信宜地震臺3號井數字化水位同震響應淺析

張印愛　鄭水軍

摘 要：本文收集了2008—2018年3號井數字化水位觀測對地震同震響應的數據資料，分析了井水位對7.8級以上大震的響應能力和同震變化特征。結果顯示，3號井對遠場大震響應能力較強;水位同震響應類型均表現為階降;水位同震響應變化幅度與震中距和震級有明顯的關聯性;從同震響應方向來看，遠場大震對本區域構造應力的影響以張應力為主。

關鍵詞：信宜;3號井;水位;同震響應

中圖分類號：P315.72 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）20-0155-04

Preliminary Analysis of Coseismic Response of Digital

Water Level in No.3 Well of Xinyi Seismic Station

ZHANG Yinai ZHENG Shuijun

（Xinyi Seismological Station of Guangdong Seismological Bureau，Xinyi Guangdong 525300）

Abstract： This paper collected the data of the digital water level observation of the No. 3 well from 2008 to 2018 on the earthquake coseismic response， and analyzed the response capacity and coseismic variation characteristics of the well water level to large earthquakes above 7.8. The results show that No. 3 well has strong response to far-field large earthquakes; the water level coseismic response type shows a step-down; the magnitude of the water level coseismic response has obvious correlation with the epicenter distance and magnitude; from the perspective of coseismic response， the influence of far-field large earthquakes on tectonic stress in this region is dominated by tensile stress.

Keywords： Xinyi;No. 3 well;water level;coseismic response

井水位同震響應是地震波作用于井含水層最為直接的體現，它與井孔的地質構造、水文地質條件﹑震級﹑震中距以及觀測系統等很多因素有關。本文根據信宜臺3號井水位2008—2018年記錄的遠場大震同震響應數據資料，進行具體分析和討論。

1 信宜地震臺3號井井孔概況與觀測情況

信宜地震臺的地理位置為（22°21′11″N，110°55′45″E），海拔高度為90m。它在大地構造上屬于粵西隆起帶，本地區的地質構造復雜，總體格局為一組北東向的活動斷層和一組北西向的活動斷層互相切割，形成網格狀構造。其中，北東向的斷層有合浦—玉林—梧州斷裂、廉江—信宜—牛衛斷裂、湛江—吳川—四會斷裂;北西向的斷層有橫縣—博白—茂名斷裂、高州—電白斷裂、茶山—閘坡斷裂[1]。臺站基巖為花崗片麻巖，巖性堅硬、完好，節理不發育。

3號井位于臺站大院內，為靜水位觀測井，于2006年8月建成。開孔直徑168mm，終孔直徑130mm，孔深100.7m，終孔斜度2.71°，止水深度29.84m，穩定水位深度4.2m，井底沉渣孔1.2m，直徑110mm。孔口至54.4m處為微風化眼球狀混合巖，以下至井底為微風化黑云母變粒巖和微風化眼球狀混合巖，儲水空隙類型以裂隙承壓水為主，含有少量孔隙水。觀測層地下水埋藏類型以混合型水為主。井孔水的化學特征為pH值7.2中性水，水的化學類型為重碳酸鹽-鈉型水。

2007年5月27日安裝了LN-3型數字水位儀。水位儀傳感器投放深度離井口9m，每分鐘測量一次水位數據，并可自動判別和記錄水位突發異常事件，當水位變化速率超過所設定的閾值時，水位儀會自動識別并加密采樣速率，由每分鐘一次加密到每秒一次，如圖1所示。12年的觀測資料顯示，水位觀測正常，數據連續可靠，能記錄到清晰的固體潮，也能記錄到降雨后的干擾情況，對大震也有較明顯的同震響應。

2 3號井水位同震響應震例分析

2008—2018年，全球共發生33次7.8級以上地震，3號井水位記錄到同震響應的有7次，響應比例為21.21%，如表1所示。

2.1 四川汶川8.0級地震

2008年5月12日14：28，四川汶川（31.0°N，103.4°E）發生8.0級地震，震源深度14km，震中距離3號井1 219km。3號井水位觀測5月12日14：33初動數據為4.824m，18日12：20記錄到最低水位值5.339m，顯示水位震后出現大幅度的下降，下降趨勢從5月12日一直持續到18日，下降幅度為0.515m，如圖2所示。

2.2 日本9.0級地震

2011年3月11日13：46，日本本州島東部海域（38.1°N，142.6°E）發生9.0級地震，震源深度20km，震中距離3號井3 489km。水位觀測3月11日14：03初動數據為5.012m，17日00：16記錄到最低水位5.542m，數據顯示水位震后出現大幅度下降，下降趨勢從3月11日一直持續到17日，下降幅度為0.530m，如圖3所示。

2.3 蘇門答臘島8.6級地震和8.2級地震

2012年4月11日16：38，蘇門答臘島北部附近海域（2.30°N，93.1°E）發生8.6級地震，震源深度20km，震中距離3號井2 949km;同日18：43，蘇門答臘島北部附近海域（0.80°N，92.4°E）發生8.2級地震，震源深度20km，震中距離3號井3 128km。當天，蘇門答臘島附近海域發生了兩次地震，其間隔時間較短，僅有125min，水位出現較大的同震響應。水位觀測4月11日16：40初動數據為4.954m，4月15日22：53記錄到最低水位值5.220m，數據顯示，水位震后出現大幅度下降，下降趨勢從4月11日一直持續到15日，下降幅度為0.266m，如圖4所示。

