差干井喷柱高达60m

差干井喷柱高达60m

0地下井中出现同震或震后响应2004年12月26日8时58分55.2秒（北京时间），在印度尼西亚苏门答腊西北海岸发生了s8.7地震。这次地震对中国大陆产生强烈影响,特别是中国地震地下流体观测台网中的121口观测井中表现出同震或震后响应。其中,广东省差干井震时发生强烈井喷,喷柱高达60m(车用太等,2006)。这类同震井喷现象国内外罕见,笔者于2008年4月对这次井喷现象及其特征进行了现场调查,并收集有关的资料,分析了井喷产生的条件与成因等,结果表明,井喷是特定水文地质条件下,地震波扰动作用导致含水层地下水“汽”化而引起的。1地下水动态观测层差干井位于广东省平远县差干镇笙竹坝村,地面海拔高程为201.92m。该井为铀矿勘探孔,施工于20世纪70年代,原井深235.18m。2001年11月至2002年1月间进行了井孔改造。改造后的井深为195m,0～11.47m井段设Υ146mm护孔套管,其下为Υ110mm的裸孔。该井揭露的地层岩性如下:地面以下0～9.80m为第四系黏土与冲积砂砾石层;9.80～151.16m白垩系上统(K2)页岩、泥灰岩与泥质钙质胶结的粉砂岩为主,为相对隔水层,但局部夹有少量灰岩与粗砂岩层,含水;151.16m以下为侏罗系上统(J3)凝灰岩,局部裂隙发育,含水。主要出水段是123.89～124.29m、139.18～151.16m、172.87～173.13m、190.54～194.15m等,在这些深度段钻井时发现裂隙较发育并出现井喷现象,由此可见该井地下水动态观测层为K2—J3砂岩与凝灰岩裂隙承压水层。原钻孔施工时,对上述含水层段曾作抽水试验,其结果钻孔单位涌水量为0.0092～0.0839L/s·m,观测层平均渗透系数为16.5103m/d。地下水矿化度为0.0636～3.227g/L不等,水化学类型为HCO3-Ca·Na型与HCO3-Na·Ca型,pH值为6.1～11.4,变化范围较大。观测含水层地下水中富含气体,钻孔抽水时涌气量一般为1.2～1.3L/s,最剧烈时达10.9L/s;水气比一般为0.71～5.20,最大可达7.18;气体组分以CO2为主,平均占59.9%,最高可占96.3%,其余为N2与O2等。该井水位动态观测始于1990年11月,观测仪器为SW40-1型水位仪。多年观测结果表明,井水位潮汐效应明显,日潮差为10cm左右,由于井水面上有大量气体逸出,水位动态日记录曲线上叠加了剧烈的高频起伏,起伏度每小时2～3cm,起伏频次为每小时20～30次,规律性不明显,起伏度大时可达十几个厘米。此外,该井水位可记录到水震波;主要干扰因素是大气降雨渗入补给,雨后井水位上升。2较大时长型井形成同步上升期2002年7月2004年12月26日8时58分(北京时间)印尼苏门答腊MS8.7地震时,差干井发生井喷,喷高60多米,其气势非常壮观,实为罕见(图1)。多家新闻媒体都作了报道,引起国内外地震学者的关注。调查结果表明,井喷发生时间为12月26日9时10分左右。在当日的水位模拟记录图上,8:50—9:00的记录正常,9:00—9:10记录了井水位急剧上升的过程,由井喷前水位埋深值推算,其幅度应为3.26m;9:10之后仪器停记,估计仪器浮标已被拱出井口,此时井喷开始。据观测员介绍,当日8时50分在现场更换仪器记录图纸时未发现异常,9时多有人来报告井喷,约9时30分再到现场时发现井喷水柱已高达30m,且越喷越高,10时左右高达50m,11时左右高达约60m(距井约20m处为一座陡立的平顶山,该山顶相对高度为60m左右,水柱顶部略高于山顶高度)。井喷时喷出物为气水混合物,其中夹有白色砂粒,粒径达几毫米,具有较浓的硫磺味。井喷共持续10d。2005年1月6日恢复水位观测,此时水位埋深值为12.46m,较喷前低了9.2m。然后井水位继续缓慢回升,到1月31日恢复到6.20m,到5月底恢复到4.2m,然后在4m上下起伏,到2008年3月仍较井喷前低0.5～0.6m。差干井井喷现象是井水位的同震响应,但其形态不同于国内外已报道的井水位的同震效应形态(Roeloffs,1998;刘耀炜等,2005)。井水位的同震响应一般以水位振荡与水位阶变为主,其幅度多<1m,个别达2m。因此,差干井的井喷是特殊类型的同震响应现象。3差干井覆岩渗流造成的覆岩气体运移规律差干井同震井喷的成因,笔者认为是观测含水层地下水的“汽”化引起的。