庫爾勒鐵門關鉆孔突跳年動態與無震余年的對比

孔水位是tj-2體應變儀的輔助觀測項目之一。觀察的對象是孔周圍巖石水層中孔水壓的變化，以及孔測點附近的變形和應力場的相對變化1。2011年以來,新疆中強地震呈現出時間上連發、空間上多帶分布的特點［2］,發生5級以上地震11次,其中6級以上地震3次。本文中主要就2011年6月8日托克遜MS5.3地震、2012年6月15日輪臺MS5.4地震和2012年6月30日新源、和靜縣交界MS6.6地震前,鉆孔水位出現的突跳變化,結合體應變消除潮汐改正和零漂后的高頻信息的對比分析,尋找鉆孔水位變化與地震前兆的規律。1鐵門關斷裂的中部庫爾勒鐵門關鉆孔體應變臺位于新疆維吾爾自治區庫爾勒市北約9km的霍拉山與庫魯克塔格山交匯處,構造上位于北輪臺—辛地斷裂和鐵門關斷裂的中部(圖1a)。該孔為繼承孔,原孔深48.72m,2006年改造后孔深83m,井孔內徑146mm。2007年6月安裝體應變儀,深度83m,水位觀測深度7m,2008年正式運行觀測。觀測層為新生界第四系綠泥石變粒巖,節理較發育,地下水類型上部屬潛水、下部為裂隙承壓水(圖1b,由新疆遠山礦產資源探查有限公司提供)。2影響因素的響應地下水動態是地下水對各種自然和人為影響因素的響應［3］。為探討該鉆孔水位動態規律,對鉆孔周圍的水文條件、環境以及氣象等相關因素進行分析。2.1地下水的水位動態發源于博斯騰湖的孔雀河是庫爾勒境內常年性河流,由北向西南流經鐵門關峽谷,屬自然兼人工調節型河流,各季節水量的大小由人工調節。嚴紅等人［4］研究了流域內的含水層為上部潛水下部承壓水的雙層或多層結構,潛水單井涌水量1000~3000m3/d,下伏承壓水單井涌水量500~1000m3/d左右。作為主要補給源的孔雀河,其徑流量的變化決定了地下水水位動態的變化。王占和等人［5］調查研究顯示,孔雀河多年平均徑流量為11.77×108m3/s,平均流量為37.3m3/s,埋深小于5m的潛水含水層厚度,埋藏深度隨季節而變化。2.2鉆孔邊泄洪口鉆孔東北約2km處為鐵門關水庫,調水泄洪時,洪水流經距鉆孔西邊約20m的泄洪道;除調水和泄洪外,平時的水流量由泄洪閘底部滲出。流經距鉆孔西邊約4m的小水渠,流量、流速基本穩定。因此,影響鉆孔水位變化的主要因素是鐵門關水庫泄洪。2.3年生態系統水位動態分析有學者研究表明,降水對水位產生影響是大多數井的共同特征,在地震地形變前兆觀測中是一種很典型、普遍的干擾,且復雜性更為明顯［6-8］。庫爾勒地處沙漠邊緣,屬暖溫帶大陸性荒漠氣候,晝夜溫差大,夏季炎熱干燥,冬季寒冷干燥,年平均降水量58.6mm,蒸發量2257.2mm,因而降水對地下水位干擾甚微。選取2008~2012年鉆孔水位資料作圖(圖2),雖然各年的水位動態有所差異,但隨著土壤的逐漸凍結、地面蒸發、植被蒸騰消耗減少［9］以及小水渠斷流,鉆孔水位每年10月后下降形態基本一致。每年12月到次年的3月中上旬,自然環境干擾較少,觀測值相對穩定。由圖2看出,每年鉆孔水位出現大幅度上升的時間為3月下旬到4月上旬,而2011年、2012年鉆孔水位大幅上升后,5月2日和3日又出現較大幅度的突跳,其后的變化形態與其他年份存在一定的差異,可能是孕震期地下水位的動態平衡與地應力的作用等因素有關。3比較鉆孔水位和體重差異3.1鉆孔水位分析2011年6月8日新疆托克遜縣MS5.3地震前的4月4日鐵門關鉆孔水位由平穩變化轉向加速上升36.4cm,4月13日再次加速上升,4月25日轉向下降,5月3日出現大幅度突跳。隨后轉向齒狀形態下降。體應變5月2日出現轉折變化,由于水位的突跳變化可引起孔徑和介質力學狀態的變化,從而引起巖石體應變變化［10］。受其影響5月3日體應變出現張性漸變,漸變幅度23.8×10－9個應變量(圖3a)。此次地震后鉆孔水位保持下降趨勢,7月12日由持續下降轉折上升。選取的資料中,7月到9月有3次上下起伏變化,周期逐步增大且上升速率加快。體應變8月27日、10月17日兩次轉向,11月1日新疆尼勒克縣、鞏留縣交界發生MS6.0地震。鉆孔水位在震后轉向快速下降,11月18日后逐漸恢復平穩變化(圖3b)。2012年6月15日、6月30日新疆輪臺縣和新疆新源、和靜縣交界相繼發生MS5.4地震和MS6.6地震,震前的4月5日鉆孔水位出現較大幅度的快速上升,體應變4月3~9日出現轉向,4月23日至4月28日再次轉向。