云南數(shù)字化井水位對瑪多Ms7.4地震同震響應(yīng)特征分析

段勝朝，張山元，番紹輝，孫自剛，楊銘昌

(云南省地震局騰沖地震監(jiān)測中心站，云南 騰沖 679100)

0 引 言

自20 世紀(jì) 70 年代我國在北京洼里井第一次觀測到水震波起，地震引起的井水位同震響應(yīng)研究一直是地學(xué)界許多研究人員非常關(guān)注的熱點問題，不同學(xué)者從“一井多震”、“一震多井”和“多井多震”的角度對井水位的同震響應(yīng)特征和響應(yīng)機理進行了大量研究[1-9]。例如，劉耀煒等根據(jù)大陸地下流體臺網(wǎng)對2004年12月26日蘇門答臘地震的同震響應(yīng)資料，分析得到了水位同震響應(yīng)特征的基本類型[4]。莫佩嬋等利用全球 5 級以上地震資料分析了廣西桂平西山井的井孔記錄水震波的能力、水震波形態(tài)特征及影響因素，初步探討了西山井同震響應(yīng)的機理，認為含水層介質(zhì)受瑞利面波作用會發(fā)生體積變化，導(dǎo)致水位振蕩，是形成振蕩型水震波的可能機理[8]。車用太等對遠震引起井水位同震響應(yīng)振蕩變化的作用機理進行了研究和闡述[5]。向陽等利用秒鐘值數(shù)據(jù)對井水位同震響應(yīng)機理進行了分析，認為同震響應(yīng)形態(tài)與地震波作用過程中引起的含水層水文參數(shù)變化有關(guān)[7]。這些成果對于井水位同震響應(yīng)研究工作的開展具有較好的指導(dǎo)作用。

北京時間2021年5月22日，青海省瑪多縣(34.59°N，98.34°E)發(fā)生Ms 7.4地震，震中距云南1 000 km左右。此次地震引起云南地區(qū)一定范圍內(nèi)的數(shù)字化井水位產(chǎn)生了同震響應(yīng)。本文收集整理云南省現(xiàn)有在庫正常觀測的井水位觀測數(shù)據(jù)對青?，敹郙s 7.4地震的同震響應(yīng)記錄情況，分析了井水位同震響應(yīng)空間分布和同震水位變化形態(tài)特征，分析了井震距、地震能量密度、觀測儀器采樣率等因素對井水位同震響應(yīng)能力差異性的影響，并對水位同震響應(yīng)機理進行了討論。

1 云南省數(shù)字化水位井網(wǎng)觀測概況

通過對云南省地球物理臺網(wǎng)“十五”數(shù)據(jù)庫和“十項措施”數(shù)據(jù)庫水位觀測項目查詢統(tǒng)計，2021年以來，云南省地下流體數(shù)字化水位觀測井網(wǎng)共有57口井(靜水位36口井，動水位21口井)正常在網(wǎng)觀測，其空間分布如圖1所示。水位觀測儀器主要型號有LN-3A型數(shù)字水位觀測儀、SWY-Ⅱ型數(shù)字化水位觀測儀、ZKGD-3000水位水溫綜合觀測儀，采樣率為1次/分鐘，入庫保存為分鐘值數(shù)據(jù)。SWY-Ⅱ型數(shù)字化水位觀測儀還可以進行秒采樣，會自動生成秒鐘值數(shù)據(jù)文件，但秒種植數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換格式后才能使用，非常不方便。因此，本文選用水位分鐘值觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對青海瑪多Ms 7.4地震引起的云南數(shù)字化井水位同震響應(yīng)特征進行分析。

圖1 云南省數(shù)字化水位觀測井分布

2 井水位同震響應(yīng)特征分析

2021年5月22日青海瑪多Ms 7.4地震發(fā)生前后，云南省有57口井水位觀測儀器工作正常，觀測數(shù)據(jù)連續(xù)可靠，水位動態(tài)變化背景相對穩(wěn)定。通過對這57口井水位分鐘值觀測數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)青?，敹郙s 7.4地震時云南省共有27口觀測井水位清晰記錄到同震響應(yīng)，其同震響應(yīng)變化幅度都在0.005 m以上。經(jīng)統(tǒng)計，記錄到同震響應(yīng)的觀測井占總觀測井的47.4%。其中靜水位井19口，占總靜水位觀測井的52.8%；動水位井9口，占總動水位觀測井的42.9%(圖2)。將其水位同震響應(yīng)變化特征進行歸納整理列于表1所示，同震響應(yīng)觀測井分布如圖1所示，圖中黑色方型圖標(biāo)表示記錄到青?，敹郙s 7.4地震同震響應(yīng)的觀測井所在位置。

