繆阿麗，祝 濤，張 藝，葉碧文，王 凱

(1.江蘇省地震局，江蘇 南京 210014；2.防災(zāi)科技學(xué)院，河北 三河 065201)

0 引言

地震地下流體直接參與地殼中的各種動力作用過程，是有效的中短臨地震預(yù)測手段之一。研究表明，在地震前流體觀測井測項會記錄到前兆異常變化(付虹等，2021；付虹，趙小艷，2013；孫小龍等，2016，2018；繆阿麗等，2017，2018，2021；顏玉聰?shù)龋?022；廖麗霞等，2022)，研究人員通過歸納提取地震前的異常信息，總結(jié)其在時間上和空間上的分布特征，并將結(jié)果應(yīng)用于地震預(yù)測預(yù)報工作中(車用太等，1999；劉耀煒等，2000，2008，2015)。

基于地震地下流體水位對遠場大震地震波的同震動態(tài)響應(yīng)，一些學(xué)者試圖從其變化特征分析研究同震響應(yīng)異常的空間叢集區(qū)與未來地震活動的關(guān)系，如萬登堡(1995)在云南地下水動態(tài)短臨指標(biāo)體系研究中提出，地下水位后效異常對后續(xù)地震地點、時間，特別是地點有預(yù)報指示意義；付虹等(2002)通過分析云南省54口地下水觀測井在十?dāng)?shù)年間累積的同震效應(yīng)和震后效應(yīng)與地震活動的關(guān)系，認為震后效應(yīng)的單井、密集、條帶、遷移等空間分布，可對老震區(qū)余震、外圍區(qū)及井位附近牽動性后續(xù)地震地點的預(yù)報有指示意義；黃輔瓊等(2000)通過分析中國大陸地下流體觀測對中國臺灣南投7.6級地震的同震響應(yīng)特征后認為，響應(yīng)異常的空間叢集區(qū)對未來地震危險區(qū)具有短期至中短期指示意義；廖麗霞等(2009)將福建流體井的同震效應(yīng)時空展布特征結(jié)合福建地區(qū)同期發(fā)生的地震事件進行分析，認為震后階躍上升變化的井水位可能包含有區(qū)域應(yīng)力場信息，水位階躍上升集中區(qū)可能是區(qū)域應(yīng)力相對集中區(qū)，對未來該區(qū)域發(fā)生較顯著的地震具有空間上的指示意義；任宏微和張磊(2017)分析了2015年尼泊爾8.1級地震對我國大陸井水位動態(tài)的影響，并在此基礎(chǔ)上分析了水位同震響應(yīng)階變與區(qū)域應(yīng)力調(diào)整的關(guān)系，結(jié)果表明水位同震效應(yīng)階變反演得出的震時應(yīng)力增強區(qū)域，可能對未來地震危險區(qū)具有一定的指示意義；胡小靜等(2020)分析了云南普洱大寨井水位同震響應(yīng)特征與后續(xù)中強地震的關(guān)系后認為，井水位同震響應(yīng)可作為探索區(qū)域構(gòu)造和地震活動的參考指標(biāo)。

江蘇地區(qū)地下流體井對遠場大震的響應(yīng)也非常靈敏，有學(xué)者曾就江蘇地區(qū)地下流體井網(wǎng)對遠場大震的響應(yīng)特征和機理做過分析(繆阿麗等，2014；鄭江蓉等，2013)，但并未對遠場大震引起的井水位變化與后續(xù)地震活動的關(guān)系進行分析。2021年5月22日青海瑪多發(fā)生7.4級地震，江蘇流體觀測井網(wǎng)較多觀測井出現(xiàn)同震響應(yīng)現(xiàn)象。本文主要分析瑪多7.4級地震后，江蘇流體觀測井網(wǎng)水位出現(xiàn)的同震響應(yīng)特征及其與區(qū)域后續(xù)地震活動的關(guān)系。

1 江蘇流體觀測井網(wǎng)概況

江蘇流體觀測井網(wǎng)共有27口觀測井，基本位于活動斷裂帶附近，地下水類型以巖溶裂隙水和孔隙水為主。經(jīng)過“九五”“十五”數(shù)字化改造后，江蘇流體觀測井的觀測環(huán)境、儀器設(shè)備等基本能夠滿足地震監(jiān)測預(yù)報需求，觀測測項除水位和水溫測項外，還有氣溫、氣壓、降雨量等氣象要素作為輔助測項。水位觀測主要使用LN-3或LN-3A型數(shù)字水位儀，傳感器分辨率為1 mm，采樣率為1 mm。

