重庆荣昌井水温同震-震后响应特征及机理研究

巩浩波 来贵娟 李翠平 李光科

1)重庆市地震局，重庆 401147 2)河北省地震动力学重点实验室，河北三河 065201 3)中国地震局地球物理研究所，北京 100081

地震可以引起井水温的变化，井水温的同震-震后响应能够揭示地壳介质对应力应变过程的响应。Shimamura等(1981)较早报道了对井水温度震前异常和同震响应的研究。在国内，付子忠(1988)首次用仪器观测到水温同震变化现象。前人对1999年中国台湾集集7.6级(Wang et al，2012)、2004年苏门答腊8.5级(孙小龙等，2008a)、2008年汶川8.0级(杨竹转等，2008；
He et al，2020)、2011年日本9.0级(鱼金子等，2012；
马玉川等，2014)、2013年芦山7.0级(张彬等，2013；
巩浩波等，2015)、2015年尼泊尔8.1级(张彬等，2015)等地震的井水温同震-震后响应特征做了系统研究。陈大庆等(2007)对远场大震水温同震响应和机理进行研究，提出同震水温下降的气体脱逸模式。

在单井多震的研究方面，如石耀霖等(2007)研究唐山井水温的同震变化，使用有限单元法模型计算分析，认为井水垂直振荡时搅动井水引起的弥散效应是造成同震水温变化的主要原因。杨竹转等(2007)、孙小龙等(2008b)研究北京塔院井水温同震效应，认为井孔中的水体受振荡激发而加速对流与掺混是导致水温先下降的主要原因，水温同震幅度与震级、井震距等有关。杨竹转等(2018)研究丽江党校井水温同震变化特征，认为该井水温同震主要受水位泄流状态和水位变化的影响。在单井多层水温同震-震后响应的研究方面，如张慧等(2013)研究了海口ZK26井三层水温的同震和震后效应，认为观测层位的水文地质条件、背景噪声等的不同有可能造成不同层位井水温对远场大震的响应不同，远场大震井水温震后效应是由地震波导致的井-含水层系统参数的改变引起的。董蕾等(2017)研究发现随观测深度的增加，荣昌华江井三层水温同震响应能力增强。He等(2017)研究了川03井三层水温对2008年汶川8.0级和2011年日本9.0级地震的同震响应，认为水温同震变化与区域应力应变状态变化、含水层分布及特征密切相关，井孔中观测到的不同层的水温变化很可能受水平方向水流的控制。关于井水温微动态的形成机制，前人提出由水流动产生的热对流引起井水温变化的水热动力学机制和井区岩土中大地热流作用或热传导引起井水温变化的地热动力学机制，并指出多数井水温同震响应是水热动力学机制引起的，震后效应多是地热动力学机制引起的(车用太等，2008、2014)，同时也开展了一些井水温动态数值模拟方面的研究(杨竹转，2011；
顾申宜等，2013)。

重庆荣昌井水温对中、远场大震和近场地震均响应灵敏，积累了丰富的同震和震后观测资料。本研究统计分析了荣昌井水温对2008年1月—2021年9月全球MS≥7.0、川滇地区MS≥6.0、重庆及周边地区20km范围内MS≥4.0共273次地震的同震-震后响应动态特征，给出引起荣昌井水温同震变化的地震波能量密度阈值，对井水温同震优势方向成因及机理进行深入研究，为井水温动态的定量分析和机理解释提供研究思路。

荣昌井位于重庆市荣昌区安富镇(29.373°N，105.459°E)，高程326m(图1)。该井井深251m，其中0～5m深度段为套管，6～69m深度段设花管，70m深度以下为裸孔。井径 240～110mm，井口套管直径240mm。井孔位于三叠系上统须家河组下亚组(T3xjⅠ)，岩性主要为中粒长石英砂岩、泥页岩及煤层。井孔地质概况为：0～5.2m为第四系松散岩土层；
5.2～37.2m为须家河组灰黑色页岩、煤层，该层裂隙发育；
37.2～61.1m为须家河组灰白色细砂岩，该层裂隙不发育；
61.1～251.0m为须家河组中粒长石英砂岩，局部裂隙发育，岩层倾角45°，该层为主要观测含水层(图2)。

图1 荣昌井区构造地质简图

图2 荣昌井水温梯度测试曲线和井孔柱状图

该井构造上位于华蓥山基底断裂带西南侧，距断裂带最近距离约1km。华蓥山断裂位于中国西南地区，是一条右旋逆走滑型断裂，该断裂带北起万源，向南西经达川、荣昌至宜宾西南，全长约600km，为川中台拱与川东陷褶束2个三级构造单元的边界断裂。断裂走向 N45°E，断面总体倾向SE，倾角30°～70°，在地表由规模不等的若干条断层组成。断裂带上的地表断裂有过多期活动，最新活动时代为距今(223.6±31.6)ka，历史中强震活动集中于断裂带的西南段(杨蓉等，2010)。

