沈 平，敬少群，姚海東

（湖南省地震局，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

0 引言

在地震地下流體觀測(cè)中，當(dāng)井孔含水層受地震波作用，其受力發(fā)生改變時(shí)，井孔含水層系統(tǒng)的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)也會(huì)一同發(fā)生改變[1]。地震波作用于井孔含水層系統(tǒng)的最直接體現(xiàn)就是同震響應(yīng)。水位同震響應(yīng)現(xiàn)象包含著一定的前兆信息，能夠在一定程度上反映出地震發(fā)生及震后調(diào)整過(guò)程[2-4]。有研究認(rèn)為，遠(yuǎn)場(chǎng)大震引起的同震響應(yīng)在空間上的叢集區(qū)，對(duì)未來(lái)可能發(fā)生地震的地點(diǎn)具有一定的指示性意義[5]。因此，加強(qiáng)地下流體井水位對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)大震的同震響應(yīng)特征研究對(duì)于促進(jìn)地殼的應(yīng)力狀態(tài)研究與地震預(yù)測(cè)研究具有重大意義。

本文收集了湖南省數(shù)字化井水位對(duì)幾次大震的同震響應(yīng)資料，從“一震多井”和“一井多震”兩個(gè)方面分析了井水位對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)大震的同震響應(yīng)特征，總結(jié)湖南井水位的同震響應(yīng)規(guī)律，為少震弱震地區(qū)的地震預(yù)測(cè)研究提供一些參考，同時(shí)對(duì)井水位的同震響應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了分析。

1 湖南省地下流體觀測(cè)網(wǎng)簡(jiǎn)介

湖南省數(shù)字化地下流體觀測(cè)井最早建于2002年，目前共有數(shù)字化流體觀測(cè)井13口（圖1），其中11口井為靜水位觀測(cè)，2口井為動(dòng)水位觀測(cè)。觀測(cè)含水層巖性以砂巖、灰?guī)r居多。觀測(cè)井深度最淺為韶山井——59.42m，最深為安鄉(xiāng)井——767.32m。觀測(cè)儀器主要為北京中科光大自動(dòng)化有限公司生產(chǎn)的ZKGD3000水位儀與中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所生產(chǎn)的SWY-II水位儀，儀器采樣率均為每分鐘1次。

圖1 湖南省井水位觀測(cè)點(diǎn)分布Fig.1 The distribution of digital well in Hunan Province

2 “一震多井”同震響應(yīng)

據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定，北京時(shí)間2015年4月25日14時(shí)11分26秒在尼泊爾境內(nèi)（28.2°N，84.7°E）發(fā)生M8.1地震，造成了重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，并波及到我國(guó)的西藏地區(qū)。此次地震雖然與湖南省相距兩千多公里，但仍然引起了我省大量的井水位同震響應(yīng)，具體情況如表1和圖2所示。

表1 尼泊爾M8.1地震的同震響應(yīng)情況

圖2 尼泊爾M8.1地震的同震響應(yīng)形態(tài)Fig.2 The co-seismic response type caused by the Nepal M8.1 earthquake

從“一震多井”來(lái)看，湖南省井水位的同震響應(yīng)主要具有以下特點(diǎn):

（1）湖南省井水位對(duì)尼泊爾M8.1地震的同震響應(yīng)類(lèi)型有多種，具體可以分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是單一類(lèi)型，包括振蕩型（清江井、桃源井、張家界井和韶山井）、脈沖型（津市井）、持續(xù)緩變型（安鄉(xiāng)井），一類(lèi)是復(fù)合類(lèi)型，即振蕩伴隨階變型（臨湘井和長(zhǎng)沙井）。另外，在記錄到尼泊爾M8.1地震同震響應(yīng)的8口井孔中，有6口井均記錄到了水震波。

（2）從觀測(cè)井孔的深度來(lái)看，深井與淺井的記震能力差別不大；從井孔的含水層巖性來(lái)看，含水層巖性為砂巖、灰?guī)r的觀測(cè)井記錄到的同震響應(yīng)幅度較大；從井孔的導(dǎo)水性能來(lái)看，井孔的導(dǎo)水能力與記震能力成正比。