含水层中的气体一般以吸附气、溶解气与游离(自由)气3种形式存在(冯玮等,1985)。当强烈的地震波作用到含水层时,在振动作用下,一方面大量固体颗粒或裂隙面上吸附的气体被解吸,使地下水中游离气体的含量急剧增大;另一方面,大量游离气泡被振碎,生成无数小气泡,结果使“水”体体积急剧“膨胀”,导致地下水密度变小与孔隙压力迅速升高;含有大量气体的地下水被迫由含水层冲入井孔中并由井口喷出。关于振动作用下饱水岩石释放大量气体的问题,已有前人作过室内实验研究(汪成民等,1988)。实验结果表明,受振动前饱水的玄武岩样品中氢气含量为3,900μL/100g,其中吸附氢含量为3,669μL/100g,当受到超声振动时,释放出的氢气为3,753μL/100g,不仅释放出全部吸附氢,而且还释放出部分游离氢气。据前人勘探结果(图2),观测井所在地区发育了鹧鸪隆断裂(F1)、鹿子坑断裂(F2)、神背断裂(F3)等,又有基性脉岩(βμ)发育,为深部气体的运移提供了通道。垂向涌上来的气体由于遇到一系列页岩与泥灰岩隔水层的阻挡,在含水层中被迫水平向扩散,生成了多个气田,差干井正好处在一个气田上。差干井所在的笙竹坝气田规模较小,其面积约为1km2(图3a),气体主要赋存在呈透镜状的J3凝灰岩裂隙含水层中(图3b)。这样的井区地质环境为差干井的井喷提供了条件,同时也决定了该井井喷的特征。该井的井喷虽为壮观,但持续的时间有限。这是由于气田的规模小,当被“汽”化的地下水喷完之后,含水层地下水中的游离气体被释放完,自然终止了井喷过程。这种观点,可由井喷前后水位动态特征的改变所证实。井喷前,井水位日动态曲线上叠加了很多高频起伏的现象(图4a),这种现象就是井水面上不断释放气泡引起的;然而,发生井喷之后,这种叠加的高频起伏现象消失了(图4b),说明井水面上没有气泡逸出;可是,随时间的推移,深部气体又不断涌入含水层中,水中游离气的含量也逐渐增多,井水位日动态上又出现高频起伏(图4c)。这样的变化,也进一步证实了井喷的发生是与含水层地下水中的气体富集密切相关的观点。据本次调查结果,该井曾多次发生井喷现象,最早发生于1974年3月钻井时,喷高达70余米;第2次井喷是1990年7月7日菲律宾MS7.7地震时,此时井喷后井口周围地面发生塌陷;第3次井喷是2002年1月观测井改造时,此时井喷成组发生,先是用钻机通孔至153m深度并提钻至深度时发生井喷次喷高仅几米持续之后断续发生多次小规模井喷通孔至195m深度时发生最大井喷,喷高10m,喷水量约为每小时30m3,共持续9d;第4次井喷是本次印尼MS8.7地震时。分析4次井喷之原因,2次是钻井,2次是地震波。钻井引起的井喷,是由于被封闭的含水层突然被钻孔打开,长期被气体饱和并具有很大孔隙压力的含水层突然变成开放系统,地下水中被压缩的气体由于减压突然膨胀并引起井喷。地震引起的井喷,是地震波扰动了含水层地下水中的气体,大量吸附气被释放,同时游离气泡受振动后破裂,地下水中气泡数量剧增,由此急剧增压膨胀引起井喷。两种扰动的作用机理不同,但动力扰动都导致了井-含水层系统内产生很大的孔隙压力差是一致的。因此,差干井井喷的根本原因是含水层中气体压力变化引起的。从4次井喷的特征分析,井喷的规模(井喷的高度、井喷持续的时间)是同含水层中气体累积的时间与动力作用的强度有关。由于地壳深部的压力总比浅部大,因此地壳深部气体不断向浅部释放,不断在含水层中累积,时间越长累积得越多,受到扰动时产生的井喷规模越大。如同样是钻井引起的井喷,第1次井喷规模较第2次大得多。井喷的规模,还同动力扰动的强度有关,自该井水位动态观测前后,世界上发生过很多强震(MS≥7.0),但只有2次强震引发了井喷。2次强震都是发生在该井东南方向的地震,前人研究结果表明,中国大陆观测井对地震波的响应特征为,对来自东南洋壳中传来的地震波的响应强于对来自西部与西北部陆壳中传来的地震波,而且都是特大地震,显然井喷的发生及其规模与地震波的作用强度有关。综上所述,差干井同震井喷的基本条件是地下水中富含气体的观测含水层受到地震波的强烈冲击振动作用,其成因是含水层地下水“汽”化而膨胀,导致含水层孔隙压力急剧增大,引发“汽”化水急速涌入井孔并由井口喷出。4含水层地下水同震响应动态通过上述调查与分析,认为同震井喷是中国地震地下流体观测网捕捉到的新的井水位动态类型,这种动态不同于水震波,也不同于同震水位阶变,是在特定条件下产生的特殊的同震响应动态;这种动态的产生