库尔勒铁门关钻孔突跳年动态与无震余年的对比

库尔勒铁门关钻孔突跳年动态与无震余年的对比

孔水位是tj-2体应变仪的辅助观测项目之一。观察的对象是孔周围岩石水层中孔水压的变化，以及孔测点附近的变形和应力场的相对变化1。2011年以来,新疆中强地震呈现出时间上连发、空间上多带分布的特点［2］,发生5级以上地震11次,其中6级以上地震3次。本文中主要就2011年6月8日托克逊MS5.3地震、2012年6月15日轮台MS5.4地震和2012年6月30日新源、和静县交界MS6.6地震前,钻孔水位出现的突跳变化,结合体应变消除潮汐改正和零漂后的高频信息的对比分析,寻找钻孔水位变化与地震前兆的规律。1铁门关断裂的中部库尔勒铁门关钻孔体应变台位于新疆维吾尔自治区库尔勒市北约9km的霍拉山与库鲁克塔格山交汇处,构造上位于北轮台—辛地断裂和铁门关断裂的中部(图1a)。该孔为继承孔,原孔深48.72m,2006年改造后孔深83m,井孔内径146mm。2007年6月安装体应变仪,深度83m,水位观测深度7m,2008年正式运行观测。观测层为新生界第四系绿泥石变粒岩,节理较发育,地下水类型上部属潜水、下部为裂隙承压水(图1b,由新疆远山矿产资源探查有限公司提供)。2影响因素的响应地下水动态是地下水对各种自然和人为影响因素的响应［3］。为探讨该钻孔水位动态规律,对钻孔周围的水文条件、环境以及气象等相关因素进行分析。2.1地下水的水位动态发源于博斯腾湖的孔雀河是库尔勒境内常年性河流,由北向西南流经铁门关峡谷,属自然兼人工调节型河流,各季节水量的大小由人工调节。严红等人［4］研究了流域内的含水层为上部潜水下部承压水的双层或多层结构,潜水单井涌水量1000~3000m3/d,下伏承压水单井涌水量500~1000m3/d左右。作为主要补给源的孔雀河,其径流量的变化决定了地下水水位动态的变化。王占和等人［5］调查研究显示,孔雀河多年平均径流量为11.77×108m3/s,平均流量为37.3m3/s,埋深小于5m的潜水含水层厚度,埋藏深度随季节而变化。2.2钻孔边泄洪口钻孔东北约2km处为铁门关水库,调水泄洪时,洪水流经距钻孔西边约20m的泄洪道;除调水和泄洪外,平时的水流量由泄洪闸底部渗出。流经距钻孔西边约4m的小水渠,流量、流速基本稳定。因此,影响钻孔水位变化的主要因素是铁门关水库泄洪。2.3年生态系统水位动态分析有学者研究表明,降水对水位产生影响是大多数井的共同特征,在地震地形变前兆观测中是一种很典型、普遍的干扰,且复杂性更为明显［6-8］。库尔勒地处沙漠边缘,属暖温带大陆性荒漠气候,昼夜温差大,夏季炎热干燥,冬季寒冷干燥,年平均降水量58.6mm,蒸发量2257.2mm,因而降水对地下水位干扰甚微。选取2008~2012年钻孔水位资料作图(图2),虽然各年的水位动态有所差异,但随着土壤的逐渐冻结、地面蒸发、植被蒸腾消耗减少［9］以及小水渠断流,钻孔水位每年10月后下降形态基本一致。每年12月到次年的3月中上旬,自然环境干扰较少,观测值相对稳定。由图2看出,每年钻孔水位出现大幅度上升的时间为3月下旬到4月上旬,而2011年、2012年钻孔水位大幅上升后,5月2日和3日又出现较大幅度的突跳,其后的变化形态与其他年份存在一定的差异,可能是孕震期地下水位的动态平衡与地应力的作用等因素有关。3比较钻孔水位和体重差异3.1钻孔水位分析2011年6月8日新疆托克逊县MS5.3地震前的4月4日铁门关钻孔水位由平稳变化转向加速上升36.4cm,4月13日再次加速上升,4月25日转向下降,5月3日出现大幅度突跳。随后转向齿状形态下降。体应变5月2日出现转折变化,由于水位的突跳变化可引起孔径和介质力学状态的变化,从而引起岩石体应变变化［10］。受其影响5月3日体应变出现张性渐变,渐变幅度23.8×10－9个应变量(图3a)。此次地震后钻孔水位保持下降趋势,7月12日由持续下降转折上升。选取的资料中,7月到9月有3次上下起伏变化,周期逐步增大且上升速率加快。体应变8月27日、10月17日两次转向,11月1日新疆尼勒克县、巩留县交界发生MS6.0地震。钻孔水位在震后转向快速下降,11月18日后逐渐恢复平稳变化(图3b)。2012年6月15日、6月30日新疆轮台县和新疆新源、和静县交界相继发生MS5.4地震和MS6.6地震,震前的4月5日钻孔水位出现较大幅度的快速上升,体应变4月3~9日出现转向,4月23日至4月28日再次转向。