云南数字化井水位对玛多Ms7.4地震同震响应特征分析

段胜朝，张山元，番绍辉，孙自刚，杨铭昌

(云南省地震局腾冲地震监测中心站，云南 腾冲 679100)

0 引 言

自20 世纪 70 年代我国在北京洼里井第一次观测到水震波起，地震引起的井水位同震响应研究一直是地学界许多研究人员非常关注的热点问题，不同学者从“一井多震”、“一震多井”和“多井多震”的角度对井水位的同震响应特征和响应机理进行了大量研究[1-9]。例如，刘耀炜等根据大陆地下流体台网对2004年12月26日苏门答腊地震的同震响应资料，分析得到了水位同震响应特征的基本类型[4]。莫佩婵等利用全球 5 级以上地震资料分析了广西桂平西山井的井孔记录水震波的能力、水震波形态特征及影响因素，初步探讨了西山井同震响应的机理，认为含水层介质受瑞利面波作用会发生体积变化，导致水位振荡，是形成振荡型水震波的可能机理[8]。车用太等对远震引起井水位同震响应振荡变化的作用机理进行了研究和阐述[5]。向阳等利用秒钟值数据对井水位同震响应机理进行了分析，认为同震响应形态与地震波作用过程中引起的含水层水文参数变化有关[7]。这些成果对于井水位同震响应研究工作的开展具有较好的指导作用。

北京时间2021年5月22日，青海省玛多县(34.59°N，98.34°E)发生Ms 7.4地震，震中距云南1 000 km左右。此次地震引起云南地区一定范围内的数字化井水位产生了同震响应。本文收集整理云南省现有在库正常观测的井水位观测数据对青海玛多Ms 7.4地震的同震响应记录情况，分析了井水位同震响应空间分布和同震水位变化形态特征，分析了井震距、地震能量密度、观测仪器采样率等因素对井水位同震响应能力差异性的影响，并对水位同震响应机理进行了讨论。

1 云南省数字化水位井网观测概况

通过对云南省地球物理台网“十五”数据库和“十项措施”数据库水位观测项目查询统计，2021年以来，云南省地下流体数字化水位观测井网共有57口井(静水位36口井，动水位21口井)正常在网观测，其空间分布如图1所示。水位观测仪器主要型号有LN-3A型数字水位观测仪、SWY-Ⅱ型数字化水位观测仪、ZKGD-3000水位水温综合观测仪，采样率为1次/分钟，入库保存为分钟值数据。SWY-Ⅱ型数字化水位观测仪还可以进行秒采样，会自动生成秒钟值数据文件，但秒种植数据保存时间较短且不能直接入库使用，需要手动下载保存和转换格式后才能使用，非常不方便。因此，本文选用水位分钟值观测数据为基础对青海玛多Ms 7.4地震引起的云南数字化井水位同震响应特征进行分析。

图1 云南省数字化水位观测井分布

2 井水位同震响应特征分析

2021年5月22日青海玛多Ms 7.4地震发生前后，云南省有57口井水位观测仪器工作正常，观测数据连续可靠，水位动态变化背景相对稳定。通过对这57口井水位分钟值观测数据进行分析，发现青海玛多Ms 7.4地震时云南省共有27口观测井水位清晰记录到同震响应，其同震响应变化幅度都在0.005 m以上。经统计，记录到同震响应的观测井占总观测井的47.4%。其中静水位井19口，占总静水位观测井的52.8%；动水位井9口，占总动水位观测井的42.9%(图2)。将其水位同震响应变化特征进行归纳整理列于表1所示，同震响应观测井分布如图1所示，图中黑色方型图标表示记录到青海玛多Ms 7.4地震同震响应的观测井所在位置。

