南昌井水位對(duì)遠(yuǎn)震的同震響應(yīng)分析

牛在坡查小惠

（江西省地震局，江西南昌 360039）

南昌井水位對(duì)遠(yuǎn)震的同震響應(yīng)分析

牛在坡，查小惠

（江西省地震局，江西南昌 360039）

通過對(duì)2001—2008年間139次震例數(shù)字化資料的總結(jié)，定性分析了南昌井水位資料對(duì)強(qiáng)遠(yuǎn)震的響應(yīng)情況，并采用二階回歸方法對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化和定量分析。研究認(rèn)為：南昌井水位資料對(duì)強(qiáng)遠(yuǎn)震響應(yīng)較好，同震響應(yīng)幅度與震級(jí)、震中距綜合相關(guān)，響應(yīng)距離隨震級(jí)增加而增加，但在各震級(jí)檔中均存在距離上限。

南昌井水位；同震響應(yīng)特征；量化分析模型

0 引言

實(shí)踐證明地下流體對(duì)于地震的異常響應(yīng)，在整個(gè)地震前兆觀測(cè)體系中的表現(xiàn)是比較明顯的［1］，尤其水位的同震效應(yīng)，其異常幅度、分布廣度都是比較突出的。但不同井孔的靈敏度、響應(yīng)形式等不盡相同，這與井孔的地質(zhì)構(gòu)造、圍巖（含水層）條件、以及震級(jí)、震中距等多種因素有關(guān)。近年來，不少學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了廣泛研究，涉及到響應(yīng)特征、機(jī)理、后效預(yù)報(bào)等多方面。比如，黃輔瓊等［2］在1999年臺(tái)灣集集地震后首先從空間上分析了這些變化與中國(guó)大陸構(gòu)造的關(guān)系，并將其應(yīng)用到了地震的地點(diǎn)預(yù)報(bào)實(shí)踐中；隨后付虹等［3］對(duì)云南地區(qū)的觀測(cè)井進(jìn)行了詳細(xì)的清理，并形成了云南地區(qū)利用響應(yīng)預(yù)報(bào)地震地點(diǎn)的區(qū)域性方法。楊竹轉(zhuǎn)［4］等對(duì)云南思茅井水位進(jìn)行了同震階躍與地震震級(jí)、震中距的統(tǒng)計(jì)分析，得到了井水位響應(yīng)幅度與震級(jí)及震中距之間的定量化關(guān)系式，其結(jié)果大致與國(guó)際上針對(duì)單一井孔對(duì)多個(gè)地震響應(yīng)的研究結(jié)果一致：井水位響應(yīng)幅度隨震級(jí)增大而增大，隨震中距增大而減小，其關(guān)系基本為線性［5］。其響應(yīng)變化的形態(tài)比較單一，或總是下降，或總是上升，不隨地震的不同而變化?；谶@種變化特征，國(guó)際上比較一致的觀點(diǎn)認(rèn)為是地震造成的地面運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了水位的變化。

針對(duì)上述已經(jīng)取得的研究成果，本文將以南昌井為重點(diǎn)，研究井水位對(duì)地震響應(yīng)的定量化特征，加深對(duì)南昌井水位資料的認(rèn)識(shí)，同時(shí)檢驗(yàn)上述結(jié)論的普適性。

1 井孔背景概況

南昌地震臺(tái)水位觀測(cè)井位于南昌市郊梅嶺山麓，地理坐標(biāo)（28.7675°N，115.8002°E），海拔高程68m。

地質(zhì)構(gòu)造方面，該井位于鄱陽(yáng)盆地邊緣、贛江斷裂帶（湖口－吉安斷裂）北東向斷裂束附近。贛江斷裂是江西省境內(nèi)一條主要構(gòu)造帶，自北向南貫穿全省，地貌上是一條醒目的低谷帶，與贛江流向基本一致，南昌井附近斷裂走向主要呈NE40°～ 60°，以壓性、壓扭性活動(dòng)為主［6］。 斷裂西側(cè)為丘陵山地，巖層巖性主要有混合花崗巖（Mr2

