段勝朝，張山元，番紹輝，孫自剛，楊銘昌

(云南省地震局騰沖地震監(jiān)測(cè)中心站，云南 騰沖 679100)

0 引 言

自20 世紀(jì) 70 年代我國(guó)在北京洼里井第一次觀測(cè)到水震波起，地震引起的井水位同震響應(yīng)研究一直是地學(xué)界許多研究人員非常關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，不同學(xué)者從“一井多震”、“一震多井”和“多井多震”的角度對(duì)井水位的同震響應(yīng)特征和響應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了大量研究[1-9]。例如，劉耀煒等根據(jù)大陸地下流體臺(tái)網(wǎng)對(duì)2004年12月26日蘇門(mén)答臘地震的同震響應(yīng)資料，分析得到了水位同震響應(yīng)特征的基本類(lèi)型[4]。莫佩嬋等利用全球 5 級(jí)以上地震資料分析了廣西桂平西山井的井孔記錄水震波的能力、水震波形態(tài)特征及影響因素，初步探討了西山井同震響應(yīng)的機(jī)理，認(rèn)為含水層介質(zhì)受瑞利面波作用會(huì)發(fā)生體積變化，導(dǎo)致水位振蕩，是形成振蕩型水震波的可能機(jī)理[8]。車(chē)用太等對(duì)遠(yuǎn)震引起井水位同震響應(yīng)振蕩變化的作用機(jī)理進(jìn)行了研究和闡述[5]。向陽(yáng)等利用秒鐘值數(shù)據(jù)對(duì)井水位同震響應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了分析，認(rèn)為同震響應(yīng)形態(tài)與地震波作用過(guò)程中引起的含水層水文參數(shù)變化有關(guān)[7]。這些成果對(duì)于井水位同震響應(yīng)研究工作的開(kāi)展具有較好的指導(dǎo)作用。

北京時(shí)間2021年5月22日，青海省瑪多縣(34.59°N，98.34°E)發(fā)生Ms 7.4地震，震中距云南1 000 km左右。此次地震引起云南地區(qū)一定范圍內(nèi)的數(shù)字化井水位產(chǎn)生了同震響應(yīng)。本文收集整理云南省現(xiàn)有在庫(kù)正常觀測(cè)的井水位觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)青?，敹郙s 7.4地震的同震響應(yīng)記錄情況，分析了井水位同震響應(yīng)空間分布和同震水位變化形態(tài)特征，分析了井震距、地震能量密度、觀測(cè)儀器采樣率等因素對(duì)井水位同震響應(yīng)能力差異性的影響，并對(duì)水位同震響應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了討論。

1 云南省數(shù)字化水位井網(wǎng)觀測(cè)概況

通過(guò)對(duì)云南省地球物理臺(tái)網(wǎng)“十五”數(shù)據(jù)庫(kù)和“十項(xiàng)措施”數(shù)據(jù)庫(kù)水位觀測(cè)項(xiàng)目查詢(xún)統(tǒng)計(jì)，2021年以來(lái)，云南省地下流體數(shù)字化水位觀測(cè)井網(wǎng)共有57口井(靜水位36口井，動(dòng)水位21口井)正常在網(wǎng)觀測(cè)，其空間分布如圖1所示。水位觀測(cè)儀器主要型號(hào)有LN-3A型數(shù)字水位觀測(cè)儀、SWY-Ⅱ型數(shù)字化水位觀測(cè)儀、ZKGD-3000水位水溫綜合觀測(cè)儀，采樣率為1次/分鐘，入庫(kù)保存為分鐘值數(shù)據(jù)。SWY-Ⅱ型數(shù)字化水位觀測(cè)儀還可以進(jìn)行秒采樣，會(huì)自動(dòng)生成秒鐘值數(shù)據(jù)文件，但秒種植數(shù)據(jù)保存時(shí)間較短且不能直接入庫(kù)使用，需要手動(dòng)下載保存和轉(zhuǎn)換格式后才能使用，非常不方便。因此，本文選用水位分鐘值觀測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對(duì)青海瑪多Ms 7.4地震引起的云南數(shù)字化井水位同震響應(yīng)特征進(jìn)行分析。

