云南開遠(yuǎn)井和思茅大寨井水位同震響應(yīng)動態(tài)差異分析

毛巍穎

（云南省地震局，昆明 650224）

0 引言

地下水廣泛、普遍存在于地殼上部或表層，對上地殼各種動力作用響應(yīng)靈敏，能夠客觀、靈敏、廣泛地反映地殼應(yīng)力應(yīng)變信息，不僅記錄了地震孕育發(fā)生的許多信息，使其成為震情跟蹤和地震短臨預(yù)報的重要手段之一，同時也記錄了由地震波激發(fā)的同震響應(yīng)現(xiàn)象，因此地下水觀測數(shù)據(jù)中不僅包括地震孕育發(fā)生信息，而且還包含了大量同震響應(yīng)數(shù)據(jù)[1-3]。加強(qiáng)對地下水觀測中同震響應(yīng)現(xiàn)象研究和去除，對震情跟蹤和地震短臨預(yù)報十分重要。井水位觀測是地下水觀測重要方式，井水位同震響應(yīng)十分普遍，迄今為止井水位同震響應(yīng)研究一直被重視[1-7]。井水位同震響應(yīng)十分復(fù)雜，不同地區(qū)不同觀測井水位同震響應(yīng)特點(diǎn)不同[4]，就同一觀測而言，有的觀測井同震響應(yīng)階變方向一致好，即總是階變上升或下降[5-6，9]；有的觀測井水位對不同地震的同震響應(yīng)形態(tài)不同，有的上升、有的下降[7-8]。同震響應(yīng)機(jī)理認(rèn)識也是復(fù)雜的，認(rèn)為含水層的巖體結(jié)構(gòu)、巖性、導(dǎo)水系數(shù)、滲透性等對井水位同震響應(yīng)幅度影響大，灰?guī)r或花崗巖、導(dǎo)水系數(shù)大、滲透性能好的井水位同震響應(yīng)幅度大[5]。近些年來，井孔區(qū)地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境影響井水位同震響應(yīng)，特別是井孔及周圍地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力應(yīng)變與水位同震響應(yīng)關(guān)系研究不斷得到重視，認(rèn)為井孔所在區(qū)構(gòu)造應(yīng)力—應(yīng)變環(huán)境對井水位同震響應(yīng)有影響[1-3，10-12]。目前，井水位同震響應(yīng)研究主要采取一井多震研究和一震多井研究[1]。本文用一井多震和一震多井相結(jié)合方式，分析了云南開遠(yuǎn)井和思茅大寨井水位對多次地震的同震響應(yīng)及其動態(tài)差異、兩口井所在地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力-應(yīng)變環(huán)境，分析了兩口井水位同震響應(yīng)動態(tài)差異的主要原因。對利用井水位同震響應(yīng)特點(diǎn)揭示井孔地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力—應(yīng)變狀態(tài)，分析井孔地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力—應(yīng)變積累動態(tài)和地震預(yù)測具有一定意義。

1 開遠(yuǎn)井和思茅大寨井概況

思茅大寨井和開遠(yuǎn)井是云南地區(qū)重要的地下流體觀測井，兩井之間相隔250 km。

1.1 開遠(yuǎn)井

開遠(yuǎn)井地理位置為北緯23°45′、東經(jīng)103°15′，地處滇東南開遠(yuǎn)盆地北緣，井深224.0 m。開遠(yuǎn)井孔于1984 年1 月完工，1985 年7 月開始觀測，觀測儀器為SW40-1 型水位議。井孔含水層為三疊系法郎組灰?guī)r（圖1b），水體為裂隙承壓水，主要由地下徑流補(bǔ)給。該井對固體潮汐、氣壓效應(yīng)及某些附加應(yīng)力反應(yīng)靈敏，固體潮潮差最大為91 mm，氣壓效率為1∶5.5。根據(jù)2014 開展的溫度梯度測試，開遠(yuǎn)井水溫隨井孔深度增加，呈現(xiàn)出持續(xù)上升，不同深度差別不大。開遠(yuǎn)井水化學(xué)類型為HCO3-Ca-Na，其中Ca2+、Mg2+與Na+、K+之間有少量的陽離子置換過程[13]。該井能記錄到省內(nèi)5.0 級以上地震。

