摘要: 分析了2020年至2024年丹江口井网(雷庄井，唐扒井，盛湾井)水位和水温的观测资料。得到每个资料的动态曲线，总结了2024年8月8日日本九州岛附近海域M4.3地震三口井的响应特征。探讨了出现同震响应的可能原因。结果表明：井网水位变化趋势与水库水位同步，水温较稳定，年平均变化为0.006˚C。对于日本地震同震效应，唐扒井水温在8月8日15时56分至16时08分有一个0.001˚C的阶跃上升变化，井水位在15时51分至16时03分有一个0.015 m的阶跃下降变化，雷庄井、盛湾井未发现明显的同震响应情况。地震发生前三口井未出现破年变现象，对日本M7.1地震预测效能不佳，可能与震中距太远有关。
Abstract: This study analyzes the observational data of water level and water temperature from the Danjiangkou well network (Leizhuang Well, Tangba Well, and Shengwan Well) from 2020 to 2024. Dynamic curves for each dataset were generated, and the response characteristics of the three wells during the M4.3 earthquake near Kyushu, Japan, on August 8, 2024, were summarized. The potential reasons for the synchronous response were explored. The results indicate that the trend of water level changes in the well network is synchronized with the reservoir water level, while the water temperature remains relatively stable, with an annual average change of 0.006˚C. In response to the earthquake, the water temperature in Tangba Well showed a step increase of 0.001˚C from 15:56 to 16:08 on August 8, while the water level decreased by 0.015 m from 15:51 to 16:03. No significant synchronous responses were observed in Leizhuang Well and Shengwan Well. Three wells did not show signs of breakage prior to the earthquake, suggesting that the prediction effectiveness for the M7.1 earthquake in Japan may be poor due to the distance from the epicenter being too far.
1. 引言
丹江口水库续建工程是中国跨世纪宏伟工程–南水北调的源头。1969年11月初期工程开始蓄水后，库区地震活动得到加强，1973年宋湾发生4.7级地震。为了确保有水可供应，水库继续将水坝的高度从162米增加到176.6米。正常蓄水位从157 m提高到170 m，库容增加116 × 108 m3，总库容339 × 108 m3，蓄水量290 × 108 m3。是否水位的增加会引发更强烈的地震活动一直是社会共同关注的问题[1]。
2012年，南水北调中线水源有限公司完成了丹江口水库诱发地震监测系统(11个测震台站，3个地下流体观测井即丹江口水库井网)的建设。从2013年正式投入使用以来，该系统运行稳定，并产生了大量的观测数据。2020年陈玮等系统研究了三峡库区大河口井、周坪井和郭家坝井对两次远场大地震和4次近场中强地震的同震响应特征，并进行差异分析；从多方面对比3口井的映震能力[2]。2023年刘阁等统计了范县井水位对远场大震的同震响应特征，并对其响应时间、响应幅度、响应形态这3种特征进行逐一分析，探讨同震响应机理[3]。本文分析了自2020年以来丹江口水库井网产生的数据，建立了三口井水位和水温的正常动态。并对2024年8月8日日本九州岛附近海域M7.1级地震引起井网的变化做了分析。
2. 地震地质及井网介绍
丹江口库区位于秦岭褶皱系东南缘，水库分为汉库和丹库。汉库的基底主要是变质岩，除爱家河地区分布有下古生代地层外，元古界石英片岩、白垩–第三极的红层[4]居多，由于地层渗水性较弱，汉库地区自水库蓄水以来地震活动很少发生，丹库基底主要由灰岩、砂页岩、上白垩纪–第三纪红层、第四纪沉积组成，断裂带主要包括北西西向的金家棚断裂和近南北方向的丹江深断裂等，这种构造环境利于水渗入水库深部，打破应力平衡[5] (图1)，诱发地震。
丹江口井网由雷庄井，唐扒井和盛湾井组成。观测技术均为数字连续观测，水位仪采用SWY-II水位仪，水温仪采用SZW-1 A型数字温度计，SZW-II数字温度计，气象仪表采用WYY-1型气象三要素，多套仪器均由中国地震局地壳应力研究所生产。3口井的基本特征如表1所示。
Figure 1. Distribution of Danjiangkou reservoir induced earthquake monitoring stations (earthquake occurred during the initial project)
图1. 丹江口水库诱发地震监测系统台站分布(地震为初期工程的水库地震)
Table 1. Basic Features List of Danjiangkou Well network