圖2 青?，敹郙s 7.4地震云南數(shù)字化水位同震響應(yīng)情況統(tǒng)計

2.1 同震響應(yīng)觀測井分布特征

在青?，敹郙s 7.4地震發(fā)生前的2021年5月21日21時48分，云南漾濞(25.67°N，99.87°E)發(fā)生了Ms 6.4地震，漾濞Ms 6.4地震引起震中周圍200 km范圍內(nèi)13口水位觀測井產(chǎn)生同震響應(yīng)。由圖1可知，云南數(shù)字化水位對青?，敹郙s 7.4地震產(chǎn)生同震響應(yīng)的觀測井主要分布在小江斷裂帶兩側(cè)及其附近地區(qū)，漾濞地震震中周圍200 km范圍內(nèi)，多數(shù)水位觀測井孔未記錄到青?，敹嗟卣?。分析認為，這可能是由于漾濞地震震源應(yīng)力場對震中周圍200 km范圍內(nèi)區(qū)域應(yīng)力場的加載作用導(dǎo)致這個范圍內(nèi)區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)調(diào)整，從而造成井孔記震能力減弱或消失，所以青?，敹嗟卣饡r這些區(qū)域很少記錄到水位同震響應(yīng)。

圖3 青?，敹郙s 7.4地震云南井水位同震響應(yīng)變化形態(tài)

2.2 井水位同震響應(yīng)變化形態(tài)特征

由表1可知，云南數(shù)字化水位分鐘值數(shù)據(jù)記錄到青海瑪多Ms 7.4地震的同震響應(yīng)根據(jù)其動態(tài)變化可分為振蕩—復(fù)原型、階變(緩變)型和振蕩伴隨階變型三種變化類型，以振蕩—復(fù)原型為主，如圖3所示。其中18口井記錄為振蕩—復(fù)原型，7口井記錄為階變(緩變)型，2口井記錄為振蕩伴隨階變型變化。振蕩—復(fù)原型表現(xiàn)為水位受地震影響產(chǎn)生振蕩變化的水震波，振蕩幅度隨時間的增加逐漸減弱，一定時間后水位恢復(fù)到震前的動態(tài)背景值。階變(緩變)型表現(xiàn)為水位受地震影響產(chǎn)生臺階(緩慢)上升或臺階(緩慢)下降變化，以階升為主，短時間內(nèi)不會恢復(fù)到震前的動態(tài)背景值。振蕩伴隨階變型表現(xiàn)為水位受地震影響先產(chǎn)生短時振蕩變化，隨后產(chǎn)生臺階上升或臺階下降變化，之后振蕩恢復(fù)至正常動態(tài)變化形態(tài)，但不會恢復(fù)震前的動態(tài)背景位置，而是殘留一個水位臺階。

2.3 井水位同震響應(yīng)變化幅度與井震距的關(guān)系

Roeloffs對井水位的同震響應(yīng)幅度(Δh)與震級(M)和井震距(D)的關(guān)系進行了統(tǒng)計[10]，得到如下公式：

lgΔh = b1M+ b2lgD + a

(1)

其中，a、b1、b2為常數(shù)。根據(jù)公式(1)，許多研究人員利用不同的數(shù)據(jù)進行了大量的分析研究[11-13]，結(jié)果表明，井水位的同震響應(yīng)幅度隨著震級的增大而增大，隨著井震距的增大而減小。對于青?，敹郙s 7.4地震，當(dāng)公式(1)中的震級M不變，即為常數(shù)后，同震響應(yīng)變化幅度的關(guān)系可簡化為：

lgΔh = BlgD +A

(2)

