湖南省地下流体井水位对远场大震的同震响应特征分析

沈 平，敬少群，姚海东

（湖南省地震局，湖南 长沙 410004）

0 引言

在地震地下流体观测中，当井孔含水层受地震波作用，其受力发生改变时，井孔含水层系统的应力-应变状态也会一同发生改变[1]。地震波作用于井孔含水层系统的最直接体现就是同震响应。水位同震响应现象包含着一定的前兆信息，能够在一定程度上反映出地震发生及震后调整过程[2-4]。有研究认为，远场大震引起的同震响应在空间上的丛集区，对未来可能发生地震的地点具有一定的指示性意义[5]。因此，加强地下流体井水位对远场大震的同震响应特征研究对于促进地壳的应力状态研究与地震预测研究具有重大意义。

本文收集了湖南省数字化井水位对几次大震的同震响应资料，从“一震多井”和“一井多震”两个方面分析了井水位对远场大震的同震响应特征，总结湖南井水位的同震响应规律，为少震弱震地区的地震预测研究提供一些参考，同时对井水位的同震响应机理进行了分析。

1 湖南省地下流体观测网简介

湖南省数字化地下流体观测井最早建于2002年，目前共有数字化流体观测井13口（图1），其中11口井为静水位观测，2口井为动水位观测。观测含水层岩性以砂岩、灰岩居多。观测井深度最浅为韶山井——59.42m，最深为安乡井——767.32m。观测仪器主要为北京中科光大自动化有限公司生产的ZKGD3000水位仪与中国地震局地壳应力研究所生产的SWY-II水位仪，仪器采样率均为每分钟1次。

图1 湖南省井水位观测点分布Fig.1 The distribution of digital well in Hunan Province

2 “一震多井”同震响应

据中国地震台网测定，北京时间2015年4月25日14时11分26秒在尼泊尔境内（28.2°N，84.7°E）发生M8.1地震，造成了重大的人员伤亡和财产损失，并波及到我国的西藏地区。此次地震虽然与湖南省相距两千多公里，但仍然引起了我省大量的井水位同震响应，具体情况如表1和图2所示。

表1 尼泊尔M8.1地震的同震响应情况

图2 尼泊尔M8.1地震的同震响应形态Fig.2 The co-seismic response type caused by the Nepal M8.1 earthquake

从“一震多井”来看，湖南省井水位的同震响应主要具有以下特点:

（1）湖南省井水位对尼泊尔M8.1地震的同震响应类型有多种，具体可以分为两大类，一类是单一类型，包括振荡型（清江井、桃源井、张家界井和韶山井）、脉冲型（津市井）、持续缓变型（安乡井），一类是复合类型，即振荡伴随阶变型（临湘井和长沙井）。另外，在记录到尼泊尔M8.1地震同震响应的8口井孔中，有6口井均记录到了水震波。

（2）从观测井孔的深度来看，深井与浅井的记震能力差别不大；从井孔的含水层岩性来看，含水层岩性为砂岩、灰岩的观测井记录到的同震响应幅度较大；从井孔的导水性能来看，井孔的导水能力与记震能力成正比。

3 “一井多震”同震响应

“一井多震”的同震响应特征以长沙井为例来分析。长沙井是动水位观测，井深273m，最早从1985年开始模拟观测，2002年开始数字化观测，观测层为石英砂岩裂隙承压含水层。

3.1 振荡型同震响应

自数字化以来，长沙井水位对全球80%以上的M≥7.0地震均记录到了水震波，水震波双振幅变化范围为5~1513mm。如2012年4月11日印尼苏门答腊MS8.6、MS8.2地震发生后，先后引起长沙井水位的2次振荡型同震响应，其中主震引起的水震波幅度要明显大于余震的水震波幅度（图3a）。2015年9月17日智利MS8.3地震及其余震也引起了长沙井水位的多次振荡。通过查询中国地震台网目录（CSN）及长沙测震台记录到的地震波形资料，并根据地震波走时规律和震相识别，认为第一次小幅振荡是由MS8.3主震引起的，双振幅约40mm，第二次大幅振荡是由时隔24min之后的MS6.8余震引起的，双振幅约71mm（图3b）。

图3 振荡型同震响应Fig.3 Co-seismic response with fluctuation type

3.2 振荡伴随阶变型同震响应

长沙井水位记录到的振荡伴随阶变型的同震响应在振荡结束后水位曲线均在阶变产生的新水位背景上变化，而且振荡的初动响应时间要早于阶变产生的时间。从图4中可以看出，水震波双振幅及水位阶变幅度与地震震级成正比。

图4 振荡伴随阶变型同震响应Fig.4 Co-seismic response with fluctuation accompanied by stepped change type

3.3 脉冲型同震响应

长沙井水位记录到的脉冲型同震响应较少，包括突升脉冲和突降脉冲两种类型，脉冲幅度范围为5~185mm。在图5所示的2次脉冲型同震响应中，水位在地震发生后突然上升或突然下降，然后快速恢复至震前的背景水位曲线。在图5a中，井水位在突升至最高点后迅速回落，经过约一个多小时后，才慢慢回落到震前背景曲线上。

图5 脉冲型同震响应Fig.5 Co-seismic response with impulsion type

从“一井多震”的角度来看，长沙井水位记录到的远场大震的同震响应形态以同震水震波为主，有时候为脉冲型和阶变型。汪成民等[6]根据中国大量记录资料研究了同震水位变化特征与震中距的关系，认为震中距在500km以内时，水位同震变化以阶变型为主，震中距在2000km以上时，水位同震变化以振荡型为主。长沙井水位的同震响应统计结果显示，长沙井水位对震中距大于2000km的地震的同震响应形态是以振荡型为主，但是从长沙井水位记录到的阶变型同震响应来看，也均由震中距大于2000km的远震引起。

