2022年蘆山MS 6.1、馬爾康MS 6.0地震井水位、水溫同震響應特征

陶志剛 劉春國 趙德楊

1）中國北京 100045 中國地震臺網中心

2）中國成都 610044 四川省地震局

0 引言

大地震產生的應力能夠瞬間改變地殼介質狀態，引起含水層中地下水的流動（Wang et al，2014）。井水位、井水溫同震效應是揭示地殼介質對應力—應變過程響應的有效手段，能夠反映地殼動力作用下地下介質應變和孔隙壓的變化特征，從而便于深入了解地下介質的動力學過程（Roeloffs，1998；Montgomery et al，2003）。由于地下流體同震響應分布區域較廣，響應特征較易識別（陳大慶等，2007），故有關同震響應的研究報道相對較多，其主要涉及2 大方面，一方面是對一井多震的研究，即對同一口井進行研究，分析記錄不同地震的同震響應特征（尹寶軍等，2009；楊竹轉等，2010；楊學鋒等，2021；崔瑾等，2021 等）；另一方面是對一震多井的研究，即研究1 次地震所引起的全國范圍內同震響應分布特征（黃輔瓊等，2000；楊竹轉等，2008；晏銳，2009；周志華等，2013，2014；張彬等，2015；李滔等，2020 等），也有針對2 次地震的對比研究，如楊竹轉等（2014）對2013 年蘆山MS7.0、2008 年汶川MS8.0 地震井水位同震變化進行分析。已有的研究結果表明，水位同震響應主要由周期為l5—20 s 的瑞利面波引起，震中附近同震響應幅度較大，但與震中距間沒有顯著的關系。同震響應有振蕩和階變2 種形態特征，井水位對地震波響應幅度與井孔的結構、含水層的導水系數、儲水系數、含水層孔隙度、井—含水層固有頻率等因素有關。同震響應的研究不僅有助于對地下流體前兆現象的認識和理解，還對于減輕次生災害、追溯地震前兆、跟蹤后續地震及研究地殼活動規律等都有一定的理論和實際意義（楊竹轉等，2005）。

北京時間2022 年6 月1 日17 時0 分四川蘆山（30.37°N，102.94°E）發生MS6.1 地震，震源深度17 km。2022 年6 月10 日1 時28 分，四川阿壩馬爾康（32.25°N，101.82°E）發生MS6.0 地震，震源深度13 km。10 天內四川西部地區連續發生2 次6.0 級以上中強地震，發震間隔短，引發了社會上的持續關注。本文基于全國地下流體數據庫，統計分析中國大陸地下流體井水位、水溫測項的觀測數據，對比分析了2 次地震引起的地下流體水位、水溫同震響應特征。

1 蘆山MS 6.1 地震同震響應特征

1.1 水位同震響應特征

按照同震響應的形態特征，將同震響應變化分為振蕩、上升、下降等3 種類型。振蕩型變化指在地震波作用下，水位快速來回波動，地震波經過后，水位很快平靜下來，仍沿原來的形態變化（楊竹轉等，2008）；上升、下降變化則改變了水位的正常動態變化背景，水位出現了快速或階梯式的抬升或下降，這種變化通常需要十多分鐘至幾天的時間才能恢復，有時甚至產生永久性的改變。

統計發現，由蘆山MS6.1 地震引起水位同震響應的觀測井有15 口（13 口非自流井，2 口自流井），其中，出現同震振蕩的有4 口井，同震上升的有8 口井，同震下降的有3 口井。就此次地震而言，水位同震響應形態以同震上升變化為主，其次是同震振蕩，同震下降的最少（表1）。

表1 記錄到蘆山MS 6.1 地震井水位同震響應的測點Table 1 Water level coseismic response information table of Lushan MS 6.1 earthquake

由表1 可見，與蘆山MS6.1 地震震中相距最近的為寶興川42 井，震中距12.2 km；最遠的是北碚柳蔭觀測井，震中距356.5 km。出現同震水震波（振蕩）觀測井震中距為80.8—345.8 km；出現同震上升的為12.2—356.5 km；出現同震下降變化的為12.2—308 km。出現水位同震響應的觀測井分布范圍較集中，震中距均小于360 km。15 口井的水位同震變化幅度為0.001 6—0.764 9 m，平均0.116 6 m。從全國范圍來看，震中距與同震響應變化幅度間呈指數冪衰減變化。震中距小于50 km 的同震響應變化幅度較大，且衰減較快；大于50 km 的同震響應變化幅度較小，衰減逐漸降低。同震響應程度（同震變化幅度與前一日正常動態變化幅度比值）與震中距間也呈現指數冪衰減現象（圖1）。

圖1 蘆山MS 6.1 地震水位同震變化幅度（a）、同震響應程度（b）與震中距間的關系Fig.1 The relationship between epicentral distance with coseismic variation amplitude(a) and with level of coseismic variation (b)