2.4 巴基斯坦7.8級地震

2013年9月24日19：29，巴基斯坦（27.0°N，65.5°E）發生7.8級地震，震源深度40km，震中距離3號井4 600km;水位觀測9月24日19：37初動數據為3.995m，到9月26日08：03記錄到最低水位值4.078m，數據顯示，水位震后出現階降，下降趨勢從9月24日一直持續到26日，下降幅度為0.083m，如圖5所示。

2.5 尼泊爾8.1級地震

2015年4月25日14：11，尼泊爾（28.2°N，84.7°E）發生8.1級地震，震源深度20km，震中距離3號井2 713km。水位觀測4月25日14：23初動數據為4.560m，27日22：29記錄到最低水位值4.636m，數據顯示，水位震后出現階降，下降趨勢從4月25日一直持續到27日，數據下降幅度為0.076m，如圖6所示。

2.6 蘇門答臘島7.8級地震

2016年3月2日20：49，印度尼西亞蘇門答臘島海域（4.90°S，94.21°E）發生7.8級地震，震源深度20km，震中距離3號井3 538km。水位觀測3月2日20：50數據為4.483m，3月8日01：23記錄到最低水位值4.712m，數據顯示，水位震后出現大幅度的階降，下降趨勢從3月2日一直持續到8日，下降幅度為0.229m，如圖7所示。

3 結論

①在統計的2008—2018年33次7.8級以上地震中，3號井水位記錄到同震響應的有7次，響應比例為21.21%。由此可見，該井水位對大震的響應能力較強，雖然所處的區域屬于少震弱震地區，但對遠場大震的遠場效應反應靈敏，能反映出區域應力場變化引起的含水層應力應變的變化[2]。井水位變化幅度與震級和震中距有關，震中距離越近，震級越大，同震響應比例越高，變化幅度越明顯。

②地震引起的水位同震變化主要表現為三種：振蕩型、階躍型和振蕩-階躍復合型。振蕩型變化是指在地震波的影響下水位在原平衡中心線快速來回波動，地震波過后能較快恢復原來的變化形態;階躍變化是指在地震波的影響下水位偏離震前水位線并產生臺階，改變水位的背景，出現階梯式的抬升或下降，這種變化需要較長時間才能恢復，有時甚至產生永久性改變;振蕩-階躍復合型則是振蕩型和階躍型兩種類型的綜合表現[3，4]。當地震波到達時，井所在含水巖體受到壓應力或拉應力的作用，造成含水層的孔隙壓力發生突變而形成階變[5]，含水層所受的應力增大后體積被壓縮就造成水位的上升，而含水層所受的應力降低后體積膨脹就造成水位的下降[6]。3號井水位在以上所對應的大震同震響應中表現出階躍方向均向下的特征，顯示該井含水層巖體受到拉張力作用，巖石孔隙率變大導致孔隙水壓變小，水流由井孔返回含水層致使水位下降[7]，屬于階降變化，下降趨勢持續幾天。

③水位同震響應上升和下降的方向不因地震的遠近、大小、震源機制或地震方向的變化而變化，更多地受控于本地的地質構造環境和水文地質條件[3]。水位同震階躍響應的方向能在一定程度上反映本區域所受的構造應力狀態，為大震后區域應力調整的表現。當井水位同震階升時，井區壓應力增加，意味著井區應力狀態的加強，在一定程度上提升了該區域發震的危險性;當井水位同震階降時，大震對井區的應力應變為張應力，在一定時期內不利于該區域大震的發生[3，4]。分析3號井震例可知，水位階躍方向均為階降變化，反映出震例中的遠場大震對本地區應力作用以拉張為主，它對本地區起著減震作用，在一定時期內不利于大震的發生。

參考文獻：

[1]廣東省地震局.廣東省地震監測志[M].北京：地震出版社，2005.

[2]沈平，敬少群.湖南數字化井水位對尼泊爾M8.1級地震的同震響應特征分析[J].地球物理學進展，2017（5）：1915-1920.

[3]周志華，黃輔瓊，馬玉川.中國大陸井水位觀測網對甘肅岷縣漳縣6.6級地震同震響應特征分析[J].地震工程學報，2013（3）：529-534.

[4]萬永芳，李健梅.廣東井水位和水溫對汶川8.0級地震的同震響應研究[J].華南地震，2010（30）：53-60.

[5]張清秀，陳小云，陳瑩，等.福建省數字化水位水溫資料的遠場效應研究[J].華北地震科學，2007（4）：49-54.

[6]付虹，鄔成棟，劉強，等.印尼巨大地震引起的云南水位異常記錄及其意義[J].地震地質，2007（4）：873-882.

[7]中國地震局預測預報司.地震地下流體預報方法[M].北京：地震出版社，1997.