圖1 思茅大寨井和開遠(yuǎn)井井孔地質(zhì)剖面圖Fig.1 The borehle geological profile map of Simao Dazhai well and Kaiyuan well

根據(jù)圖2，開遠(yuǎn)井位于小江斷裂以東、紅河斷裂以北，這兩條均為深大斷裂，井孔所在地區(qū)屬滇東南褶皺帶。滇東南褶皺帶在古生代為穩(wěn)定的地臺發(fā)展時期，廣泛發(fā)育厚達(dá)萬米的碳酸鹽建造和部分陸屑巖建造；中生代時期轉(zhuǎn)化為地槽，沉積了巨厚的復(fù)理石建造。表明該地區(qū)地殼基底穩(wěn)定，地震活動性較弱，歷史上只發(fā)生過5 級多地震。開遠(yuǎn)井所在地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場方向為南東東[14]。

圖2 開遠(yuǎn)井和思茅井地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境Fig.2 The geological tectonic map of Kaiyuan well and Simao Well

1.2 思茅大寨井

思茅大寨井地處云南西南部普洱市思茅區(qū)城區(qū)東南，地理坐標(biāo)為東經(jīng)101°03′，北緯22°45′，井深112.27 m。該井水位觀測始于1984 年，觀測儀器為SW40-1 型水位儀。井孔7.5 m 以上為第四系殘坡積沙土層，7.5 m 以下主要為白堊系泥質(zhì)粉砂巖（圖1a）。思茅大寨井水溫隨井孔深度增加緩慢上升，在80 m 處水溫開始快速上升，表明井孔在80 m 以下流體交換較為明顯。該井成井之初的水化學(xué)類型為HCO3-Ca 型，近些年隨著周邊環(huán)境變化，2017 年背景值普查時，水化學(xué)類型已演化為HCO3-Ca-Na 型水，氫氧同位素結(jié)果顯示含水層主要為大氣降水補(bǔ)給[13]。

根據(jù)圖2，思茅大寨井位于屬深大斷裂的紅河斷裂以南、瀾滄江斷裂以東，這兩條斷裂之間屬蘭坪—思茅褶皺帶。在地質(zhì)時期，蘭坪—思茅褶皺帶一直處于構(gòu)造活動十分強(qiáng)烈的冒地槽、地槽發(fā)展，發(fā)育局厚的復(fù)理石建造、磨拉石建造、火山巖建造。該期地震活動強(qiáng)烈，歷史上6 級多地震頻繁發(fā)生。思茅大寨井所在地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場方向為南東[14]。

2 思茅大寨井與開遠(yuǎn)井水位同震響應(yīng)

2.1 思茅大寨井水位同震響應(yīng)

思茅大寨井是云南記錄同震響應(yīng)最多的井，1988—2017年共出現(xiàn)27次的同震響應(yīng)[9，19]（圖3）。

圖3 思茅大寨井部分水位同震響應(yīng)圖Fig.3 Some coseismic response diagrams of water level in Simao Dazhai well

思茅大寨井水位具有很強(qiáng)的同震響應(yīng)能力。對距離臺站5 km 范圍內(nèi)的3、4 級地震具有較高響應(yīng)率。引起思茅井水位出現(xiàn)同震響應(yīng)的地震的震級所對應(yīng)的震中距為：5.0～5.9級地震是120 km、6.0～6.9 級地震是300 km、7.0～7.0 級地震是600 km、8.0～8.9級地震3 000 km。

思茅大寨井水位同震響應(yīng)主要有以下動態(tài)特點(diǎn)：

（1）階變是思茅大寨井水位同震響應(yīng)方式，自1988年至2017年的30年中出現(xiàn)的27次同震響應(yīng)均為階變上升（表1）。

表1 思茅大寨井和開遠(yuǎn)井水位同震響應(yīng)對比一覽表Table 1 Comparison of coseismic response of water level between Simao Dazhai well and Kaiyuan well

（2）27 次同震上升階變中有16 次階變幅度達(dá)0.10 m 以上，其中1988 年11 月6 日云南瀾滄耿馬7.6、7.2級地震的同震階變幅度為0.571 m。

2.2 開遠(yuǎn)井水位同震響應(yīng)

開遠(yuǎn)井有比較明顯的同震響應(yīng)，在思茅大寨井出現(xiàn)的23 次5 級以上地震同震響應(yīng)中，開遠(yuǎn)井對其中的17 次地震發(fā)生同震響應(yīng)（圖4），對另外6次地震沒有同震響應(yīng)現(xiàn)象出現(xiàn)。