3 “一井多震”同震響應(yīng)

“一井多震”的同震響應(yīng)特征以長(zhǎng)沙井為例來(lái)分析。長(zhǎng)沙井是動(dòng)水位觀測(cè)，井深273m，最早從1985年開(kāi)始模擬觀測(cè)，2002年開(kāi)始數(shù)字化觀測(cè)，觀測(cè)層為石英砂巖裂隙承壓含水層。

3.1 振蕩型同震響應(yīng)

自數(shù)字化以來(lái)，長(zhǎng)沙井水位對(duì)全球80%以上的M≥7.0地震均記錄到了水震波，水震波雙振幅變化范圍為5~1513mm。如2012年4月11日印尼蘇門(mén)答臘MS8.6、MS8.2地震發(fā)生后，先后引起長(zhǎng)沙井水位的2次振蕩型同震響應(yīng)，其中主震引起的水震波幅度要明顯大于余震的水震波幅度（圖3a）。2015年9月17日智利MS8.3地震及其余震也引起了長(zhǎng)沙井水位的多次振蕩。通過(guò)查詢(xún)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)目錄（CSN）及長(zhǎng)沙測(cè)震臺(tái)記錄到的地震波形資料，并根據(jù)地震波走時(shí)規(guī)律和震相識(shí)別，認(rèn)為第一次小幅振蕩是由MS8.3主震引起的，雙振幅約40mm，第二次大幅振蕩是由時(shí)隔24min之后的MS6.8余震引起的，雙振幅約71mm（圖3b）。

圖3 振蕩型同震響應(yīng)Fig.3 Co-seismic response with fluctuation type

3.2 振蕩伴隨階變型同震響應(yīng)

長(zhǎng)沙井水位記錄到的振蕩伴隨階變型的同震響應(yīng)在振蕩結(jié)束后水位曲線均在階變產(chǎn)生的新水位背景上變化，而且振蕩的初動(dòng)響應(yīng)時(shí)間要早于階變產(chǎn)生的時(shí)間。從圖4中可以看出，水震波雙振幅及水位階變幅度與地震震級(jí)成正比。

圖4 振蕩伴隨階變型同震響應(yīng)Fig.4 Co-seismic response with fluctuation accompanied by stepped change type

3.3 脈沖型同震響應(yīng)

長(zhǎng)沙井水位記錄到的脈沖型同震響應(yīng)較少，包括突升脈沖和突降脈沖兩種類(lèi)型，脈沖幅度范圍為5~185mm。在圖5所示的2次脈沖型同震響應(yīng)中，水位在地震發(fā)生后突然上升或突然下降，然后快速恢復(fù)至震前的背景水位曲線。在圖5a中，井水位在突升至最高點(diǎn)后迅速回落，經(jīng)過(guò)約一個(gè)多小時(shí)后，才慢慢回落到震前背景曲線上。

圖5 脈沖型同震響應(yīng)Fig.5 Co-seismic response with impulsion type

從“一井多震”的角度來(lái)看，長(zhǎng)沙井水位記錄到的遠(yuǎn)場(chǎng)大震的同震響應(yīng)形態(tài)以同震水震波為主，有時(shí)候?yàn)槊}沖型和階變型。汪成民等[6]根據(jù)中國(guó)大量記錄資料研究了同震水位變化特征與震中距的關(guān)系，認(rèn)為震中距在500km以?xún)?nèi)時(shí)，水位同震變化以階變型為主，震中距在2000km以上時(shí)，水位同震變化以振蕩型為主。長(zhǎng)沙井水位的同震響應(yīng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，長(zhǎng)沙井水位對(duì)震中距大于2000km的地震的同震響應(yīng)形態(tài)是以振蕩型為主，但是從長(zhǎng)沙井水位記錄到的階變型同震響應(yīng)來(lái)看，也均由震中距大于2000km的遠(yuǎn)震引起。

