广西桂平西山井水位同震特征和机理初探

莫佩婵 阎春恒 李蕾 李莎 向巍 原永东 周依

广西壮族自治区地震局，南宁市古城路33号 530022

0 引言

地震孕育过程中，由于应力-应变逐渐积累，会引起局部或区域尺度地壳深、浅部介质结构和物理化学性质的变化（王广才等，2010）。地下水作为地壳中普遍存在且对地壳应力与固体变形反映最灵敏的物质之一，其动态变化能反映地壳介质变化和构造活动信息。对于封闭性较好的承压井-含水层系统，可以将其看作灵敏的应变仪，其对地壳体应变响应灵敏度可达10－10量级（晏锐，2008；史浙明等，2013）。因此，井-含水层系统可以记录到地震的同震水震波，即地震波在传播的过程中引起井水位的振荡或阶变现象。研究表明，影响水震波的因素很多，包括井-含水层系统的固有频率、水流调节能力与观测仪器的记录能力等（陈大庆等，2006；郑江蓉等，2013；张立等，2016）。当地震的孕育过程影响到井区含水层应力状态的变化，也可能会引起井水位记震能力、水震波振荡幅度与振荡持续时间等参数的异常变化（鱼金子等，1993；杨竹转，2004；杨竹转等，2005）。井孔记录的水震波能力和形态特征改变，可能揭示了地下水动力学作用过程，可为地震预测研究提供参考。

桂平西山井是广西壮族自治区内对远大震响应最灵敏的水井孔，积累了丰富的水震波资料。本文收集2008年以来广西桂平西山井水位数据及全球5级以上地震资料，研究井孔记录水震波的能力、水震波形态特征及其影响因素，分析水震波形态与台站周边地震活动的关系，并初步探讨其同震机理。

1 桂平西山井概况

桂平西山井位于广西桂平市西山村，地处西山东侧坡底侵入岩体与第四系砂砾岩交汇处，含水层属泥盆系砂岩。NE向的灵山-防城断裂带为该地区的主干断裂，具有右旋剪切-引张力学性质（游象照，1988）。受中间高、四周低的地形影响，该地区地表水不发育，地下水类型主要是孔隙水，补给来源主要为大气降水（郑晓明等，2013）。

桂平西山井属自流井，井口海拔高程 44m，井孔深度 186.97m，原水头高 0.9m，孔径0.146m，经一次变径。该井于 1993年底勘选和土建，1994年3月建成并投入使用，配备SW 40-1水位仪进行模拟观测。2007年经“十五”数字化改造，安装了LN-3A数字化仪器，采样率1次/分钟。李柳英等（2008）研究结果表明，桂平西山井数字化和模拟观测间的相关性好。除偶尔受到降雨、洪水、台风等自然因素影响外，井孔几乎不受其他人为因素的干扰，观测资料连续、稳定、可靠，能够记录到形态清晰、不同周期的固体潮信息，日最大潮差约40mm，具有夏高冬低的年变规律。

2 资料选取

收集广西桂平西山井2008～2016年数字化水位观测分钟值、模拟水位和该时段内全球MS≥5.0地震资料。地震目录从哈佛大学（http：//www.globalcmt.org/CMTsearch.htm l）下载，包含地震发震时刻、震源位置、深度、震级、震源机制解等信息，共获得 8220次地震，其中5.0≤MS≤5.9地震 7178次，6.0≤MS≤6.9地震 873次，7.0≤MS≤7.9地震 159次，MS≥8.0地震10次。广西及邻区地震整体活动水平不高，桂平西山井周边MS≥5.0近震很少，井震距小于1000km的地震11次，2016年7月31日广西苍梧MS5.4地震（中国地震台网定位结果）井震距最小，约为 175km，其余 10次地震井震距为 745～1000km，且 MS≤6.0。图1为2008年以来该井的水位观测曲线及部分远震水震波。

图1 2008～2016年西山井水位观测原始曲线和部分地震水震波

3 桂平西山井水震波特征

3.1 桂平西山井水位同震响应能力分析

统计桂平西山井水位变化和2008年以来全球MS≥5.0地震的相关信息，包括井震距、水位振荡的幅值、形态、持续时间等信息，进而分析西山井水位的同震效应。已有研究表明，水震波幅度通常与地震震级成正比，与井震距成反比（杨竹转等，2010）。鉴于地震样本量较大，对不同震级档的地震采用不同的分析策略：MS＜7.0地震分震级档、按照井震距排列从近到远依次分析，直至井孔无法记录到该震级档的水震波，MS≥7.0地震全部参与统计。

5.0≤MS≤5.9地震统计结果显示，桂平西山井记录最近的地震为2016年7月31日广西苍梧MS5.4地震，井震距为175km，水震波形态为阶升型，幅度13.9cm（图2（a））。其余14次地震井震距为746～1027km，均未记录到水震波。推测西山井无法监测到6级以下远震水震波。

