山西洪洞井水位對遠(yuǎn)場大震的響應(yīng)特征分析

李穎 殷偉偉 胡玉良 程冬焱 穆慧敏

1）山西省地震局，太原市舊晉祠路二段69號 030021

2）太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國家野外科學(xué)觀測研究站，太原市晉源區(qū)太原基準(zhǔn)地震臺(tái) 030025

0 引言

井含水層系統(tǒng)對地震波有天然的放大效能（陳大慶等，2006），一次大震發(fā)生后，所產(chǎn)生的能量能夠引起遠(yuǎn)場觀測井孔的水位變化。1899年，意大利一口深井最早記錄到遠(yuǎn)震波引起的水位振蕩。20世紀(jì)70年代北京洼里井首次觀測到水震波。地下水位的同震變化，反應(yīng)了地殼變形和地面震動(dòng)引起地下介質(zhì)貯層變形、孔隙疏通、裂縫的清理、產(chǎn)生裂縫等機(jī)理（孫小龍，2007）。針對遠(yuǎn)場大震引起的地下流體同震響應(yīng)現(xiàn)象，眾多學(xué)者進(jìn)行了研究（Cooper et al，1965；Wakita，1975；敬少群等，2001；舒優(yōu)良等，2003；楊竹轉(zhuǎn)等，2007；張清秀等，2007；Wang et al，2009；顧申宜等，2011）。

經(jīng)整理分析山西洪洞井自2013年8月數(shù)字化更新改造以來的井水位觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該井水位在多次遠(yuǎn)場大震發(fā)生時(shí)均有明顯的同震響應(yīng)。本文研究了該井水位2013年9月～2016年12月的同震異常變化記錄圖形，綜合分析了不同方位遠(yuǎn)場大震的響應(yīng)能力及基本特征，并在前人提出的同震響應(yīng)機(jī)理的基礎(chǔ)上，結(jié)合洪洞井實(shí)際觀測資料，對洪洞井水位同震變化的可能機(jī)理進(jìn)行了解釋。

1 洪洞井概況

山西洪洞井位于洪洞縣廣勝寺鎮(zhèn)板塌村北20m，井孔地理坐標(biāo)為36.3°N，111.75°E。井口海拔高度為500m。井孔位于霍山斷裂西側(cè)約5km處，附近有NW向斷層通過（圖1）。該井成井于 1983年，完鉆深度 423m，現(xiàn)有井深 423.03m，套管下設(shè)深度 370m，套管直徑127mm，濾水管部位深 180～366m。觀測段為 178.45～368.09m，觀測層厚度大，透水性強(qiáng)。含水層巖性為下更新流砂礫層，含水層類型為承壓構(gòu)造水?，F(xiàn)水位埋深4.015m，為靜水位觀測。水溫常年保持在19℃左右。該井補(bǔ)給區(qū)為東部山區(qū)及以東5km的霍泉，不受大氣降水和地表水的直接影響，具有明顯的固體潮汐效應(yīng)和氣壓效應(yīng)。

圖1 洪洞地震觀測站地形地質(zhì)構(gòu)造

先后有SW 40-1型水位自記儀、SW-3型、SW-5型、ZKGD2000型等儀器用于洪洞井地下流體觀測。洪洞井于2013年8月進(jìn)行了數(shù)字化觀測技術(shù)改造，安裝了北京中科光大自動(dòng)化設(shè)備有限公司生產(chǎn)的ZKGD3000-N型地下流體監(jiān)測設(shè)備。該套設(shè)備是水位、氣壓、水溫綜合觀測系統(tǒng)，能夠同時(shí)采集觀測井的水位、氣壓和水溫?cái)?shù)據(jù)，其水位精度達(dá)0.001m，分辨率優(yōu)于1mm。改造后的觀測資料表明，ZKGD3000-N水位儀干擾少，性能穩(wěn)定，故障率低，幾乎未出現(xiàn)過高頻毛刺和大幅突跳變化、數(shù)據(jù)階變等現(xiàn)象，觀測資料連續(xù)率和完整率較高，數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。

2 井水位基本變化特征

圖2為洪洞井水位動(dòng)態(tài)曲線。由圖2可見，洪洞井?dāng)?shù)字化水位分鐘值曲線顯示固體潮日變清晰，其固體潮呈現(xiàn)出了明顯的日波和半日波變化形態(tài)；氣壓正常動(dòng)態(tài)為夏高冬低型，與水位呈正相關(guān)；水位動(dòng)態(tài)無年變周期，多年動(dòng)態(tài)變化較平穩(wěn)，表現(xiàn)為趨勢性下降，沒有明顯的季節(jié)特征。

