湖南省地下流體井水位對遠場大震的同震響應特征分析

沈 平，敬少群，姚海東

（湖南省地震局，湖南 長沙 410004）

0 引言

在地震地下流體觀測中，當井孔含水層受地震波作用，其受力發生改變時，井孔含水層系統的應力-應變狀態也會一同發生改變[1]。地震波作用于井孔含水層系統的最直接體現就是同震響應。水位同震響應現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生及震后調整過程[2-4]。有研究認為，遠場大震引起的同震響應在空間上的叢集區，對未來可能發生地震的地點具有一定的指示性意義[5]。因此，加強地下流體井水位對遠場大震的同震響應特征研究對于促進地殼的應力狀態研究與地震預測研究具有重大意義。

本文收集了湖南省數字化井水位對幾次大震的同震響應資料，從“一震多井”和“一井多震”兩個方面分析了井水位對遠場大震的同震響應特征，總結湖南井水位的同震響應規律，為少震弱震地區的地震預測研究提供一些參考，同時對井水位的同震響應機理進行了分析。

1 湖南省地下流體觀測網簡介

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

圖1 湖南省井水位觀測點分布Fig.1 The distribution of digital well in Hunan Province

2 “一震多井”同震響應

據中國地震臺網測定，北京時間2015年4月25日14時11分26秒在尼泊爾境內（28.2°N，84.7°E）發生M8.1地震，造成了重大的人員傷亡和財產損失，并波及到我國的西藏地區。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，具體情況如表1和圖2所示。

表1 尼泊爾M8.1地震的同震響應情況

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

從“一震多井”來看，湖南省井水位的同震響應主要具有以下特點:

（1）湖南省井水位對尼泊爾M8.1地震的同震響應類型有多種，具體可以分為兩大類，一類是單一類型，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）、持續緩變型（安鄉井），一類是復合類型，即振蕩伴隨階變型（臨湘井和長沙井）。另外，在記錄到尼泊爾M8.1地震同震響應的8口井孔中，有6口井均記錄到了水震波。

（2）從觀測井孔的深度來看，深井與淺井的記震能力差別不大；從井孔的含水層巖性來看，含水層巖性為砂巖、灰巖的觀測井記錄到的同震響應幅度較大；從井孔的導水性能來看，井孔的導水能力與記震能力成正比。

3 “一井多震”同震響應

“一井多震”的同震響應特征以長沙井為例來分析。長沙井是動水位觀測，井深273m，最早從1985年開始模擬觀測，2002年開始數字化觀測，觀測層為石英砂巖裂隙承壓含水層。

3.1 振蕩型同震響應

自數字化以來，長沙井水位對全球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日印尼蘇門答臘MS8.6、MS8.2地震發生后，先后引起長沙井水位的2次振蕩型同震響應，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沙井水位的多次振蕩。通過查詢中國地震臺網目錄（CSN）及長沙測震臺記錄到的地震波形資料，并根據地震波走時規律和震相識別，認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Fig.3 Co-seismic response with fluctuation type

3.2 振蕩伴隨階變型同震響應

長沙井水位記錄到的振蕩伴隨階變型的同震響應在振蕩結束后水位曲線均在階變產生的新水位背景上變化，而且振蕩的初動響應時間要早于階變產生的時間。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成正比。

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

3.3 脈沖型同震響應

長沙井水位記錄到的脈沖型同震響應較少，包括突升脈沖和突降脈沖兩種類型，脈沖幅度范圍為5~185mm。在圖5所示的2次脈沖型同震響應中，水位在地震發生后突然上升或突然下降，然后快速恢復至震前的背景水位曲線。在圖5a中，井水位在突升至最高點后迅速回落，經過約一個多小時后，才慢慢回落到震前背景曲線上。

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

從“一井多震”的角度來看，長沙井水位記錄到的遠場大震的同震響應形態以同震水震波為主，有時候為脈沖型和階變型。汪成民等[6]根據中國大量記錄資料研究了同震水位變化特征與震中距的關系，認為震中距在500km以內時，水位同震變化以階變型為主，震中距在2000km以上時，水位同震變化以振蕩型為主。長沙井水位的同震響應統計結果顯示，長沙井水位對震中距大于2000km的地震的同震響應形態是以振蕩型為主，但是從長沙井水位記錄到的階變型同震響應來看，也均由震中距大于2000km的遠震引起。

一般來說，地下流體觀測井孔含水層對遠大地震的響應以彈性變形為主，因此長沙井水位對國內外大部分遠場大震都記錄到了同震水震波。對于階變型同震響應，在某些地震發生后，由于區域應力場和地震波傳播的附加應力場的共同作用，引起地下流體觀測井孔含水層的應力調整，所以導致了水位的階升或者階降[7]。至于脈沖型同震響應產生的原因，分析認為也是由于地震波在傳播過程中引起井水位產生彈性變形所致。但是受到傳播路徑介質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間不夠長，另外由于數字化水位儀的采樣間隔不夠短，導致同震響應的完整過程沒有被全部記錄下來，因此在水位分鐘值曲線圖中表現為脈沖型。

