2021年漾濞MS 6.4地震云南數字化井水位同震響應特征分析

段勝朝 張山元 番紹輝 孫自剛

（中國云南 679100 云南省地震局騰沖地震臺）

0 引言

井水位的同震響應，是指地震引起的井水位振蕩或階變現象，其動態變化能夠較直接地反映地震作用于井—含水層系統的過程，對其進行科學研究是揭示地殼介質對應力—應變過程響應直接、有效的手段之一（中國地震局監測預報司，2005）。近幾十年來，許多研究者基于水位分鐘值數據從不同方面對井水位的同震響應特征和機理進行了研究（Cooper et al，1965；汪成民等，1988；張子廣等，1998；劉耀煒等，2005；車用太等，2006；付虹等，2007；楊竹轉等，2010）。但是，基于水位秒鐘值數據的同震響應研究相對較少。近年來，向陽等（2017）利用水位秒鐘值數據計算了單口井水震波的時頻特征，并與地震波時頻特征進行對比，得到了井水位觀測數據所反映的地震波優勢周期，計算了含水層水文參數的變化來解釋單口井的同震響應機理。對于多口井水位秒鐘值數據同震響應變化的研究則少見報道。

北京時間2021 年5 月21 日21:48:34，云南大理漾濞縣發生MS6.4 地震（25.67°N，99.87°E），震源深度8 km。地震引起云南地區部分數字化井水位觀測數據產生同震響應。本文收集整理此次地震云南現有在庫正常觀測的井水位觀測數據及其同震響應記錄情況，分析了井水位同震響應空間分布和同震水位變化形態特征，從部分觀測井水位分鐘值與秒鐘值數據所反映的同震響應變化形態分析了觀測儀器采樣率對井水位映震能力的影響，并對水位同震響應機理進行了初步分析。

1 云南數字化水位井網觀測概況

通過查詢云南地球物理臺網“十五”數據庫和“十項措施”數據庫發現，2021 年以來，云南地下流體數字化水位觀測井網共有57 口井（靜水位36 口井，動水位21 口井）正常在網觀測，其空間分布如圖1 所示。水位觀測儀器主要有LN-3A 型數字水位觀測儀、SWY-Ⅱ型數字化水位觀測儀、ZKGD-3000 型水位水溫綜合觀測儀，采樣率為1 次/min，入庫保存為分鐘值數據。SWY-Ⅱ型數字化水位觀測儀還可以進行秒采樣，會自動生成秒鐘值數據文件，但秒鐘值數據保存時間較短且不能直接入庫使用，需要手動下載保存和轉換格式后才能使用，非常不便。因此，選用水位分鐘值觀測數據對漾濞MS6.4 地震引起云南數字化井水位同震響應特征進行分析。

圖1 云南省數字化水位觀測井分布Fig.1 The distribution of digital water level observation wells in Yunnan province

2 井水位同震響應特征

2021 年5 月21 日漾濞MS6.4 地震發生前后，云南有57 口井的水位觀測儀器工作正常，觀測數據連續可靠，水位動態變化背景相對穩定。通過對這57 口井水位分鐘值觀測數據進行分析，發現漾濞MS6.4 地震時有13 口井記錄到明顯的同震響應變化，其水位同震響應形態清晰可辨，變化幅度均大于0.005 m。經統計，記錄到同震響應的觀測井占總觀測井的22.8%，將其水位同震響應變化特征整理歸納列于表1，同震響應觀測井分布如圖1 所示。

表1 漾濞MS 6.4 地震引起云南數字化井水位同震響應特征Table 1 Co-seismic response characteristics of digital well water level in Yunnan Province caused by Yangbi MS 6.4 earthquake

2.1 同震響應觀測井分布特征

由圖1 和表1 可知，漾濞MS6.4 地震引起水位同震響應的觀測井主要分布在震中周圍200 km 范圍內的2 個區域。一是沿紅河斷裂帶北側呈NW 走向分布在麗江—劍川—洱源—大理—南華—楚雄一帶，共8 口井記錄到水位同震響應；二是分布在小滇西地區，小滇西地區位于漾濞MS6.4 地震震中西南方向，共有保山井、隆陽井、騰沖臺井、騰沖洞山井、德宏井、施甸井、昌寧井等7 口水位井正常觀測，其中，隆陽井、騰沖臺井、騰沖洞山井、德宏井等4 口井記錄到水位同震響應。另外，200 km 范圍外，只有滇西南地區的普洱大寨井記錄到水位同震響應。