圖1 云南省數(shù)字化水位觀測(cè)井分布

2 井水位同震響應(yīng)特征分析

2021年5月22日青?，敹郙s 7.4地震發(fā)生前后，云南省有57口井水位觀測(cè)儀器工作正常，觀測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)可靠，水位動(dòng)態(tài)變化背景相對(duì)穩(wěn)定。通過(guò)對(duì)這57口井水位分鐘值觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)青?，敹郙s 7.4地震時(shí)云南省共有27口觀測(cè)井水位清晰記錄到同震響應(yīng)，其同震響應(yīng)變化幅度都在0.005 m以上。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，記錄到同震響應(yīng)的觀測(cè)井占總觀測(cè)井的47.4%。其中靜水位井19口，占總靜水位觀測(cè)井的52.8%；動(dòng)水位井9口，占總動(dòng)水位觀測(cè)井的42.9%(圖2)。將其水位同震響應(yīng)變化特征進(jìn)行歸納整理列于表1所示，同震響應(yīng)觀測(cè)井分布如圖1所示，圖中黑色方型圖標(biāo)表示記錄到青?，敹郙s 7.4地震同震響應(yīng)的觀測(cè)井所在位置。

圖2 青?，敹郙s 7.4地震云南數(shù)字化水位同震響應(yīng)情況統(tǒng)計(jì)

2.1 同震響應(yīng)觀測(cè)井分布特征

在青海瑪多Ms 7.4地震發(fā)生前的2021年5月21日21時(shí)48分，云南漾濞(25.67°N，99.87°E)發(fā)生了Ms 6.4地震，漾濞Ms 6.4地震引起震中周?chē)?00 km范圍內(nèi)13口水位觀測(cè)井產(chǎn)生同震響應(yīng)。由圖1可知，云南數(shù)字化水位對(duì)青?，敹郙s 7.4地震產(chǎn)生同震響應(yīng)的觀測(cè)井主要分布在小江斷裂帶兩側(cè)及其附近地區(qū)，漾濞地震震中周?chē)?00 km范圍內(nèi)，多數(shù)水位觀測(cè)井孔未記錄到青?，敹嗟卣稹７治稣J(rèn)為，這可能是由于漾濞地震震源應(yīng)力場(chǎng)對(duì)震中周?chē)?00 km范圍內(nèi)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的加載作用導(dǎo)致這個(gè)范圍內(nèi)區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)調(diào)整，從而造成井孔記震能力減弱或消失，所以青海瑪多地震時(shí)這些區(qū)域很少記錄到水位同震響應(yīng)。

圖3 青?，敹郙s 7.4地震云南井水位同震響應(yīng)變化形態(tài)

2.2 井水位同震響應(yīng)變化形態(tài)特征

由表1可知，云南數(shù)字化水位分鐘值數(shù)據(jù)記錄到青?，敹郙s 7.4地震的同震響應(yīng)根據(jù)其動(dòng)態(tài)變化可分為振蕩—復(fù)原型、階變(緩變)型和振蕩伴隨階變型三種變化類(lèi)型，以振蕩—復(fù)原型為主，如圖3所示。其中18口井記錄為振蕩—復(fù)原型，7口井記錄為階變(緩變)型，2口井記錄為振蕩伴隨階變型變化。振蕩—復(fù)原型表現(xiàn)為水位受地震影響產(chǎn)生振蕩變化的水震波，振蕩幅度隨時(shí)間的增加逐漸減弱，一定時(shí)間后水位恢復(fù)到震前的動(dòng)態(tài)背景值。階變(緩變)型表現(xiàn)為水位受地震影響產(chǎn)生臺(tái)階(緩慢)上升或臺(tái)階(緩慢)下降變化，以階升為主，短時(shí)間內(nèi)不會(huì)恢復(fù)到震前的動(dòng)態(tài)背景值。振蕩伴隨階變型表現(xiàn)為水位受地震影響先產(chǎn)生短時(shí)振蕩變化，隨后產(chǎn)生臺(tái)階上升或臺(tái)階下降變化，之后振蕩恢復(fù)至正常動(dòng)態(tài)變化形態(tài)，但不會(huì)恢復(fù)震前的動(dòng)態(tài)背景位置，而是殘留一個(gè)水位臺(tái)階。

