林 眉 盧忠斌

（中國(guó)濟(jì)南250014山東省地震局）

魯32井地下流體觀測(cè)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)變化分析

林 眉 盧忠斌

（中國(guó)濟(jì)南250014山東省地震局）

魯32井水位原始曲線(xiàn)難以判定地震前該井含水層系統(tǒng)的應(yīng)力狀態(tài)是否發(fā)生變化，采用類(lèi)似Nakai擬合模型，計(jì)算水位觀測(cè)數(shù)據(jù)體應(yīng)變固體潮響應(yīng)振幅因子比，結(jié)果表明，膠東半島及海域發(fā)生的ML≥3.9地震前均出現(xiàn)高值異常。與地震活動(dòng)參數(shù)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)魯32井200 km范圍內(nèi)ML≥3.9地震前，水溫觀測(cè)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)變化幅度及頻度明顯較高。

魯32井；振幅因子比；地下流體；水溫異常

0 引言

地下流體研究工作是地震預(yù)報(bào)分析的一項(xiàng)重要內(nèi)容（張國(guó)民等，2001），地下流體異常能夠提供許多地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)過(guò)程的前兆信息，并以不同方式和特點(diǎn)反映出來(lái)（繆阿麗等，2014）。崔居全等（2014）總結(jié)了榮城魯32井水溫正常及自然環(huán)境干擾形態(tài)特征，探究該井水溫異常變化特征，通過(guò)對(duì)該井中等地震及遠(yuǎn)場(chǎng)大震與水溫異常時(shí)段對(duì)比分析，認(rèn)為魯32井水溫存在附加地?zé)釄?chǎng)異常變化的構(gòu)造條件，可作為近場(chǎng)中等地震前兆異常和遠(yuǎn)場(chǎng)大震前兆異常中短期判別指標(biāo)之一，但是崔居全等未對(duì)水位觀測(cè)數(shù)據(jù)展開(kāi)分析。因包含各種背景變化、周期變化等較大幅度的干擾信息，觀測(cè)井水位原始觀測(cè)數(shù)據(jù)不能有效識(shí)別并提取地震前兆異常，觀測(cè)井水位對(duì)地殼固體潮體應(yīng)變振幅因子響應(yīng)比方法可以克服此弊端。本文利用該井水位固體潮觀測(cè)資料，采用該振幅因子響應(yīng)比方法，初步判斷地殼應(yīng)變狀態(tài)，結(jié)合水溫觀測(cè)數(shù)據(jù)，跟蹤對(duì)比分析地下流體異常，解釋地下水溫變化，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)魯32井構(gòu)造條件。

1 觀測(cè)井概況

魯32井位于山東省榮成市成山鎮(zhèn)松埠嘴村，地處海西頭—俚島斷裂東側(cè)，觀測(cè)井含水層為花崗巖裂隙水，井孔現(xiàn)有深度94 m，2007年11月采用SZW-1A 型數(shù)字水溫儀進(jìn)行觀測(cè)，探頭投放深度為89.75 m；采用LN-3A數(shù)字水位儀進(jìn)行數(shù)字化水位觀測(cè)，探頭投放深度為7.111 m。榮成地震臺(tái)作為中韓合作項(xiàng)目臺(tái)站，儀器運(yùn)維環(huán)境良好，魯32井水位、水溫觀測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)可靠，觀測(cè)資料質(zhì)量較高。魯32井水溫、水位長(zhǎng)趨勢(shì)日值曲線(xiàn)見(jiàn)圖1。

圖1　魯32井水位、水溫長(zhǎng)趨勢(shì)日值曲線(xiàn)Fig.1 Long trend daily value curve of water level and water temperature for Lu No.32 well

2 水位動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)特征

2.1 原始曲線(xiàn)動(dòng)態(tài)

選取2014年4月至2015年6月魯32井水位觀測(cè)數(shù)據(jù)，與同期當(dāng)?shù)亟涤炅窟M(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn)，觀測(cè)井水位呈夏高冬低的年變規(guī)律，主要受降雨影響，降雨量大，水位數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)上升，然后逐漸恢復(fù)平穩(wěn)。水位原始曲線(xiàn)難以判定地震前觀測(cè)井所處含水層系統(tǒng)的應(yīng)力狀態(tài)是否發(fā)生變化。

圖2　魯32井水位、降雨量對(duì)比Fig.2 Water level and rainfall comparison chart of Lu No.32 well