荣昌井水温自2008年1月正式观测以来，呈升温漂移型，2008年以来平均水温为23.70℃，年均升温约0.01℃，该井水温在2008年汶川8.0级地震时有明显的同震和震后效应(图3)。荣昌井观测情况见表1。

图3 荣昌井水温日均值曲线(2008年1月—2021年9月)

表1 荣昌井地下流体观测情况

本文统计了2008年1月—2021年9月期间荣昌井水温对全球MS≥7.0、川滇地区MS≥6.0、重庆及周边地区MS≥4.0共273次地震的同震响应，统计结果见表2。该井水温的同震变化往往伴随着水位的变化，水温的同震响应比(同震个数/地震个数)要远低于同井水位，荣昌井水温与水位同震响应比为1︰5.7，且荣昌井水温同震震级响应范围、震中距响应范围均小于同井水位，说明水温的同震响应能力弱于水位。

表2 荣昌井水温、水位同震响应特征参数统计

经统计发现，荣昌井水温26次同震响应方向始终为上升，井水温同震响应的地震分布见图4，井水温典型同震形态见图5。荣昌井3层不同深度水温(水温探头分别置于井下225m、215m、133m)在2014年3月6日—2016年3月13日同步观测，3层水温探头均位于砂岩主要观测含水层中(61.1～251.0m)，且均处于温度正梯度范围内(图2)。3层水温同步观测期间，探头225m处的同震响应次数最多(8次)，其次为215m处(5次)，最少为133m处(1次)，说明荣昌井水温随观测深度增加，水温记录地震能力增强，在225m处的同震响应能力最强。其中，有2层以上水温同时响应的地震共有5次，分别为2015年4月25日尼泊尔8.1级(井震距2040km)、2015年5月30日日本小笠原8.0级(井震距3411km)、2015年11月14日中国东海海域7.2级(井震距2237km)、2015年12月7日塔吉克斯坦7.4级(井震距3146km)和2016年3月2日印尼苏门答腊岛海域7.8级地震(井震距2967km)，且2层水温5次同震方向均为上升；
3层水温同时响应的只有1次，即2015年尼泊尔8.1级地震。由图6、表3可见，荣昌井水位同震先于水温，水温同震是由深及浅的顺序发生，同震响应幅度随深度的增加而减小，水温的同震响应持续时间较水位长，且不同层位的水温同震方向均为上升。由此说明，单个井水温对不同地震的同震响应存在优势响应方向，其水温同震升降的性质均不因地震的远近、大小、震源机制或方位的变化而发生改变。

图4 引起荣昌井水温同震响应的地震分布

图5 荣昌井水温同震响应分钟值

图6 2015年4月25日荣昌井水位和不同层位水温分钟值

表3 荣昌井水位和多层水温对2015年4月25日尼泊尔8.1级地震的同震响应参数

统计荣昌井水位和水温同时响应的9次地震同震响应参数(表4)，与同井水位同震变化方向进行比较，发现荣昌井水位-水温对中、远场震的同震多为同向上升正相关关系或振荡—上升，但在2008年汶川8.0级、2010年荣昌4.5级、2021年泸县6.0级地震时，为同震水位下降—水温上升的反相关关系，其可能原因为这3次地震为近场地震，其他地震均为中、远场地震，近场地震和中、远场地震引起的水位同震响应变化机制不一致所致(Lai et al，2021)。由此可见，井水温同震变化虽与水动力作用有关，但并非简单地由水位同震变化引起。

表4 荣昌井水位和水温同震响应方向对比

在此引入地震波能量密度e(r)，表示地震波在传播过程中作用在单位体积地层介质上的最大地震能量值，其与地震震级M和震中距R存在一定的关系。荣昌井地震波能量密度分布与震级和震中距的关系如图7所示，图中的直线为满足公式lgR=0.48M-0.33lge(r)-1.4(Wang，2007)的能量密度等值线，坐标轴内的每个点代表一次地震。引起荣昌井水温同震变化的地震波能量密度e(r)>10-5J/m3，而引起荣昌井水温和水位反向同震变化的地震波能量密度e(r)>1J/m3。

图7 地震引起的荣昌井水温同震与震级、震中距的关系

荣昌井水温自观测以来表现出丰富的震后响应变化，一种为上升—下降型正脉冲变化，如2008年汶川8.0级和2010年荣昌4.5级地震；
另一种为震后上升，持续数天后恢复到之前的变化水平，如2016年荣昌4.9级和2017年九寨沟7.0级地震。