圖4 開遠(yuǎn)井水位同震響應(yīng)圖Fig.4 Some coseismic response diagrams of water level in Kaiyuan Well

開遠(yuǎn)井水位同震響應(yīng)主要有以下特點(diǎn)：

（1）開遠(yuǎn)井水位對云南及周邊300 km 范圍5 級以上地震可能出現(xiàn)同震響應(yīng)現(xiàn)象。從震中距的角度，對井震距500 km 以內(nèi)的5～7 級地震不出現(xiàn)同震響應(yīng)的比例僅50%，1 000 km 以外的8 級以上地震出現(xiàn)同震響應(yīng)比例高。

（2）開遠(yuǎn)井水位同震響應(yīng)均為階變，階變幅度與震級和井震距相關(guān)。開遠(yuǎn)井水位出現(xiàn)的最大同震響應(yīng)是井震距 為380 km 的1988 年11 月6 日瀾滄耿馬7.6、7.2 級地震的0.231 m，除此之外，2001年11 月14 日昆侖山口西8.1 級地震、2008 年5 月12日四川汶川8.0級地震、2015年4月25日尼泊爾8.1 級地震對開元井形成的同震響應(yīng)幅度分別為0.116 m、0.171 m 和0.117 m。階變幅度在0.05～0.10 m 的同震響應(yīng)7 次，其中6 級多地震2/6 次、7級多地震2/7次、8級多地震3/8次，

（3）從響應(yīng)動態(tài)角度，開遠(yuǎn)井水位同震響應(yīng)以階變下降為主。除2007年老撾6.6級地震外，開遠(yuǎn)井其余水位同震響應(yīng)均為階變下降（表1）。

3 思茅大寨井與開遠(yuǎn)井水位同震響應(yīng)動態(tài)特征及其機(jī)理分析

圖3 和圖4 分別給出了思茅大寨井和開遠(yuǎn)井記錄到的典型同震響應(yīng)。表1列出了開遠(yuǎn)井和思茅大寨井水位對23次地震的同震響應(yīng)情況。

根據(jù)圖3、圖4 和表1，開遠(yuǎn)井水位除對2007年5 月16 日老撾6.6 級地震同震響應(yīng)為階變上升、水位的上升幅度0.091 m 外，開遠(yuǎn)井水位的其他16次同震響應(yīng)均為下降階變。思茅大寨井水位出現(xiàn)的同震響應(yīng)全部為階變上升。反映出開遠(yuǎn)井和思茅大寨井水位同震響應(yīng)動態(tài)明顯不同。

開遠(yuǎn)井和思茅大寨井水位同震響應(yīng)都不隨震級、震中距、震源破裂機(jī)制不同而變化，均表現(xiàn)為同震階變，并且思茅大寨井水位一直為階變上升，開遠(yuǎn)井除2007 年老撾地震外，一直為階變下降。說明開遠(yuǎn)井和思茅大寨井水位同震響應(yīng)動態(tài)一致性明顯。

開遠(yuǎn)井水位同震階變幅度最大為0.231 m，思茅大寨井最大同震階變幅度是0.571 m。

井水位同震響應(yīng)反映地殼形變和地面震動引起地下介質(zhì)變形、孔隙梳頭、裂隙的清理等機(jī)制，響應(yīng)方式主要由井孔區(qū)地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)條件決定[15]。

地下水的動態(tài)變化是含水層系統(tǒng)受到力的作用的結(jié)果，與靜態(tài)應(yīng)力有關(guān)。水位同震響應(yīng)變化的類型和其所處區(qū)域應(yīng)力—應(yīng)變場狀態(tài)的變化有關(guān)[8]。

地下水的各種應(yīng)力響應(yīng)分為斷層位錯產(chǎn)生的靜應(yīng)力和來自地震波的動應(yīng)力，其中地震波的動應(yīng)力對水位同震響應(yīng)的影響有限。水位階梯狀變化是多孔彈性的含水層介質(zhì)對靜態(tài)應(yīng)力場的響應(yīng)，靜態(tài)應(yīng)變引起水位同震階變。對于水位動態(tài)而言，含水層受壓時上升，拉張時下降[1-3，16]。