蘆山MS6.1 地震引起的近震、遠震水位同震響應特征完全不同，震中距小于50 km 的寶興川42 井、蘆山川46 井、蘆山川47 井、蘆山川48 井同震響應開始時間與發震時間同步，結束時間相對較晚，同震響應形態以快速上升或快速下降變化為主，變化幅度顯著，震后效應明顯，地震波傳遞后改變了原有的水位正常動態背景值域；而震中距大于50 km 的井同震響應結束時間較早，同震變化幅度較小，地震波傳遞后10 min 內水位恢復正常動態變化。

1.2 水溫同震響應特征

蘆山MS6.1 地震引起水溫同震響應的觀測井有5 口，其中，4 口井的震中距約為20 km，1 口井震中距287.5 km，同震響應時間滯后發震時間0—7 min，同震響應結束時間為震后34—131 min。水溫同震響應形態以多向變化為主，其中，2 口井出現上升—下降變化，2 口井出現下降—上升變化，1 口井出現單向上升變化（表2），典型觀測曲線見圖2。

圖2 2022 年6 月1 日水位、水溫觀測數據分鐘值同震變化對比（a）、（b）蘆山川46 井；（c）、（d）蘆山川48 井；（e）、（f）蘆山川47 井；（g）、（h）寶興川42 井Fig.2 Comparative observation curves of coseismic variation of water temperature and water level on June 1st,2022

表2 記錄到蘆山MS 6.1 地震井水溫同震響應的觀測井Table 2 List of wells recorded coseismic response information of water temperature in Lushan MS 6.1 earthquake

5 口水溫觀測井，其同井水位均記錄到了同震響應，另外10 口井記錄到了水位同震響應，卻未記錄到水溫同震響應，說明水溫記錄同震響應的前提條件是同井水位能夠記錄到水位同震響應。

除了川32 井外，其他4 口井的水溫、水位同震響應時間與地震發震時間一致，地震發生后，水位、水溫同時開始發生變化，但是水溫的恢復時間要大于水位，說明水溫震后恢復到一個新的動態平衡需要的時間更長。

同一個地震、不同的觀測井，其水位同震響應形態與水溫同震響應形態完全不同。川46 井水位同震響應呈上升—下降變化，水溫同震響應也呈上升—下降變化，但變化幅度不成正比；川47 井水位快速下降后轉折上升，而水溫上升后快速下降變化。川48 井水位單向上升，水溫出現下降后轉折上升變化。川46 井（井底深度160 m，地處龍門山斷裂帶南段大川—雙石活動斷裂下盤）、川47井（井底深度161 m，地處龍門山斷裂帶南段大川—雙石活動斷裂上盤）、川48 井（井底深度125 m，地處龍門山斷裂帶南段大川—雙石活動斷裂破碎帶上）位于同一個斷裂帶的不同位置上，水溫傳感器置深均為120 m，傳感器處的溫度梯度均為正向梯度，但是對同一個地震的同震響應形態卻完全不同，說明水位同震響應變化形態可能與觀測井所處的斷層部位有關，處于斷層的上盤、下盤和斷裂帶中的觀測井對水位同震響應的形態可能不同；而對于水溫觀測而言，同震響應機理更為復雜，還與井孔中的溫度梯度、井—含水層系統對流方向、水溫傳感器的投放位置等因素有關。

2 馬爾康MS 6.0 地震同震響應特征

2.1 水位同震響應特征

對于馬爾康MS6.0 地震，只有7 口井記錄到了水位同震響應（1 口自流井，6 口非自流井），其震中距為158.8—576.2 km。水位同震振蕩的有6 口井，同震下降的有1 口井，沒有上升變化，水位同震響應程度相對較低（表3）。由表3 可見，記錄到馬爾康MS6.0 地震水位同震響應的觀測井震中距為158.8—576.2 km，同震變化幅度為0.000 5—0.010 0 m，平均0.005 6 m，同震變化幅度較小，且隨震中距的增加逐漸衰減。同震響應程度與震中距間無顯著相關性。同震響應開始時間滯后發震時間0—3 min，響應持續時間2—9 min，平均約3 min。

表3 記錄到馬爾康MS 6.0 地震水位同震響應的觀測井Table 3 List of wells recorded water level coseismic response information in the Maerkang MS 6.0 earthquake

馬爾康地震是一次震群活動，先發生了MS5.8 地震，后又發生MS6.0 地震，昭通市昭陽一中井水位同時記錄到了2 次地震的同震振蕩變化，但MS5.8 地震水位同震變化幅度比MS6.0 地震的大（圖3）。

圖3 2022 年6 月9—10 日昭陽一中井水位觀測數據分鐘值同震變化Fig.3 Water level coseismic response curve of Zhaoyang No.1 Middle School in Zhaotong City

2.2 水溫同震響應特征

只有川46 井記錄到了馬爾康地震時水溫同震變化（圖4），其表現為水溫同震緩慢上升，變化幅度較小。該井也記錄到了水位同震下降變化，且對馬爾康MS5.8、MS6.0 地震均有反應（圖5），MS6.0 地震時水位同震下降變化幅度大于MS5.8 地震，變化幅度與震級間呈正比。同一口井記錄不同的地震，水位同震上升或下降變化的幅度與震級間成正比，即震級越大，水位同震上升或下降變化幅度越大。而水位震蕩變化與震級間不一定成正比。這主要是因為水位儀器為分鐘采樣率，對于振蕩型不能完全記錄水震波的全部形態，水位變化幅度不能真實地反映水震波的變化幅度。因此，對于振蕩變化的水位同震響應幅度和響應時間的研究還存在一些不足之處，應在秒采樣率的前提下進行研究。