其中，A、B為常數(shù)，A=a+b1M，B=b2。運用多元線性回歸方法，將表1中同震響應(yīng)幅度(Δh)和井震距(D)的關(guān)系運用公式(2)進行擬合，各參量之間并不存在明顯統(tǒng)計關(guān)系，繪制lgΔh與lgD關(guān)系如圖4所示，可見井震距和同震響應(yīng)幅度無明顯相關(guān)關(guān)系。這可能是由于各觀測井井震距較接近，井間距遠小于井震距，地震對云南各觀測井水位影響程度相差不大造成的，表明云南省各水位觀測井對青海瑪多Ms 7.4地震同震響應(yīng)幅度的差異性影響不大。

圖4 同震響應(yīng)幅度與井震距的關(guān)系散點圖

3 地震能量密度的影響

地震能量密度(e)表示地震波在傳播過程中作用在單位體積地層介質(zhì)上的最大能量值，它與地震震級(M)和震中距(r)密切相關(guān)[14]：

lg(r) =0.48M-0.33lg(e)-1.4

(3)

由式(3)可知，地震能量密度隨著震級的增大而增大，隨著震中距的增大而減小。對于全球數(shù)據(jù)，觸發(fā)持續(xù)性地下水位響應(yīng)的地震能量密度(e)為10-3J·m-3；對于青?，敹郙s 7.4地震，將表1中各同震響應(yīng)觀測井的井震距和震級7.4 代入式(3)計算，得到各觀測井的地震能量密度如圖5所示。由圖5可知，青?，敹郙s 7.4地震的地震能量密度隨著井震距的增大而逐漸減小，各觀測井能量密度均大于10-3J·m-3。

將青海瑪多地震震級7.4和基于全球數(shù)據(jù)的地震能量密度(e)值10-3J·m-3代入式(3)，得到青海瑪多Ms 7.4地震引起云南井水位產(chǎn)生同震響應(yīng)的最大井震距理論極限是1 387 km，理論上1 387 km范圍內(nèi)的觀測井都能記錄到青?，敹郙s 6.4地震的同震響應(yīng)，即云南絕大多數(shù)觀測井都能夠記錄到青?，敹郙s 7.4地震的同震響應(yīng)。而實際上有27口井記錄到同震響應(yīng)，最遠的觀測井井震距是1 356 km，且1 356 km范圍內(nèi)也有26口觀測井沒有記錄到同震響應(yīng)，表明井水位的同震響應(yīng)能力與地震能量密度有關(guān)，但不是唯一因素。

圖5 地震能量密度與井震距的關(guān)系

4 觀測儀器采樣率的影響

廖麗霞等通過對不同采樣率水位同震響應(yīng)能力及其特征分析，認為不同采樣率儀器記錄水位同震響應(yīng)存在很大差異，不但形態(tài)特征上明顯不同，響應(yīng)能力及響應(yīng)幅度也差別很大[15]。目前，云南省有部分井孔水位觀測采用SWY-II 型數(shù)字水位儀，具備秒采樣功能，但數(shù)據(jù)收集不方便。通過云南地震臺地球物理研究室下載保存的全省水位秒鐘值數(shù)據(jù)，共收集到青?，敹郙s 7.4地震時16口井的水位秒采樣數(shù)據(jù)。這16口井分別是楚雄、德宏、洱源、建水、劍川、昆明臺、瀘西、勐臘、孟連、彌渡、姚安、永勝、元謀、昭通、師宗、麒麟，其中德宏、建水、昆明臺、瀘西、麒麟、師宗、永勝、昭通共8口井水位分鐘值、秒鐘值都記錄到同震響應(yīng)變化(如圖6德宏井至師宗井所示)，楚雄、姚安、勐臘3口井分鐘值未記錄到或記錄不清晰而秒鐘值明顯記錄到同震響應(yīng)變化，但同震響應(yīng)持續(xù)時間只有幾秒至幾十秒(如圖6楚雄井至勐臘井所示)，孟連、彌渡、洱源、劍川、元謀共5口井分鐘值、秒鐘值均未記錄到同震響應(yīng)變化。由圖6可知，秒鐘值記錄的水位動態(tài)變化更為完整，同震響應(yīng)幅度相對較大，分鐘值記錄的水位同震變化則存在失真現(xiàn)象。因此部分觀測井分鐘值數(shù)據(jù)未記錄到同震響應(yīng)可能是儀器采樣率不夠所致，而其秒鐘值記錄同震響應(yīng)的時間較短可能與觀測井—含水層系統(tǒng)、井孔所在位置的水文地質(zhì)條件和區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造條件有關(guān)。