图2 青海玛多Ms 7.4地震云南数字化水位同震响应情况统计

2.1 同震响应观测井分布特征

在青海玛多Ms 7.4地震发生前的2021年5月21日21时48分，云南漾濞(25.67°N，99.87°E)发生了Ms 6.4地震，漾濞Ms 6.4地震引起震中周围200 km范围内13口水位观测井产生同震响应。由图1可知，云南数字化水位对青海玛多Ms 7.4地震产生同震响应的观测井主要分布在小江断裂带两侧及其附近地区，漾濞地震震中周围200 km范围内，多数水位观测井孔未记录到青海玛多地震。分析认为，这可能是由于漾濞地震震源应力场对震中周围200 km范围内区域应力场的加载作用导致这个范围内区域应力状态调整，从而造成井孔记震能力减弱或消失，所以青海玛多地震时这些区域很少记录到水位同震响应。

图3 青海玛多Ms 7.4地震云南井水位同震响应变化形态

2.2 井水位同震响应变化形态特征

由表1可知，云南数字化水位分钟值数据记录到青海玛多Ms 7.4地震的同震响应根据其动态变化可分为振荡—复原型、阶变(缓变)型和振荡伴随阶变型三种变化类型，以振荡—复原型为主，如图3所示。其中18口井记录为振荡—复原型，7口井记录为阶变(缓变)型，2口井记录为振荡伴随阶变型变化。振荡—复原型表现为水位受地震影响产生振荡变化的水震波，振荡幅度随时间的增加逐渐减弱，一定时间后水位恢复到震前的动态背景值。阶变(缓变)型表现为水位受地震影响产生台阶(缓慢)上升或台阶(缓慢)下降变化，以阶升为主，短时间内不会恢复到震前的动态背景值。振荡伴随阶变型表现为水位受地震影响先产生短时振荡变化，随后产生台阶上升或台阶下降变化，之后振荡恢复至正常动态变化形态，但不会恢复震前的动态背景位置，而是残留一个水位台阶。

2.3 井水位同震响应变化幅度与井震距的关系

Roeloffs对井水位的同震响应幅度(Δh)与震级(M)和井震距(D)的关系进行了统计[10]，得到如下公式：

lgΔh = b1M+ b2lgD + a

(1)

其中，a、b1、b2为常数。根据公式(1)，许多研究人员利用不同的数据进行了大量的分析研究[11-13]，结果表明，井水位的同震响应幅度随着震级的增大而增大，随着井震距的增大而减小。对于青海玛多Ms 7.4地震，当公式(1)中的震级M不变，即为常数后，同震响应变化幅度的关系可简化为：

lgΔh = BlgD +A

(2)

其中，A、B为常数，A=a+b1M，B=b2。运用多元线性回归方法，将表1中同震响应幅度(Δh)和井震距(D)的关系运用公式(2)进行拟合，各参量之间并不存在明显统计关系，绘制lgΔh与lgD关系如图4所示，可见井震距和同震响应幅度无明显相关关系。这可能是由于各观测井井震距较接近，井间距远小于井震距，地震对云南各观测井水位影响程度相差不大造成的，表明云南省各水位观测井对青海玛多Ms 7.4地震同震响应幅度的差异性影响不大。

图4 同震响应幅度与井震距的关系散点图

3 地震能量密度的影响

地震能量密度(e)表示地震波在传播过程中作用在单位体积地层介质上的最大能量值，它与地震震级(M)和震中距(r)密切相关[14]：

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

(3)

由式(3)可知，地震能量密度随着震级的增大而增大，随着震中距的增大而减小。对于全球数据，触发持续性地下水位响应的地震能量密度(e)为10-3J·m-3；对于青海玛多Ms 7.4地震，将表1中各同震响应观测井的井震距和震级7.4 代入式(3)计算，得到各观测井的地震能量密度如图5所示。由图5可知，青海玛多Ms 7.4地震的地震能量密度随着井震距的增大而逐渐减小，各观测井能量密度均大于10-3J·m-3。

将青海玛多地震震级7.4和基于全球数据的地震能量密度(e)值10-3J·m-3代入式(3)，得到青海玛多Ms 7.4地震引起云南井水位产生同震响应的最大井震距理论极限是1 387 km，理论上1 387 km范围内的观测井都能记录到青海玛多Ms 6.4地震的同震响应，即云南绝大多数观测井都能够记录到青海玛多Ms 7.4地震的同震响应。而实际上有27口井记录到同震响应，最远的观测井井震距是1 356 km，且1 356 km范围内也有26口观测井没有记录到同震响应，表明井水位的同震响应能力与地震能量密度有关，但不是唯一因素。