2.2 井水位同震響應變化形態特征

由表1 可知，對于漾濞MS6.4 地震，云南井水位產生同震響應的觀測井其同震響應形態基本都是階變型變化，根據其動態變化大致可分為階升（上升）型、階降（或緩降）型、階變（階升、階降）—復原型等3 種變化類型（圖2）。

2.2.1 階升（上升）型同震響應變化特征。階升（上升）型同震響應變化表現為當地震發生時，井水位臺階上升或快速上升，之后一直持續在高水位變化，短時間內不會恢復到震前的水位動態背景位置［圖2（a）、2（b）］。漾濞MS6.4 地震發生時，下關井、大理月溪井、隆陽井、楚雄井、普洱大寨井等5 口井表現為階升變化，升幅最小的是隆陽井，階升0.028 m，升幅最大的是大理月溪井，階升0.351 m；劍川井表現為快速上升變化，升幅0.012 m。下關井、大理月溪井、隆陽井震中距小于100 km，楚雄井、普洱大寨井大于100 km，下面以楚雄井為例具體分析。

圖2 2021 年5 月21 日（牟定井為21—22 日）水位同震響應動態變化Fig.2 Co-seismic response dynamic curve of water level

楚雄井為動水位井，位于川滇菱形塊體中南部的滇中塊體內楚雄盆地西部邊緣，距楚雄—建水斷裂較近，距漾濞地震震中180 km，井孔深度為502.80 m，井內50 m 處作永久性止水。觀測段含水層位于地下57—376 m，巖性主要為含鈣質泥巖夾泥灰巖及粉砂質泥巖，地層為白堊系上統江底河組下段（K2J1），含裂隙溶孔承壓水。2021 年5 月21 日21:48:34 漾濞MS6.4 地震時，楚雄井水位21:50 開始從0.563 m 臺階式上升至0.629 m，升幅0.066 m，之后一直持續在高水位動態變化，震后殘留水位階。

2.2.2 階降（緩降）型同震響應變化特征。階降（或緩降）型同震響應變化表現為當地震發生時，水位臺階下降或緩慢下降，之后一直持續在低水位變化，短時間內不會恢復到震前的水位動態背景位置［圖2（c）、2（d）］。漾濞MS6.4 地震發生時，南華井表現為階降變化，降幅0.009 m；牟定井表現為緩慢下降變化，降幅0.114 m，下面以南華井為例具體分析。南華井為靜水位井，位于南華—楚雄斷裂帶北段，距漾濞地震震中153 km，井深212.5 m，水位埋深約2.3m。觀測段含水層埋深75.60 m，巖性為石英砂巖，地層為中生代白堊西系下統高豐寺組（K1g3），含基巖裂隙脈狀承壓水。水位年變動態受降雨影響明顯，為春夏低—秋冬高型變化，日變動態特征為雙峰—雙谷型變化。漾濞MS6.4 地震時，南華井水位在日變低谷值時產生同震階降變化，21:50 從2.883 m 下降到2.892 m，降幅0.009 m，之后一直持續低于水位動態背景值，震后殘留水位階，直至6 月中旬進入雨季后才開始轉折上升。

2.2.3 階變（階升、階降）—復原型同震響應變化特征。階變（階升、階降）—復原型同震響應變化表現為當地震發生時，井水位產生同震階變（階升或階降），之后快速恢復到震前的水位動態背景位置，不會殘留水位階［圖（e）、2（f）］。漾濞MS6.4 地震發生時，洱源井、麗江井、德宏井、騰沖洞山井、騰沖臺井等5 口井表現為階變（階升、階降）—復原型同震響應變化。震中距最小的是洱源井，相距50 km，其階變幅度0.016 m。其他4 口井震中距都達到或超過140 km，其中，震中距最大的是德宏井，其階變幅度0.015 m，麗江井、騰沖洞山井、騰沖臺井等3 口井階變幅度都是0.005 m。下面以德宏井為例具體分析。