一般来说，地下流体观测井孔含水层对远大地震的响应以弹性变形为主，因此长沙井水位对国内外大部分远场大震都记录到了同震水震波。对于阶变型同震响应，在某些地震发生后，由于区域应力场和地震波传播的附加应力场的共同作用，引起地下流体观测井孔含水层的应力调整，所以导致了水位的阶升或者阶降[7]。至于脉冲型同震响应产生的原因，分析认为也是由于地震波在传播过程中引起井水位产生弹性变形所致。但是受到传播路径介质或井震距等因素的影响，地震波能量不够大，引起的水位弹性变形时间不够长，另外由于数字化水位仪的采样间隔不够短，导致同震响应的完整过程没有被全部记录下来，因此在水位分钟值曲线图中表现为脉冲型。

4 分析与讨论

（1）在湖南省记录到尼泊尔M8.1地震同震响应的所有地下流体观测井中，韶山井的初动时间滞后于地震发震时间最短（5min），清江井的滞后时间最长（16min），即对尼泊尔M8.1地震的初动响应时间最快与最慢的井孔之间相差约有660s。经向省局地球物理观测台网负责人核实，清江台和韶山台均为县级无人值守台站，其仪器日常运维与数据分析处理等均由省局地球物理观测台网负责。而他们一直严格按照全国地下流体监测技术学科组要求，每周对仪器进行时钟检查。因此基本可以确认清江井与韶山井对尼泊尔M8.1地震的初动响应时间相差11min是客观存在的事实。而在湖南省测震台中，最早和最晚记录到该地震初至波的时间相差只有几十秒，而且相对于震中距来说，湖南省流体台的井孔间距要小得多，因此认为同震初动响应时间差的原因并不是受地震波传播距离时间差的影响，其受震中距的影响不大，可能与水柱高度、井孔大小、井孔的水文地质条件和构造环境等因素有关。

（2）大部分情况下，长沙井水位对国内外远场大震的同震响应幅度与震级的大小成正比，与震中距的大小成反比。对于2015年9月17日智利中部MS8.3地震及其MS6.8余震引起的同震响应反常现象产生的原因，分析认为可能是由于主震和余震之间间隔时间太短，MS8.3主震的尾波和MS6.8余震的面波叠加在一起而导致的。从完整的地震波形图像上看，由于主余震的两个地震波相叠加在一起，主震的最大面波振幅明显要小于余震的最大面波振幅，而且这两次地震最大面波振幅出现的时间间隔接近于它们的发震时间间隔。同时，从长沙井记录到的这两次地震的水震波曲线图像来看，最大振幅出现时间均要晚于地震波的最大面波振幅出现时间。同时主余震的水震波最大振幅之间的时间间隔要大于这两者的地震波最大面波振幅之间的时间间隔，认为此现象可能与井孔含水层水流运动的时间过程以及观测仪器对地震波的跟踪速度有关[8]。

（3）不同地球物理学家近年来提出了多种机理来解释井水位的同震变化原因[9-10]，趋于一致的看法是:井孔含水层固体骨架发生周期性弹性形变，引起水体挤压从而形成同震水震波，各井孔同震响应能力的大小与其所处的水文地质条件、构造环境以及自身固有频率和仪器等因素有关；P波、SV波以及它们组成的瑞利面波均能使传播介质的体积发生改变，井水位产生振荡变化的原因是受地震发生时产生的周期作用的应力波的影响。

长沙井是湖南地区记震能力最好的水位观测井，其原因可能与长沙井为承压自流井且观测含水层岩性为石英砂岩有关。一般来说，越坚硬和难以变形的岩体地区的井水位潮差越大，越松软和易于变形的岩体潮差越小。在火山岩、变质岩与碎屑岩中，潮差最大的岩石分别为玄武岩、矽卡岩与石英砂岩[11]。因此石英砂岩能够通过井水位较好地将岩层因地震瑞利波所激励出来的体应变加以放大并反映出来。此外，水位观测井的记震能力还与井-含水层系统的固有振动周期有关。由于井-含水层系统主要是对地震瑞利波产生响应，而地震波瑞利波的振动周期在20s左右，所以井-含水层系统的固有振动周期越接近20s，它对地震波的响应越好[12]。因此可以推测，长沙井含水层系统的固有振动周期应该比较接近地震瑞利波的振动周期。另一方面，井-含水层振动的阻尼系数越小，系统对井水位振动的阻力越小，它对地震波的响应越好。

5 结论

本文从“一震多井”和“一井多震”两个方面分析了湖南省数字化井水位的同震响应特征，同时与其他学者的一些研究结果进行了对比分析，结论如下:

（1）湖南各井水位对尼泊尔M8.1地震的同震响应各不相同，有振荡型和脉冲型的单一类型，也有振荡伴随阶变的复合类型，另外还有缓慢型和快速响应型。认为多个观测井在同一次地震中记录到的同震响应不同可能是受井况、仪器、区域地质环境和介质性质等的影响。

（2）湖南长沙井水位对不同地震的同震响应形式有振荡型、脉冲型和振荡伴随阶变型，这与其他学者的研究结果并不完全相同[13-14]，即多个地震在单一观测井中引起的同震响应有多种形态，并不是一成不变的。其原因有可能是本区域的局部应力状态已经发生了改变[15]，也可能是含水层有关参数和水动力条件发生了改变所致。

（3）湖南省地下流体水位观测网对国内外远场大震的同震响应类型主要表现为振荡型，井水位的映震效能受井孔含水层系统的导水能力和含水层岩性的影响。另外，对于振荡伴随阶变的复合类型，水位阶产生的时间总是要晚于水震波。