2.2 水位固體潮加卸載響應(yīng)比方法

張昭棟等（1997）證明深井水位的潮汐現(xiàn)象是對(duì)地固體潮的響應(yīng)，論證了應(yīng)用地下水位潮汐來(lái)計(jì)算固體潮加卸載響應(yīng)比的可行性，結(jié)合典型地震實(shí)例計(jì)算，分析認(rèn)為震前響應(yīng)振幅因子比值有增大變化。因此，可以利用井水位對(duì)地殼固體潮體應(yīng)變響應(yīng)的振幅因子比，初步判斷地殼應(yīng)變狀態(tài)。蘭雙雙等（2011）認(rèn)為，正常狀態(tài)下井水位固體潮加卸載響應(yīng)比背景值低且平穩(wěn)，以“1”為均值線(xiàn)上下波動(dòng)；當(dāng)孕震系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，響應(yīng)比異常變化多表現(xiàn)為計(jì)算值偏高或出現(xiàn)大幅突跳、連續(xù)突跳現(xiàn)象。

采用典型的水平層狀承壓含水層模型，假設(shè)含水層除井口外封閉良好，在不排水條件下，根據(jù)孔隙彈性介質(zhì)理論，作用于含水層某一平面上的荷載分別由固體顆粒與顆粒間的孔隙流體共同承擔(dān)，由此推導(dǎo)井水位變化與體應(yīng)變之間的關(guān)系，即

式中，dh為含水層水頭變化，θ為含水層體應(yīng)變量，ρ為水的密度，g為重力加速度，n為含水層介質(zhì)孔隙度，Em為含水層巖石固體顆粒體積模量，EW為水體積模量。當(dāng)井—含水層系統(tǒng)上述參數(shù)不變時(shí)，井水位變化與應(yīng)變成正比。含水層介質(zhì)的應(yīng)變是固體潮應(yīng)力和區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力共同作用的結(jié)果。

其中，ε為含水層介質(zhì)的應(yīng)變，E（t）為介質(zhì)的楊氏模量，σt為潮汐應(yīng)力，σs為構(gòu)造應(yīng)力。E（t）隨應(yīng)力在巖石的應(yīng)力應(yīng)變示意曲線(xiàn)的區(qū)域不同而不同，在井水位對(duì)固體潮的響應(yīng)方面，表現(xiàn)為井水位體應(yīng)變系數(shù)的變化。所以，近震源區(qū)的承壓井水位有可能觀測(cè)到震前非線(xiàn)性失穩(wěn)變化，表現(xiàn)為體應(yīng)變固體潮周期性壓縮與拉張過(guò)程中水位響應(yīng)振幅因子比的異常變化，即水位固體潮的加卸載響應(yīng)比

其中，Δ H為固體潮變化引起的承壓井水位變化幅度的觀測(cè)值，Δ θ為體應(yīng)變固體潮理論變化值，角標(biāo)“+”表示壓縮響應(yīng)階段，“-”表示拉張響應(yīng)階段。在實(shí)際工作中，地下水位固體潮觀測(cè)值對(duì)體應(yīng)變固體潮響應(yīng)的振幅因子比可由近似Nakai擬合模型獲得

式中，Hθ（t）為地下水位實(shí)際觀測(cè)值，a為擬合潮汐因子，R（t）為t時(shí)刻體應(yīng)變理論固體潮，β為與潮汐觀測(cè)的位相滯后有關(guān)的系數(shù)，K0、K1、K2分別為非潮汐常數(shù)（儀器零漂）、速度和加速度相關(guān)系數(shù)，利用最小二乘法可計(jì)算式中各參數(shù)值（張昭棟等，1997）。

3 水溫動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)特征

魯32井水溫在降水量較大時(shí)動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)出現(xiàn)明顯變化，正常水位變化影響較小（圖3）。2014年1月觀測(cè)井水溫?cái)?shù)據(jù)曲線(xiàn)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)上升、下降的趨勢(shì)變化，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)，未發(fā)現(xiàn)干擾源；2月在相同觀測(cè)層位安裝相同型號(hào)的SZW-1A儀進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)，未發(fā)現(xiàn)儀器異常［圖3（a）］；2014年10月底水溫動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)出現(xiàn)大幅上揚(yáng)，11月中旬迅速下降，上下起伏較大，且數(shù)據(jù)形態(tài)類(lèi)似，異常持續(xù)至12月31日后趨于下降；2015年1月水溫動(dòng)態(tài)上升、下降幅度變大，頻率較高，持續(xù)至2015年6月，見(jiàn)圖3。2015年1月檢查魯32井水溫觀測(cè)系統(tǒng)工作狀態(tài)，并調(diào)查環(huán)境干擾，均未發(fā)現(xiàn)明顯干擾。

