Advances in Geosciences 地球科学前沿, 2013, 3, 129-133 http://dx.doi.org/10.12677/ag.2013.32019 Published Online April 2013 (http://www.hanspub.org/journal/ag.html) Study on the Relativity between the Water Level Anomalies in the Yue Zhuang Deep Wells and Earthquakes Bing Liu1, Xiangbin Kong2, Zhen Lv1, Feng Wang1, Chong C hen1, Musen Li1,3 1Shandong Engineering Research Centre for Superhard Materials, Zoucheng 2Zoucheng Seismological Bureau, Zoucheng 3School of Materials Science and Engineering of Shandong University, Jinan Email: soldier-04@163.com Received: Feb. 27th, 2013; revised: Mar. 14th, 2013; accepted: Mar. 21st, 2013 Copyright © 2013 Bing Liu et al. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unre- stricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Abstract: The earthquake will result in the intense change of stress, strain in geological structure and result in the corresponding change of the aquifer stress state and well water level abnormal changes. According to the special geological structure of the Zoucheng city, Shandong province and the recorded earthquake-related information from Yue Zhuang deep well, the water level anomalies were analyzed in this paper. The analysis results showed that the Yue Zhuang deep well has good earthquake reflecting ability and amplification; therefore it’s beneficial to develop the seismic monitoring. Keywords: Earthquake; Monitoring; Water Level; Earthquake Reflecting Ability 岳庄深水井的水位异常与地震的相关性研究 刘 兵1,孔祥斌 2,吕 震1,王 风1,陈 冲1,李木森1,3 1山东省超硬材料工程技术研究中心,邹城 2邹城市地震局,邹城 3山东大学材料科学与工程学院,济南 Email: soldier-04@163.com 收稿日期:2013 年2月27 日;修回日期:2013年3月14日;录用日期:2013年3月21 日 摘 要:地震会造成地质结构发生应力、应变的剧烈变化,因而导致含水层的受力状态发生相应改变,使水井 水位变化异常。本文针对山东省邹城市的特殊地质结构和该市岳庄深水井记录的地震相关变化信息,对该水井 的水位异常现象进行了分析。结果表明,岳庄深水井具有良好的映震能力和放大功能,开展地震监测是有利的。 关键词:地震;监测;水位;映震能力 1. 引言 在地震的孕育、发生和发展过程中,往往可以观 测到地下水的各种异常变化[1-9]。1975 年海城 Ms7.2 地震的成功预报的一个重要依据也是来源于地下水 位的异常。由此可见,地震活动引起地下水位异常是 普遍存在的,深层地下水位对地壳微小的应力、应变 变化具有明显的放大作用,一口封闭性良好的承压水 井可视为一架窥视地壳应力活动的天然综合仪器,可 以揭示地震活动引起地壳应力、应变的变化过程。因 此,深层地下水位动态被认为是地震预报探索中最有 希望的手段之一。 本文针对山东省邹城市的特殊地质结构,以该市 Copyright © 2013 Hanspub 129 岳庄深水井的水位异常与地震的相关性研究 岳庄深水井的水位记录得到的地震相关动态信息,分 析该水位异常现象与地震的相关性,为进一步依据该 深水井的水位监测资料开展地震监测和预报奠定重 要的实验基础。 2. 邹城市的特殊地质结构与岳庄水井的基 本情况 2.1. 邹城市地质结构 山东省邹城市及周边区域在大地构造分区上处 于华北断块区东南部的鲁西断块内,鲁西断块的地壳 表层属典型的地台式结构。峄山断裂带位于该大地构 造分区内,全长约 140 公里,是一条区域性南北向大 断裂带。峄山断裂带对鲁西南地区的地形、地貌有明 显的控制作用,因而对该地区的地震活动也具有控制 作用。鲁西断块处于郯庐断裂带和聊考断裂带两大强 震带之间,峄山断裂带纵贯南北,苍尼断裂带、凫山 断裂带斜跨东西,地质构造复杂,历史上多次遭受地 震影响。特别是近十几年来,鲁西南断陷区大量开采 煤炭形成采空区,塌陷造成矿震急剧增多,矿区塌陷 地震震源极浅,只有地下 500 米,频繁震动对地面影 响大,有可能引发较大构造地震。 2.2. 岳庄地震观测水井地质资料 邹城市地震局 2004年在岳庄建立了一个地震监 测站,该站主要利用一口深800 米水井改造而成,处 在峄山断裂带的支一和支二小断层间。岳庄地震观测 站位于山东省邹城市经济开发区内(北纬 35˚23',东经 116˚56') ,处在峄山断层。该断层走向大体南北,倾向 西,落差 35~75 米,倾角大于75˚,奥灰与十四层灰 岩断层接触,角砾岩为灰岩碎块和泥岩胶结较好,透 水性差。自 2004 年以来积累的大量水位监测资料显 示,该井所记录到的水位固体潮曲线规律性比较好, 对地下应力响应灵敏,且有较好的放大功能。因此, 利用该水井开展地震监测和科学研究是十分有利的。 2.3. 岳庄水井地震观测仪器 地下水位动态观测分为观测井孔水位埋深的“静 水位”和观测自流井水头高度的“动水位”。岳庄深 水井设置了SW-40 型水位自动记录仪,其工作原理如 图1所示。 3. 岳庄水井水位记录的地震相关水位异常 现象与分析 3.1. 