条件、介质性质、历史资料等条件进行综合分析,从而更为客观地得出观测井一定震中距范围所对应的同震响应形态规律。
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本文对范县井静水位的MS6.5及以上34个远场大震进行同震响应特征分析,并探讨了同震变化机理,同时与其他学者的研究成果进行了对比。
1)范县井同震响应能力良好,尤其是对MS6.5~7.5地震之间的同震响应具有明显优势,且大陆型地震响应表现要优于非大陆型地震。
2)范县井对远场地震的响应形态有脉冲型、振荡型、振荡-脉冲型,并非单一形态,根据震中距范围的不同,响应形态伴有一定的表现规律,因此对观测井的响应形态研究应结合自身仪器情况、地质构造、含水层条件、介质性质、历史资料等条件进行综合研判。
3)震源深度对同震响应影响明显。从响应时间来看,在震中距相近时,震源越深,响应时间越晚,主要受地质构造不同的影响;从响应幅度来看,在震级相近时,震源越浅,响应幅度越大,对震源深度为0~30 km的远场大震响应幅度最为明显。
Co-seismic Response Characteristics of Well Water Level in Fanxian Well to Large Teleseismic
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摘要: 统计范县井水位对远场大震的同震响应特征,并对其响应时间、响应幅度、响应形态这3种特征进行逐一分析,探讨同震响应机理,总结规律。结果表明:观测井映震能力良好,震级越高,映震能力越好。从响应幅度来看,对MS 6.5~7.5地震之间的同震响应具有明显优势,且大陆型地震响应表现要优于非大陆型地震;在一定条件下,震源深度对响应时间和响应幅度都有较大影响;响应形态有脉冲型、振荡型、振荡-脉冲型,非单一形态,且响应形态与震中距相关。Abstract: The co-seismic response characteristics of the well water level in Fanxian County to the large teleseismic earthquakes are counted. Their response time, response amplitude, and response form are analyzed one by one. The mechanism of co-seismic response is discussed, and the rules are summarized. The results show that the observation well has a good ability to reflect earthquakes. The higher the earthquake magnitude, the observation well has the better ability to reflect earthquakes. From the perspective of the response amplitude, the co-seismic response between Ms6.5 and Ms7.5 earthquakes has obvious advantages, and the performance of continental earthquakes is better than that of non-continental earthquakes. Under certain conditions, the focal depth has a great influence on both the response time and the response amplitude. The co-seismic well water level response forms are not single, including impulse type, oscillation type and oscillation impulse type, and the response forms are related to the epicenter distance.
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Key words:
- well water level /
- co-seismic response /
- mechanism
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表 1 范县井对不同震级地震响应次数统计表
Table 1. The response times statistics of Fanxian well to seismic event
测项 数据时段 次数 MS 6.5~6.9 7.0~7.9 ≥8.0 井水位 2018—2021年 发震/次 135 58 3 响应/次 5 26 3 表 2 范县井水位同震响应特征
Table 2. The co-seismic responsive characteristic of water level in Fanxian well