2.3 井水位同震響應(yīng)變化幅度與井震距的關(guān)系

Roeloffs對(duì)井水位的同震響應(yīng)幅度(Δh)與震級(jí)(M)和井震距(D)的關(guān)系進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)[10]，得到如下公式：

lgΔh = b1M+ b2lgD + a

(1)

其中，a、b1、b2為常數(shù)。根據(jù)公式(1)，許多研究人員利用不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行了大量的分析研究[11-13]，結(jié)果表明，井水位的同震響應(yīng)幅度隨著震級(jí)的增大而增大，隨著井震距的增大而減小。對(duì)于青?，敹郙s 7.4地震，當(dāng)公式(1)中的震級(jí)M不變，即為常數(shù)后，同震響應(yīng)變化幅度的關(guān)系可簡(jiǎn)化為：

lgΔh = BlgD +A

(2)

其中，A、B為常數(shù)，A=a+b1M，B=b2。運(yùn)用多元線性回歸方法，將表1中同震響應(yīng)幅度(Δh)和井震距(D)的關(guān)系運(yùn)用公式(2)進(jìn)行擬合，各參量之間并不存在明顯統(tǒng)計(jì)關(guān)系，繪制lgΔh與lgD關(guān)系如圖4所示，可見(jiàn)井震距和同震響應(yīng)幅度無(wú)明顯相關(guān)關(guān)系。這可能是由于各觀測(cè)井井震距較接近，井間距遠(yuǎn)小于井震距，地震對(duì)云南各觀測(cè)井水位影響程度相差不大造成的，表明云南省各水位觀測(cè)井對(duì)青海瑪多Ms 7.4地震同震響應(yīng)幅度的差異性影響不大。

圖4 同震響應(yīng)幅度與井震距的關(guān)系散點(diǎn)圖

3 地震能量密度的影響

地震能量密度(e)表示地震波在傳播過(guò)程中作用在單位體積地層介質(zhì)上的最大能量值，它與地震震級(jí)(M)和震中距(r)密切相關(guān)[14]：

lg(r) =0.48M-0.33lg(e)-1.4

(3)

由式(3)可知，地震能量密度隨著震級(jí)的增大而增大，隨著震中距的增大而減小。對(duì)于全球數(shù)據(jù)，觸發(fā)持續(xù)性地下水位響應(yīng)的地震能量密度(e)為10-3J·m-3；對(duì)于青?，敹郙s 7.4地震，將表1中各同震響應(yīng)觀測(cè)井的井震距和震級(jí)7.4 代入式(3)計(jì)算，得到各觀測(cè)井的地震能量密度如圖5所示。由圖5可知，青?，敹郙s 7.4地震的地震能量密度隨著井震距的增大而逐漸減小，各觀測(cè)井能量密度均大于10-3J·m-3。

將青?，敹嗟卣鹫鸺?jí)7.4和基于全球數(shù)據(jù)的地震能量密度(e)值10-3J·m-3代入式(3)，得到青?，敹郙s 7.4地震引起云南井水位產(chǎn)生同震響應(yīng)的最大井震距理論極限是1 387 km，理論上1 387 km范圍內(nèi)的觀測(cè)井都能記錄到青?，敹郙s 6.4地震的同震響應(yīng)，即云南絕大多數(shù)觀測(cè)井都能夠記錄到青?，敹郙s 7.4地震的同震響應(yīng)。而實(shí)際上有27口井記錄到同震響應(yīng)，最遠(yuǎn)的觀測(cè)井井震距是1 356 km，且1 356 km范圍內(nèi)也有26口觀測(cè)井沒(méi)有記錄到同震響應(yīng)，表明井水位的同震響應(yīng)能力與地震能量密度有關(guān)，但不是唯一因素。