5月2日钻孔水位出现大幅突跳,同步影响体应变张性渐变,渐变幅度达45.2×10－9个应变量(图4a),且突跳形态大小、转向齿状下降形态与2011年同期相似,6月14日由持续下降转折上升,在上升过程中发生轮台MS5.4地震,6月17日又一次转向下降,新源县、和静县交界MS6.6地震发生在下降过程中。两次震后钻孔水位仍保持下降趋势,7月14日由上升再次转向下降,下降速率逐渐减弱(图4b)。3.2地震反应的资料分析选取2011年3月1日至11月30日体应变整点值资料做消除潮汐改正和零漂后的高频信息分析发现,3月10日、5月2日高频信息变化超出了2倍均方差,6月8日距铁门关钻孔应变台(Δ=207km以下相同)的新疆托克逊发生MS5.3地震。此次震后的7月15日、9月3日和10月26日体应变高频信息变化同样超出了2倍均方差的异常信息,但超出幅度要小许多(图5a),11月1日新疆尼勒克、巩留县交界发生MS6.0地震(Δ=333km)。震前的高频信息异常可以认为是地震前兆,且异常幅度、异常持续时间与震级和震中距有一定关系。同样选取2012年1月1日至2012年7月31日体应变整点值资料做消除潮汐改正和零漂后的高频信息分析,从中发现2012年1月8日新疆和硕县、3月9日新疆洛浦县相继发生MS5.0地震(Δ=142km)和MS6.0地震(Δ=466km)前,体应变消除潮汐改正和零漂后的高频信息无显著异常,这是否与孕震区域的构造位置有关,还有待观测资料的不断积累和震前异常特点的进一步分析和讨论。上述震后的3月18日、5月2日和6月3日体应变高频信息变化超出了2倍均方差(图5b),6月15日新疆轮台县、6月30日新疆新源、和静县交界分别发生MS5.4地震(Δ=166km)和MS6.6地震(Δ=195km)。体应变震前显著的高频信息异常也可以认为与孕震区域的构造位置与台基岩性等因素有关。当然,也不能排除在轮台MS5.4地震临震异常中包含有新源、和静交界MS6.6地震的短临异常,这两次地震的短临异常有叠加在一起的可能［11］。许多学者理论及观测实践研究和震前异常特征总结表明,地震在孕育过程中,地应力的不断增加,将出现压缩区和张性区。压缩区水位会逐渐抬升;张性区水位会逐渐下降。尤其是地壳局部区域在地应力作用下遭受破坏,发生变形或加速位移,以及由岩层破坏而引起水的贯通,都会使水位产生急剧的上升或下降运动。如岩层被挤压,则岩层的孔隙率变小,孔隙水压增大,水流由含水层向井孔流动,从而使水位上升。相反,若岩层被引张,则岩石孔隙率变大而孔隙水压变小,水流由井孔返回含水层,致使水位下降。异常形态的多样性,也表现在变化速率上既有缓变也有阶变,在变化方向上既有上升也有下降。在组合形式上既有单一型也有复合型。在震源区介质岩石进入破裂前的非线性阶段时,如果应力继续加强,或其他因素的进一步影响(热流体),就会进入失稳阶段,震源区岩石和周围断层会出现局部破裂扩展和弱化,自然要引起前兆信息的加速变化,致使潜水水位出现随之上升和下降的变化。由于异常过程与发震时间关系复杂,地震可能发生在异常的峰值前后,也可能发生在异常结束时,甚至可能发生在异常结束或水位恢复正常后的某一时段［12-16］。2011与2012年同期幅度、形态相似的高频突跳,可能是地震发生在同一构造单元带上,才会出现这种相似的突跳变化。4钻孔水位特征(1)2011年5月3日钻孔水位的大幅突跳上升和2012年5月2日钻孔水位再次出现的大幅突跳上升,引起体应变同步畸变,水位测值的快速增高和高频突跳影响了体应变数据曲线正常变化,这到底是仪器的原因还是环境改变引起的变化或者是前兆异常呢?我们一时无法判定,经调查落实,主要影响铁门关钻孔的水库蓄水由于春季农业灌溉库容减少,周边环境和钻孔前的孔雀河水量流速稳定,干扰因素不显著。(2)为对比分析钻孔水位和体应变前兆异常信息,利用地震前兆分析软件对体应变数据做消除潮汐改正和零漂后提取的高频信息分析,在托克逊MS5.3地震、尼勒克、巩留交界MS6.0地震前有不同程度的高频信息异常和钻孔水位突跳、阶变上升。同样,轮台MS5.4地震、新源、和静交界MS6.6地震前体应变高频信息异常突出,钻孔水位也出现突跳,可以认为是地震前兆。而和硕MS5.0地震、洛浦MS6.0地震前体应变高频信息和钻孔水位的异常不显著,可能与钻孔所处的构造部位和台基岩性有关。虽然在观测中发现了钻孔水位突跳、阶变和体应变压性转向的前兆异常信息,但由于非地震信息的干扰往往