德宏井為靜水位井，位于龍陵—瑞麗壓扭性大斷裂下盤芒市斷陷盆地東南緣、龍陵—畹町斷裂北部，距漾濞地震震中195 km，井深200.17 m，水位埋深約2.15 m。觀測段含水層埋深92.6 m，巖性呈中厚層狀泥灰巖，地層年代為中生代侏羅系中統（J2m￠），含承壓巖溶水。水位年變動態受降雨影響明顯，為冬春低—夏秋冬高型變化，日變動態特征為雙峰—雙谷型變化。漾濞MS6.4地震時，德宏井水位在日變低谷值時產生同震階升—階降—復原形態變化，21:52 從2.409 m 階升至2.398 m，然后階降至2.413 m，再階升至2.410 m恢復正常動態，變幅為0.015 m。地震后，水位恢復動態背景值變化，未殘留震后水位階。

通過以上分析可知，漾濞MS6.4 地震對云南井水位觀測的影響主要集中在震中周圍200 km 范圍內。從變化形態和分布上，井水位的同震響應都表現出下列特征：①階升型同震響應幅度相對大于階變（階升、階降）—復原型和階降（緩降）型同震響應；②距震中100 km 內，觀測井無論是在紅河斷裂帶一線還是在小滇西地區，井水位同震響應均主要表現為階升變化，只有洱源井是階升—階降復原變化；③距震中140 km 外，井水位同震響應主要表現為階變（階升、階降）—復原變化和階降（緩降）變化，只有楚雄井和震中距347 km 的普洱大寨井是階升變化。

3 觀測儀器采樣率對井水位映震能力的影響

廖麗霞等（2013）通過對不同采樣率的水位同震響應能力及其特征分析認為，不同采樣率的儀器記錄水位同震響應存在較大差異，不但形態特征上明顯不同，響應能力及響應幅度也差別較大。目前，云南有部分井孔水位觀測采用SWY-II 型數字水位儀，具備秒采樣功能，但數據收集不方便。使用云南地震臺地球物理研究室下載保存的云南省水位秒鐘值數據，收集到漾濞MS6.4 地震時楚雄井、德宏井、洱源井、建水井、劍川井、昆明臺井、瀘西井、勐臘井、孟連井、彌渡井、姚安井、永勝井、元謀井、麒麟井、昭通井、師宗井等16 口井的水位秒采樣數據。

漾濞MS6.4 地震時，楚雄井、德宏井、洱源井、劍川井等4 口井水位分鐘值、秒鐘值都明顯記錄到同震響應變化。圖3 為分鐘值、秒鐘值記錄同震響應形態對比。如圖3（a）所示，楚雄井分鐘值水位階升，秒鐘值同樣水位階升，只是在階升前期記錄到短暫的振蕩變化，表明楚雄井水位同震響應階升是可信的。洱源井、德宏井分鐘值水位階變—復原變化，而其秒鐘值則表現為振蕩—復原變化，表明其水位同震階變—復原響應變化可能主要是觀測儀器采樣率不足、數據部分缺失造成的。基于此，漾濞地震水位同震階變—復原型變化可大致認為是時間較短的振蕩—復原變化。

其他12 口井在漾濞MS6.4 地震時未記錄到水位分鐘值同震響應變化或記錄不明顯，而明顯記錄到秒鐘值同震響應變化［圖3（b）］，但同震響應持續時間只有幾秒至幾十秒。彌渡井、永勝井、姚安井、元謀井等4 口井井震距小于200 km，只有秒鐘值明顯記錄到同震響應。其他8 口井井震距均大于200 km，最遠的瀘西井井震距415 km，同樣只有秒鐘值記錄到同震響應。由圖3 可知，秒鐘值水位動態變化更為完整，同震響應幅度也相對較大；而分鐘值水位動態變化則存在部分信息缺失，甚至未記錄到同震響應變化。因此，一定范圍內的觀測井水位分鐘值未記錄到同震響應的主要原因是采樣率不夠，而秒鐘值記錄同震響應的時間較短可能與觀測井—含水層系統、井孔所在位置的水文地質條件和地質構造條件有關。