荣昌井水温在2008年汶川8.0级地震后第5天开始出现上升—下降型正脉冲变化，2010年荣昌4.5级地震后亦如此，震后第11天开始出现上升—下降型正脉冲变化(图8、表5)。这2次地震后的荣昌井水温响应最为显著，且形态变化相似，汶川地震后的震后响应持续时间约为荣昌地震后的1倍，且仅有这2次地震及2021年泸县6.0级地震对应的荣昌水位同震响应方向为下降，其他地震对应的荣昌井水位同震均为上升或振荡。将荣昌井水温上升—下降脉冲型震后变化与荣昌4.5级地震震区ML≥1.0余震序列活动进行对比，发现随着荣昌井水温上升—下降脉冲型震后变化逐渐减小直至消失后，余震活动也由起伏逐渐趋于平静，表明荣昌井水温上升—下降脉冲型震后变化与震区的余震有较好的对应关系。

图8 荣昌井水温脉冲型震后响应(a)与地震 M-t图(b)对比

表5 荣昌井水温同震-震后响应参数对比

荣昌井水温在2010年玉树7.1级、2011年日本9.0级、2016年苏门答腊海域7.8级、2016年荣昌4.9级、2017年九寨沟7.0级地震后出现加速上升变化，持续数天后恢复到之前的变化水平。其中，2层水温(探头位置分别为井下225m和215m)在2016—2017年并行观测期间共记录到3次同步的上升—持续高值—下降型同震-震后响应变化，如2016年苏门答腊海域7.8级、2016年荣昌4.9级、2017年九寨沟7.0级等地震震后均有记录(表6、图9)。震级越大、震中距越小，荣昌井水温震后上升幅度越大，持续时间1～3个月。215m处水温的震后响应幅度和持续时间均大于225m处。

表6 荣昌井2层水温同震-震后响应参数对比

图9 荣昌井2层水温同震-震后响应对比

对于引发水温变化的动力源，地震释放的能量主要由摩擦能、破裂能和地震波能三部分组成。摩擦热主要集中在发震断裂附近，破裂能主要集中在震中区附近，地震波能占地震释放能量的比重不大，但可在大范围内释放(马玉川等，2014)。从动力源的角度看，荣昌井水温同震变化多数与地震波的影响有关。而地震波引起的渗透性变化的机制主要有：①堵塞或冲刷裂隙通道，造成颗粒移动(Brodsky et al，2003；
Elkhoury et al，2011；
Candela et al，2014)；
②新的微裂隙生成，含水层系统被破坏(Manga et al，2012)；
③水滴、气泡等的迁移(Manga et al，2012)。地震发生后，由于裂隙里的沉积物被冲刷而新形成的通道会被重新堵塞，使得渗透性能够逐渐恢复到震前水平。渗透率恢复到预估值的时间取决于重新堵塞孔隙的时间和封闭孔隙的地球化学过程所需的时间。井水温的震后响应是由于地震波周期性振荡作用于含水层系统后，一方面激活了孔隙、裂隙中的充填物(如气体、滞水等)，另一方面促使局部裂隙的串通，使得各水体间及水体与围岩的热量交换加强或减弱，从而导致井水温变化。

目前，井水温同震上升机理主要有：①在地震波震动作用下，承压含水层下部热水上升引起温度上升；
②地震波引起的水体波动与井壁及水温传感器摩擦引起温度上升；
③井孔水温梯度为负时，上部热水在震动作用下下渗引起温度上升(毛慧玲等，2012)。井水温同震下降机理主要有：①气体逸出说，即当井水气体释放时，同时释放出井水中的热量，从而降低了井水温度；
②热弥散说，井水垂直振荡时搅动井水，引起的弥散效应造成同震水温变化，在一定的条件下形成同震水温降低现象；
③冷水下渗说，即井孔含水层周边上层地下水随着振动效应的作用，向下垂直运动的速率有所加大，低温水快速混入观测含水层中，引起温度的快速下降(孙小龙，2008c)。浅循环含水层表明水温将会下降，而深循环含水层水温将会升高。通过浅循环含水层向井孔注入冷水，通过深循环含水层向井孔注入热水。

