山东省井水位对几次大地震同震响应的比较分析

刘凯; 张辉; 张军; 宋磊; 陈燕娥; 夏岩; 田兆阳; 海长洪

doi:10.11939/jass.20170161

山东省井水位对几次大地震同震响应的比较分析

刘凯^1, ,,
张辉²,
张军³,
宋磊⁴,
陈燕娥¹,
夏岩¹,
田兆阳¹,
海长洪¹

1.
中国山东德州 253000 山东省地震局德州地震台
2.
中国山东潍坊 261300 山东省地震局昌邑地震台
3.
中国山东菏泽 274026 菏泽市地震局
4.
中国山东枣庄 277800 枣庄市地震局

详细信息

通讯作者:
刘凯: e-mail: LK8822@126.com

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出版历程
- 收稿日期: 2018-02-05
- 修回日期: 2018-10-30
- 网络出版日期: 2019-01-05
- 发布日期: 2018-12-31

Comparative analysis on coseismic response of water level in Shandong Province to several major earthquakes

1.
Dezhou Seismic Station of Shandong Earthquake Agency，Shandong Dezhou 253000，China
2.
Changyi Seismic Station of Shandong Earthquake Agency，Shandong Weifang 251300，China
3.
Earthquake Agency of Heze City，Shandong Heze 274026，China
4.
Earthquake Agency of Zaozhuang City，Shandong Zaozhuang 277800，China

摘要

摘要: 采用多井对多震的方式，选取山东省地下流体观测井网中同震响应较好的6口观测井作为研究对象，分别从水位变化形态和幅度对比分析2011年日本M_W9.0地震、2012年苏门答腊M_W8.6地震和2015年尼泊尔M_W7.8地震引起的井水位变化特征，探讨引起该变化的可能机理。研究结果显示：水位同震变化形态以振荡为主；通过定量分析认为聊古一井井水位的阶升是由含水层渗透系数增大所致；位于同一断裂带上的聊古一井和鲁27井井水位在同一地震中所表现的变化形态不同，可能与两个观测井所处的地质构造条件和地震活动背景不同有关；区域应力场的变化会影响栖霞鲁07井的水位同震变化形态；水位同震变化幅度与震级、井震距存在一定关系，同时也取决于含水层水文地质条件的变化量。
- 水位 /
- 地震 /
- 同震响应 /
- 含水层 /
- 山东
Abstract: In the form of multi-well to multi-earthquake, six wells with good coseismic responses in the underground fluid observation network of Shandong Province are selected to analyze the coseismic variations of water level caused by the Japan M_W9.0 earthquake, the Sumatra M_W8.6 earthquake and the Nepal M_W7.8 earthquake. We analyze the characteristics in the aspects of type and amplitude, and discuss the response mechanism. The results show that the major type of coseismic variations is oscillation. With quantitative analysis, we find that the rise of Liaogu-1 water level is due to the increase of permeability coefficient of aquifer. The different types between Liaogu-1 well and Lu-27 well on the same fault zone are due to the different regional geological conditions and seismic activities. The water level coseismic variation type of Lu-07 well is affected by local tectonic stress. The amplitude of water level coseismic variation is related to the magnitude and the distance between well and epicenter, and also depends on the change of hydrogeological condition.
- water level /
- earthquake /
- coseismic response /
- aquifer /
- Shandong Province

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根据美国地质调查局（United States Geological Survey，缩写为USGS）国家地震信息中心（National Earthquake Information Centre，缩写为NEIC）的测定，2021年2月13日14时7分50秒（UTC），日本本州以东发生了一次矩震级高达M_W7.2的地震，震中位于（37.745°N，141.749°E），震源深度为49.94 km，这是截至本文发稿时最终更新的定位结果，更新前为（37.686°N，141.992°E），震源深度为54.0 km。美国地质调查局（USGS，2021）和全球矩心矩张量组（GCMT，2021）随后发布了这次地震的矩心矩张量解（表1）。震后48小时内累计发生M＞2.5余震13次，其中最大的余震震级达到M_W5.3，主震和余震的深度分布在35—65 km之间。该事件所在区域曾于2011年3月11日发生过M_W9.1特大地震（Duputel et al，2012a）并引起破坏性海啸，相较于2011年M_W9.1事件，本次事件的位置更靠近西侧，发生在俯冲带较深的区域。

表 1 GCMT，USGS 和本研究所得日本本州东海岸M_W7.2地震矩心矩张量解

Table 1. The centroid moment tensor solutions for the M_W7.2 earthquake in the east coast of Honshu，Janpan，from GCMT，USGS and this study