2 井水位同震響應(yīng)特征分析

2021年青?，敹?.4級地震發(fā)生后，江蘇流體觀測井網(wǎng)有同震響應(yīng)的觀測井共16口(圖1)，占江蘇觀測井總數(shù)的59.3%，主要分布在茅山斷裂帶及附近地區(qū)，蘇中和蘇北也有分布。區(qū)域內(nèi)具有同震響應(yīng)的流體觀測井井孔基本參數(shù)及同震響應(yīng)參數(shù)見表1，其同震響應(yīng)變化如圖2所示。

圖1 江蘇水位同震響應(yīng)觀測井分布

由表1和圖2可以看出，同一井孔不同測項、不同井孔同一測項的同震響應(yīng)變化均有較大不同。水位響應(yīng)形態(tài)主要有3類：①振蕩：主要表現(xiàn)為快速上升、下降變化后恢復(fù)到正常動態(tài)變化值。出現(xiàn)這種形態(tài)的水位觀測井?dāng)?shù)量最多，共7口，占同震響應(yīng)井總數(shù)的43.8%。但不同井所表現(xiàn)出的振蕩形態(tài)特征不同、振蕩幅度有較大差異。如蘇02井水位振蕩的最大幅度達12.3 cm，而支塘井水位振蕩的最大幅度僅為0.4 cm。②先振蕩后上升：主要表現(xiàn)為地震發(fā)生后水位先發(fā)生振蕩，在振蕩結(jié)束后并未回落到正常動態(tài)變化值，而是出現(xiàn)階躍上升變化。如蘇22井在震后7 min后發(fā)生振蕩變化，振蕩持續(xù)時間58 min，在振蕩過程中出現(xiàn)階躍上升，回到正常動態(tài)值后出現(xiàn)階躍上升變化，上升幅度為7 cm，之后在新的基值上繼續(xù)波動變化。出現(xiàn)這種形態(tài)的流體觀測井較多，共6口，占同震響應(yīng)井總數(shù)的37.5%。③階降：主要表現(xiàn)為地震發(fā)生后水位出現(xiàn)階降變化，且下降后并未恢復(fù)到原先動態(tài)變化值，而是在新的基值上繼續(xù)波動。如溧陽臺井水位在震后出現(xiàn)下降臺階變化，下降幅度為9.1 cm，下降變化結(jié)束后在新的觀測值上波動。

表1 水位同震響應(yīng)觀測井的基本參數(shù)及同震響應(yīng)參數(shù)

圖2 江蘇水位觀測井同震響應(yīng)變化形態(tài)

3 水位同震上升區(qū)與歷史地震關(guān)系

青?，敹?.4級地震引起的江蘇流體觀測井水位同震響應(yīng)在形態(tài)上雖然呈多樣性，但在空間分布上卻表現(xiàn)出一定的規(guī)律特征，即水位同震上升的6口水位井，除蘇23井分布在江蘇北部，其余5口井均分布在茅山斷裂帶及其附近地區(qū)。2021年12月22日常州發(fā)生4.2級地震，該地震震中位于水位同震上升區(qū)域附近(圖1)。

2008年以來，引起江蘇流體觀測井網(wǎng)較大范圍產(chǎn)生同震響應(yīng)的大地震有2008年5月12日四川汶川8.0級地震、2011年3月11日日本9.0級地震、2012年4月11日印尼蘇門答臘8.6級地震以及2013年4月20日四川蘆山7.0級地震。這4次遠場大地震引起的江蘇流體觀測井網(wǎng)水位同震響應(yīng)形態(tài)及空間分布如圖3所示，圖中數(shù)據(jù)引自繆阿麗等(2014)。由圖可知，這4次大地震引起的水位同震響應(yīng)形態(tài)以震蕩和下降為主，偶有零星水位井出現(xiàn)水位同震上升現(xiàn)象。分析區(qū)域地震活動情況可知，2011年日本9.0級地震后，在茅山斷裂帶及附近地區(qū)有3口流體井水位出現(xiàn)同震上升，之后2012年7月20日高郵發(fā)生4.9級地震，該地震位于表現(xiàn)為水位同震上升的流體井區(qū)域長軸延長線上，震中距離水位同震上升區(qū)最北邊的蘇16井138 km(圖3b)。而其余3次大地震發(fā)生后，江蘇地區(qū)并未發(fā)生4.0級以上地震。比較這幾次大地震后江蘇流體觀測井網(wǎng)同震響應(yīng)的不同特征可知，瑪多7.4級地震和日本9.0級地震后，形成的水位同震階升數(shù)量較多，且范圍較集中，特別是瑪多7.4級地震后，在茅山斷裂帶及附近地區(qū)多口流體井出現(xiàn)水位同震上升的現(xiàn)象很少見。這說明，大地震發(fā)生后，形成一定規(guī)模的水位同震上升區(qū)域可能在一定程度上體現(xiàn)了區(qū)域應(yīng)力的一種狀態(tài)，它對中長期尺度的中強地震的發(fā)生地點有一定指示意義。