圖2 洪洞井水位動(dòng)態(tài)曲線

3 水位同震響應(yīng)及特征分析

2013年9月～2016年12月全球發(fā)生MS≥7.5地震29次（目錄來自中國地震信息網(wǎng)），洪洞井水位記錄到18次不同程度的遠(yuǎn)場大震同震曲線，響應(yīng)率約62.1%，這為水位同震響應(yīng)研究提供了豐富的資料。洪洞井水位對遠(yuǎn)場大震的同震響應(yīng)形態(tài)特征見表1。典型同震響應(yīng)曲線見圖3。

表1 遠(yuǎn)場大震引起的洪洞井水位變化統(tǒng)計(jì)

3.1 記震能力

通過對表1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)洪洞井水位對地震波的響應(yīng)能力有明顯方向性，對于來自不同方向的地震，該觀測井的記震能力有所不同。2013年9月～2016年12月，全球共發(fā)生MS≥7.5地震29次，其中18次發(fā)生在環(huán)太平洋地震帶上，洪洞井水位記錄到12次；10次發(fā)生在井孔西南方向，該井水位記錄到5次；還有1次同震響應(yīng)發(fā)生在觀測井西北方向的陸地上。表1顯示，在18次同震響應(yīng)中，對于發(fā)生在環(huán)太平洋地震帶的大多數(shù)遠(yuǎn)場大震，該井水位有較好同震響應(yīng)；對于井孔西北方向上震級相同的地震，其響應(yīng)能力明顯減弱；對于來自井孔東南、西南方向的地震響應(yīng)更清晰，響應(yīng)幅度大，響應(yīng)時(shí)刻早，持續(xù)時(shí)間長。2015年10月26日興都庫什地區(qū)MS7.8地震與2016年7月30日馬里亞納群島MS7.8地震井震距、震源深度相近，洪洞井水位對來自井孔東南方向的馬里亞納群島MS7.8地震比西北方向的興都庫什MS7.8地震的同震響應(yīng)時(shí)刻早，持續(xù)時(shí)間長，響應(yīng)幅度明顯偏大。通過分析井孔周圍地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境，發(fā)現(xiàn)該觀測井附近有NW向斷層通過，因此這一現(xiàn)象的產(chǎn)生可能受井孔所在斷層方位對井水位同震響應(yīng)能力的影響，此外也不排除與地震發(fā)生的構(gòu)造部位不敏感等因素有關(guān)。由于本文所收集的觀測井在西北方向上的震例有限，此原因有待于進(jìn)一步探討。

我們注意到，表1中有3組同一地區(qū)不同震級、相隔時(shí)間較短的成對出現(xiàn)的地震，分別是2014年4月2日智利MS8.2地震與2014年4月13日04：14所羅門群島MS7.8地震、2014年4月13日20：36所羅門群島MS7.7地震與2014年4月3日智利MS7.9地震、2015年4月25日尼泊爾MS8.1地震與2015年5月12日尼泊爾MS7.5地震，每對地震前一次引起的同震響應(yīng)要比后一次靈敏，響應(yīng)時(shí)間較早，同震響應(yīng)幅度更大，持續(xù)時(shí)間更長。對于這種現(xiàn)象可解釋為：洪洞井水位對地震波的響應(yīng)可能受本地應(yīng)力狀態(tài)的影響，前次地震引起了洪洞井區(qū)的應(yīng)力變化，由于相隔時(shí)間較短，在下一次地震發(fā)生時(shí)，洪洞井區(qū)應(yīng)力狀態(tài)未恢復(fù)到正常的背景狀態(tài)，震后的應(yīng)力釋放降低了觀測井含水層系對間隔時(shí)間較短地震的響應(yīng)能力（楊從杰等，2009；顧申宜，2011）。