表1. 丹江口井网基本特征一览表
井号 |
井名 |
井深/m |
距震中距离 /km |
构造部位 |
断裂 走向 |
观测层 |
深度/m |
地层岩性 |
地下水类型 |
W1 |
雷庄井 |
248.5 |
24.49 |
金家棚断裂 |
NWW |
162~175 |
灰岩 |
裂隙承压水 |
W2 |
唐扒井 |
100.3 |
25.9 |
两郧断裂 |
NNW |
61~85 |
白云质灰岩 |
结晶岩裂隙混合水 |
W3 |
盛湾井 |
101.2 |
7.27 |
瓦屋厂–周山断裂 |
NWW |
71~82 |
砂岩 |
沉积岩裂隙承压水 |
3. 井网动态分析
根据2022年至2024年丹江口井网的实际观测资料，采用日平均值绘制年动态，建立水位和水温的正常动态[6]。在此基础上，分析了2024年8月8日日本九州岛附近海域M7.1地震的同震响应。
3.1. 井水位动态分析
绘制了2022年1月至2024年5月井网三口井水位的变化幅度曲线，井网三口井水位变化趋势与水库水位基本一致，井水位最大涨幅期为2023年9月、10月份，水库水位上涨近9 m，W1井、W2井水位上涨近5 m，W3井水位涨幅最大，达到15 m (图2)。
Figure 2. The relationship between the water level of the Danjiangkou Reservoir and the water level of the well network
图2. 丹江口水库水位与井网水位关系
3.2. 井水温动态分析
W1井和W2井水温呈上升趋势，两年增幅分别为0.007℃，0.012℃，W3井水温整体平稳(图3)。
Figure 3. The daily average of Danjiangkou well network water temperature
图3. 井网水温日均值曲线
4. 水震波响应特征分析
4.1. 同震响应特征
2024年8月8日15时，日本九州岛附近海域发生M7.1级地震，丹江流体井网出现不同程度的响应情况，W2井水温在8月8日15时56分至16时08分有一个0.001℃的阶跃变化，水位测项在15时51分至16时03分有一个0.015 m的阶跃变化(图4)。W1井、W3井水温较平稳，未发现明显的同震响应(图5、图6)，三口井对日本地震出现不同的响应情况可能由震中距、井所处构造带不同导致[7]。
W2井水温在8月8日15时56分至16时08分有一个0.001℃的上升变化，水位测项在15时51分至16时03分有一个0.01 5m的下降变化，后逐渐恢复正常趋势(图5)。
W1井水温测项变化趋势相对稳定，水位测项在地震发生后两小时，由上升转为下降(图6)，但未
Figure 4. Water temperature and water level curves of Tangba Well during the M7.1 earthquake in Japan
图4. 日本M7.1地震发生时唐扒井水温水位曲线
Figure 5. Water temperature and water level curve of Leizhuang Well during the M7.1 earthquake in Japan
图5. 日本M7.1地震发生时雷庄井水温水位曲线
偏离正常趋势。W3井水位受库水位影响较大，未发现明显的同震响应。
4.2. 震前破年变分析
在区域应力作用或构造活动影响下，地下流体的运移状态会随之发生变化，与其相关的观测资料，尤其是断裂带及其附近区域的地下流体观测资料，会出现有别于正常背景动态变化的异常现象。
年变形态或幅度异于多年平均变化的异常，称之为破年变异常。识别该类异常，一般采用矩平分析
Figure 6. Water temperature and water level curve of Shengwan Well during the M7.1 earthquake in Japan
图6. 日本M7.1地震发生时盛湾井水温水位曲线
法。即，用多年观测数据的均值序列(五日、旬、月)之间的相关程度来求观测点值的正常年动态曲线，再以原来不同年时间段的均值序列和正常年动态曲线的余差序列提取异常指标，用其剩余标准差的2倍或3倍作为阈值控制线。该方法一般用于五级以上地震的预报。本文分析了2017年以来丹江井网三口井破年变曲线，从下图可见，2024年以来三口井水位均未出现破年变现象(图7~9)，三口井对日本M7.1地震预测效能不佳，可能与震中距太远有关。
Figure 7. Analysis of annual variations in the water level of Shengwan Well
图7. 盛湾井水位破年变分析
Figure 8. Analysis of annual variations in the water level of Leizhuang Well
图8. 雷庄井水位破年变分析
Figure 9. Analysis of annual variations in the water level of Tangpa Well
图9. 唐扒井水位破年变分析
5. 认识与讨论
本文建立了自2022年以来丹江口井网(唐扒井，盛湾井和雷庄井)水位和水温的年度正常动态。井网水位变化趋势与水库水位保持同步，水温的年动态稳定，年变化约0.006℃。分析了2024年8月8日日本M7.1地震引起的丹江口井网同震响应，可以得出：
1) 地震发生时，唐扒井水温在8月8日15时56分至16时08分有一个0.001℃的上升变化，井水位在15时51分至16时03分有一个0.015 m的下降变化，雷庄井、盛湾井水温未出现明显的同震响应，可能与震中距、井所处构造带不同有关。
2) 三口井水位在2024年以来未出现明显的破年变现象，对日本M7.1地震预测效能不佳，可能与震中距太远有关。
致 谢
感谢湖北省地震局提供的数据和项目支持，感谢审稿人和编辑提出的宝贵意见。
基金项目
中国地震局监测、预报、科研三结合课题(NO.CEAJC/3JH-202402063)。