圖3　魯32井水溫對(duì)比（a）對(duì)比觀測(cè)水溫儀曲線(xiàn)；（b）原有水溫儀曲線(xiàn)；（c）降雨量Fig.3 Water temperature comparison chart of Lu No.32 wel

4 水位、水溫動(dòng)態(tài)異常與地震活動(dòng)分析

2014年4月至2015年6月30日，山東及附近海域ML≥3.5地震均發(fā)生在膠東半島及海域（墾利ML3.0、ML3.2地震），見(jiàn)表1。地震均在魯32井200 km范圍內(nèi)，主要集中在乳山地區(qū)，形成乳山震群，最大地震為乳山ML5.0地震，該井位距乳山最近的流體觀測(cè)井，井震距小于100 km。

表1　2014年9月—2015年6月魯32井周邊ML≥3.5地震參數(shù)Table 1 Parameters of the ML≥3.5 earthquakes occurred around Lu No.32 well

4.1 水位振幅因子響應(yīng)比分析

在計(jì)算分析中，可選取N=24，48，…，60，…，120，…（即以1，2，…，5，…，10，任意天數(shù)為一組），用最小二乘法解式（4）計(jì)算地下水位的加卸載響應(yīng)比（萬(wàn)永芳等，2004）。本文取N=24（一天24小時(shí)整點(diǎn)值數(shù)據(jù)為1組），對(duì)魯32井地下水位固體潮觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行振幅響應(yīng)比值計(jì)算；選取超過(guò)1倍均方差的響應(yīng)比值作為異常判定指標(biāo)，計(jì)算結(jié)果正常值基本在1上下波動(dòng)（圖4），只有個(gè)別點(diǎn)超過(guò)1倍均方差控制線(xiàn)。分析異常與2014年4月以來(lái)膠東半島及海域ML≥3.9地震（表1）活動(dòng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

從圖4振幅因子響應(yīng)比值可以看出，2014年9月14日乳山ML4.1地震前，魯32井出現(xiàn)3次上下波動(dòng)超過(guò)1倍均方差的高值，最高值40.23。2015年5月22日乳山ML5.0地震魯32井出現(xiàn)3次上下波動(dòng)超過(guò)1倍均方差的高值，最高值12.89。2015年6月1日黃海ML3.9地震前出現(xiàn)一次較大的向下波動(dòng)，超過(guò)1倍均方差，最高值-40.12。

分析認(rèn)為，2014年9月之前的出現(xiàn)頻次較多高值表明榮成32井附近地區(qū)處于應(yīng)力集中狀態(tài)，9月14日ML4.1地震后，該地區(qū)的應(yīng)力積累具有一定的緩解作用，故而9月份以后振幅因子比趨于正常背景值附近平穩(wěn)變化，直到11月初應(yīng)力積累再次達(dá)到一定水平，比值又出現(xiàn)高值變化，但相較于4.1級(jí)地震之前振幅因子比值有所減弱；2014年11月到2015年4月，魯32井水位對(duì)體應(yīng)變固體潮響應(yīng)的振幅因子比出現(xiàn)頻次較高的同步高值，2015年5月22日發(fā)生乳山ML5.0地震之后又出現(xiàn)一次超過(guò)1倍均方差的高值表明此時(shí)區(qū)域應(yīng)力較強(qiáng)，并且中小震集中發(fā)生；構(gòu)造上乳山與榮成地區(qū)屬于魯東一黃海地塊，榮成32井觀測(cè)井所處蓬萊一威海構(gòu)造帶末端，板塊運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的區(qū)域北西西向擠壓應(yīng)力和渤海上地幔隆起及其產(chǎn)生的構(gòu)造應(yīng)力聯(lián)合作用，控制著渤海及周?chē)貐^(qū)的斷裂和地震活動(dòng)（崔居全，2014）。

圖4　魯32井振幅因子響應(yīng)比Fig.4 Calculating result of loading/un1oading response ratio of groundwater lever

4.2 水溫異常變化分析

自2014年10月，魯32井水溫觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)不明原因的上升、下降趨勢(shì)異常（圖5）；同時(shí)32井附近地區(qū)中小地震活躍，通過(guò)水溫同層對(duì)比觀測(cè)，排除儀器故障、人為干擾及降雨等因素影響。

