福建安溪一号井水位的同震阶变响应

【摘要】：国内外针对一井多震的情况进行井水位同震响应的研究开展已久。大量的变化各异的地下水同震效应记录显示,地震引起的井水位变化形态主要有两类：快速的震荡变化和持续的单调变化。许多学者发现,无论震源机制如何,同一口井水位总是以固定的模式响应,且井水位的同震响应幅度与震级、震中距之间存在一定的统计关系,符合随震级增大而增大,随震中距增大而减小的规律。然而,近年来,也有学者发现,在震源机制基本一致的情况下,即使是在相同的震中距,同一口井对地震的响应方式有所不同。目前为止,关于这种现象的研究较少。 本文在前人的工作基础上,选取福建安溪一号井,针对2004年至2011年7月期间该井孔方圆1000km范围内的四级以上及4000km范围内的五级以上地震,统计分析了这些地震引起的21次井水位变化,取得了以下初步研究结果： 1)该井水位对地震的响应是比较敏感的,不仅对井孔附近区域以及台湾地区的近震有显著的响应,对于远距离的大地震也有明显的响应。其响应特征表现为急速的阶跃变化,且方向并非单一的,既有上升变化,也有下降变化,视阶跃幅度需要数天至数周时间才能恢复到震前水平。 2)对井水位同震变化幅度及震级、震中距做统计回归分析的结果显示：安溪一号井水位同震变化幅值与震级、震中距不完全符合一定的定量关系,有一些距离井孔较远的小震同样伴随着很显著的水位阶变,这些水位变化的幅度已经背离了震级和震中距的约束。 3)地震引起井水位变化的机制是比较复杂的。目前,国际上认为地震引起的静态应变或动态应变的变化,是井水位发生变化的根源。静态应变与震源机制有关,动态应变是由于地震波传播经过含水层引起的,受震级及震中距的约束。本文就震源机制展开讨论,分析了水位升降的形态与按地震破裂断层的震源机制解划分的四象限分布及主压应力轴方位分布之间的关系,发现他们之间的相关性并不明显。说明井水位变化的空间不均匀性并不完全能够用震源机制来解释。 4)一部分学者研究井水位的同震响应时,通常舍去降雨量较大时期的震例。本文结合该井孔记录的降雨资料,发现引起显著水位阶变的距离井孔较远的小震往往伴随着较大的降雨量,而且地震引起井水位的上升变化与井孔附近降雨事件基本符合。分析非地震期降雨对井水位的影响,发现该井水位对降雨有明显的载荷效应。认为,地震时,降雨主要通过载荷作用,改变了井孔局部应力,从而对井水位的同震变化产生了影响。 5)井水位对固体潮的响应对于探讨含水层特性具有重要的作用。利用BAYTAP-G的方法,从井水位观测资料及理论体应变固体潮数据中提取占了全部起潮力的95%以上的五种潮汐波分量M2波、O1波、K1波、S2波和N2波,计算两者的相位差,以定性分析并孔附近介质的渗透率。考虑到M2受气压影响的程度较小,振幅往往比较大,容易识别,且相位变化比较稳定,因此选取M2波作为研究对象,发现在地震前后,其相位差有明显变化,相对于发生在井孔附近及台湾地区的地震,远场的大地震引起了更大的相位差变化。此外,降雨前后,相位差也有明显的变化,说明降雨不仅通过载荷作用影响井水位的变化,而且也通过渗流,改变了井孔附近介质的性质,从而影响了井孔对地震的响应能力。