圖3 洪洞井水位典型同震響應(yīng)曲線

3.2 形態(tài)特征

由圖3不難發(fā)現(xiàn)，無論地震方位和震源機(jī)制解如何，洪洞井水位對遠(yuǎn)場大震的同震響應(yīng)形態(tài)總是以振蕩型或振蕩伴隨階變型為主，表現(xiàn)為水面上下波動(dòng)，波動(dòng)逐漸停止后水位仍沿震前的正常形態(tài)變化。洪洞井水位對不同遠(yuǎn)場大震的同震響應(yīng)時(shí)刻不同，持續(xù)時(shí)間不等，水位變化幅度大小也不一致。洪洞井水位一般在地震發(fā)生后2～48m in出現(xiàn)振蕩，持續(xù)時(shí)間從幾分鐘到幾十分鐘不等，隨后恢復(fù)到原來水位值；水位最大變化幅度范圍在4.9～165mm。其中，2015年9月17日智利中部沿岸近海8.2級地震同震響應(yīng)幅度最大，水位最大變化幅度為165mm，是正常日變幅度的5倍；2015年4月25日尼泊爾8.1級地震同震響應(yīng)時(shí)刻最早，震后約2m in快速接收到同震變化信息；2014年4月2日智利北部沿岸遠(yuǎn)海8.2級地震同震響應(yīng)持續(xù)時(shí)間最長，整個(gè)振蕩過程持續(xù)約83min。

3.3 初動(dòng)特征

研究發(fā)現(xiàn)，觀測井水位振蕩變化的初始方向有一定的規(guī)律性，以上升為主。除2013年11月17日斯科舍海MS7.8、2014年4月13日所羅門群島MS7.8、2014年4月19日巴布亞新幾內(nèi)亞MS7.6和2015年5月30日日本小笠原MS8.0等地震時(shí)水位的初始變化表現(xiàn)為下降外，其余地震水位的初始變化均為上升。以2013年9月24日巴基斯坦MS7.8地震為例，地震發(fā)生后約14min，井水位出現(xiàn)振蕩，初動(dòng)方向?yàn)樯仙仙燃s4.1mm。當(dāng)?shù)卣鸩ǖ竭_(dá)井含水層系統(tǒng)時(shí)，該含水層在彈性波作用下發(fā)生拉張與壓縮的交替變形，致使水位發(fā)生上下起伏振蕩變化。井水位作為一種靈敏的應(yīng)力應(yīng)變儀，其升降變化在一定程度上體現(xiàn)了介質(zhì)受力作用程度?？紫端畨簷C(jī)理為：若巖石受到擠壓，則孔隙率變小，而孔隙水壓變大，水流由含水層向井孔流動(dòng)，致使水位上升（張清秀等，2007）。因而，由洪洞井所表現(xiàn)的同震響應(yīng)初始變化以水位上升居多，可推測當(dāng)?shù)卣鸩ń?jīng)長距離的傳播，經(jīng)過該井所處的含水層時(shí)，巖石首先受到擠壓應(yīng)力的作用。

3.4 同震響應(yīng)的幅度、時(shí)刻與井震距、震級的關(guān)系

由表1水位同震響應(yīng)參數(shù)統(tǒng)計(jì)可知，井水位同震變化幅度與井震距關(guān)系不明顯。2015年9月17日智利MS8.2地震震中距（19403km）最大，其水位變化幅度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于震中距（2589km）最小的2015年5月12日尼泊爾MS7.5地震。

井水位同震變化幅度與震級的相關(guān)性也較差。在洪洞井所記錄的同震響應(yīng)中，2014年4月2日智利MS8.2地震和2015年9月17日智利MS8.2地震，震源深度相近，而洪洞井水位響應(yīng)幅度分別為10.3、165mm，由此可見，同樣震級地震引起的水震波振幅也差別很大。這說明在一定的震中距范圍內(nèi)，水位振蕩幅度與震級的關(guān)系還受諸如井-含水層系統(tǒng)自身特性、井區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、震源方位、震源機(jī)制以及地震波的傳播途徑等其他因素的影響，還可能與洪洞井水位逐年下降、井區(qū)應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化有關(guān)。

研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)震級相近時(shí)，井震距越小，洪洞井水位同震響應(yīng)時(shí)刻越早；反之，亦然。從表1中統(tǒng)計(jì)的8次MS7.8地震可以看出，2013年11月17日斯科舍海MS7.8地震井震距最大，洪洞井水位對其響應(yīng)時(shí)刻最晚，震后約44m in水位出現(xiàn)振蕩變化。

進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)回歸分析結(jié)果顯示（圖4），洪洞井水位同震響應(yīng)時(shí)間T0與井震距D之間存在很好的相關(guān)性，滿足如下非線性關(guān)系式

圖4 同震響應(yīng)時(shí)刻與井震距間的關(guān)系

相關(guān)系數(shù)R2＝0.92。式（1）表明，同震響應(yīng)時(shí)間與井震距符合對數(shù)關(guān)系，即隨著井震距的增大，同震響應(yīng)時(shí)間也在增大，這說明井震距的大小決定洪洞井水位對地震響應(yīng)時(shí)刻的快慢。