4 分析與討論

（1）在湖南省記錄到尼泊爾M8.1地震同震響應的所有地下流體觀測井中，韶山井的初動時間滯后于地震發震時間最短（5min），清江井的滯后時間最長（16min），即對尼泊爾M8.1地震的初動響應時間最快與最慢的井孔之間相差約有660s。經向省局地球物理觀測臺網負責人核實，清江臺和韶山臺均為縣級無人值守臺站，其儀器日常運維與數據分析處理等均由省局地球物理觀測臺網負責。而他們一直嚴格按照全國地下流體監測技術學科組要求，每周對儀器進行時鐘檢查。因此基本可以確認清江井與韶山井對尼泊爾M8.1地震的初動響應時間相差11min是客觀存在的事實。而在湖南省測震臺中，最早和最晚記錄到該地震初至波的時間相差只有幾十秒，而且相對于震中距來說，湖南省流體臺的井孔間距要小得多，因此認為同震初動響應時間差的原因并不是受地震波傳播距離時間差的影響，其受震中距的影響不大，可能與水柱高度、井孔大小、井孔的水文地質條件和構造環境等因素有關。

（2）大部分情況下，長沙井水位對國內外遠場大震的同震響應幅度與震級的大小成正比，與震中距的大小成反比。對于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反常現象產生的原因，分析認為可能是由于主震和余震之間間隔時間太短，MS8.3主震的尾波和MS6.8余震的面波疊加在一起而導致的。從完整的地震波形圖像上看，由于主余震的兩個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的時間間隔接近于它們的發震時間間隔。同時，從長沙井記錄到的這兩次地震的水震波曲線圖像來看，最大振幅出現時間均要晚于地震波的最大面波振幅出現時間。同時主余震的水震波最大振幅之間的時間間隔要大于這兩者的地震波最大面波振幅之間的時間間隔，認為此現象可能與井孔含水層水流運動的時間過程以及觀測儀器對地震波的跟蹤速度有關[8]。

（3）不同地球物理學家近年來提出了多種機理來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，各井孔同震響應能力的大小與其所處的水文地質條件、構造環境以及自身固有頻率和儀器等因素有關；P波、SV波以及它們組成的瑞利面波均能使傳播介質的體積發生改變，井水位產生振蕩變化的原因是受地震發生時產生的周期作用的應力波的影響。

長沙井是湖南地區記震能力最好的水位觀測井，其原因可能與長沙井為承壓自流井且觀測含水層巖性為石英砂巖有關。一般來說，越堅硬和難以變形的巖體地區的井水位潮差越大，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井水位較好地將巖層因地震瑞利波所激勵出來的體應變加以放大并反映出來。此外，水位觀測井的記震能力還與井-含水層系統的固有振動周期有關。由于井-含水層系統主要是對地震瑞利波產生響應，而地震波瑞利波的振動周期在20s左右，所以井-含水層系統的固有振動周期越接近20s，它對地震波的響應越好[12]。因此可以推測，長沙井含水層系統的固有振動周期應該比較接近地震瑞利波的振動周期。另一方面，井-含水層振動的阻尼系數越小，系統對井水位振動的阻力越小，它對地震波的響應越好。

5 結論

本文從“一震多井”和“一井多震”兩個方面分析了湖南省數字化井水位的同震響應特征，同時與其他學者的一些研究結果進行了對比分析，結論如下:

（1）湖南各井水位對尼泊爾M8.1地震的同震響應各不相同，有振蕩型和脈沖型的單一類型，也有振蕩伴隨階變的復合類型，另外還有緩慢型和快速響應型。認為多個觀測井在同一次地震中記錄到的同震響應不同可能是受井況、儀器、區域地質環境和介質性質等的影響。

（2）湖南長沙井水位對不同地震的同震響應形式有振蕩型、脈沖型和振蕩伴隨階變型，這與其他學者的研究結果并不完全相同[13-14]，即多個地震在單一觀測井中引起的同震響應有多種形態，并不是一成不變的。其原因有可能是本區域的局部應力狀態已經發生了改變[15]，也可能是含水層有關參數和水動力條件發生了改變所致。

（3）湖南省地下流體水位觀測網對國內外遠場大震的同震響應類型主要表現為振蕩型，井水位的映震效能受井孔含水層系統的導水能力和含水層巖性的影響。另外，對于振蕩伴隨階變的復合類型，水位階產生的時間總是要晚于水震波。