2）、均質(zhì)滲透混合巖（Ptbn）和花崗閃長(zhǎng)巖（ro2

2），為元古代雪峰晚期產(chǎn)物。斷裂東側(cè)為第四系中更新統(tǒng)殘積層（Q2el）河流階地、平原，地勢(shì)低平，見圖1。

觀測(cè)井孔于1979年鉆成，孔深72.92m，鉆探揭露的圍巖為花崗片麻巖。井孔位于山前坡地，井孔位置較低，地下水具有承壓性。屬淺表、冷水（年均水溫19°左右，隨季節(jié)變化）、自流井。

2 水位及地震資料

南昌井水位觀測(cè)儀器1984年以前使用紅旗一型，觀測(cè)精度為0．5cm，1985年改用Sw40－1型，觀測(cè)精度為0.1cm，2001年9月增上 LN－3型數(shù)字化觀測(cè)儀器，精度0.1cm，經(jīng)比較，模擬記錄與數(shù)字記錄動(dòng)態(tài)變化基本一致［7］，均表現(xiàn)出較明顯的夏高冬低年變形態(tài)，可記錄每日雙峰雙谷的固體潮波形，及水震波、水位階等。由于機(jī)構(gòu)撤銷等歷史原因，目前僅有1989年以來的連續(xù)水位資料（圖2）。

圖1 南昌井地質(zhì)簡(jiǎn)圖（據(jù)江西地質(zhì)區(qū)調(diào)大隊(duì)1∶20萬(wàn)地質(zhì)圖繪制）Fig．1 Geological diagram of Nanchang well

圖2 南昌井水位原始整點(diǎn)值圖Fig．2 The integral point value of Nanchang water level

水位同震現(xiàn)象并不罕見，但同一口井對(duì)于時(shí)間、地點(diǎn)、震級(jí)各不相同的地震的同震研究，尚屬鮮見，本文嘗試進(jìn)行整理并歸納同震特征。南昌井附近地質(zhì)構(gòu)造單元相對(duì)穩(wěn)定，地震活動(dòng)稀少，1970年有儀器記錄以來，臺(tái)站50km范圍內(nèi)發(fā)生ML1.0以上地震僅13次（地震目錄資料來源于中國(guó)地震局臺(tái)網(wǎng)中心，下同），最大ML3.2級(jí)，基本不存在背景擾動(dòng)，為異常分析提供了良好的基礎(chǔ)，見圖3。

3 強(qiáng)震同震響應(yīng)分析

南昌井水位記錄，對(duì)周邊強(qiáng)震有較好的同震反應(yīng)，在1990年以來的139次MS7以上地震中（4000km內(nèi)，下同），有13次明顯的同震階躍響應(yīng)（另有一次脈沖式響應(yīng)），如1994年9月16日臺(tái)灣海峽MS7.3地震、1999年9月21日臺(tái)灣南投MS7.6強(qiáng)震群，水位時(shí)值振幅分別達(dá)到59cm和31cm，在記錄中形成大幅階躍，前者更是由于瞬間振幅過大、記錄筆靠死，造成資料中斷。同震響應(yīng)表現(xiàn)出距離性，總體上隨震級(jí)增加，響應(yīng)距離增大，但超過4000km后，未發(fā)現(xiàn)響應(yīng)震例。同時(shí)，在統(tǒng)計(jì)資料范圍內(nèi)，表現(xiàn)出較低震級(jí)具有響應(yīng)距離上限（無(wú)響應(yīng)的最小距離）的現(xiàn)象，有響應(yīng)的震中距一般小于該上限值，見表1、圖4。

圖3 南昌井有響應(yīng)的遠(yuǎn)震分布（實(shí)心圈）Fig．3 Distribution of distant earthquake response to Nanchang well

