天津井位同震特征分析

天津井位同震特征分析

0震波與同震響應(yīng)地下流是地殼最活躍的介質(zhì)。通過(guò)形成具有特定封閉條件的壓裂系統(tǒng)，可以客觀、準(zhǔn)確地反映地殼的應(yīng)力反應(yīng)信息。地下流體同震效應(yīng)能夠有效、直接揭示地殼介質(zhì)對(duì)應(yīng)力一應(yīng)變的響應(yīng),近年來(lái)一直是研究的熱點(diǎn)。同震響應(yīng)的研究有助于對(duì)地下流體前兆現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)和理解,1899年意大利一口深井記錄到地震波引起的水位振蕩,Blanchard和Byerly(1935)通過(guò)分析地震波和水位振蕩記錄,提出了水位波動(dòng)反映地震波的理論。高采樣率的數(shù)字化資料為同震響應(yīng)的深入研究提供了條件,劉耀煒等收集了大陸地下流體臺(tái)網(wǎng)對(duì)2004年12月26日蘇門(mén)答臘地震的同震響應(yīng)資料,分析了水位、水溫響應(yīng)特征的基本類(lèi)型。2004年以來(lái),天津多個(gè)觀測(cè)井的水位觀測(cè)數(shù)據(jù)都記錄到了遠(yuǎn)、大震同震響應(yīng)。水位同震變化空間分布的差異可能是引起同震變化的機(jī)理不同所致,在地震波作用下,本地的地質(zhì)構(gòu)造與水文地質(zhì)條件決定了水位的上升、下降型階變或振蕩的同震變化,水位同震響應(yīng)也跟地震的震級(jí)與遠(yuǎn)近有關(guān)。本文將提取天津靜海、寶坻、張道口、辛莊井、高村井等觀測(cè)井的水位觀測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)2004年12月26日印尼8.9級(jí)、2010年2月27日智利8.8級(jí)、2010年4月14日玉樹(shù)7.2級(jí)、2011年3月11日日本福島9.0級(jí)、2008年5月12日汶川8.0級(jí)地震的水位同震響應(yīng)變化特征進(jìn)行分析研究。1寶井山井張道口井位于天津市西青區(qū)大寺鎮(zhèn)門(mén)道口村西北,井區(qū)海拔高程為4.28m,井區(qū)位于滄縣隆起北部的雙窯凸起與白塘口凹陷之間,井點(diǎn)處于白塘口西斷裂的下盤(pán)。該井為京津唐地區(qū)重要的地震地下流體動(dòng)態(tài)觀測(cè)專(zhuān)業(yè)井,1975年成井,井深1406.13m,井水自流,觀測(cè)層為埋深1000m的震旦亞界白云巖層狀巖溶一裂隙承壓水,出水段深度1043～1374m。水位埋深約86m,水位日變固體潮記錄明顯,最大潮差約為20cm。井孔封閉性較好,水位變化不受氣壓、降雨、地表淺層水的影響,主要受周?chē)叵聼崴_(kāi)采的影響,年變規(guī)律明顯。寶坻井位于天津市寶坻縣城關(guān)鎮(zhèn)之西北,距縣城2km。井點(diǎn)海拔高程約為4.5m。井孔構(gòu)造位于燕山山前沉降帶隆起的寶坻凸起,距寶坻深大斷裂3km,區(qū)內(nèi)斷裂較發(fā)育。該井成井于1976年,井深427.17m,觀測(cè)含水層為震旦亞界霧迷山組(Z2w)白云巖巖溶含水層,其頂板埋深為210.15m,主要含水部位為古潛山上部風(fēng)化殼發(fā)育地段,地下水類(lèi)型為巖溶裂隙承壓水。水位動(dòng)態(tài)主要受淺層水季節(jié)性開(kāi)采影響,年變規(guī)律明顯。水位埋深9m左右,水位日變反映固體潮,最大潮差為5cm。高村井又名京14和侯6井,井深3402.8lm,觀測(cè)含水層為2700m以下的奧陶系、寒武系灰?guī)r巖溶裂隙水。由于采用雙層套管、水泥固井方法,使2700m以上的各含水層及地表水與觀測(cè)含水層之間完全隔離,觀測(cè)水位與降雨無(wú)明顯的補(bǔ)給關(guān)系,該井對(duì)固體潮的響應(yīng)靈敏,最大潮差可達(dá)28.3cm。2天津同震調(diào)查2008年5月12日四川汶川發(fā)生MS8.0級(jí)地震,震中距觀測(cè)井約1600km,天津共有6口井,其中寶坻井、靜海井、張道口井,辛莊井、高村井同時(shí)記錄到了該震水震波(圖1),從圖中可以看出張道口井同震變化比較顯著,該井于當(dāng)天14時(shí)40分—14時(shí)52分記錄到振幅達(dá)1.02m的同震震時(shí)變化,震蕩持續(xù)時(shí)間為12分鐘,15時(shí)之后震蕩結(jié)束,水位變化恢復(fù)到震前水平,水震波振型是振蕩階變型。