发震日期 发震时刻 水位开始变化时间/时:分 纬度/(°N) 经度/(°E) MS 震源深度/km 震中距/km 参考地点 水位变化幅度/mm 同震响应形态类型 滞后时间/min 2018-01-10 10:51:33 11:39 17.24 −83.33 7.9 10.90 13 773 加勒比海 15 振荡型 48 2018-01-23 17:31:37 17:50 56.00 −149.06 8.2 10.90 7 076 阿拉斯加湾 13 振荡-脉冲型 19 2018-02-04 21:56:41 22:01 24.12 121.42 6.6 12.71 1 422 台湾花莲海域 65 振荡-脉冲型 5 2018-02-26 01:44:42 01:59 −6.11 142.46 7.3 30.90 5 444 新几内亚 26 脉冲型 15 2018-05-05 06:32:53 07:10 19.25 −155.08 6.8 10.90 8 707 夏威夷群岛 30 脉冲型 38 2018-08-05 19:46:34 20:07 −8.20 116.27 6.9 30.90 4 898 巴厘地区 7 脉冲型 21 2018-08-19 08:19:37 08:40 −18.06 −178.06 7.8 570.90 9 190 斐济地区 6 振荡-脉冲型 21 2018-09-28 18:02:42 18:11 −0.15 119.54 7.4 10.90 5 212 米那哈沙半岛(西里伯斯) 7 振荡型 9 2018-12-21 01:01:53 01:17 54.56 164.47 7.7 20.90 4 240 科曼多尔群岛地区 14 脉冲型 16 2018-12-29 11:39:07 11:50 5.00 126.50 7.0 50.90 3 609 棉兰老岛 19 脉冲型 11 2019-02-22 18:17:20 19:01 −2.10 −76.52 7.1 140.90 16 048 秘鲁 24 振荡-脉冲型 44 2019-05-07 05:19:36 05:43 −6.54 146.30 7.3 130.90 5 697 新几内亚东部地区 53 脉冲型 24 2019-05-14 20:58:28 21:13 −4.10 152.29 7.7 30.90 5 857 新不列颠地区 28 振荡-脉冲型 15 2019-05-26 15:41:12 16:20 −5.49 −75.11 7.6 100.90 16 444 秘鲁北部 7 振荡-脉冲型 39 2019-06-24 10:53:36 11:10 −6.21 129.15 7.1 210.90 4 886 班达海 14 脉冲型 17 2019-07-14 17:10:48 17:23 −0.32 128.11 7.0 10.90 4 226 查伊洛洛贾洛洛(哈马黑拉)岛 21 脉冲型 13 2019-11-15 00:17:41 00:31 1.00 126.33 7.1 50.90 4 032 马鲁古海峡 41 脉冲型 14 2020-01-29 03:10:22 03:48 19.28 −78.47 7.9 10.90 13 697 加勒比海 9 振荡型 38 2020-03-25 10:49:16 10:59 48.56 157.44 7.6 30.90 3 666 千岛群岛地区 5 脉冲型 10 2020-07-22 14:12:37 14:30 55.08 −158.35 7.9 10.90 6 577 阿拉斯加以南地区 11 振荡-脉冲型 18 2020-10-20 04:54:36 05:19 54.44 −159.47 7.7 39.90 6 533 阿拉斯加半岛 5 振荡型 25 2021-01-12 05:32:58 05:41 51.17 100.30 7.2 10.90 2 088 蒙古 8 脉冲型 9 2021-02-10 21:19:55 21:45 −23.03 171.30 7.3 10.90 8 780 洛亚尔提群岛地区 13 振荡型 26 2021-02-13 22:07:47 22:17 37.42 141.48 7.3 50.90 2 309 本州东海岸近海 11 脉冲型 10 2021-03-04 21:27:32 22:07 −37.25 179.30 7.3 10.90 10 443 新西兰北岛东海岸远海 38 振荡型 40 2021-03-05 01:41:16 03:48 −29.44 −177.40 7.4 10.90 10 082 克马德克群岛 7 振荡型 127 2021-03-05 03:28:30 05:36 −29.31 −177.02 8.1 10.90 10 100 克马德克群岛 14 振荡型 128 2021-03-20 17:09:43 17:13 38.26 141.50 6.9 60.90 2 307 本州东海岸近海 99 脉冲型 4 2021-05-22 02:04:13 02:07 34.37 98.22 7.4 17.63 1 582 青海玛多 4 脉冲型 3 2021-07-29 14:15:41 14:33 55.27 −157.57 8.1 10.90 6 616 阿拉斯加以南地区 4 振荡型 18 2021-08-14 20:29:09 21:24 18.24 −73.18 7.8 10.90 13 918 海地地区 17 振荡-脉冲型 55 2021-11-10 23:45:09 23:50 23.30 126.33 6.8 10.90 1 740 琉球群岛地区 26 脉冲型 5 2021-12-14 11:20:24 11:33 −7.36 122.12 7.3 35.90 4 853 佛罗勒斯地区 8 振荡-脉冲型 13 2021-12-30 02:25:51 02:39 −7.45 127.42 7.3 200.90 4 972 帝汶岛 11 脉冲型 14 -
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