圖5 地震能量密度與井震距的關(guān)系

4 觀測(cè)儀器采樣率的影響

廖麗霞等通過(guò)對(duì)不同采樣率水位同震響應(yīng)能力及其特征分析，認(rèn)為不同采樣率儀器記錄水位同震響應(yīng)存在很大差異，不但形態(tài)特征上明顯不同，響應(yīng)能力及響應(yīng)幅度也差別很大[15]。目前，云南省有部分井孔水位觀測(cè)采用SWY-II 型數(shù)字水位儀，具備秒采樣功能，但數(shù)據(jù)收集不方便。通過(guò)云南地震臺(tái)地球物理研究室下載保存的全省水位秒鐘值數(shù)據(jù)，共收集到青?，敹郙s 7.4地震時(shí)16口井的水位秒采樣數(shù)據(jù)。這16口井分別是楚雄、德宏、洱源、建水、劍川、昆明臺(tái)、瀘西、勐臘、孟連、彌渡、姚安、永勝、元謀、昭通、師宗、麒麟，其中德宏、建水、昆明臺(tái)、瀘西、麒麟、師宗、永勝、昭通共8口井水位分鐘值、秒鐘值都記錄到同震響應(yīng)變化(如圖6德宏井至師宗井所示)，楚雄、姚安、勐臘3口井分鐘值未記錄到或記錄不清晰而秒鐘值明顯記錄到同震響應(yīng)變化，但同震響應(yīng)持續(xù)時(shí)間只有幾秒至幾十秒(如圖6楚雄井至勐臘井所示)，孟連、彌渡、洱源、劍川、元謀共5口井分鐘值、秒鐘值均未記錄到同震響應(yīng)變化。由圖6可知，秒鐘值記錄的水位動(dòng)態(tài)變化更為完整，同震響應(yīng)幅度相對(duì)較大，分鐘值記錄的水位同震變化則存在失真現(xiàn)象。因此部分觀測(cè)井分鐘值數(shù)據(jù)未記錄到同震響應(yīng)可能是儀器采樣率不夠所致，而其秒鐘值記錄同震響應(yīng)的時(shí)間較短可能與觀測(cè)井—含水層系統(tǒng)、井孔所在位置的水文地質(zhì)條件和區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造條件有關(guān)。

5 水位同震響應(yīng)機(jī)理討論

云南井水位分鐘值數(shù)據(jù)記錄到青?，敹郙s 7.4地震的同震響應(yīng)形態(tài)可分為振蕩—復(fù)原型、階變(緩變)型和振蕩伴隨階變型三種變化類(lèi)型，以振蕩—復(fù)原型變化為主，有18口井記錄為振蕩—復(fù)原型，7口井記錄為階變(緩變)型，2口井記錄為振蕩伴隨階變型變化。

對(duì)于遠(yuǎn)震引起井水位振蕩—復(fù)原型同震響應(yīng)變化的作用機(jī)理，已有學(xué)者做了很多研究，一般認(rèn)為，井水位對(duì)遠(yuǎn)震產(chǎn)生同震響應(yīng)的作用機(jī)理是，受地震波影響，含水層出現(xiàn)壓縮與膨脹，產(chǎn)生相互交替的變形，使得含水層孔隙壓力升降交替，含水層的水在井與含水層間交替流動(dòng)(含水層到井，井到含水層)，最終表現(xiàn)為井孔內(nèi)水柱的反復(fù)升降變化，即井水位的振蕩變化[2，5]。分析認(rèn)為，青海瑪多Ms 7.4地震距云南數(shù)字化水位觀測(cè)井井震距在1 000 km左右，且多數(shù)在1 000 km以上，屬于遠(yuǎn)震影響，井水位振蕩—復(fù)原型同震響應(yīng)變化可以用上述機(jī)理解釋?zhuān)辞嗪，敹郙s 7.4地震發(fā)生后，地震波傳播到云南境內(nèi)，受地震波作用影響，這些觀測(cè)井含水層發(fā)生壓縮與膨脹相互交替的彈性變形，使得含水層內(nèi)孔隙介質(zhì)體積發(fā)生壓縮與膨脹的交替變化，從而造成水位振蕩變化；地震波傳播過(guò)后，含水層彈性變形消失，井—含水層系統(tǒng)快速恢復(fù)初始狀態(tài)，水位振蕩隨之消失，恢復(fù)到震前動(dòng)態(tài)水平。