4 討論

2021年青?，敹?.4級地震引起的江蘇流體觀測井網(wǎng)水位同震響應(yīng)形態(tài)在空間分布上具有一定特征，出現(xiàn)水位同震上升的流體井主要分布于茅山斷裂帶及附近地區(qū)，之后2021年12月22日發(fā)生了常州4.2級地震。單個井孔水位階升是由井水流量增大所致，井水流量的增大可能是由深部來水、也可能是由遠場地震引起含水層滲透率增大(Brodskyetal，2003；孫仁遠，成國祥，2004)導(dǎo)致含水層中水體進入井孔的流速增大從而引起水位值的升高。除此之外，井孔所處區(qū)域的構(gòu)造背景也非常重要。水位動態(tài)的物理意義比較明顯，當(dāng)含水層受壓時，井水位表現(xiàn)為上升；相反，井水位則表現(xiàn)為下降。因此震后階躍上升的觀測井水位可能包含有區(qū)域應(yīng)力場的信息。單個井孔水位同震形態(tài)可能因為諸多因素，如井孔巖性、套管深度等影響，而不能完全包含其所處區(qū)域的應(yīng)力場信息。如果遠場大震引起某個區(qū)域內(nèi)應(yīng)力調(diào)整變化比較明顯，且表現(xiàn)出一定的群體性或集中性異常，那么其可能是區(qū)域應(yīng)力相對集中的表現(xiàn)(任宏微，張磊，2017；廖麗霞等，2009)，這些地區(qū)對未來地震發(fā)生地點具有一定指示意義。

圖1和3顯示，在幾次7.0級以上大地震的影響下，蘇16井和蘇18井水位多次出現(xiàn)同震上升現(xiàn)象，但之后并非均對應(yīng)地震。這兩口井均為自流井，觀測巖性相同(均以砂巖為主)、套管深度均較淺(蘇18井套管下至75 m，蘇16井下至20 m)，都位于茅山斷裂帶附近，其觀測含水層巖性、井孔結(jié)構(gòu)和所處構(gòu)造決定了其對含水層結(jié)構(gòu)的變化比較敏銳。但同震應(yīng)力變化能否對區(qū)域內(nèi)的強震活動產(chǎn)生顯著影響主要取決于斷層的絕對應(yīng)力是否已臨近失穩(wěn)強度(馬勝利等，2011)，或者說，如果區(qū)域應(yīng)力未達到一定程度，遠場大震引起的水位同震階升井的范圍將局限或分散，而如果出現(xiàn)較大面積的同震水位階升，那么可能一定程度上能夠反映區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)，而同震水位階升集中地區(qū)對未來中強地震發(fā)生地點具有一定指示意義。因此，盡管在幾次大地震的影響下，蘇16井和蘇18井多次出現(xiàn)同震上升現(xiàn)象，但只有與其它多口井同時出現(xiàn)水位同震上升現(xiàn)象時，之后才會對應(yīng)中強地震。這進一步說明，只有出現(xiàn)群體性水位同震階升現(xiàn)象，水位同震階升集中區(qū)域?qū)ξ磥淼卣鸢l(fā)生地點才具有一定指示意義。

5 結(jié)論

本文通過研究2021年青?，敹?.4級地震后，江蘇流體觀測井水位出現(xiàn)的同震響應(yīng)特征及其與區(qū)域后續(xù)地震活動的關(guān)系，得出以下主要結(jié)論：

(1)共有16口觀測井水位出現(xiàn)同震響應(yīng)，其變化形態(tài)主要表現(xiàn)為振蕩、階升和階降。

(2)同震響應(yīng)形態(tài)在空間分布上具有一定特征，5口水位同震上升的流體井主要分布于茅山斷裂帶及附近地區(qū)，之后發(fā)生了常州4.2級地震。

(3)綜合分析幾次歷史大地震與江蘇流體井網(wǎng)同震響應(yīng)特征關(guān)系，認為水位同震響應(yīng)上升區(qū)可能是區(qū)域應(yīng)力集中的一種體現(xiàn)，它對中長期尺度中強地震的發(fā)生地點具有一定的指示意義。

感謝云南省地震局付虹研究員對本文的指導(dǎo)！