圖3 2021 年5 月21 日分鐘值、秒鐘值記錄同震響應形態對比藍色為分鐘值；黑色為秒鐘值（a）分鐘值與秒鐘值都記錄同震響應的觀測井；（b）只有秒鐘值記錄到同震響應的觀測井Fig.3 Contrast chart of co-seismic response form by minute and second values recorded

4 井水位同震響應機理簡析

Manga 等（2007）分析認為，地下水的各種應力響應可分為斷層錯位產生的靜應力和來自地震波的動應力。幾個震源體范圍內的承壓含水層的水位階變是源于多孔彈性介質對靜態應力場的響應（Wakita，1975；Roeloffs，1998；Brodsky et al，2003）。Zhang等（2011）認為，在震中距小于1.5 倍地震烈度長軸的范圍內主要由靜態應變引起水位同震階變，超過該范圍的水位同震階變響應無法用靜態應力場的變化來解釋。漾濞MS6.4 地震烈度的Ⅵ度區等震線長軸呈NNW 走向，長度為106 km，估算1.5 倍烈度長軸為159 km。

分析認為，地震所導致的地表破裂根據其發震斷層的走向具有一定的方向性，地震烈度區域隨著地表破裂的程度而展布，由此繪制的地震烈度圖大多不是圓形區域構成，若只依據烈度長軸估算靜態應力（或應變）的影響范圍，則估算影響范圍為圓形區域，可能與實際相差較大。根據漾濞MS6.4 地震時周邊井水位的同震響應變化形態和分布特征，距震中159 km 內同震響應井較多，變化形態各異，也不能完全用靜態應力（或應變）的影響來解釋。在此基礎上，增加地震烈度短軸的影響，漾濞地震烈度短軸長76 km，估算1.5 倍烈度短軸為114 km，由長軸和短軸劃定的橢圓區域可能更接近靜態應力（或應變）的影響范圍（圖4）。由此可見，可以依據漾濞MS6.4 地震時各觀測井所處位置的應力狀態分析水位同震響應產生的力學機理。

由圖4 可知，漾濞MS6.4 地震靜態應力影響范圍內有下關井、大理月溪井、洱源井、劍川井、隆陽井等5 口井產生同震響應，除洱源井外，其他4 口井水位同震響應均為階升變化。在漾濞地震前，這些井孔所在區域共同構成了孕育漾濞地震的區域構造應力（靜態應力）場，區域壓應力逐漸增強，至漾濞地震時，震源應力場的向外推擠作用疊加使這些井孔所在區域含水層受到瞬時增大的壓應力，從而導致含水層介質內水瞬間流入井孔造成水位階升，之后壓應力會持續存在一段時間，直至產生新的應力調整，因此震后一段時間內這些井孔水位殘留震后水位階。

圖4 漾濞地震靜態應力影響范圍示意圖F1 為小江斷裂帶；F9 為瀾滄江斷裂帶；F10 為怒江斷裂帶；F11 為大盈江斷裂帶 ；F12 為龍陵—瑞麗斷裂帶；F15 為無量山—營盤山斷裂；F17 為紅河斷裂帶；F18 為楚雄—建水斷裂Fig.4 Sketch map of influence area of static stress of Yangbi earthquake

在靜態應力影響范圍以外，有8 口井產生同震響應。其中，德宏井、騰沖洞山井、騰沖臺井、麗江井階變—復原型變化結合其秒鐘值動態變化實際上是短暫的振蕩—復原變化，可認為是地震波作用于含水層導致含水層介質彈性變形引起的。楚雄井水位階升變化其秒鐘值數據在水位階升前期記錄到了振蕩變化，表明含水層介質在水位階升前期經歷了彈性變形。分析認為，楚雄井水位階升可能是受漾濞地震地震波的觸發作用，前期產生振蕩變化，之后觸發區域壓應力進一步增強，產生塑性變形，從而表現為階升變化，并且階升后殘留水位階，一直持續高水位動態變化。楊竹轉等（2005）通過對普洱大寨井水位同震階變的研究發現，無論地震在哪一個方位發生，無論地震力學機制如何，普洱大寨井水位同震階變總是上升。南華井位于受靜態應力、動態應力影響的交界處，水位可能受靜態應力、動態應力的綜合作用表現為階降變化；牟定井水位緩降變化可能是受地震波作用的影響，井—含水層介質產生塑性拉張變形，但拉張變形的程度不大，表現為緩慢下降變化。