數(shù)字化資料由于動(dòng)態(tài)范圍大，能完整記錄地震前后的變化情況，且日志記錄相對(duì)齊全，有助于甄別干擾，故選用南昌井水位數(shù)字化資料進(jìn)行研究，時(shí)段為2001年9月至2007年12月。

圖4 不同震級(jí)同震響應(yīng)距離關(guān)系Fig．4 Coseismic response distance relationship in different magnitude

采用數(shù)字化水位時(shí)值記錄，通過對(duì)研究時(shí)段內(nèi)全部52次MS7以上強(qiáng)震的逐一對(duì)比篩選，確認(rèn)其中9次存在明顯同震水位階變化（表2、圖5）、2次在分鐘值上有同震脈沖現(xiàn)象，但2005年8月16日與日本宮城MS7.1地震同期產(chǎn)生的大幅水位變化，經(jīng)核實(shí)屬于因水井氣氡脫氣裝置改造實(shí)驗(yàn)［8］，使用了步進(jìn)電機(jī)抽水造成，故分析時(shí)剔除。

表1 遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)震影響距離統(tǒng)計(jì)（單位：km）Tab．1 Statistics of influence distance by the far field earthquake

表2 南昌井水位階躍及7.5級(jí)以上地震目錄Tab．2 Water level jump of Nanchang and the M≥7.5 earthquakes catalogue well water

圖5 水位同震階躍圖（時(shí)值）Fig．5 Coseismic water level step

綜觀各次震例，有以下發(fā)現(xiàn)：

（1）同震形成的階躍方向均為向下，即水位值下降，幅值在4～42cm之間，在震后1～14小時(shí)達(dá)到最低值后回升，平均歷時(shí)9小時(shí)。震后水位恢復(fù)通常較為緩慢，回升到震前水平從3天到數(shù)周不等。

（2）同震震例中，7次震級(jí)在MS7.5級(jí)以上，僅1次為7.5級(jí)以下，且距離相對(duì)較近、振幅較?。?468km、4cm），水位階躍幅度與震級(jí)總體呈正相關(guān)。

（3）對(duì)全部16次MS7.5以上地震的統(tǒng)計(jì)中，MS8以上均有反應(yīng)（階躍或脈沖，共6次），MS7.5～7.9則表現(xiàn)出明顯的距離性，形成水位階躍的2次地震為近震（＜1000km），8次無(wú)響應(yīng)震例均超過3200km，水位變化明顯受距離影響（表2）。

（4）引起水位階躍的地震分布在井點(diǎn)的各個(gè)方向，如日本、臺(tái)灣、蘇門答臘、新疆等，水位變化幅值、方向等與地震位置無(wú)關(guān)。

（5）水位階躍存在“鈍化”現(xiàn)象，即對(duì)首震響應(yīng)出現(xiàn)階躍變化后，靈敏性有所下降，不再對(duì)短期內(nèi)發(fā)生的強(qiáng)震產(chǎn)生階躍響應(yīng)，比較突出的例子是2007年9月12日蘇門答臘MS8.5地震造成南昌井水位下降42cm后，次日發(fā)生的MS8.3地震僅在分鐘值上形成不到1cm的脈沖（水震波），與該井表現(xiàn)出的響應(yīng)特性明顯不符。

4 量化分析及模型優(yōu)化

由前述可知，南昌井水位同震階躍變化與強(qiáng)震震級(jí)、震中距有關(guān)，進(jìn)一步進(jìn)行量化分析，據(jù)國(guó)內(nèi)外研究［4－5］，水位變化幅度與震級(jí)、震中距統(tǒng)計(jì)關(guān)系一般形式為：

式中，Δhi為水位變化的幅值，單位為cm；M為面波震級(jí)；a，b，c為常數(shù)；D為震中距。

以水位響應(yīng)幅度（表2中響應(yīng)幅度有數(shù)值部分，由最小二乘原理知，與排列順序無(wú)關(guān)）為因變量，以震級(jí)、震中距為自變量，進(jìn)行二元回歸計(jì)算，得到南昌井水位強(qiáng)震同震響應(yīng)關(guān)系式：