5月2日鉆孔水位出現大幅突跳,同步影響體應變張性漸變,漸變幅度達45.2×10－9個應變量(圖4a),且突跳形態大小、轉向齒狀下降形態與2011年同期相似,6月14日由持續下降轉折上升,在上升過程中發生輪臺MS5.4地震,6月17日又一次轉向下降,新源縣、和靜縣交界MS6.6地震發生在下降過程中。兩次震后鉆孔水位仍保持下降趨勢,7月14日由上升再次轉向下降,下降速率逐漸減弱(圖4b)。3.2地震反應的資料分析選取2011年3月1日至11月30日體應變整點值資料做消除潮汐改正和零漂后的高頻信息分析發現,3月10日、5月2日高頻信息變化超出了2倍均方差,6月8日距鐵門關鉆孔應變臺(Δ=207km以下相同)的新疆托克遜發生MS5.3地震。此次震后的7月15日、9月3日和10月26日體應變高頻信息變化同樣超出了2倍均方差的異常信息,但超出幅度要小許多(圖5a),11月1日新疆尼勒克、鞏留縣交界發生MS6.0地震(Δ=333km)。震前的高頻信息異常可以認為是地震前兆,且異常幅度、異常持續時間與震級和震中距有一定關系。同樣選取2012年1月1日至2012年7月31日體應變整點值資料做消除潮汐改正和零漂后的高頻信息分析,從中發現2012年1月8日新疆和碩縣、3月9日新疆洛浦縣相繼發生MS5.0地震(Δ=142km)和MS6.0地震(Δ=466km)前,體應變消除潮汐改正和零漂后的高頻信息無顯著異常,這是否與孕震區域的構造位置有關,還有待觀測資料的不斷積累和震前異常特點的進一步分析和討論。上述震后的3月18日、5月2日和6月3日體應變高頻信息變化超出了2倍均方差(圖5b),6月15日新疆輪臺縣、6月30日新疆新源、和靜縣交界分別發生MS5.4地震(Δ=166km)和MS6.6地震(Δ=195km)。體應變震前顯著的高頻信息異常也可以認為與孕震區域的構造位置與臺基巖性等因素有關。當然,也不能排除在輪臺MS5.4地震臨震異常中包含有新源、和靜交界MS6.6地震的短臨異常,這兩次地震的短臨異常有疊加在一起的可能［11］。許多學者理論及觀測實踐研究和震前異常特征總結表明,地震在孕育過程中,地應力的不斷增加,將出現壓縮區和張性區。壓縮區水位會逐漸抬升;張性區水位會逐漸下降。尤其是地殼局部區域在地應力作用下遭受破壞,發生變形或加速位移,以及由巖層破壞而引起水的貫通,都會使水位產生急劇的上升或下降運動。如巖層被擠壓,則巖層的孔隙率變小,孔隙水壓增大,水流由含水層向井孔流動,從而使水位上升。相反,若巖層被引張,則巖石孔隙率變大而孔隙水壓變小,水流由井孔返回含水層,致使水位下降。異常形態的多樣性,也表現在變化速率上既有緩變也有階變,在變化方向上既有上升也有下降。在組合形式上既有單一型也有復合型。在震源區介質巖石進入破裂前的非線性階段時,如果應力繼續加強,或其他因素的進一步影響(熱流體),就會進入失穩階段,震源區巖石和周圍斷層會出現局部破裂擴展和弱化,自然要引起前兆信息的加速變化,致使潛水水位出現隨之上升和下降的變化。由于異常過程與發震時間關系復雜,地震可能發生在異常的峰值前后,也可能發生在異常結束時,甚至可能發生在異常結束或水位恢復正常后的某一時段［12-16］。2011與2012年同期幅度、形態相似的高頻突跳,可能是地震發生在同一構造單元帶上,才會出現這種相似的突跳變化。4鉆孔水位特征(1)2011年5月3日鉆孔水位的大幅突跳上升和2012年5月2日鉆孔水位再次出現的大幅突跳上升,引起體應變同步畸變,水位測值的快速增高和高頻突跳影響了體應變數據曲線正常變化,這到底是儀器的原因還是環境改變引起的變化或者是前兆異常呢?我們一時無法判定,經調查落實,主要影響鐵門關鉆孔的水庫蓄水由于春季農業灌溉庫容減少,周邊環境和鉆孔前的孔雀河水量流速穩定,干擾因素不顯著。(2)為對比分析鉆孔水位和體應變前兆異常信息,利用地震前兆分析軟件對體應變數據做消除潮汐改正和零漂后提取的高頻信息分析,在托克遜MS5.3地震、尼勒克、鞏留交界MS6.0地震前有不同程度的高頻信息異常和鉆孔水位突跳、階變上升。同樣,輪臺MS5.4地震、新源、和靜交界MS6.6地震前體應變高頻信息異常突出,鉆孔水位也出現突跳,可以認為是地震前兆。而和碩MS5.0地震、洛浦MS6.0地震前體應變高頻信息和鉆孔水位的異常不顯著,可能與鉆孔所處的構造部位和臺基巖性有關。雖然在觀測中發現了鉆孔水位突跳、階變和體應變壓性轉向的前兆異常信息,但由于非地震信息的干擾往往