一般來(lái)說(shuō)，地下流體觀測(cè)井孔含水層對(duì)遠(yuǎn)大地震的響應(yīng)以彈性變形為主，因此長(zhǎng)沙井水位對(duì)國(guó)內(nèi)外大部分遠(yuǎn)場(chǎng)大震都記錄到了同震水震波。對(duì)于階變型同震響應(yīng)，在某些地震發(fā)生后，由于區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)和地震波傳播的附加應(yīng)力場(chǎng)的共同作用，引起地下流體觀測(cè)井孔含水層的應(yīng)力調(diào)整，所以導(dǎo)致了水位的階升或者階降[7]。至于脈沖型同震響應(yīng)產(chǎn)生的原因，分析認(rèn)為也是由于地震波在傳播過(guò)程中引起井水位產(chǎn)生彈性變形所致。但是受到傳播路徑介質(zhì)或井震距等因素的影響，地震波能量不夠大，引起的水位彈性變形時(shí)間不夠長(zhǎng)，另外由于數(shù)字化水位儀的采樣間隔不夠短，導(dǎo)致同震響應(yīng)的完整過(guò)程沒(méi)有被全部記錄下來(lái)，因此在水位分鐘值曲線圖中表現(xiàn)為脈沖型。

4 分析與討論

（1）在湖南省記錄到尼泊爾M8.1地震同震響應(yīng)的所有地下流體觀測(cè)井中，韶山井的初動(dòng)時(shí)間滯后于地震發(fā)震時(shí)間最短（5min），清江井的滯后時(shí)間最長(zhǎng)（16min），即對(duì)尼泊爾M8.1地震的初動(dòng)響應(yīng)時(shí)間最快與最慢的井孔之間相差約有660s。經(jīng)向省局地球物理觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)負(fù)責(zé)人核實(shí)，清江臺(tái)和韶山臺(tái)均為縣級(jí)無(wú)人值守臺(tái)站，其儀器日常運(yùn)維與數(shù)據(jù)分析處理等均由省局地球物理觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)負(fù)責(zé)。而他們一直嚴(yán)格按照全國(guó)地下流體監(jiān)測(cè)技術(shù)學(xué)科組要求，每周對(duì)儀器進(jìn)行時(shí)鐘檢查。因此基本可以確認(rèn)清江井與韶山井對(duì)尼泊爾M8.1地震的初動(dòng)響應(yīng)時(shí)間相差11min是客觀存在的事實(shí)。而在湖南省測(cè)震臺(tái)中，最早和最晚記錄到該地震初至波的時(shí)間相差只有幾十秒，而且相對(duì)于震中距來(lái)說(shuō)，湖南省流體臺(tái)的井孔間距要小得多，因此認(rèn)為同震初動(dòng)響應(yīng)時(shí)間差的原因并不是受地震波傳播距離時(shí)間差的影響，其受震中距的影響不大，可能與水柱高度、井孔大小、井孔的水文地質(zhì)條件和構(gòu)造環(huán)境等因素有關(guān)。

（2）大部分情況下，長(zhǎng)沙井水位對(duì)國(guó)內(nèi)外遠(yuǎn)場(chǎng)大震的同震響應(yīng)幅度與震級(jí)的大小成正比，與震中距的大小成反比。對(duì)于2015年9月17日智利中部MS8.3地震及其MS6.8余震引起的同震響應(yīng)反常現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，分析認(rèn)為可能是由于主震和余震之間間隔時(shí)間太短，MS8.3主震的尾波和MS6.8余震的面波疊加在一起而導(dǎo)致的。從完整的地震波形圖像上看，由于主余震的兩個(gè)地震波相疊加在一起，主震的最大面波振幅明顯要小于余震的最大面波振幅，而且這兩次地震最大面波振幅出現(xiàn)的時(shí)間間隔接近于它們的發(fā)震時(shí)間間隔。同時(shí)，從長(zhǎng)沙井記錄到的這兩次地震的水震波曲線圖像來(lái)看，最大振幅出現(xiàn)時(shí)間均要晚于地震波的最大面波振幅出現(xiàn)時(shí)間。同時(shí)主余震的水震波最大振幅之間的時(shí)間間隔要大于這兩者的地震波最大面波振幅之間的時(shí)間間隔，認(rèn)為此現(xiàn)象可能與井孔含水層水流運(yùn)動(dòng)的時(shí)間過(guò)程以及觀測(cè)儀器對(duì)地震波的跟蹤速度有關(guān)[8]。