圖6 青海瑪多地震水位分鐘值與秒鐘值對(duì)比曲線(圖中黑色線為分鐘值，灰色線為秒鐘值)

對(duì)于遠(yuǎn)震引起井水位階變(緩變)型同震響應(yīng)變化的作用機(jī)理，目前沒(méi)有統(tǒng)一的定論。付虹等通過(guò)研究云南水位對(duì)印尼巨大地震的同震效應(yīng)，認(rèn)為大震引起的水位上升和下降可能是地震波的作用改變了構(gòu)造單元的應(yīng)力所致，并與井點(diǎn)的地質(zhì)構(gòu)造部位有關(guān)[16]；在區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)和地震波傳播的附加應(yīng)力場(chǎng)的綜合作用下，引起井孔含水層的震后應(yīng)力調(diào)整，因此出現(xiàn)了水位上升或者下降的變化。孫小龍等認(rèn)為地震波作用可導(dǎo)致井孔含水層巖體介質(zhì)發(fā)生形變，進(jìn)而促使孔隙壓力發(fā)生變化，巖體介質(zhì)孔隙壓力改變后會(huì)有壓力彌散及恢復(fù)的過(guò)程[17]。此過(guò)程即為含水層系統(tǒng)中水流調(diào)節(jié)的過(guò)程。如果這種調(diào)節(jié)作用持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，那么井—含水層系統(tǒng)的水流狀態(tài)不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)趨于穩(wěn)定，則觀測(cè)井水位是一個(gè)持續(xù)變化的過(guò)程，如曲靖井水位震后持續(xù)緩慢上升變化；如果含水層巖體結(jié)構(gòu)在地震波作用下發(fā)生了塑性形變，那么井—含水層系統(tǒng)內(nèi)水流會(huì)在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到新的平衡，體現(xiàn)在水位變化形態(tài)上就是階變，如昭通漁洞井、彌勒井、宣威井水位階升及沾益井水位階降同震響應(yīng)變化。

對(duì)于遠(yuǎn)震引起井水位振蕩伴隨階變型同震響應(yīng)變化的作用機(jī)理，分析認(rèn)為，振蕩伴隨階變型同震響應(yīng)形態(tài)的井孔總是先記錄到水位振蕩，然后才產(chǎn)生階變，這是因?yàn)檫h(yuǎn)震發(fā)生后，地震波作用使觀測(cè)井含水層巖體介質(zhì)發(fā)生壓縮與膨脹相互交替的彈性變形，當(dāng)周期性的地震波持續(xù)加載使含水層巖體介質(zhì)彈性變形達(dá)到一定程度時(shí)，含水層巖體介質(zhì)轉(zhuǎn)為塑性變形。表現(xiàn)在水位上就是由于彈性變形先記錄水位振蕩，轉(zhuǎn)為塑性變形時(shí)則記錄到水位階變變化。