机构	矩张量/（10¹⁹ N·m）						矩心参数
机构	M_rr	M_tt	M_pp	M_rt	M_rp	M_tp	τ_c/s	北纬/°	东经/°	矩心深度/km
GCMT （2021）	5.540	−0.647	−4.890	0.269	−1.760	−1.740	9.6	37.60	141.63	50.7
USGS （2021）（W震相）	4.557	−0.220	−4.337	0.724	−0.773	−1.550	13.2	37.63	141.88	60.5
USGS （2021）（体波）	5.964	−1.531	−4.434	0.313	−2.151	−1.156	−	37.75	141.72	50.6
本文	8.588	−0.147	−8.440	−0.217	−2.755	−1.000	12.0	37.65	141.45	50.0

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基于对该事件震级、噪声水平及空间分辨率的综合考虑，我们收集了震中距处于34.53°—89.92°范围内全球地震台网（Global Seismograph Network，缩写为GSN）和宽频带数字地震台网联盟（International Federation of Digital Seismograph Network，缩写为FDSN） 61个台站的宽频带垂直分量数据作为观测资料，采用AK135模型计算格林函数（Wang，1999）并截取P波数据，根据震级将滤波频带设定为0.01—0.05 Hz。与Kanamori和Rivera （2008）、Duputel等（2012b）以及先前的研究（张喆等，2020）相同，本文采用网格搜索的方法对矩心时空信息进行非线性反演，结果如图1所示。反演结果显示，矩心时间为12 s，矩心水平坐标为（37.65°N，141.45°E），矩心深度为50 km，其中双力偶成分占比接近100%。根据矩心矩张量解（表1，图2），我们也得到了相应的最佳双力偶解（表2）。图3展示了利用反演结果计算的合成波形与观测波形的比较，二者的整体相关系数达到0.93，二次误差为5.785×10⁻⁸，大多数台站的相关系数在0.90以上。

图 1 日本本州东海岸M_W7.2地震矩心矩张量解反演过程

（a）矩心时间τ_c搜索；（b）矩心水平空间搜索，黄色圆圈表示矩心水平坐标；（c）矩心深度h_c搜索；（d）矩心相对震中的位置，红色沙滩球表示矩心矩张量解，红色星形表示震中

Figure 1. Inversion process of the centroid moment tensor solution for the M_W7.2 earthquake in the east coast of Honshu，Japan

（a） Search for centroid time τ_c；（b） Search for the horizontal location of the centroid （yellow circle）；（c） Search for centroid depth h_c；（d） The centroid location （beach-ball） with respect to the instrumental epicenter （red hexagon）

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图 2 矩心矩张量反演参数以及台站分布与反演结果

Figure 2. The parameters of the centroid moment tensor inversion，the station distribution and the inversion results

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表 2 GCMT，USGS以及本研究得到的日本本州东海岸M_W7.2地震的最佳双力偶解

Table 2. The best double-couple solutions for the M_W7.2 earthquake in the east coast of Honshu，Japan，from USGS，GCMT and this study

机构	标量地震矩 /（10¹⁹ N·m）	双力偶成分占比	节面Ⅰ			节面Ⅱ
机构	标量地震矩 /（10¹⁹ N·m）	双力偶成分占比	走向/°	倾角/°	滑动角/°	走向/°	倾角/°	滑动角/°
GCMT （2021）	5.800	99%	192	53	80	28	38	103
USGS （2021）（W震相）	4.831	96%	187	49	74	30	43	107
USGS （2021）（体波）	5.903	61%	191	55	82	25	35	102
本文	9.008	100%	186	54	89	7	36	91

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图 3 观测数据与合成数据的比较

Figure 3. Comparison between the observed （blue） and synthetic （red） waveforms

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与USGS和GCMT的结果（图4）相比，本文反演所得矩心时间12 s介于二者之间，而矩心位置（37.65°N，141.45°E，深度50 km）要更偏向西侧。本文反演得到的标量地震矩达到9.008×10¹⁹ N·m，换算为矩震级约M_W7.24，高于其它机构（约M_W7.1）的结果。此外，本文反演得到矩张量解中双力偶成分占比接近100%，这个数值要略高于GCMT和USGS （W震相）的结果，明显高于USGS （体波）发布的结果。从最佳双力偶解所确定的断层面来看，本研究的走向和倾角与其它研究结果近似，滑动角上存在接近10°的差异。经反复测试我们认为滑动角、矩心位置与其它研究结果的差异与观测资料、滤波频带的不同以及参考震中（Preliminary Determination Epicenter，缩写为PDE）的变更相关。从本文反演得到的震源机制解来看这是一次纯逆冲事件。

图 4 2011年M_W9.1地震（灰色沙滩球）后M＞2.5事件以及本州东海岸M_W7.2地震的余震分布和各机构发布的该主震的矩心矩张量反演结果

Figure 4. The centroid moment tensor solutions （colored beach-balls） from various institutions and aftershocks of the M_W7.2 earthquake in east coast of Honshu as well as the M＞2.5 earthquakes since the 2011 M_W9.1 earthquake （gray beach-ball）