4 水震波的同震響應(yīng)機(jī)理

人們對水位記震能力的研究始于水震波，水震波是普遍存在的水位微動(dòng)態(tài)之一。不同的水位變化形態(tài)其同震響應(yīng)機(jī)理不同，對于水震波的機(jī)理研究，前人已取得很多重要成果。Cooper等（1965）研究了地震引起的井水位振蕩現(xiàn)象，認(rèn)為地震波引起含水層擴(kuò)張和壓縮從而引起孔隙壓振蕩，當(dāng)含水層導(dǎo)水性足夠大時(shí)，孔隙壓的振蕩會(huì)引起地下水流入或流出井孔，從而引起井水位的振蕩；任何類型的能夠造成體膨脹或垂直運(yùn)動(dòng)的地震波都能引起井水位的波動(dòng)。Wakita（1975）提出同震彈性應(yīng)變模型，認(rèn)為大地震引起的同震應(yīng)力-應(yīng)變變化使飽和巖石微裂隙張開或閉合，導(dǎo)致孔隙體積增大或減小，從而使與含水層相連的井孔水位發(fā)生變化。張子廣等（1999）認(rèn)為引起水位振蕩的地震波有P波、垂直方向的偏振橫波S波以及由此兩種波組成的瑞利面波，它們可造成傳播介質(zhì)體積的變化。敬少群等（2001）通過研究長沙井動(dòng)水位對1999年9月21日臺(tái)灣集集MS7.6地震的震時(shí)效應(yīng)認(rèn)為，地震發(fā)生時(shí)地震應(yīng)力波作用于含水層，使含水層的流體壓力及有效應(yīng)力發(fā)生變化，周期作用的應(yīng)力波是井口水位產(chǎn)生振蕩變化的原因。舒優(yōu)良等（2003）對周至深井水震波數(shù)字化記錄與地震波記錄作了對比研究，認(rèn)為引起井水位振蕩的原因主要不是地震波在觀測井含水層中傳播引起的，而是地震波使井孔含水層固體骨架發(fā)生周期性彈性形變擠壓水體形成的。

總的來說，目前對地震波引起水位振蕩的解釋已經(jīng)比較明確。分析洪洞井的實(shí)際情況，無論地震來自哪個(gè)方向，震級如何，力學(xué)機(jī)制如何，該井水位的同震響應(yīng)曲線總是表現(xiàn)為振蕩型，與眾多學(xué)者研究過的其它同震水位振蕩的井孔情況基本一致。本文綜合分析了前人對水位振蕩的機(jī)理研究，利用相同原理可分析洪洞井水位同震效應(yīng)中井水位振蕩的微動(dòng)態(tài)形成機(jī)制：當(dāng)?shù)卣鸩ㄍㄟ^含水層時(shí)，含水層中發(fā)生交替的彈性壓縮與膨脹變形，引起含水層內(nèi)孔隙壓力發(fā)生升降交替，導(dǎo)致井與含水層間交替產(chǎn)生從含水層到井、從井到含水層的水流運(yùn)動(dòng)，最終表現(xiàn)為井孔內(nèi)水柱的反復(fù)升降變化，即井水位高頻振蕩。

早期研究發(fā)現(xiàn)，井水位振蕩變化與長周期的瑞利波有關(guān)，然而一些野外觀測數(shù)據(jù)揭示了一直被人們忽視的S波和勒夫波也能引起井水位的振蕩現(xiàn)象（Wang et al，2009）。為進(jìn)一步研究洪洞井水位同震響應(yīng)與地震波之間的關(guān)系，選取距洪洞井較近的臨汾地震臺(tái)（36.08°N，111.37°E）的地震波形記錄，收集其P波、S波和最大面波R的到時(shí)信息，與洪洞井相應(yīng)的同震響應(yīng)記錄進(jìn)行對比分析（圖3）。洪洞井水位觀測采用NTP時(shí)間同步技術(shù)，提供高精準(zhǔn)度的時(shí)間校正（局域網(wǎng)與標(biāo)準(zhǔn)間差之間小于1毫秒，廣域網(wǎng)與標(biāo)準(zhǔn)間差之間小于幾十毫秒），能夠滿足與地震波對比的精度。我們注意到，在統(tǒng)計(jì)的產(chǎn)生同震響應(yīng)的18次地震中，2015年4月25日尼泊爾MS8.1、2015年5月12日尼泊爾MS7.5（圖5）和2015年5月30日日本小笠原MS8.0地震在P波之后、S波到達(dá)之前水位開始振蕩，其余地震在S波到達(dá)之后水位發(fā)生振蕩（圖6），特別是2016年11月13日新西蘭MS8.0地震水位同震響應(yīng)時(shí)刻發(fā)生在最大面波到達(dá)之后（圖7）。這說明引起洪洞井水位同震響應(yīng)的地震波主要是S波，部分是P波、面波；因此，水位響應(yīng)時(shí)刻可能受地震震級和震中距影響，當(dāng)震級足夠大且距離較近時(shí)，首先到達(dá)的P波即可引起水位振蕩。且由圖3可以發(fā)現(xiàn)，S波引起的水位幅度變化要小于P波，而面波引發(fā)的水位幅度變化最大。這個(gè)結(jié)果與Wang等（2009）、顧申宜等（2011）的研究結(jié)果一致，而與Cooper等（1965）、汪成民等（1983）的研究結(jié)果有所不同，即水位振蕩主要由周期為15～20s的面波引起；這種現(xiàn)象可能是由于不同觀測井的井-含水層條件不同，從而對不同頻帶地震波的響應(yīng)能力存在差異造成的。