圖4 2022 年5 月9—10 日川46 井水位（a）、水溫（b）觀測數據分鐘值同震響應Fig.4 Coseismic response curves of water level and water temperature in Well Chuan 46 from May 9 to 10,2022

3 同震對比分析

通過對比發現，蘆山MS6.1 地震引起的井水位、水溫同震響應的臺項數量明顯高于馬爾康MS6.0 地震，同震響應形態也不相同，蘆山MS6.1 地震水位同震響應以上升變化為主，而馬爾康地震以振蕩為主。這2 組地震，震中相距僅132.26 km，震級相差0.1 級，但是引起的水位、水溫同震響應特征卻完全不同，推測可能存在以下3 種原因。

（1）震源機制解不同。經初步分析，蘆山MS6.1 地震發生在巴顏喀拉塊體的東部邊界，以NE 向的逆沖型斷裂為主，發震構造為雙石—大川斷裂，斷層節面Ⅰ：走向220°/傾角40°/滑動角98°，節面Ⅱ：走向29°/傾角50°/滑動角83°。馬爾康MS6.0 地震發生在巴顏喀拉塊體內部，以NW 向的走滑斷裂為主，發震構造為松崗斷裂，斷層節面Ⅰ：走向57°/傾角77°/滑動角-172°，節面Ⅱ：走向325°/傾角82°/滑動角-13°。2 組地震的震源機制解完全不同。蘆山MS6.1 地震的發震構造是低角度的逆沖型斷裂，而馬爾康MS6.0 地震的發震構造為高角度的走滑型斷裂，推測蘆山MS6.1 地震引起的靜應力變化范圍可能要大于馬爾康MS6.0 地震。此外，2 組地震震級相差0.1 級，但地震釋放的能量可能會相差較多。

（2）臺站分布密度不同。距蘆山MS6.1 地震震中300 km 范圍內有32 口觀測井，200 km 范圍內有18 口觀測井，100 km 范圍內有7 口觀測井。而距馬爾康MS6.0 地震震中300 km 范圍內只有18 口觀測井，200 km 范圍內有2 口觀測井，100 km 范圍內無觀測井，距蘆山MS6.1 地震震中300 km 范圍內的臺站密度遠遠高于馬爾康MS6.0 地震。臺站密度不同可能是造成2 組地震同震響應臺項數量差別的主要原因。

（3）同震響應機理不同。記錄到馬爾康MS6.0 地震同震響應的7 口井，均記錄到了蘆山MS6.1 地震的同震響應，同震響應變化形態也有所差別（表4）。映秀井、自貢富順童寺井、川46 井這3 口井對應上述2 次地震的同震響應形態完全不同，這主要與震中距有關。近震和遠震的同震響應機理不同，近震的同震響應是因為含水層應力狀態改變而引起水位長期維持在一個新的動態平衡中，所以同震響應以上升或下降變化為主，震后效應明顯，恢復時間較長。而遠震的同震響應是由于地震波傳遞后引起了含水層中的地下水發生自由震動，使含水層內孔隙壓力發生升降交替變化，導致井—含水層系統之間交替產生水流運動，最終表現為井孔內水柱的反復升降變化，也就是震蕩變化，其恢復時間短。所以，蘆山MS6.1地震同震響應以近震的形態特征為主，而馬爾康MS6.0 地震同震響應形態以遠震特征為主。

表4 同時記錄到馬爾康MS 6.0、蘆山MS 6.1 地震水位同震響應的觀測井Table 4 List of wells recorded the coseismic response information of the water level of both in the Maerkang MS 6.0 earthquake and the Lushan MS 6.1 earthquake

4 結論

通過分析蘆山MS6.1、馬爾康MS6.0 地震引起的水位、水溫同震響應特征，得到以下幾點認識：①蘆山MS6.1 地震引起的井水位、水溫同震響應的觀測井數量明顯多于馬爾康MS6.0 地震，水位測項記錄同震響應的能力要強于水溫測項；②蘆山MS6.1 地震水位同震響應以上升為主，同震變化幅度較大，而馬爾康MS6.0 地震同震響應以振蕩為主，同震變化幅度較小；③2 組地震引起的同震響應差異主要與震源機制解、臺站分布密度、同震響應機理等的不同有關；④位于同一個斷裂帶上且所處構造部位不同的觀測井，其水位、水溫的同震響應形態可能不同，說明水溫、水位同震響應機理較復雜。

本文對2 次地震引起的水位、水溫同震響應特征進行了初步總結，很多變化特征沒有給出合理的解釋，還需結合井孔水文地質條件、井孔溫度梯度等資料進一步研究。