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本研究使用的数字波形数据均通过地震学联合研究会（Incorporated Research Institutions for Seismology，缩写为IRIS）数据中心获取，震源机制数据分别来自于全球矩心矩张量（GCMT）和美国地质调查局（USGS），余震数据来自于美国地质调查局（USGS），作者在此表示感谢！

图 1 目标地震分布图

Figure 1. Distribution of target earthquakes

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图 2 区域地质构造及井点分布图

Figure 2. Regional tectonics and monitoring wells distribution

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图 3 6口观测井的水位同震变化曲线图

（a）聊古一井；（b）昌邑鲁02井；（c）栖霞鲁07井；（d）商河鲁09井；（e）枣庄鲁15井；（f）菏泽鲁27井

Figure 3. Coseismic variations of water level for six observation wells

（a） Liaogu-1 well；（b） Changyilu-02 well；（c） Qixialu-07 well；（d） Shanghelu-09 well；（e） Zaozhuanglu-15 well；（f） Hezelu-27 well

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图 4 2000年至2017年9月30日聊考断裂带附近M_L≥4.0地震分布图

Figure 4. Distribution of M_L≥4.0 earthquakes near Liaocheng-Lankao fault from 2000 to September 30，2017

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图 5 栖霞鲁07井井水位同震变化曲线图

Figure 5. Coseismic variation of water level for Lu-07 well in Qixia city

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图 6 目标地震M-t图

Figure 6. M-t diagram of target earthquakes

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表 1 观测井基本参数

Table 1 Basic parameters of six wells

井孔名称	井深/m	所处断裂带	含水层岩性	观测仪器型号	采样率/（次·分钟⁻¹）
聊古一井	2 337	聊考断裂带北段	灰岩	LN-3A	1
昌邑鲁02井	1 172	昌邑—大店断裂	砂岩	LN-3A	1
栖霞鲁07井	600	莱阳、栖霞、福山断裂交会处	花岗岩	LN-3A	1
商河鲁09井	2 836	济阳凹陷	灰岩	LN-3A	1
枣庄鲁15井	501	韩庄断裂北侧	砂岩	LN-3A	1
菏泽鲁27井	2 000	聊考断裂带东侧	灰岩	LN-3A	1

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表 2 水位同震变化主要参数

Table 2 Main parameters of water level coseismic variations

	日本M_W9.0地震			苏门答腊M_W8.6地震			尼泊尔M_W7.8地震
	井震距/km	形态	振幅/cm	井震距/km	形态	振幅/cm	井震距/km	形态	振幅/cm
聊古一井	2 353	阶升	26.5	4 471	阶升	9.3	3 072	阶升	12.1
昌邑鲁02井	2 050	振荡	3.4	4 697	振荡	1.1	3 374	振荡	1.0
栖霞鲁07井	1 914	振荡	51.7	4 828	振荡	2.9	3 508	阶升	1.1
商河鲁09井	2 220	振荡	48.7	4 612	振荡	9.3	3 200	振荡	2.4
枣庄鲁15井	2 275	振荡	7.7	4 415	振荡	1.8	3 176	振荡	0.6
菏泽鲁27井	2 445	振荡	48.1	4 337	振荡	21.3	2 990	振荡	9.6

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表 3 聊古一井井水位M₂波潮汐参数

Table 3 Tidal parameters of M₂ wave for the water level of Liaogu-1 well

	日本M_W9.0地震		苏门答腊M_W8.6地震		尼泊尔M_W7.8地震
	震前	震后	震前	震后	震前	震后
潮汐因子	2.05	2.19	2.15	2.14	2.01	2.05
相位差/°	−5.20	−5.20	−6.83	−5.93	−9.67	−7.49
注：相位差为“–”代表相位滞后.

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表 4 聊城—兰考断裂带各段上下盘地层厚度分布与断层特征表

Table 4 The strata thickness and fault characters of the Liaocheng-Lankao fault

层底	北段			中段			南段
层底	上盘厚度/m	下盘厚度/m	落差/m	上盘厚度/m	下盘厚度/m	落差/m	上盘厚度/m	下盘厚度/m	落差/m
下第三系	14×10³	0	14×10³	4.5×10³	0	4.5×10³	7×10³	0	7×10³
上第三系	1 800	800	1 000	2 000	800	1 200	2 600	1 400	1 200
第四系	300	200	≤100	300	200	100	≥400	250	≥150
上更新统	60	50	10	80	65	15	80	60	20
注：数据来源于向宏发等（2000）.

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表 5 响应形态固定的观测井井水位同震变化幅度

Table 5 Coseismic variation amplitude of water level for observation wells with constant response type

井点名称	井震距/km	实际变幅/cm	预测变幅/cm
聊古一井	1 389	2.2	25.79
昌邑鲁02井	1 682	0.4	1.14
商河鲁09井	1 533	0.4	0.48
枣庄鲁15井	1 443	0.3	0.19
菏泽鲁27井	1 280	1.2	3.86

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施引文献(5)

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