昆明井水位同震響應(yīng)特征分析

李圣，張立，卿元華，楊玲英，張光順，羅嘉錚

(1.云南省地震局，云南 昆明 650224；2.成都理工大學(xué)能源學(xué)院，四川 成都 610059；3.成都師范學(xué)院史地與旅游學(xué)院，四川 成都 611130)

0 前 言

所謂的水位同震響應(yīng)是指地震波作用引起的井水位振蕩或階變現(xiàn)象[1]。從上世紀(jì)七十年代北京洼里井水位記錄到地震同震響應(yīng)以來，水位同震響應(yīng)就一直備受關(guān)注，國內(nèi)外不同學(xué)者開展了一系列的相關(guān)研究[2-3]。水位觀測的井—含水系統(tǒng)對地震波有天然的放大效能，具有靈敏的記震能力[4]，尤其一些好的水井能夠毫無遺漏的記錄到全球發(fā)生7級以上的大地震[5]。本文對前人研究進(jìn)行整理、歸納，總結(jié)出水位同震響應(yīng)研究主要在以下幾個(gè)方面：

第一，同震響應(yīng)機(jī)制方面。學(xué)者普遍認(rèn)為井—含水系統(tǒng)的導(dǎo)水能力是解釋同震響應(yīng)能力的主要因素[6-7]。其中導(dǎo)水能力和巖石滲透性有關(guān)，滲透率和含水層巖性、地震波有關(guān)。已有研究發(fā)現(xiàn)喀斯特地貌發(fā)育的碳酸鹽巖滲透率大于砂巖，而砂巖滲透性大于巖漿巖[2]；除此之外地震波的動態(tài)應(yīng)力也能打破井—含水系統(tǒng)原有的水位動態(tài)平衡，導(dǎo)致含水層孔隙壓力與層間連通性和滲透性的改變，引起水位的變化[8]。第二，同震響應(yīng)方式方面。有學(xué)者認(rèn)為單井的同震響應(yīng)模式是固定不變的，其模式和震源機(jī)制、震中方位等因素不大[8]。但有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)單井的響應(yīng)方式具有多樣性，且認(rèn)為這樣的多樣性和水井所在地區(qū)的局部應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)[9]。第三，同震響應(yīng)形態(tài)方面。有研究發(fā)現(xiàn)同震響應(yīng)形態(tài)主要為震蕩型和階變型，其中震蕩型主要為遠(yuǎn)距離大地震或特大地震，震蕩—階變復(fù)合型為遠(yuǎn)震或近震，階變型為地方震及近地震[10]。除以上三點(diǎn)之外，還發(fā)現(xiàn)水位記錄地震波的響應(yīng)能力和方位有一定程度上的關(guān)聯(lián)，主要表現(xiàn)為對東部、南部的洋殼地震記錄較好，而對西部、北部的陸殼地震較差[5]。目前關(guān)于昆明臺黑龍?zhí)毒?以下簡稱昆明井)的同震響應(yīng)研究很少,本文采用一井對多震的方式，以昆明井同震響應(yīng)為研究對象，探討昆明井水位的記震能力，分析昆明井的同震響應(yīng)特征。

1 昆明井概況

昆明基準(zhǔn)地震臺地處昆明市北部13 km，所在地區(qū)構(gòu)造發(fā)育，尤以斷層為主。臺站的東西兩端有近南北向斷層不連續(xù)分布，臺站后山有近東西向斷層分布，連續(xù)出露約62 m。臺站后山斷層為右旋走滑斷層，兩側(cè)巖石破裂寬度約15 m，北盤為灰?guī)r，走向北250東，傾向南東，傾角350°；南盤為玄武巖，斷層走向近東西，傾向北。昆明井位于昆明基準(zhǔn)地震臺西側(cè)100 m，黑龍?zhí)侗眰?cè)沖溝東部，高程1 975 m，滇東斷裂系南北向黑龍?zhí)丁俣蓴嗔褞?。該井?80.02 m，其中0～199 m孔段進(jìn)行永久性井壁保護(hù)，井內(nèi)59 m處作永久性止水，199～249 m為濾水管，249～280.2 m以下為裸孔。該井2006年后用于流體觀測,地下水為巖溶裂隙承壓水，隔水層為二疊系玄武巖，觀測含水層為二疊系茅口組、棲覆組白云質(zhì)灰?guī)r。