F 檢驗(yàn)值為 12.3，在 0.05 置信度上 ＞ F0（5.79），達(dá)到顯著水平。 復(fù)相關(guān)系數(shù)為 0.83，離回歸平方和僅0.14，回歸計(jì)算效果較好。

由式（2）可知，水位變化幅度與震級(jí)呈正相關(guān)，但震中距的影響，對(duì)于南昌井卻并不明顯（系數(shù)接近0）。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的直接原因是參與計(jì)算的源數(shù)據(jù)中本身存在矛盾性，如2007年蘇門答臘MS8.5地震震中距最大，但階躍幅度也最大；最大地震是MS8.7，但其變幅卻小于MS8.1。 而深層原因是：水位響應(yīng)幅度與震級(jí)、震中距雖然總體上滿足上述二元線性模型的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，但由于地震的影響作用可能還受到震源深度、力學(xué)機(jī)制、傳播介質(zhì)、以及井孔本身狀態(tài)等多方面復(fù)雜因素的影響，實(shí)際情況并不遵循理想化的簡(jiǎn)單線性關(guān)系。受資料獲取手段的限制，我們無(wú)法得到真實(shí)的各類影響因素值，但可通過對(duì)模型的修正改善擬合關(guān)系，筆者對(duì)此進(jìn)行了初步嘗試。

在保證公式（1）中兩個(gè)自變?cè)ń忉屃浚?duì)因變量物理意義的前提下，采用增加高階多項(xiàng)式回歸元的方法，可提高擬合精度。分別進(jìn)行了二元二階、二元三階、及單獨(dú)增加震級(jí)（M2階）或震中距（D2階）階數(shù)的試驗(yàn)性計(jì)算，得到結(jié)果見表3。從復(fù)相關(guān)系數(shù)、離回歸平方和等主要參數(shù)看，階數(shù)越高效果越好，但由于樣本數(shù)有限，本例中F0值隨階數(shù)升高迅速上升，三階無(wú)法通過檢驗(yàn)。經(jīng)比較，發(fā)現(xiàn)二元二階模型較原始二元一階模型因變量標(biāo)準(zhǔn)差和偏離算術(shù)和基本持平，而復(fù)相關(guān)系數(shù)提高6%、離回歸（殘差）平方和及預(yù)測(cè)最大偏離值（帶方向）分別下降28.6%和33.6%，擬合精度上升、誤差明顯減?。▓D6、表3），且在0.1置信度上＞F0（5.34），通過 F 檢驗(yàn)。 從預(yù)測(cè)幅度來看（表2），二元二階較二元一階模型更接近實(shí)際幅度。

表3 各種回歸模型計(jì)算結(jié)果及F檢驗(yàn)Tab．3 Calculation results of all kinds of regression model and F test

圖6 震級(jí)、震中距二元不同項(xiàng)式回歸結(jié)果（左：回歸值與實(shí)測(cè)值右：殘差曲線）Fig．6 Two variable regression results of magnitude and epicentral distance（left： return value with the measured values right： residual curve）

二元一階模型計(jì)算得到的關(guān)系式為：

采用2階多項(xiàng)式回歸，可提高模型擬合精度，但由于樣本數(shù)有限，本文所做嘗試尚需進(jìn)一步深入研究和應(yīng)用檢驗(yàn)。

5 結(jié)論與討論

通過對(duì)南昌井水位同震階躍現(xiàn)象的系統(tǒng)梳理，得到以下認(rèn)識(shí)：

（1）南昌井水位對(duì)7.5級(jí)以上強(qiáng)震具有較好的同震響應(yīng)能力，且不受震中方位影響，階躍方向均為下降。

（2）同震響應(yīng)表現(xiàn)出明顯的距離性，在統(tǒng)計(jì)樣本范圍內(nèi)，響應(yīng)距離總體上隨震級(jí)增加，但在各震級(jí)檔中均存在距離上限，8級(jí)以上可達(dá)4000km，未記錄到大于1500km的MS7～7.4級(jí)地震的同震響應(yīng)；