图2 桂平西山井记录地震水震波示意

6.0≤MS≤6.9地震统计结果显示，井震距小于2000km的36次地震，桂平西山井只记录到2008年3月3日MS6.9地震的水震波，井震距为1967km，形态为振荡型，而2011年11月8日1次井震距为1652km的MS6.9地震，水震波幅度与噪声水平相近（图2（c））。由于地震震级对水位同震效应的影响较大，我们进一步统计了井震距小于20000km的23次MS6.9地震，只有4次地震有同震响应，除2008年3月3日MS6.9地震外，还有2009年4月7日、2011年9月2日和2011年9月18日3次MS6.9地震，井震距分别为4509、7201、2225km，形态均为振荡型，振荡幅度均很小（图2（b））。

MS≥7.0地震统计结果显示，桂平西山井共记录到114次地震的水震波，占MS≥7.0地震总数的67%，其中107次地震的水震波为振荡型，7次地震的水震波为阶升型，表明桂平西山井水位对全球MS≥7.0大震具有较好的同震响应能力（表1）。图1为7次阶升型地震水震波形态，图2（d）～2（f）为3次典型的振荡型地震水震波形态。篇幅所限，表 2仅给出阶升型或MS≥8.0地震水震波参数。

表1 桂平西山井对全球MS≥7.0地震同震响应统计

表2 2008～2016年桂平西山井记录的部分地震水震波特征

3.2 MS≥7.0地震水震波变化特征分析

2008年以来全球MS≥7.0级地震主要集中在欧亚地震带和环太平洋地震带，红色为桂平西山井水位能记录到水震波的地震，黄色为未记录到水震波的地震（图3）。统计结果显示，西山井能记录到欧亚板块内部所有地震的水震波，对板缘地震的记录效果较差。地震井震距介于1000～20000km（图4）。64次地震井震距小于5000km，其中61次记录到水震波，占比为95%。126次地震井震距小于10000km，其中102次记录到水震波，占比为81%。43次地震井震距大于10000km，其中12次记录到水震波，占比为28%。可见，随井震距增大，井孔对远震的同震响应能力逐渐下降。

MS≥7.0地震的振荡型水震波振幅为2～62mm，持续时间为3～240min，4次8级以上地震的水震波持续时间均超过120m in。水震波的振幅和持续时间和井震距成反比（图5）。此外，7次地震水震波呈现阶变上升型，其共性是MS基本大于等于7.8，阶变幅度大于100mm，井震距小于3600km（图1、表2）。表明地震震级越高，阶变幅度越大，持续时间越长。

统计震源机制类型对台站记录水震波的影响（图4、表3）。结果显示，桂平西山井对正斜滑型地震的响应能力最高，达到77%，对逆断型地震的响应能力次之，为72%，对正断型和走滑型地震的响应能力较弱，分别为63%和58%。当井震距小于5000km时，井孔能记录到几乎所有类型地震的水震波。当距离为5000～10000km时，井孔依然能记录到不同类型地震的水震波，但是同震响应能力明显下降，正断型地震降至78%，逆断型地震降至70%，其余类型地震降至57%左右。当距离大于10000km时，只能记录到部分逆断型和走滑型地震的水震波。表明桂平西山井对不同类型地震水震波的记录能力存在差异。

图3 2008～2016年西山井同震效应分布

图4 不同类型地震的井震距和同震效应的关系

将全球MS≥7.0地震划分为4个震级档，统计震级对台站记录水震波效果的影响，详见表4。西山井对 MS＜7.5地震的响应能力为60%，对7.6≤MS≤7.9地震的响应能力显著提升，达到 89%，对 MS≥8.6地震的响应能力达到100%，表明井孔对水震波的记录能力随地震震级增大而显著提升（表4）。

图5 振荡型水震波幅值和持续时间与井震距的关系

表3 地震震源机制类型和同震效应的关系

表4 地震震级和同震效应的关系

3.3 阶变型水震波与台站周边显著地震活动相关性

6次阶升型水震波出现后2年内，台站周边约300km范围内或广西及其邻近北部湾海域均发生了MS≥3.6以上地震（表5），表明桂平西山井记录到阶升型水震波与台站周边或者广西及其邻近北部湾海域中强地震有较好的对应关系。桂平西山井记录到汶川MS8.0地震的水震波为阶升型，但随后2年内台站周边并未发生MS≥3.6地震，可能与汶川地震对华南地区地震活动起减震作用有关。

4 桂平西山井水位同震机理探讨

井水位同震效应是否明显，与井-含水层观测系统本身固有周期是否和地震面波振动周期相互匹配有一定的关联。井-含水层观测系统本身固有周期τ0可以用以下公式近似表示（汪成民等，1988）