（3）不同地球物理學(xué)家近年來(lái)提出了多種機(jī)理來(lái)解釋井水位的同震變化原因[9-10]，趨于一致的看法是:井孔含水層固體骨架發(fā)生周期性彈性形變，引起水體擠壓從而形成同震水震波，各井孔同震響應(yīng)能力的大小與其所處的水文地質(zhì)條件、構(gòu)造環(huán)境以及自身固有頻率和儀器等因素有關(guān)；P波、SV波以及它們組成的瑞利面波均能使傳播介質(zhì)的體積發(fā)生改變，井水位產(chǎn)生振蕩變化的原因是受地震發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的周期作用的應(yīng)力波的影響。

長(zhǎng)沙井是湖南地區(qū)記震能力最好的水位觀測(cè)井，其原因可能與長(zhǎng)沙井為承壓自流井且觀測(cè)含水層巖性為石英砂巖有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，越堅(jiān)硬和難以變形的巖體地區(qū)的井水位潮差越大，越松軟和易于變形的巖體潮差越小。在火山巖、變質(zhì)巖與碎屑巖中，潮差最大的巖石分別為玄武巖、矽卡巖與石英砂巖[11]。因此石英砂巖能夠通過(guò)井水位較好地將巖層因地震瑞利波所激勵(lì)出來(lái)的體應(yīng)變加以放大并反映出來(lái)。此外，水位觀測(cè)井的記震能力還與井-含水層系統(tǒng)的固有振動(dòng)周期有關(guān)。由于井-含水層系統(tǒng)主要是對(duì)地震瑞利波產(chǎn)生響應(yīng)，而地震波瑞利波的振動(dòng)周期在20s左右，所以井-含水層系統(tǒng)的固有振動(dòng)周期越接近20s，它對(duì)地震波的響應(yīng)越好[12]。因此可以推測(cè)，長(zhǎng)沙井含水層系統(tǒng)的固有振動(dòng)周期應(yīng)該比較接近地震瑞利波的振動(dòng)周期。另一方面，井-含水層振動(dòng)的阻尼系數(shù)越小，系統(tǒng)對(duì)井水位振動(dòng)的阻力越小，它對(duì)地震波的響應(yīng)越好。

5 結(jié)論

本文從“一震多井”和“一井多震”兩個(gè)方面分析了湖南省數(shù)字化井水位的同震響應(yīng)特征，同時(shí)與其他學(xué)者的一些研究結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)論如下:

（1）湖南各井水位對(duì)尼泊爾M8.1地震的同震響應(yīng)各不相同，有振蕩型和脈沖型的單一類(lèi)型，也有振蕩伴隨階變的復(fù)合類(lèi)型，另外還有緩慢型和快速響應(yīng)型。認(rèn)為多個(gè)觀測(cè)井在同一次地震中記錄到的同震響應(yīng)不同可能是受井況、儀器、區(qū)域地質(zhì)環(huán)境和介質(zhì)性質(zhì)等的影響。

（2）湖南長(zhǎng)沙井水位對(duì)不同地震的同震響應(yīng)形式有振蕩型、脈沖型和振蕩伴隨階變型，這與其他學(xué)者的研究結(jié)果并不完全相同[13-14]，即多個(gè)地震在單一觀測(cè)井中引起的同震響應(yīng)有多種形態(tài)，并不是一成不變的。其原因有可能是本區(qū)域的局部應(yīng)力狀態(tài)已經(jīng)發(fā)生了改變[15]，也可能是含水層有關(guān)參數(shù)和水動(dòng)力條件發(fā)生了改變所致。

（3）湖南省地下流體水位觀測(cè)網(wǎng)對(duì)國(guó)內(nèi)外遠(yuǎn)場(chǎng)大震的同震響應(yīng)類(lèi)型主要表現(xiàn)為振蕩型，井水位的映震效能受井孔含水層系統(tǒng)的導(dǎo)水能力和含水層巖性的影響。另外，對(duì)于振蕩伴隨階變的復(fù)合類(lèi)型，水位階產(chǎn)生的時(shí)間總是要晚于水震波。