图5 地震能量密度与井震距的关系

4 观测仪器采样率的影响

廖丽霞等通过对不同采样率水位同震响应能力及其特征分析，认为不同采样率仪器记录水位同震响应存在很大差异，不但形态特征上明显不同，响应能力及响应幅度也差别很大[15]。目前，云南省有部分井孔水位观测采用SWY-II 型数字水位仪，具备秒采样功能，但数据收集不方便。通过云南地震台地球物理研究室下载保存的全省水位秒钟值数据，共收集到青海玛多Ms 7.4地震时16口井的水位秒采样数据。这16口井分别是楚雄、德宏、洱源、建水、剑川、昆明台、泸西、勐腊、孟连、弥渡、姚安、永胜、元谋、昭通、师宗、麒麟，其中德宏、建水、昆明台、泸西、麒麟、师宗、永胜、昭通共8口井水位分钟值、秒钟值都记录到同震响应变化(如图6德宏井至师宗井所示)，楚雄、姚安、勐腊3口井分钟值未记录到或记录不清晰而秒钟值明显记录到同震响应变化，但同震响应持续时间只有几秒至几十秒(如图6楚雄井至勐腊井所示)，孟连、弥渡、洱源、剑川、元谋共5口井分钟值、秒钟值均未记录到同震响应变化。由图6可知，秒钟值记录的水位动态变化更为完整，同震响应幅度相对较大，分钟值记录的水位同震变化则存在失真现象。因此部分观测井分钟值数据未记录到同震响应可能是仪器采样率不够所致，而其秒钟值记录同震响应的时间较短可能与观测井—含水层系统、井孔所在位置的水文地质条件和区域地质构造条件有关。

5 水位同震响应机理讨论

云南井水位分钟值数据记录到青海玛多Ms 7.4地震的同震响应形态可分为振荡—复原型、阶变(缓变)型和振荡伴随阶变型三种变化类型，以振荡—复原型变化为主，有18口井记录为振荡—复原型，7口井记录为阶变(缓变)型，2口井记录为振荡伴随阶变型变化。

对于远震引起井水位振荡—复原型同震响应变化的作用机理，已有学者做了很多研究，一般认为，井水位对远震产生同震响应的作用机理是，受地震波影响，含水层出现压缩与膨胀，产生相互交替的变形，使得含水层孔隙压力升降交替，含水层的水在井与含水层间交替流动(含水层到井，井到含水层)，最终表现为井孔内水柱的反复升降变化，即井水位的振荡变化[2，5]。分析认为，青海玛多Ms 7.4地震距云南数字化水位观测井井震距在1 000 km左右，且多数在1 000 km以上，属于远震影响，井水位振荡—复原型同震响应变化可以用上述机理解释，即青海玛多Ms 7.4地震发生后，地震波传播到云南境内，受地震波作用影响，这些观测井含水层发生压缩与膨胀相互交替的弹性变形，使得含水层内孔隙介质体积发生压缩与膨胀的交替变化，从而造成水位振荡变化；地震波传播过后，含水层弹性变形消失，井—含水层系统快速恢复初始状态，水位振荡随之消失，恢复到震前动态水平。

图6 青海玛多地震水位分钟值与秒钟值对比曲线(图中黑色线为分钟值，灰色线为秒钟值)