2 資料選取

通過對昆明井水位自2014～2020年的水位觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及曲線形態(tài)歸類，發(fā)現(xiàn)昆明井水位對7年中的16次地震有同震響應(yīng)，同震響應(yīng)地震的震級、井震距、響應(yīng)幅度及其同震響應(yīng)形態(tài)見表1。

表1 2008～2020年昆明黑龍?zhí)毒煌痦憫?yīng)

3 同震響應(yīng)特征及分析

3.1 同震響應(yīng)能力特征

按昆明臺周邊3 000 km范圍內(nèi)6級以上地震，全球 7 級以上大震進(jìn)行梳理，統(tǒng)計(jì)出6.0～6.9級地震83次，7.0～7.9級地震123次，8.0～8.9級地震3次，共209次地震。根據(jù)此數(shù)據(jù)進(jìn)行同震響應(yīng)比統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示昆明井水位整體同震響應(yīng)比為7.65 %。其中6.0～6.9級地震同震響應(yīng)比為2.4 %，最大井震距2 438 km；7.0～7.9級地震同震響應(yīng)比為10 %，最大井震距19 510 km；8.0～8.9級地震同震響應(yīng)比為67 %，最大井震距10 404 km。

由此推測昆明井水位對7級以下地震的同震響應(yīng)范圍小于2 500 km,對7級以上地震的同震響應(yīng)不大于20 000 km，但由于7.0 級以下地震同震響應(yīng)事件較少，推測結(jié)果可能存在偏差。從表1中可看出，昆明井對7級以上地震的同震響應(yīng)較多，并呈現(xiàn)典型的振蕩形態(tài)。如2016年馬里亞納群島7.6級地震，井震距19 510 km；2018年斐濟(jì)群島8.1級地震，井震距9 819 km；2019年新不列顛島7.6級地震，井震距6 279 km。由此可見，隨著震級的增大，發(fā)生同震響應(yīng)地震的井震距便不呈現(xiàn)單一的遞增。據(jù)此對具有同震響應(yīng)的地震作震級與井震距之間的相關(guān)性研究，最終發(fā)現(xiàn)震級與井震距之間存在一種耦合關(guān)系(圖1)，即在井震距小于10 000 km時(shí)，震級與井震距存在良好的正相關(guān)性；而在井震距大于10 000 km時(shí)，震級與井震距存在負(fù)相關(guān)性。表明昆明井水位同震響應(yīng)能力與震級、井震距有關(guān)，地震波起到了主控作用。

3.2 同震響應(yīng)形態(tài)特征

通過繪制水位原始形態(tài)來確定其形態(tài)類型，結(jié)果顯示昆明井水位同震響應(yīng)形態(tài)都為震蕩型(圖2)。如上所述震蕩型形態(tài)主要為遠(yuǎn)地震的同震響應(yīng)[11]。本次在水位原始形態(tài)的基礎(chǔ)上結(jié)合井震距來分析，發(fā)現(xiàn)昆明井對多數(shù)地震的水位同震響應(yīng)符合前人研究。比如2015年12月7日塔吉克斯坦發(fā)生的7.4級地震，井震距為3 194 km，為遠(yuǎn)震；2020年7月22美國阿拉斯加州以南海域發(fā)生的7.8級地震，井震距為8 270 km，為遠(yuǎn)震，曲線形態(tài)都為震蕩型。

圖1 昆明井水位震級與井震距相關(guān)性 圖2 昆明井水位同震響應(yīng)

