汉南井数字化地下流体观测同震效应分析

汉南井数字化地下流体观测同震效应分析

胡雨琦，胡,静，刘,莹

（武汉市地震监测中心, 湖北 武汉 430023）

摘要：通过整理汉南井地下流体观测系统在2023年4月25日记录到的印尼苏门答腊岛南部海域（南纬0.8度，东经98.7度）6.9级地震，从空间分布、地震参数方面进行了统计，分析了地下流体及其它参数同震变化特征。结果显示：①产生脉冲（或振荡）—持续上升型同震变化的强远震空间位置具有方向性，且一般 M ≥ 7.0，震级和震中距与阶变幅度呈很好的幂函数关系；②含水层对地震波的弹性响应是引起振荡型变化的主要原因，汉南井具有良好的地质构造环境，同时发生强震时井-含水层系统应力（能量密度）增强显著，这是产生水位、水温同时上升的主要原因。

关键词：汉南井  地下流体  观测   同震效应

0 引言

地下水不仅可以直接反映含水层地下水径流的速度与流量等信息，还可以反映受力状态变化引起的孔隙压力变化，相关变化信息会出现在水位、水温及气氡等监测数据中。井-含水层系统所受动力加载作用方式较多，地震波是其中一种，反映在水位、水温中的地震波动信息便是同震响应。历史资料研究中，汉南井地下流体具有很好的震兆异常和同震响应信息，也具有普遍的长周期年动态特征。对于同震响应，同震不同井变化不同，同井不同震特征也不尽相同，主要归因于井-含水层系统的差异性、岩层参数的变化、地应力场的变化等。本文针对汉南井水位多年的映震特征进行探讨与分析。资料选取时，结合数据库资料的连续性和完整性 ，以近一年的观测资料作为研究对象，整理期间记录到的所有同震响应震例，研究该井的变化特征及其机理。

1 井孔概况

武汉市汉南区地质为疏松沉积物，厚度在80米左右。疏松沉积物具有二元结构铁特征。地表结构，孤丘一般为石灰岩、页岩组成，还有的为多种异源物质的叠合物组成；岗岭、岗石为第四纪黄褐色亚黏土。西部、中南与东南沿江地区为近代石灰性河流冲积物。冲积物、湖积物覆盖于第四纪黄褐色亚黏土之上。

汉南井成井于2021年9月，2022年3月正式投入观测，属裂隙承压自流井。井孔地面高程26.4 m，井深 335 m，地质剖面显示， 0～ 79.24 m 为第四系粘土细砂；79.24～87.35 m 为中粗砂夹砾石；目前，水位日变（固体潮）形态清晰，其主要干扰因素为降雨和抽水。符合地下水热动力学作用阐述的正梯度变化规则。

2  汉南井数字化地下流体观测项目资料分析

武汉市汉南综合地震台包括的设备共7种，各项设备均正常稳定运行，统计时间段2023年1月1日至2023年5月18日各项设备的平均数据连续率统计如下表1所示。

表1 设备数据连续率统计总表

各项设备数据连续率及数据质量说明

2.1 SKZ-3分量钻孔应变仪

表2 SKZ-3分量钻孔应变仪连续率统计表

（2023年01月01日至2023年05月18日）

钻孔应变仪2023年01月01日至2023年05月18日运行期间数据连续，数据平均连续率为99.12%.

2.2  钻孔应变仪观测数据质量

依据《中国地震前兆台网技术规程》和《地震观测仪器进网技术要求-地壳形变观测仪第2部分：应变仪》等形变学科相关规范要求，SKZ-3分量钻孔应变仪应自2023年01月01日至2023年05月18日固体潮汐不太清晰，需持续跟踪观测一段时间进行问题分析和排查。

图1  2023年1月01日至5月18日SKZ-3分量钻孔应变仪整点值曲线图

2.3  JQY-1井下垂直摆倾斜仪

表3 JQY-1井下垂直摆倾斜仪连续率统计表

（2023年01月01日至2023年05月18日）

JQY-1井下垂直摆倾斜仪2023年01月01日至2023年05月18日运行期间数据连续，2月10日北南向超量程进行了调零操作，除以上操作外JQY-1井下垂直摆倾斜仪试运行正常稳定，无故障发生，数据平均连续率为99.12%。

2.4  形变观测仪观测数据质量

依据《中国地震前兆台网技术规程》和《地震观测仪器进网技术要求-地壳形变观测仪第1部分：倾斜仪》等形变学科相关规范要求，JQY-1井下垂直摆倾斜仪记录固体潮汐波形清晰，有明显的地震同震响应，且潮汐精度等技术指标经计算均符合规范要求。图2为2023年01月01日至05月18日垂直摆倾斜仪整点值曲线图，图3为2023年03月29日至04月25日垂直摆倾斜仪整点值曲线图，图4为2023年05月14日垂直摆倾斜仪秒钟值曲线图，图5为垂直摆倾斜仪记录到的2023年4月25日4时0分印尼苏门答腊岛南部海域6.9级地震同震信号。

图2 2023年01月01日至5月18日垂直摆倾斜仪整点值曲线图

图3 2023年03月29日至4月25日垂直摆倾斜仪整点值曲线图

图4  2023年05月14日垂直摆倾斜仪秒钟值曲线图

图5  2023年4月25日4时0分印尼苏门答腊岛南部海域6.9级地震

表4 2023年1月至4月M2波潮汐精度计算结果

 3  水位同震变化震例统计本文分析震例源自中国地震台网中心产出的地震目录。水位远强震远强震同震变化形态特征有两种：振荡型与脉冲（或振荡）—持续上升型。理论固体潮数据源于 Mapsis 的计算。经计算，该井水位滞后固体潮汐约 1.5 h，线性相关固体潮系数约为 0.0002；水位与气压呈负相关变化，线性相关气压系数约−0.002～−0.003，水位超前气压约 2.5 h。苏门答腊地震带是历史强震多发区，对中国大陆地震活动水平具有显著影响；水位振荡、水温无变化型此类变化的主要原因可能是含水层对地震波的弹性响应，即水位波动只反映了弹性介质对应变能的灵敏性。当含水层导水性足够大时，孔隙压的振荡会引起同层水位随地震波上下起伏，从而引起水位振荡，振荡幅度大小与震中距、震级强弱、井孔所处地质条件、含水层参数等情况均有一定关系。

结论：（1）同震水位变化表现较复杂，地下流体响应幅度与震中距、静态应变关系有较大随机性与波动性，位于构造边界附近的往往具有更大的同震响应。

(2)水文地质条件与构造环境对地下流体同震响应具有重要的影响因素。

（3）汉南井水位与水温变化具有相对一致性，说明地下流体相关参数的变化形成机理存在相关性。
参考文献：【1】车用太;何案华;鱼金子;.水温微动态形成的水热动力学与地热动力学机制[J].地震学报v.3601106-117.

【2】SHI ZheMing;WANG GuangCai;.Relationship between the Earth tidal factor and phase lag of groundwater levels in confined aquifers and the Wenchuan M_s8.0 earthquake of 2008[J].Science China(Earth Sciences)v.56101722-1730.

【3】ZHANG Yongshuang;DONG Shuwen;HOU Chuntang;GUO Changbao;YAO Xin;LI Bin;DU Jianjun;ZHANG Jiagui;.Geohazards Induced by the Lushan Ms7.0 Earthquake in Sichuan Province, Southwest China:Typical Examples, Types and Distributional Characteristics[J].Acta Geologica Sinica(English Edition)v.8703646-657.