寶坻井于12日14時(shí)40分記錄到下降0.44m的該震水震波,10分鐘后震蕩振幅變小,小幅度震蕩又持續(xù)了25分鐘才逐漸恢復(fù)到正常水平,水震波振型為振蕩階變靜海井記錄的水震波顯示,其同震震時(shí)變化遠(yuǎn)小于張道口井,振幅只有0.01m變化,持續(xù)時(shí)間同張道口井,15時(shí)之后出現(xiàn)了逐漸上升的固體潮畸變震后效應(yīng)變化。如圖所示高村、辛莊井也都出現(xiàn)了不同程度的同震震蕩變化。如圖2所示2010年4月14青海玉樹(shù)MS7.2級(jí)地震,震中距天津約2000km,距離較遠(yuǎn),震級(jí)又比汶川地震小,因此天津只有寶坻、張道口、辛莊、高村井有小幅度同震變化。其中寶坻井于4月14日8時(shí)整出現(xiàn)了水位階降達(dá)0.08m的同震震時(shí)變化,張道口井同震變化幅度為0.04m,震蕩持續(xù)時(shí)間5分鐘,振型為震蕩階變型。振型與寶坻井相同。而靜海井與辛莊井只是出現(xiàn)了短暫而細(xì)微變化。而桑梓井根本就沒(méi)記錄到該震水震波。同震變化幅度顯然與地震的震級(jí)與震中距的遠(yuǎn)近有關(guān)系。圖3為2004年12月26日印尼蘇門(mén)答臘MS8.9級(jí)遠(yuǎn)震,震中距天津約4600km,由于當(dāng)時(shí)天津的水位數(shù)字化觀測(cè)井還比較少,只有寶坻、靜海、辛莊、高村井記錄到了該震的水震波。如圖3所示寶坻井于2004年12月26日上午9時(shí)15分記錄到該震水震波,振型依然是震蕩型,同震震時(shí)變化幅度最大達(dá)3.9m,持續(xù)時(shí)間20分鐘。之后震蕩幅度迅速下降,11時(shí)后振蕩恢復(fù)震前水平,下午12—13時(shí)之間有小幅震后效應(yīng)變化。靜海井、辛莊井,高村井也同時(shí)出現(xiàn)了同震震時(shí)變化,振型為振蕩型,震時(shí)波形最大變化幅度分別為0.023m、0.032m、0.2m。2010年2月27日智利臨海地區(qū)發(fā)生了MS8.8級(jí)大地震(圖4),震中距天津約19000km。由于該震震級(jí)較大,天津有6口井出現(xiàn)同震變化,分別是張道口、寶坻、靜海、高村、東麗湖、辛莊井。本文只選取了其中的張道口、寶坻、高村、靜海4口井。張道口井同震變化明顯,于當(dāng)日下午15時(shí)15分記錄到該震水震波,震蕩變化明顯,振型為振蕩型,最大同震震時(shí)變化幅度為0.9m,振蕩持續(xù)時(shí)間為50分鐘,17時(shí)—18時(shí)之間出現(xiàn)了振蕩幅度約為0.16m,振蕩持續(xù)時(shí)間為30分鐘的震后效應(yīng)變化,19時(shí)前后也出現(xiàn)了振幅達(dá)0.15m,持續(xù)時(shí)間約為1小時(shí)的震后效應(yīng)變化,22時(shí)前后也出現(xiàn)了震后效應(yīng)變化,22時(shí)20分后水位變化恢復(fù)正常。寶坻井于15時(shí)05分出現(xiàn)同震震時(shí)變化,記錄該震水震波時(shí)間略早于其它井,震蕩持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)90多分鐘,振幅最大達(dá)0.4m,震后效應(yīng)變化以及振型同張道口井。靜海井、高村井記錄到該震的同震震時(shí)變化的起始時(shí)間,振型變化、震后效應(yīng)變化同張道口井,最大變化幅度分別為0.41m、0.23m。圖5顯示的是2011年3月11日日本福島大地震,震中距天津約2100km,這次地震震級(jí)達(dá)到了MS9.0,為近年來(lái)發(fā)生的最大地震,除了地震帶來(lái)的直接影響,它的次生災(zāi)害給日本及全球人民也帶來(lái)了極大的恐慌。天津的十口觀測(cè)井,除了徐莊子其它九口都記錄到這次大震水震波,為了避免重復(fù),只選取其中四口井闡述。張道口井于2011年3月11日下午13時(shí)50分記錄到該震水震波,同震震時(shí)變化最大震蕩幅度達(dá)到了2.38m,持續(xù)時(shí)間40分鐘,14時(shí)40分—17時(shí)30分仍有小幅度的震蕩,之后逐漸恢復(fù)正常觀測(cè)水平。