（3）水位階躍對(duì)短期內(nèi)連續(xù)發(fā)生的強(qiáng)震響應(yīng)能力下降，存在“鈍化”現(xiàn)象；

（4）同震響應(yīng)幅度與震級(jí)、震中距滿足以下關(guān)系式：

幅度總體上與震級(jí)呈正相關(guān)，但震中距線性關(guān)系不明顯；

（5）通過改變模型，對(duì)水位振幅與震級(jí)、震中距的關(guān)系模型進(jìn)行了優(yōu)化，得到關(guān)系式：

從本例結(jié)果看，擬合精度和預(yù)測(cè)效果優(yōu)于一階模型，但二階回歸元的引入尚未給出明確的理論依據(jù)。同時(shí)，此優(yōu)化模式是僅屬南昌井個(gè)別現(xiàn)象抑或具備推廣價(jià)值，尚需經(jīng)進(jìn)一步應(yīng)用研究。水位乃至流體各測(cè)項(xiàng)對(duì)地震的同震響應(yīng)是種共性現(xiàn)象，但每個(gè)井孔又各有差異性，如何自差異中提煉出共性，繼而指導(dǎo)個(gè)性化的深入研究，是值得認(rèn)真思索的問題。

［1］ 簡(jiǎn)春林．中國(guó)大陸地震地下流體異常特征研究［J］．地震，2004，24（1）：42 －49

［2］ 黃輔瓊，遲恭才，俆桂明，等．大陸地下流體對(duì)臺(tái)灣南投7.6 級(jí)地震的響應(yīng)研究［J］．地震，2000，20（增刊）：119－125

［3］ 付虹，劉麗芳，王世芹，等．地方震及近震地下水同震震后效應(yīng)研究［J］．地震，2002，22（4）：56 －66

［4］ 楊竹轉(zhuǎn)，鄧志輝，趙云旭，等．云南思茅大寨井水位同震階變的初步研究［J］．地震學(xué)報(bào)，2005，27（5）：569 －574

［5］ Roeloffs E A．Persistent water level changes in a well near Parkfield California。due to local and distant earth quakes［J］．J Geophys Res，1998，103（B1）：869－889

［6］ 周松源，張介輝，徐克定，等．從南昌凹陷構(gòu)造演化分析贛江斷裂帶運(yùn)動(dòng)學(xué)特征［J］．地質(zhì)力學(xué)學(xué)報(bào)，2005，11（3）：266 －272

［7］ 吳敏，趙愛平．南昌地震臺(tái)數(shù)字水位與模擬水位觀測(cè)對(duì)比研究［J］．華南地震， 2002，22（4）：70 －73

［8］ 楊雪超，趙愛平，操紅．南昌臺(tái)氣氡異常核實(shí)［J］．防災(zāi)科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，9（3）：43 －47

［9］ 楊雪超，高建華，湯蘭榮．九江 －瑞昌5.7級(jí)地震序列特征［J］．防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2006，26（增刊）：50－55

Analysis on Coseismic Response of Nanchang Well Water Levels to Teleseismic

Niu Zaipo，Zha Xiaohui
（Earthquake Agency of Jiangxi Province，Nanchang330039，China）

The coseismic response characteristics of the Nanchang well water level to teleseismic has been analysis by summarizing digital data of 139 earthquakes from 2001 to 2008．The two order regression method has also been used to optimize and analyze the model．The results show that the Nanchang well water level has better response to strong teleseismic and the amplitude of the coseismic response is closely related to earthquake magnitude and epicentral distance．The response distance increases with the increase of magnitude， but there is an upper limit of epicentral distance for each magnitude level．

Nanchang well water level； coseismic response characteristics； quantitative analysis model

P315．723 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673－8047（2017）03－0037－07

2017－03－09

牛在坡（1982—），男，?？?，助理工程師，主要從事前兆監(jiān)測(cè)方面的研究工作。