圖5 2015年5月12日洪洞井水位同震響應(yīng)曲線與相應(yīng)地震波形對比

圖6 2015年12月17日洪洞井水位同震響應(yīng)曲線與相應(yīng)地震波形對比

綜合以上分析，洪洞井水位對遠(yuǎn)場大震的響應(yīng)機(jī)理可能是：由于受到7.5級以上強(qiáng)震S波或面波的激發(fā)，引起含水層的瞬時(shí)變形，致使含水層內(nèi)孔隙壓力發(fā)生升降交替變化，造成井-含水層水流的交替運(yùn)動(dòng)，最終引起井水位的振蕩。

圖7 2016年11月13日洪洞井水位同震響應(yīng)曲線與相應(yīng)地震波形對比

5 討論和結(jié)論

本文統(tǒng)計(jì)分析了洪洞井自2013年8月以來的多次同震響應(yīng)資料，研究井水位同震變化特征，得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

（1）根據(jù)已有震例總結(jié)，洪洞井水位對全球MS≥7.5遠(yuǎn)場大震較為敏感，其中對來自井孔東南方向的所羅門群島、智利等環(huán)太平洋地震帶以及尼泊爾、巴基斯坦等地中海-喜馬拉雅地震帶的地震有較好的記錄能力。對比距洪洞井37.8km的臨汾地震觀測站（36.07°N，111.50°E）井水位觀測，在本文收集的震例中，該臺(tái)站的ZKGD3000-N水位儀僅記錄到2015年4月25日尼泊爾MS8.1地震，顯然其記震能力遠(yuǎn)低于洪洞井。分析認(rèn)為，洪洞井水位記震能力的大小可能與井-含水層系統(tǒng)的固有頻率、水流調(diào)節(jié)能力等多種條件有關(guān)，與觀測儀器的記錄能力關(guān)系不大。

（2）不同方位、震級、震中距的地震，臺(tái)站觀測條件未發(fā)生變化，洪洞井水位對地震的響應(yīng)方式一致，均表現(xiàn)為振蕩或振蕩伴隨階變，且振蕩階變的初始方向以上升為主。這種現(xiàn)象說明地震波可能只起到觸發(fā)作用，水位振蕩與觸發(fā)源方向無關(guān)、與應(yīng)力場相關(guān)性不大，其固有的響應(yīng)方式主要是由觀測井局部的地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)條件決定的。

（3）洪洞井水位水震波記錄幅度與震級、震中距不完全符合一定的定量關(guān)系，還可能與震源深度、震源機(jī)制、地震波傳播路徑等因素有關(guān)；震級相近時(shí)，井孔水位對地震的響應(yīng)速度主要取決于井震距的大小，井震距越小，井水位響應(yīng)時(shí)刻越早。

（4）引起洪洞井水位振蕩的地震波主要是S波，部分是P波、面波；且S波引起的水位幅度變化要小于P波，而面波引發(fā)的水位幅度變化最大。

致謝：由于洪洞井井水位數(shù)字化觀測年限較短，震例數(shù)量有限，研究所得到的認(rèn)識(shí)有限，文中存在欠妥之處，深入研究洪洞井水位所蘊(yùn)含的信息需要進(jìn)一步積累資料后再進(jìn)行，謹(jǐn)望專家批評指正。感謝審稿專家對本文提出的寶貴修改意見。