振蕩持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),水震波波形比較清晰,振型為振蕩型。寶坻井、靜海井、高村井震時(shí)同震變化也較明顯,變化起始時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、振型變化基本同張道口一樣。震時(shí)最大震蕩幅度分別為0.82m、0.053m、0.31m。同震震時(shí)井孔水震波振蕩特征。3寶井與我國(guó)地震同震效應(yīng)分析如圖6所示寶坻井是天津10個(gè)井孔中唯一全部記錄到這五次大震水震波的水井。印尼8.9級(jí)地震時(shí),水震波最大振蕩幅度達(dá)到了3.9m,日本9.0級(jí)地震時(shí),最大振蕩幅度達(dá)到了0.82m,智利地震時(shí)達(dá)到了0.4m,汶川地震時(shí)最大振蕩幅度為0.44m,而玉樹(shù)地震井孔記錄的水震波最大振蕩幅度只有0.04m。細(xì)致分析你會(huì)發(fā)現(xiàn),寶坻井對(duì)東南方向環(huán)太平洋地震帶發(fā)生的大震同震效應(yīng)明顯,波形變化一致同為振蕩型,而國(guó)內(nèi)地震大震同震效應(yīng)不如東南沿海大地震明顯,中小地震同震效應(yīng)有,但幅度不大,波形變化不同于國(guó)外地震為振蕩階變型。寶坻井對(duì)國(guó)內(nèi)外地震不同的同震效應(yīng)變化,可能與寶坻井所處的地理位置與井下水文地質(zhì)條件有關(guān),寶坻井,靠近渤海。另外寶坻井處于基巖之上井深427.17m,其頂板埋深為210.15m,地下水類(lèi)型為巖溶裂隙承壓水,井孔承壓性較好,井孔位置距深大斷裂3公里?；鶐r硬度大,彈性強(qiáng),對(duì)地震波的響應(yīng)較其他巖性好?？梢?jiàn)水震波與地震波的傳播有相似之處,在傳播過(guò)程中都與地下介質(zhì)傳導(dǎo)系數(shù)及該介質(zhì)對(duì)受到應(yīng)力后產(chǎn)生振蕩時(shí)的阻力大小有關(guān)系。因此,同一口井的同震效應(yīng)變化與它的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境以及地下水文地質(zhì)條件密切相關(guān)。4激發(fā)同震效應(yīng)(1)通過(guò)分析水位觀測(cè)資料,我們可以發(fā)現(xiàn),天津有多口井對(duì)遠(yuǎn)大地震具備同震響應(yīng),記錄曲線變化基本一致。幾口井的記錄起始時(shí)間,同震振蕩幅度不太一致,震蕩持續(xù)時(shí)間也不相同。其中寶坻井全部記錄到了5次大震,張道口井記錄本文中提取的5次地震中的4次,記錄的水震波波形比較清晰,震蕩變化幅度大,很容易辨識(shí)地震同震效應(yīng)。其它幾口井盡管也有同震變化,但變化不如寶坻、張道口井明顯。分析認(rèn)為可能與井孔的埋深,所處觀測(cè)層位以及觀測(cè)層位孔隙介質(zhì)的差別有關(guān)。(2)本文提到的5次地震,其中日本福島地震震級(jí)最大,天津有九口井孔記錄到該震的水震波,觀測(cè)井出現(xiàn)同震效應(yīng)明顯多于其它4次地震?？梢?jiàn),當(dāng)?shù)卣鸩芰孔銐虼髸r(shí),會(huì)使那些同震變化不明顯的井孔水位出現(xiàn)同震效應(yīng)。(3)所示張道口井記錄到了5次大震中的4次,寶坻井記錄到了全部5次地震,高村也記錄到4次地震。除了玉樹(shù)7.2級(jí)地震,張道口井同震變化比寶坻井小以外。其他3次記錄到的水震波的最大振幅都明顯高于其他幾口井。究其原因雖然這三口井同為裂隙承壓井,但張道口井為自流熱水井,井深1406.13m,井點(diǎn)處于白塘口西斷裂的下盤(pán),水溫較其他井高,最大潮差約為20cm。高村井雖然井深3402.8lm,最大潮差可達(dá)28.3cm,但卻是石油井,而寶坻井井深427.17m,最大潮差為5cm,這幾點(diǎn)決定了張道口井井孔承壓性要好于其他兩口井。由文中列舉的內(nèi)容可知,井孔采水層的承壓狀態(tài)大小以及井孔含水層頻率響應(yīng)特性與接收地震波的波型特征有密切關(guān)系。反推也可知,一個(gè)井孔記錄到水震波的形態(tài)也能反映該井的承壓狀態(tài)與井孔