綜上所述，從井孔所處區域受力影響的狀態可以初步分析各種同震響應變化形態的形成機理。但是，對于每一口井水位同震響應變化機理的深入研究，需要結合各觀測井所處位置的區域應力狀態、同震水位變化形態、觀測井的井—含水層系統、井區地質構造條件、水文地質條件等進行綜合分析，才能得出更科學合理的解釋。

5 結論與討論

通過對漾濞MS6.4 地震云南數字化井水位分鐘值數據同震響應特征、觀測儀器采樣率對井水位映震能力的影響進行分析，得到了以下幾點認識。

（1）漾濞MS6.4 地震時有13 口井記錄到明顯的水位同震響應變化，占云南總數字化水位觀測井的22.8%。這些水位同震響應觀測井主要分布在震中周圍200 km 范圍內的2 個區域。一是沿紅河斷裂帶北側呈NW 走向分布在麗江—劍川—洱源—大理—南華—楚雄一帶；二是分布在小滇西地區，位于漾濞MS6.4 地震震中西南方向。在200 km 范圍以外，只有滇西南地區的普洱大寨井記錄到水位同震響應變化。表明漾濞地震引起云南數字化井水位產生同震響應的能力總體不強，影響范圍不大。

（2）對于漾濞MS6.4 地震，云南數字化井水位同震響應形態基本都是階變型變化，根據其動態變化大致又可細分為階升（上升）型、階降（或緩降）型、階變（階升、階降）—復原型等3 種變化類型。

（3）對于漾濞MS6.4 地震，云南數字化井水位的同震響應從變化形態和分布上都表現出下列特征：①階升型同震響應幅度相對大于階變（階升、階降）—復原型和階降（緩降）型同震響應；②在靜態應力影響范圍內，觀測井無論是在紅河斷裂帶一線還是在小滇西地區，井水位同震響應主要表現為階升變化；③在靜態應力影響范圍以外，井水位同震響應形態除了以階變（階升、階降）—復原變化為主外，還有階降（緩降）變化和階升變化。

（4）對于井水位同震響應機理的探討，在Zhang 等（2011）研究的基礎上，引入地震烈度短軸的影響，由地震烈度長軸和短軸共同劃定的橢圓區域來劃分漾濞MS6.4 地震靜態應力、動態應力的影響范圍，依據漾濞地震時各觀測井所處位置的應力狀態，分析其水位同震響應產生的力學機理來解釋漾濞地震時各觀測井水位的同震響應變化形態可能更接近實際情況。因此，這種劃分應該可以作為水位同震響應機理分析的一種參考分析依據。

（5）觀測儀器采樣率對井水位映震能力的影響較大，漾濞MS6.4 地震時云南部分觀測井沒有記錄到分鐘值數據同震響應，主要原因是儀器采樣率不夠，而秒鐘值記錄同震響應的時間較短可能與觀測井—含水層系統、井孔所在位置的水文地質條件、地質構造條件等有關。

水位秒鐘值數據的同震響應變化形態更加完整，可為井水位同震響應機理研究提供更客觀的資料。但是，目前水位秒鐘值數據的收集和使用都存在不便，SWY-II 型數字水位儀具備秒采樣功能，但沒有自動下載、數據入庫功能。如果需要秒鐘值數據，需要手動下載保存。若不及時收取，容易造成數據缺失。秒鐘值文件數據格式也不是常用軟件可以直接使用的格式，需要轉換才能使用。建議儀器生產廠家優化水位秒鐘值數據下載保存和格式轉化使用功能，以便發揮水位秒鐘值數據更大的應用研究價值。

在項目實施和論文撰寫過程中得到云南省地震臺張立高級工程師的悉心指導，審稿專家對本文提出了寶貴的建設性修改意見，在此一并感謝。