5 水位同震響應(yīng)機理討論

云南井水位分鐘值數(shù)據(jù)記錄到青?，敹郙s 7.4地震的同震響應(yīng)形態(tài)可分為振蕩—復(fù)原型、階變(緩變)型和振蕩伴隨階變型三種變化類型，以振蕩—復(fù)原型變化為主，有18口井記錄為振蕩—復(fù)原型，7口井記錄為階變(緩變)型，2口井記錄為振蕩伴隨階變型變化。

對于遠震引起井水位振蕩—復(fù)原型同震響應(yīng)變化的作用機理，已有學(xué)者做了很多研究，一般認為，井水位對遠震產(chǎn)生同震響應(yīng)的作用機理是，受地震波影響，含水層出現(xiàn)壓縮與膨脹，產(chǎn)生相互交替的變形，使得含水層孔隙壓力升降交替，含水層的水在井與含水層間交替流動(含水層到井，井到含水層)，最終表現(xiàn)為井孔內(nèi)水柱的反復(fù)升降變化，即井水位的振蕩變化[2，5]。分析認為，青海瑪多Ms 7.4地震距云南數(shù)字化水位觀測井井震距在1 000 km左右，且多數(shù)在1 000 km以上，屬于遠震影響，井水位振蕩—復(fù)原型同震響應(yīng)變化可以用上述機理解釋，即青海瑪多Ms 7.4地震發(fā)生后，地震波傳播到云南境內(nèi)，受地震波作用影響，這些觀測井含水層發(fā)生壓縮與膨脹相互交替的彈性變形，使得含水層內(nèi)孔隙介質(zhì)體積發(fā)生壓縮與膨脹的交替變化，從而造成水位振蕩變化；地震波傳播過后，含水層彈性變形消失，井—含水層系統(tǒng)快速恢復(fù)初始狀態(tài)，水位振蕩隨之消失，恢復(fù)到震前動態(tài)水平。

圖6 青?，敹嗟卣鹚环昼娭蹬c秒鐘值對比曲線(圖中黑色線為分鐘值，灰色線為秒鐘值)

對于遠震引起井水位階變(緩變)型同震響應(yīng)變化的作用機理，目前沒有統(tǒng)一的定論。付虹等通過研究云南水位對印尼巨大地震的同震效應(yīng)，認為大震引起的水位上升和下降可能是地震波的作用改變了構(gòu)造單元的應(yīng)力所致，并與井點的地質(zhì)構(gòu)造部位有關(guān)[16]；在區(qū)域應(yīng)力場和地震波傳播的附加應(yīng)力場的綜合作用下，引起井孔含水層的震后應(yīng)力調(diào)整，因此出現(xiàn)了水位上升或者下降的變化。孫小龍等認為地震波作用可導(dǎo)致井孔含水層巖體介質(zhì)發(fā)生形變，進而促使孔隙壓力發(fā)生變化，巖體介質(zhì)孔隙壓力改變后會有壓力彌散及恢復(fù)的過程[17]。此過程即為含水層系統(tǒng)中水流調(diào)節(jié)的過程。如果這種調(diào)節(jié)作用持續(xù)時間較長，那么井—含水層系統(tǒng)的水流狀態(tài)不會在短時間內(nèi)趨于穩(wěn)定，則觀測井水位是一個持續(xù)變化的過程，如曲靖井水位震后持續(xù)緩慢上升變化；如果含水層巖體結(jié)構(gòu)在地震波作用下發(fā)生了塑性形變，那么井—含水層系統(tǒng)內(nèi)水流會在短時間內(nèi)達到新的平衡，體現(xiàn)在水位變化形態(tài)上就是階變，如昭通漁洞井、彌勒井、宣威井水位階升及沾益井水位階降同震響應(yīng)變化。