式中，He为井水柱的有效高度；g为重力加速度，取9.81m/s2。当井孔只有一次变径时，井水柱的有效高度He的表达式为：

式中，H为隔水顶板以上的水柱高度，d为含水层厚度。

西山井隔水顶板以上的水柱高为60.09m，含水层厚度为119.78m，估算西山井固有周期为20.6s，与瑞利面波15～20s左右的振动周期接近，容易产生共振。因此，特定的观测系统是西山井记录水震波能力较强的决定性因素。车用太（1990）研究认为，碳酸岩的透水性最强，砂岩、泥质砂岩次之，岩浆岩最差。井孔含水层的岩性决定了其导水性能的强弱，进而影响记录水震波的效果。西山井含水层属泥盆系砂岩，具有导水性好的地质条件。此外，井孔变径少也是西山井水位响应能力灵敏的因素。

表5 水位阶变与台站周边显著地震的关系

西山井可以记录到2种形态的水震波。关于振荡型水震波成因的认识目前有以下2种：一种是水位的波动主要由周期为15～20s的瑞利面波引起。瑞利面波可同时引起体积膨胀和垂直运动。当P、SV瑞利面波通过含水层时，含水层介质发生体积变化使得水位振荡（Cooper et al，1965）。另一种是水震波成因也可能与气体脱逸有关。当直径达7～8mm的气泡上涌时，井水位抬升，而气泡由水面释放后，井水位下降，如此反复过程导致了井水位的同震振荡现象（鱼金子等，1997）。西山井含水层观测系统的固有周期和地震的P、SV瑞利面波接近，可能会产生共振进而记录到振荡型的水震波。是否存在气体脱逸导致西山井水位振荡，需要观测资料佐证。

关于阶变型水震波的成因，不同学者的认识存在差异。杨竹转等（杨竹转，2004；杨竹转等，2005）研究表明，当井区附近处于地震孕震环境时，受本地应力状态的影响，断层受到挤压闭锁，透水能力下降。阶变同方向，说明阶变方式由观测井局部的地质构造和水文地质条件决定，地震波可能只起到触发作用。国外一些研究认为，几个震源体范围内的同震阶变多是源于多孔弹性介质对静态应力场的响应，而几百乃至上千千米外的地震引起井水位的阶变则是地震波与含水层交互作用的结果（Roeloffs，1998；Brodsky et al，2003）。

综合分析认为，桂平西山井记录振荡型和阶变型水震波的机理不同。地震发生后，当传播至桂平西山井的地震面波周期和井-含水层观测系统的固有周期接近时，井水位与地震波产生共振，此时可能记录到振荡型的水震波。当西山井所处位置具备区域应力场增强，介质变化及构造活动时，地震波激发含水层受力发生应变，必将引起含水层应力-应变状态的改变，导致含水层导水能力和孔隙水压的变化，应力-应变反映在水位后效上，此时可能记录到阶变型的水震波。阶变方式由观测井局部的地质构造和水文地质条件决定。桂平西山井水位记录到远震阶升型水震波后2年内，台站周边300km或者广西及其邻近北部湾海域均发生了MS≥3.6地震。因此，西山井水位阶升可能反映了区域构造应力场增强。以上认识可供地震预测研究借鉴。

5 结论

（1）桂平西山井对全球 MS≥7.0地震具有较好同震响应，能清晰记录到全球 67%的MS≥7.0地震同震水震波。水震波形态主要为振荡型，少数为阶变上升型。从空间分布来看，对位于欧亚地震带及欧亚板块内地震的响应能力较好，对板缘地震的记震能力较弱，几乎无法记录到震中位于海洋板块内部的地震水震波。

（2）振荡型水震波振幅变化幅度为3～240mm，持续时间通常为2m in到1h。上升阶变型水震波的共性是MS基本大于等于7.8，阶变幅度大于100mm，持续时间通常超过1个月，井震距均小于3600km。

（3）井-含水层观测系统、地震震级、井震距是影响水震波记录效果的重要因素。水震波的变化幅度与地震震级成正比，与井震距成反比。当MS≤7.0或井震距大于10000km时，西山井的记录远震水震波的能力骤降。震源机制类型可能会影响井孔记录水震波的效果和形态。振荡型水震波的形成与井-含水层观测系统的固有周期有关，阶升型水震波的形成与区域应力场增强、介质变化及构造活动等因素有关。桂平西山井记录的阶升型水震波现象反映了区域构造应力场增强，该认识可为地震预测研究提供参考。

致谢：中国地震局地质研究所杨竹转副研究员和审稿专家对本研究提出宝贵的意见和建议，在此深表感谢。