由地貌、地质特征可以看出，荣昌井区附近的地下水系主要由大气降水补给，在含水裂隙带被切割处或侵蚀基准面附近进行排泄(图10(a))。该井含水层地层出露在背斜区，地层由平缓向两翼变陡，造成自流斜坡，地下水富集具有一定承压性。砂岩厚度大，受力后产生的张裂隙较多，是主要含水层，下部页岩相对隔水(图10(b))。同位素测试结果表明，荣昌井水为大气降水成因，piper三线图显示该井水水化学类型为Na-Cl型，Na-K-Mg三角图可以较好地用于解释水的起源(Giggenbach，1988)，结果显示荣昌井水为部分平衡水，说明水的循环深度较深，携带一定的深部物质(图11)。荣昌井区从20世纪50年代后集中开采50多年，采煤层延伸至观测井底部。2016年以来，荣昌井区周边陆续开始进行页岩气开采。页岩气是赋存于有机质泥页岩及其夹层中，以吸附和游离状态为主要存在方式的非常规天然气，成分以甲烷为主。截至2021年10月，荣昌井井面时有气泡上涌，佐证了该井含水层含气的事实。2021年4月在井口架设了实时摄像头，记录到5月22日青海玛多7.4级地震震时气泡量明显增多(图12)，而震时荣昌井水温也出现了上升变化(图5)。

注：T3xjⅠ：三叠系上统须家河组下亚组，主要为泥页岩、砂岩及煤层；
T3xjⅡ：三叠系上统须家河上亚组，主要为砂岩、泥页岩；
J1z：侏罗系下统珍珠冲组，主要为泥页岩夹砂岩；
Q4：第四系全新统，主要为砾石、砂、黏土。

注：δD-δ18O分布图中GMLW为全球大气降水线(据Craig(1961))；
LMLW为重庆地区大气降水线(据胡菡等(2015))。

图12 荣昌井面平时影像(a)和玛多7.4级地震时影像(b)

气体具有很大的活动性，在地壳内分布广且分散，一般分布在岩石的孔隙、裂隙及溶洞中，有的溶解于水中，有的封存在合适的构造中形成气芷。地震、构造活动、应力的变化、局部气体的形成、承压水的变化和流动均可形成压力梯度，造成气体从压力高的地方向压力低的地方流动或迁移(方震等，2012)。当地震波经过井区含水层时，会造成裂隙串通、井内水体连续振荡，深部含水层孔隙中的气体及溶解于井水中气体就会随地下水一起运移至表面。荣昌井水温同震上升变化可能是地震波的扰动造成井下深部气体大于本底的释放量，大量气泡沿裂隙上升进入井含水层系统而引起的。震后一段时间，气体释放量逐渐减小，水温也逐渐恢复至震前水平。

荣昌井水温的同震-震后响应变化较为特殊，其变化机理也不同于前人所提出的井水温同震上升机理。而根据对西南地区井水温同震响应特征的分析(巩浩波等，2021)可知，并非所有井水温同震优势下降的井位都是浅循环井，如西昌川32井，井深410.2m，观测层128.17～410.20m。水温同震优势方向上升型和下降型井位并无明显共性。水温的同震变化是探头周围的地下水与其周围介质进行能量交换的结果，与水位变化幅度及运动方式、水流速度、井孔周围孔隙度、井孔温度梯度、水温探头放置位置等有关。由此说明井水温同震-震后响应机理的复杂性，今后仍需对更多的井孔进行更加深入的研究。

重庆荣昌井水温对远大震和近震均响应灵敏，积累了丰富的同震和震后观测资料，且荣昌井(多层)水温同震响应方向均为上升，是研究井水温同震-震后响应动态特征的优质井位。本文统计分析了荣昌井水温对2008年1月—2021年9月期间共273次地震的同震-震后响应动态特征，给出引起该井水温同震变化的地震波能量密度阈值，对井水温同震优势方向成因和机理进行了深入研究，得到以下结论：

(1)荣昌井水温同震-震后响应能力较好，对近震和远震均可记录到。该井水温同震响应由深及浅顺序发生，同震-震后响应持续时间随观测深度的增加而增加，同震响应幅度随观测深度的增加而减小，且该井水温同震-震后响应持续的时间较水位更长。

(2)荣昌井多层水温同震响应方向始终为上升，说明单个井水温对不同地震的同震响应存在优势响应方向，其水温同震升降的性质均不因地震的远近、大小、震源机制或方位的变化而改变。荣昌井水温同震响应优势方向上升变化可能是地震波的扰动造成井下深部气体释放，沿裂隙上升进入井含水层观测层而引起的。

(3)荣昌井水位-水温对中、远场地震的同震多为同向上升正相关关系或振荡—上升，但在汶川8.0级、荣昌4.5级、泸县6.0级地震时为同震水位下降—水温上升的反相关关系，其原因可能为这3次地震为近场地震，其他地震均为中、远场地震，近场地震和中、远场地震引起的水位同震响应变化机制不一致。引起荣昌井水温同震变化的地震波能量密度e(r)>10-5J/m3，而引起荣昌井水温和水位同震反向变化的地震波能量密度e(r)>1J/m3。

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