圖5　2015年3月魯32井水溫異常曲線(xiàn)Fig.5 Water temperature anomaly of Lu No.32 well in March，2015

2015年1月—6月魯32井水溫地震異常觀測(cè)曲線(xiàn)見(jiàn)圖6，5月22日乳山ML5.0地震前1個(gè)月水溫出現(xiàn)下降，幅度≥0.03℃，震前兩天再次出現(xiàn)下降，幅度≥0.003℃，震后水溫觀測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)平，29日出現(xiàn)明顯下降，幅度≥0.018℃，6月1日發(fā)生黃海ML3.9地震，6月9日發(fā)生乳山ML3.7地震，震前水溫振幅出現(xiàn)趨勢(shì)下降，幅度≥0.003℃。

圖6　魯32井水溫整點(diǎn)值動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)Fig.6 Water temperature observation curve at Lu No.32 well

對(duì)于區(qū)域構(gòu)造200 km范圍內(nèi)ML≥3.9地震發(fā)生前，魯32井水溫觀測(cè)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)變化幅度和頻度明顯高于井水溫正常動(dòng)態(tài)。自2014年4月至乳山地區(qū)先后發(fā)生40余次ML≥2.5地震（地震序列目前仍在發(fā)展），地震活動(dòng)呈現(xiàn)小震群特征，且與魯32井水溫動(dòng)態(tài)變化時(shí)間基本一致。表明地下水溫變化在某種程度上是構(gòu)造應(yīng)力作用的客觀反映（丁留偉，2013）。

綜上所述，2014年9月到2015年6月，魯32井水位體應(yīng)變固體潮振幅響應(yīng)因子比以大于1倍均方差上下波動(dòng)，并出現(xiàn)7次高值；井水位對(duì)體應(yīng)變固體潮振幅因子比的變化是對(duì)地殼含水介質(zhì)應(yīng)力變化的反映，地震前由于應(yīng)力積累，振幅因子比將出現(xiàn)高值變化。

5 結(jié)論

（1）以2014年9月以來(lái)膠東半島及海域發(fā)生的ML≥3.9地震為樣本，將相關(guān)參數(shù)分別與魯32井水位固體潮觀測(cè)井地震前后振幅因子響應(yīng)比計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)魯32井對(duì)區(qū)域構(gòu)造200 km范圍內(nèi)ML≥3.9地震發(fā)生2—3月前水位振幅因子響應(yīng)比值具有明顯高值異常反應(yīng)，證明井水位固體潮振幅因子響應(yīng)比值方法是一種識(shí)別并提取地震前兆的有效方法。

（2）通過(guò)對(duì)魯32井水溫同層觀測(cè)、相同觀測(cè)儀器的動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)和降雨量對(duì)比分析，排除各種干擾信息，說(shuō)明該井水溫觀測(cè)系統(tǒng)反映靈敏，運(yùn)行正常，觀測(cè)數(shù)據(jù)內(nèi)在質(zhì)量良好，可以記錄到異常變化。而2014年10月底水溫動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)大幅上揚(yáng)不明原因事件，懷疑存在干擾源，需積累數(shù)據(jù)資料進(jìn)一步研究。

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Abstract

It is difficult to determine the well aquifer system stress state changes using the original curve of water level recorded before earthquakes at Lu No.32 well.We adopted fitting model similar to the Nakai to calculate loading and unloading response ratio（LURR） of water level.The results show that，LURR increases anomalously before ML≥3.9 earthquake in Jiaodong Peninsula.Though the comparative analysis of Lu No.32 well water temperature and seismic activity parameter，It is found that，within a range of 200 km of ML≥3.9 earthquake，the magnitude and frequency of changes in water temperature before the earthquake is significantly higher.

Dynamic change analysis of underground fluid for Lu No.32 well

Lin Mei and Lu Zhongbin
（Earthquake Administration of Shandong Province，Jinan 250014，China）

Lu No.32 well，1oading/unloading response ratio，underground fluid，water temperature anomaly

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.03.008

林眉（1981—），女，碩士學(xué)歷，工程師，從事地震前兆監(jiān)測(cè)工作。E-mail：88520389@qq.com

山東省自然基金項(xiàng)目（ZR2012DQ006）、山東省合同制項(xiàng)目（15Y109）聯(lián)合資助