井水位同震響應(yīng)能力和形態(tài)特征改變，可能揭示地下水動力學(xué)作用過程。井孔區(qū)區(qū)域應(yīng)力增強(qiáng)，地震波激發(fā)含水層受力發(fā)生應(yīng)變，引起含水層應(yīng)力—應(yīng)變狀態(tài)改變，導(dǎo)致含水層導(dǎo)水能力和孔隙水壓變化，從而產(chǎn)生水位階變上升[17]。

地震孕育過程影響井孔所在區(qū)域含水層應(yīng)力狀態(tài)的變化，從而影響含水層的導(dǎo)水系數(shù)。應(yīng)力增大，含水層孔隙率變小，巖石滲透性降低。含水層受張應(yīng)力作用，孔隙率變大，滲透性變強(qiáng)，導(dǎo)水系數(shù)變大，井水位記震能力可能增加[18]。

常見的井水位同震響應(yīng)是水位上降[20]，這一點(diǎn)和思茅大寨井相一致。但開遠(yuǎn)井同震響應(yīng)卻以階變下降為主，說明開遠(yuǎn)井和思茅大寨井水位同震響應(yīng)動態(tài)完全不同。

井水位同震響應(yīng)機(jī)理是復(fù)雜的。Brodsky E E[20]、Elkhoury J E[21]、Quilty E G[22]等從井孔含水層應(yīng)力、應(yīng)變角度分析了水位同震響應(yīng)機(jī)理。

Brodsky E E[20]認(rèn)為，地震導(dǎo)致的井水位變化可以解釋為靜態(tài)應(yīng)力改變，地震波作用于含水層導(dǎo)致孔隙壓力持續(xù)變化，產(chǎn)生水位階變。數(shù)百公里以外的地震可以產(chǎn)生10 cm 以上的持續(xù)性井水位變化，這種變化與井孔含水層的特征儲水量Ss有關(guān)，特征儲水量又與含水層和流體的壓縮率相關(guān)[20]：

式（1）中，ρ為水的密度，g為重力加速度，α為含水層的壓縮率，β為流體的壓縮率，ф為含水層巖石的孔隙度。

Elkhoury J E[21]認(rèn)為，地震波作用改變含水層滲透率，滲透率變化與含水層的應(yīng)變響應(yīng)有關(guān)[21]：

式（2）中，Δk為地震時的巖石滲透率變化，R為滲透率對應(yīng)變的響應(yīng)，υ為地面峰值速度的垂直分量，с為地震波相速。

構(gòu)造應(yīng)力作用不僅可以改變巖石滲透率，而且還改變巖石孔隙率[28]。作用于井孔含水層地震應(yīng)力包括靜態(tài)應(yīng)力場和動態(tài)應(yīng)力，其中靜態(tài)應(yīng)力場可能是拉張、也可能是擠壓[18]。Quilty E G[22]認(rèn)為，同震水位是上升還是下降取決于井孔地區(qū)是同震收縮還是同震膨脹，井水位的變化量應(yīng)當(dāng)與靜態(tài)應(yīng)力場振動幅度一致[22]。

水位或孔隙壓力的同震變化與地震引起的體應(yīng)變有關(guān)。含水層孔隙壓力的變化幅度ΔP與體應(yīng)變變化幅度Δε 有關(guān)，并且與井水位變化幅度Δh有聯(lián)系[15]：

式（3）中，ΔP為含水層孔隙壓力變化幅度，B為不排水條件下的平均應(yīng)力引起的孔隙壓力變化與應(yīng)力變化間的比值，Ku為體積彈性模量，Δε為體應(yīng)變變化幅度。