岳庄水井记录的水位异常图例 采用 SW-40型水位自动记录仪记录到了 2010 年 2月27 日智利发生ML8.8 级地震(图2)、2011 年3月 11 日日本发生ML9.0 级地震(图3)和2011 年10月30 Figure 1. Working principle diagram for the under gro und water level instrument of SW-40 图1. SW-40型水位自动记录仪工作原理图 Figure 2. Water-level earthquake wave of the ML8.8 earthquake occurred in Chile recorded by wells in Yue Zhuang 图2. 岳庄水井记录的智利 ML8.8级地震水位波形图 Copyright © 2013 Hanspub 130 岳庄深水井的水位异常与地震的相关性研究 Figure 3. Water-level earthquake wave of the ML9.0 earthquake occurred in Japan recorded by wells in Yue Zhuang 图3. 岳庄水井记录的日本 ML9.0级地震水位波形图 Figure 4. Water-level earthquake wave of the ML2. 0 mine earthquake occurred in Zoucheng recorded by wells in Yue Zhuang 图4. 岳庄水井记录的邹城市 ML2.0 级矿震水震波波形图 日邹城市发生 ML2.0 级矿震(图4)。可以看出,岳庄 水井的水位异常震相清晰可见,说明该深水井具有良 好的映震能力和放大功能。 相对于智利 ML8.8 级地震的水震波震幅接近100 mm,持续时间达 6小时以上。相对于日本 ML9.0级 地震的水震波震幅接近90 mm,持续时间达数小时。 而相对于邹城市ML2.0 级矿震记录的水位波形图,可 以看出其震相的振幅接近 400 mm、持续时间达 1个 Copyright © 2013 Hanspub 131 岳庄深水井的水位异常与地震的相关性研究 半小时之久,而且非常清晰。 由图 2至图 4可以看出,岳庄水井记录的地(矿) 震水震波波形图非常清晰,原因是: 1) 该深水井处于峄山断裂带的支一和支二小断 层间断层; 2) 该深水井深802 m,其周围含水层的含水量十 分丰富,对地质结构的应力、应变比较敏感; 3) 该深水井封闭性好,因而其水位的异常变化与 含水层应力、应变直接有关系。 3.2. 汶川和玉树地震相关的 水位异常变化与分析 图5是在 2008 年5月12 日四川省汶川发生 ML8.0 级地震前后由岳庄水井记录的 5月份日均值水位波形 图,可以看出,在地震前岳庄水井的水位持续发生大 幅度下降,降幅约 0.65米。其中 5月9日至 12日下 降了约 0.50米。5月12 日后,则岳庄水井的水位逐 渐回升。5月12 日地震发生时岳庄水井的水位正好处 在5月份日均值水位波形图的最低点,这与地震相关 水位异常现象的理论分析观点相符合。 地震学家从不同角度提出了各种理论和模式来 解释地震地下水位异常与地震过程的关系,较为流行 的有扩容–扩散(DD)模式 [10]、裂隙串通或雪崩(IPE) 模式[11]和微裂–预位移模式[12]。三种模式都是从震源 及其附近岩体的应力、应变变化过程出发探讨地震前 兆成因及其规律性,且一致认为,从地震孕育到发生 的过程中,震源区的地下水位会发生明显的突变,即 由下降转为上升。 图6是在 2010 年4月14 日青海省玉树发生 ML6.3 2008年05月日均值水位波形图 36.7 36.8 36.9 37 37.1 37.2 37.3 37.4 37.5 37.6 5-15-65-11 5-16 5-215-26 5-31 日期(日) 水 位 米 Figure 5. The average daily vale of water level in May 2008 re- corded by wells in Yue Zhuang 图5. 2008年5月岳庄水井记录的日均值水位波形图 2010年3- 4月日均值水位波形图 40.9 41.1 41.3 41.5 41.7 41.9 42.1 42.3 42.5 42.7 3-13-11 3-21 3-31 4-104-20 4-30 日期(日) 水 位 米 Figure 6. The average daily vale of water level in March to April 2010 recorded by wells in Yue Zhuang 图6. 2010年3~4月岳庄水井记录的日均值水位波形图 级地震前后由岳庄水井记录的3~4月份日均值水位波 形图,可以看出,在地震前岳庄水井的水位持续发生 大幅度下降,降幅约 1.40 米,而且其下降的特点是每 天水位缓慢下降,持续时间长达24天多。4月14 日 后,则岳庄水井的水位逐渐回升。4月14 日地震发生 时岳庄水井的水位正好处在3~4月份日均值水位波形 图的最低点。 岳庄水井对汶川ML8.0 级和玉树 ML6.3 级地震 前、后的水位出现先降低、后回升的明显变化的主要 原因是: 1) 汶川和玉树地震的震级较大,影响范围很广, 余震较多。而且汶川和玉树地震的震源深度较浅(均为 14 公里),属于强烈的浅源性地震。 2) 虽然汶川震中距离岳庄水井有 1316.67 千米, 玉树震中距离岳庄水井有 1848.03 千米,但汶川和玉 树与岳庄水井的地理位置同属于亚欧板块,所以地震 波的影响会很明显的。 3) 岳庄水井地处峄山断裂带的支一和支二小断 层间,因此其地理位置优越,这是该深水井的水位波 形对地震的映震能力良好的重要条件。 4. 结论 综上所述,通过对智利、日本、汶川、玉树及邹 城市发生的地(矿)震采集的水位异常和水震波异常现 象的观测和分析结果表明,山东省邹城市岳庄深水井 对地(矿)震的映震能力良好。在近几年的地震监测中 提供了重要的相关信息,为利用该深水井进一步开展 地震监测和预报的研究工作提供了有利的条件、奠定 了实验的基础。 Copyright © 2013 Hanspub 132 岳庄深水井的水位异常与地震的相关性研究 Copyright © 2013 Hanspub 133 参考文献 (References) [1] Committee on the Alaska Earthquake of the Division of Earth Sciences National Research a Council. The great Alaska earth- quake of 1964. 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