3.3 同震響應(yīng)幅度特征

已有研究表明同震響應(yīng)幅度與震級、井震距有關(guān)[12]。對昆明井響應(yīng)幅度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)幅度變化介于0.6～2.7 cm之間，范圍多處于0.6～1.5 cm之間。響應(yīng)幅度大于1.5 cm的分別為1.8 cm、2.0 cm、2.1 cm、2.2 cm、2.7 cm，所對應(yīng)的震級分別Ms7.6、Ms7.6、Ms7.4、Ms6.6、Ms8.1，所對應(yīng)的井震距分別為6 279 km、19 510 km、5 974 km、946 km、9 819 km。其中震級同為Ms7.6的地震有兩次，井震距大的地震反而響應(yīng)幅度較高，由此表明昆明井同震響應(yīng)幅度便不完全受控于震級、井震距。該種現(xiàn)象的發(fā)生與前人研究觀點(diǎn)所不同，推測其與井—含水系統(tǒng)的水文地質(zhì)條件、區(qū)域應(yīng)力變化有關(guān)。

3.4 同震響應(yīng)持續(xù)時(shí)間特征

昆明井對各地震響應(yīng)持續(xù)時(shí)間不同，持續(xù)時(shí)間介于9～89 min之間，小于60 min的地震有13次，大于60 min的地震有3次。從擬合關(guān)系圖3和圖4可知，持續(xù)時(shí)間與井震距相關(guān)系數(shù)R為0.37，斜率為28.129，在井震距10 000 km之內(nèi)相關(guān)性更好。與震級相關(guān)系數(shù)R為0.38，斜率小于1，只在震級大于7.4級時(shí)表現(xiàn)出較好的相關(guān)性。同樣表明昆明井水位同震響應(yīng)受井震距與震級的雙重控制。

圖3 昆明井水位持續(xù)時(shí)間與井震距相關(guān)性 圖4 昆明井水位持續(xù)時(shí)間與震級相關(guān)性

3.5 同震響應(yīng)時(shí)間特征

對各地震的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)其響應(yīng)時(shí)間對于地震時(shí)間都較晚，即都有滯后性。數(shù)據(jù)表明同震響應(yīng)滯后時(shí)間介于1～50 min之間，1～10 min之間共有3次地震，10～20 min共有7次地震，20～30 min共有5次地震，大于30 min只有1次地震。其中響應(yīng)最快的為2015年12月7日的塔吉克斯坦Ms7.6地震和2016年8月24日的緬甸Ms7.6地震，滯后時(shí)間為1 min。滯后時(shí)間最長的為2019年5月26日秘魯北部Ms7.8地震，滯后時(shí)間為50 min。之所以時(shí)間不同的緣故是因?yàn)榍罢叩木鹁噍^近，而后者較遠(yuǎn)。根據(jù)震級、井震距與滯后時(shí)間關(guān)系擬合圖(圖5、6)，獲得與震級的擬合曲線，相關(guān)系數(shù)R約為0.64，斜率約為0.02，與井震距的擬合曲線相關(guān)系數(shù)R約為0.71，斜率為296，可以推測在水位同震響應(yīng)過程中地震波起到了主要作用。并且當(dāng)井震距小于10 000 km，震級大于Ms7.4時(shí)，昆明井?dāng)M合性曲線的相關(guān)性最好，說明此范圍昆明井的同震響應(yīng)更規(guī)律，效果也更好。

圖5 昆明井水位滯后時(shí)間與震級相關(guān)性 圖6 昆明井水位滯后時(shí)間與井震距相關(guān)性

4 結(jié) 論

昆明井水位同震響應(yīng)過程地震波起了主要作用。同震響應(yīng)形態(tài)為震蕩型，響應(yīng)能力受震級和井震距的雙重控制，具體表現(xiàn)為對井震距小于10 000 km，震級大于7.4的地震具有較強(qiáng)的記震能力。但同震響應(yīng)振幅便不完全受井震距、震級的控制，推測和井—含水系統(tǒng)以及區(qū)域應(yīng)力變化有關(guān)。