上述這些作用機(jī)理分析在一定程度上能夠解釋青?，敹郙s 7.4地震引起云南數(shù)字化井水位同震響應(yīng)各種變化形態(tài)的形成原因。但每一口井記錄的水位同震響應(yīng)還有細(xì)微的差別，同一井孔水位分鐘值與秒鐘值同震響應(yīng)形態(tài)也不盡相同，若要對(duì)其同震響應(yīng)機(jī)理進(jìn)行深入分析，則可能需要結(jié)合各觀測(cè)井水位儀器的采樣率、水位同震變化形態(tài)、觀測(cè)井的井含水層系統(tǒng)、井區(qū)地質(zhì)構(gòu)造條件、水文地質(zhì)條件和井區(qū)應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行綜合分析。

6 認(rèn)識(shí)與討論

通過(guò)云南數(shù)字化井水位分鐘值數(shù)據(jù)對(duì)青海瑪多Ms 7.4地震同震響應(yīng)特征進(jìn)行分析，并分析了地震能量密度和觀測(cè)儀器采樣率對(duì)井水位記錄地震能力的影響，然后對(duì)水位同震響應(yīng)機(jī)理進(jìn)行分析討論，得到了以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

(1)青?，敹郙s 7.4地震，云南數(shù)字化井水位記錄到同震響應(yīng)的觀測(cè)井為27口，占總觀測(cè)井的47.4%，水位同震響應(yīng)觀測(cè)井主要分布在小江斷裂帶兩側(cè)及其附近地區(qū)。漾濞地震震中周?chē)?00 km范圍內(nèi)，大多數(shù)水位觀測(cè)井未記錄到青?，敹嗟卣?，原因可能是漾濞地震對(duì)震中周?chē)挠^測(cè)井水位記震能力產(chǎn)生了影響。

(2)云南數(shù)字化井水位對(duì)青海瑪多Ms 7.4地震同震響應(yīng)形態(tài)根據(jù)其動(dòng)態(tài)變化可分為振蕩—復(fù)原型、階變(緩變)型和振蕩伴隨階變型三種變化類(lèi)型，以振蕩—復(fù)原型變化為主。

(3)云南各觀測(cè)井水位對(duì)青?，敹郙s 7.4地震同震響應(yīng)表現(xiàn)出一定的差異性，這與井震距、地震能量密度、觀測(cè)儀器采樣率、井-含水層系統(tǒng)等因素有關(guān)，在進(jìn)行相關(guān)分析時(shí)需綜合考慮這些因素對(duì)井水位同震響應(yīng)的影響程度。

(4)秒鐘值記錄的水位動(dòng)態(tài)變化更為完整，同震響應(yīng)幅度相對(duì)較大，分鐘值記錄的水位同震變化則存在失真現(xiàn)象。部分觀測(cè)井水位分鐘值數(shù)據(jù)未記錄到同震響應(yīng)可能是由于儀器采樣率不夠所致。而其秒鐘值記錄同震響應(yīng)的時(shí)間較短，可能與觀測(cè)井—含水層系統(tǒng)、井孔所在位置的水文地質(zhì)條件和區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造條件有關(guān)。但是，目前水位秒鐘值數(shù)據(jù)收集和使用存在不方便因素，秒鐘值使用功能有待生產(chǎn)廠家改進(jìn)。

(5)青海瑪多Ms 7.4地震引起云南各觀測(cè)井水位同震響應(yīng)變化可以用彈性理論來(lái)進(jìn)行解釋?zhuān)皇怯捎诟饔^測(cè)井井—含水層介質(zhì)對(duì)地震波的響應(yīng)程度不同，有的產(chǎn)生彈性變形表現(xiàn)為震蕩—復(fù)原變化，有的產(chǎn)生塑性變形表現(xiàn)為階變變化，有的介于二者之間有個(gè)漸變的過(guò)程而產(chǎn)生震蕩伴隨階變的變化。

致謝：在項(xiàng)目實(shí)施和論文撰寫(xiě)過(guò)程中得到云南省地震臺(tái)張立老師的悉心指導(dǎo)，審稿專(zhuān)家和編輯部老師對(duì)本文提出了寶貴的建設(shè)性修改意見(jiàn)，在此一并感謝。