式（4）中Δh為井水位變化幅度，ρ為水的密度或濃度，ɡ為重力加速度。

綜上所述，井孔地區(qū)應(yīng)力應(yīng)變環(huán)境是影響井水位同震響應(yīng)動態(tài)特征的重要因素[23-26]，可以解釋開遠(yuǎn)井和思茅大寨井水位同震響應(yīng)階變相反的現(xiàn)象。開遠(yuǎn)井水位受地殼應(yīng)力應(yīng)變影響，井孔附近地區(qū)GPS觀測結(jié)果顯示開遠(yuǎn)井處于拉張狀態(tài)[27]。從現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場角度，開遠(yuǎn)井位于小江斷裂以東地區(qū)，小江斷裂以西構(gòu)造應(yīng)力場為南東向，以東為南東東，這種差異導(dǎo)致開遠(yuǎn)井孔地區(qū)張應(yīng)力形成。思茅大寨井地處紅河斷裂和瀾滄江斷裂之間的蘭坪—思茅褶皺帶，受瀾滄江斷裂以西地區(qū)北東向擠壓的構(gòu)造應(yīng)力場作用下，蘭坪—思茅褶皺帶處于擠壓狀態(tài)，也使思茅大寨井含水層處于擠壓應(yīng)力環(huán)境[14]。根據(jù)洪敏等對10 年來GPS 觀測分析，思茅大寨井孔所在地區(qū)10 年來一直處于收縮狀態(tài)，開遠(yuǎn)井地區(qū)10年來一直處于膨脹狀態(tài)。

由于開遠(yuǎn)井處于張性應(yīng)力環(huán)境，地震時地震波激發(fā)含水層張應(yīng)力，使整個含水層產(chǎn)生同震膨脹、孔隙率變大、滲透性變強(qiáng)、導(dǎo)水系數(shù)變大，導(dǎo)致井水位階變下降。相反，思茅大寨井處于壓性應(yīng)力環(huán)境，地震時地震波使擠壓狀態(tài)下的含水層孔隙擠壓，使含水層產(chǎn)生同震收縮、含水層孔隙率變小、巖石滲透性降低，導(dǎo)致井水位發(fā)生階變上升。

上述開遠(yuǎn)井和思茅大寨井水位同震響應(yīng)特征反映了兩個井孔區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場特點(diǎn)，前者以持續(xù)性張應(yīng)力作用為主，后者則一直處于持續(xù)性擠壓應(yīng)力作用。

4 結(jié)論

（1）開遠(yuǎn)井和思茅大寨井水位同震響應(yīng)動態(tài)明顯不同，同震響應(yīng)階變相反。開遠(yuǎn)井水位對2007年5 月16 日老撾6.6 級地震同震響應(yīng)為階變上升，水位的上升幅度0.091 m。除此之外，開遠(yuǎn)井水位的其他16 次同震響應(yīng)均為下降階變。與之相反，思茅大寨井水位出現(xiàn)的同震響應(yīng)全部為階變上升。反映出開遠(yuǎn)井和思茅大寨井水位同震響應(yīng)動態(tài)明顯不同。

（2）開遠(yuǎn)井和思茅大寨井水位同震響應(yīng)動態(tài)一致性明顯，同震響應(yīng)都不隨震級、震中距、震源破裂機(jī)制不同而變化，均表現(xiàn)為同震階變，并且思茅大寨井水位一直為階變上升，開遠(yuǎn)井除2007年老撾地震外，一直為階變下降。

（3）思茅大寨井水位同震響應(yīng)幅度大于開遠(yuǎn)井，其中思茅大寨井同震階變有15 次達(dá)到0.10 m以上，而開遠(yuǎn)井0.10 m以上的同震階變只有4次。

（4）開遠(yuǎn)井和思茅大寨井分別位于不同地質(zhì)構(gòu)造單元，其中開遠(yuǎn)井位于地殼基底穩(wěn)定、構(gòu)造活動較弱、地震活動水平較低的滇東南褶皺帶，井孔所在地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場方向為南東東。思茅大寨井位于地質(zhì)時期構(gòu)造運(yùn)動十分強(qiáng)烈、歷史上6級多地震頻發(fā)的蘭坪—思茅褶皺帶，井孔所在地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場方向為南東。震源機(jī)制和GPS觀測結(jié)果顯示，思茅大寨井所在地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力為擠壓，開遠(yuǎn)井則處于拉張環(huán)境。井孔地區(qū)應(yīng)力-應(yīng)變環(huán)境差異是開遠(yuǎn)井和思茅大寨井水位同震響應(yīng)動態(tài)差異的主要原因，由于思茅大寨井處于擠壓環(huán)境，其同震響應(yīng)表現(xiàn)為一致的階變上升；而開遠(yuǎn)井處于拉張環(huán)境，其同震響應(yīng)表現(xiàn)為一致的階變下降。由構(gòu)造活動和地震活動水平反映出的構(gòu)造應(yīng)力強(qiáng)度差異可能是開遠(yuǎn)井和思茅大寨井同震階變幅度差異的原因之一。