对于远震引起井水位阶变(缓变)型同震响应变化的作用机理，目前没有统一的定论。付虹等通过研究云南水位对印尼巨大地震的同震效应，认为大震引起的水位上升和下降可能是地震波的作用改变了构造单元的应力所致，并与井点的地质构造部位有关[16]；在区域应力场和地震波传播的附加应力场的综合作用下，引起井孔含水层的震后应力调整，因此出现了水位上升或者下降的变化。孙小龙等认为地震波作用可导致井孔含水层岩体介质发生形变，进而促使孔隙压力发生变化，岩体介质孔隙压力改变后会有压力弥散及恢复的过程[17]。此过程即为含水层系统中水流调节的过程。如果这种调节作用持续时间较长，那么井—含水层系统的水流状态不会在短时间内趋于稳定，则观测井水位是一个持续变化的过程，如曲靖井水位震后持续缓慢上升变化；如果含水层岩体结构在地震波作用下发生了塑性形变，那么井—含水层系统内水流会在短时间内达到新的平衡，体现在水位变化形态上就是阶变，如昭通渔洞井、弥勒井、宣威井水位阶升及沾益井水位阶降同震响应变化。

对于远震引起井水位振荡伴随阶变型同震响应变化的作用机理，分析认为，振荡伴随阶变型同震响应形态的井孔总是先记录到水位振荡，然后才产生阶变，这是因为远震发生后，地震波作用使观测井含水层岩体介质发生压缩与膨胀相互交替的弹性变形，当周期性的地震波持续加载使含水层岩体介质弹性变形达到一定程度时，含水层岩体介质转为塑性变形。表现在水位上就是由于弹性变形先记录水位振荡，转为塑性变形时则记录到水位阶变变化。

上述这些作用机理分析在一定程度上能够解释青海玛多Ms 7.4地震引起云南数字化井水位同震响应各种变化形态的形成原因。但每一口井记录的水位同震响应还有细微的差别，同一井孔水位分钟值与秒钟值同震响应形态也不尽相同，若要对其同震响应机理进行深入分析，则可能需要结合各观测井水位仪器的采样率、水位同震变化形态、观测井的井含水层系统、井区地质构造条件、水文地质条件和井区应力状态进行综合分析。

6 认识与讨论

通过云南数字化井水位分钟值数据对青海玛多Ms 7.4地震同震响应特征进行分析，并分析了地震能量密度和观测仪器采样率对井水位记录地震能力的影响，然后对水位同震响应机理进行分析讨论，得到了以下几点认识：

(1)青海玛多Ms 7.4地震，云南数字化井水位记录到同震响应的观测井为27口，占总观测井的47.4%，水位同震响应观测井主要分布在小江断裂带两侧及其附近地区。漾濞地震震中周围200 km范围内，大多数水位观测井未记录到青海玛多地震，原因可能是漾濞地震对震中周围的观测井水位记震能力产生了影响。

(2)云南数字化井水位对青海玛多Ms 7.4地震同震响应形态根据其动态变化可分为振荡—复原型、阶变(缓变)型和振荡伴随阶变型三种变化类型，以振荡—复原型变化为主。

(3)云南各观测井水位对青海玛多Ms 7.4地震同震响应表现出一定的差异性，这与井震距、地震能量密度、观测仪器采样率、井-含水层系统等因素有关，在进行相关分析时需综合考虑这些因素对井水位同震响应的影响程度。

(4)秒钟值记录的水位动态变化更为完整，同震响应幅度相对较大，分钟值记录的水位同震变化则存在失真现象。部分观测井水位分钟值数据未记录到同震响应可能是由于仪器采样率不够所致。而其秒钟值记录同震响应的时间较短，可能与观测井—含水层系统、井孔所在位置的水文地质条件和区域地质构造条件有关。但是，目前水位秒钟值数据收集和使用存在不方便因素，秒钟值使用功能有待生产厂家改进。

(5)青海玛多Ms 7.4地震引起云南各观测井水位同震响应变化可以用弹性理论来进行解释，只是由于各观测井井—含水层介质对地震波的响应程度不同，有的产生弹性变形表现为震荡—复原变化，有的产生塑性变形表现为阶变变化，有的介于二者之间有个渐变的过程而产生震荡伴随阶变的变化。

致谢：在项目实施和论文撰写过程中得到云南省地震台张立老师的悉心指导，审稿专家和编辑部老师对本文提出了宝贵的建设性修改意见，在此一并感谢。