對于遠震引起井水位振蕩伴隨階變型同震響應(yīng)變化的作用機理，分析認為，振蕩伴隨階變型同震響應(yīng)形態(tài)的井孔總是先記錄到水位振蕩，然后才產(chǎn)生階變，這是因為遠震發(fā)生后，地震波作用使觀測井含水層巖體介質(zhì)發(fā)生壓縮與膨脹相互交替的彈性變形，當(dāng)周期性的地震波持續(xù)加載使含水層巖體介質(zhì)彈性變形達到一定程度時，含水層巖體介質(zhì)轉(zhuǎn)為塑性變形。表現(xiàn)在水位上就是由于彈性變形先記錄水位振蕩，轉(zhuǎn)為塑性變形時則記錄到水位階變變化。

上述這些作用機理分析在一定程度上能夠解釋青?，敹郙s 7.4地震引起云南數(shù)字化井水位同震響應(yīng)各種變化形態(tài)的形成原因。但每一口井記錄的水位同震響應(yīng)還有細微的差別，同一井孔水位分鐘值與秒鐘值同震響應(yīng)形態(tài)也不盡相同，若要對其同震響應(yīng)機理進行深入分析，則可能需要結(jié)合各觀測井水位儀器的采樣率、水位同震變化形態(tài)、觀測井的井含水層系統(tǒng)、井區(qū)地質(zhì)構(gòu)造條件、水文地質(zhì)條件和井區(qū)應(yīng)力狀態(tài)進行綜合分析。

6 認識與討論

通過云南數(shù)字化井水位分鐘值數(shù)據(jù)對青?，敹郙s 7.4地震同震響應(yīng)特征進行分析，并分析了地震能量密度和觀測儀器采樣率對井水位記錄地震能力的影響，然后對水位同震響應(yīng)機理進行分析討論，得到了以下幾點認識：

(1)青海瑪多Ms 7.4地震，云南數(shù)字化井水位記錄到同震響應(yīng)的觀測井為27口，占總觀測井的47.4%，水位同震響應(yīng)觀測井主要分布在小江斷裂帶兩側(cè)及其附近地區(qū)。漾濞地震震中周圍200 km范圍內(nèi)，大多數(shù)水位觀測井未記錄到青?，敹嗟卣?，原因可能是漾濞地震對震中周圍的觀測井水位記震能力產(chǎn)生了影響。

(2)云南數(shù)字化井水位對青海瑪多Ms 7.4地震同震響應(yīng)形態(tài)根據(jù)其動態(tài)變化可分為振蕩—復(fù)原型、階變(緩變)型和振蕩伴隨階變型三種變化類型，以振蕩—復(fù)原型變化為主。

(3)云南各觀測井水位對青海瑪多Ms 7.4地震同震響應(yīng)表現(xiàn)出一定的差異性，這與井震距、地震能量密度、觀測儀器采樣率、井-含水層系統(tǒng)等因素有關(guān)，在進行相關(guān)分析時需綜合考慮這些因素對井水位同震響應(yīng)的影響程度。

(4)秒鐘值記錄的水位動態(tài)變化更為完整，同震響應(yīng)幅度相對較大，分鐘值記錄的水位同震變化則存在失真現(xiàn)象。部分觀測井水位分鐘值數(shù)據(jù)未記錄到同震響應(yīng)可能是由于儀器采樣率不夠所致。而其秒鐘值記錄同震響應(yīng)的時間較短，可能與觀測井—含水層系統(tǒng)、井孔所在位置的水文地質(zhì)條件和區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造條件有關(guān)。但是，目前水位秒鐘值數(shù)據(jù)收集和使用存在不方便因素，秒鐘值使用功能有待生產(chǎn)廠家改進。

(5)青?，敹郙s 7.4地震引起云南各觀測井水位同震響應(yīng)變化可以用彈性理論來進行解釋，只是由于各觀測井井—含水層介質(zhì)對地震波的響應(yīng)程度不同，有的產(chǎn)生彈性變形表現(xiàn)為震蕩—復(fù)原變化，有的產(chǎn)生塑性變形表現(xiàn)為階變變化，有的介于二者之間有個漸變的過程而產(chǎn)生震蕩伴隨階變的變化。

致謝：在項目實施和論文撰寫過程中得到云南省地震臺張立老師的悉心指導(dǎo)，審稿專家和編輯部老師對本文提出了寶貴的建設(shè)性修改意見，在此一并感謝。