周志华，黎明晓，马玉川

(中国地震台网中心，北京 100045)

井水位变化是井水位观测系统对产生体应变的地壳静水压力的一种响应［1］。地下流体同震效应是地震波在传播路途中，沿途井孔含水层发生应变而引起的变化，一般以弹性形变为主［2］。同震响应的研究有助于对地下流体前兆现象的认识和理解［3］，对于减轻次生灾害、追溯地震前兆、跟踪后续地震以及研究地壳活动规律等都具有重要的理论和实际意义［4］。目前，国内外已经开展很多的科研工作，研究远震、近震引起的地下水同震现象，分析地下水同震与震源机制、地震波等因素的关系［5］，从而进一步探讨研究区域的构造应力释放情况，对研究区域未来地震危险性的分析具有十分重要的意义［3，6，7］。

2013年4月20日08时02分46秒在四川省芦山县(30.30°N，102.99°E)发生Ms7.0级地震，震中位于龙门山地震带南段［8］。主震破裂过程呈北北东向挤压逆冲变形特征，与龙门山断裂带总体走向和运动性质一致(龙门山断裂带走向主要为近北东向)，是巴颜喀拉地块向东运动遇到华南地块阻挡时应力积累和释放的结果［8，9］。地震引起我国大范围的水位同震响应，本文基于全国地下流体观测网数据库，统计分析中国大陆地下流体台站的水位观测数据，研究芦山Ms7.0级地震引起的水位同震响应特征与意义。

1 芦山Ms7.0地震引起的水位同震变化特征

地下水同震效应即井孔含水层系统对地震波的响应是地震波引起水位变化即含水层内孔隙介质体膨胀的结果。地震引起的水位同震变化有震荡和阶变2种类型。

(1)震荡型:一般为远大地震引起，表现为水位快速高频振荡、快速高频衰减、水位振荡持续时间、振幅与震级呈正比关系。持续时间为数分钟至几小时，振荡幅度为几厘米至米［2］。芦山Ms7.0级地震引起的水位震荡型变化特征如图1所示。

(2)阶变型:一般为地方震及近地震引起，表现为地震波引起水位变化出现阶升、阶降，阶升、阶降持续时间及阶变幅度亦与震级有关，阶变幅度为几毫米至几十厘米，持续时间为数分钟至数十分钟，有时甚至产生永久性的水位改变［10］。芦山Ms7.0级地震引起的水位阶升变化特征如图2(a)和图2(b)所示，地震引起的水位阶降特征变化如图2(c)和图2(d)所示。

图1 芦山Ms7.0级地震水位同震震荡型变化特征

图2 芦山Ms7.0级地震水位同震阶变型变化特征

根据全国地下流体前兆台网数据库统计，此次地震具有水位同震响应的共70个测点，其中具有水位阶升的是16项，水位阶降的是6项，水位震荡的为48项(见表1)。在全部的研究对象中，震中距最近的是邛崃，约为40 km，振幅约0.518 m。震中距最远的是富裕，约2 710 km，振幅约0.01 m。按照振幅变化来看，振幅最大的是0.518 m，是震中距最近的邛崃测点，振幅最小的是震中距约1 650 km的左家庄，其振幅仅0.1 cm。

表1 芦山Ms7.0地震引起的水位同震变化类型、震中距与最大振幅统计

续表1

水位同震变化的空间分布具有一定的规律性(图3)，震中距在500 km范围内多呈现水位同震阶升变化，且主要分布在震中的东南侧;水位同震阶降较为集中的区域在河北，震中距在1 400～1 700 km范围内;水位同震震荡的测点分布范围广，震中距也从40 km到2 710 km不等。

图3 芦山Ms7.0级地震水位同震响应测点的空间分布

2 观测井震中距与水位同震响应量关系

有研究表明，水位同震阶变幅度与震级和震中距有关，例如汪成民等［11］分析了唐山7.8级地震及其后宁河6.9级、6.2级地震时天津俵口、咸水沽、上古林三口井的

水位同震阶变中，震中距影响强于震级的影响，卢龙井对唐山40多次余震同震阶变的下降幅度特点也与之相符。除近震引发水位同震外，也有研究表明，远震也能引发同震阶变现象，如黄辅琼等［6］分析了中国大陆52口井地下水对1999年台湾集集地震的响应，在震中距小于550 km的闽粤井孔主要为震前变化，在震中距为800～2 120 km时均出现多种震荡和阶升的水位同震变化。

在芦山地震水位同震响应的测点中，500 km范围内的测点变化以水位同震阶升为主，共计6个测点;水位同震阶降的测点为2个，水位同震震荡的测点3个。因此在分析水位同震最大振幅与震中距的关系中，仅水位同震阶升可以分为500 km范围内和全国范围内测点进行对比。

如图4(a)所示，在震中距500 km范围内，震中距和水位同震阶升最大振幅具有一定的相关性，水位同震阶升最大振幅随震中距的增加而减小，相关系数R为0.88，说明在500 km范围内，水位同震变化的各项影响因素中，震中距的影响占优。如图4(b)所示，在全国大陆范围内，震中距和水位同震阶升的最大振幅的相关系数差没有明显的规律存在。主要原因是存在个别测点的最大振幅出现异常高值，不符合震中距较远和水位同震阶升最大振幅较小的规律，其影响因素除与测点所在构造部位有关外，还与其所在层位和岩性具有一定的关系。震中距的影响范围有限。

在全国范围内，震中距与水位同震阶降的最大振幅的相关性较好，相关系数R为0.85，如图5(a)所示，可能的主要原因是水位同震阶降的测点较少，除河北境内分布较为集中和各个测点的测量层位和岩性类似以外，其余测点分布较为分散，震中距对同震振幅的影响占据主体。

图4 水位同震阶升振幅与震中距的相关性

震中距与水位同震震荡的最大振幅相关性最差，如图5(b)所示，主要因素是水位同震震荡的测点较多，测点分布不规律，在测点较密集的区域，震中距相差无几，观测台站所处岩性和构造决定水位同震振幅，多种影响因素综合在一起，导致单纯的水位同震最大振幅与震中距的关系没有相关性。

图5 水位同震最大振幅与震中距的相关性

从上述震中距与水位同震响应量的分析可以看出，水位阶变或者震荡形式的同震现象不仅受断层破裂产生的应变影响，还受水文构造环境的共同影响，井水位对地震波作用的响应能力与响应特征，与井点所在的构造部位、观测含水层的类型和含水层的导水系数有关。车用太等［12］研究了井孔所在含水层的岩性与同震响应的关系，发现喀斯特发育且透水性强的碳酸盐岩含水层中井孔记震能力最强，其次为砂岩孔隙含水层中的井孔，再次为岩浆岩裂隙含水层中的井孔。因此水位的同震效应是因井而异的，不能简单地把一口井水位的同震响应特征视为井孔所在区域井水位对地震波作用响应的特征，其关键因素起主导作用。

3 水位同震空间分布特征与分析

Wakita［13］认为，震中周围一定范围内，承压含水层的水位阶梯状变化是源于多孔弹性介质对静态应力场的响应，根据Yan Zhang和Fuqiong Huang［14］研究结论，震中距小于1.5倍烈度长轴的范围内主要由静态应变引起水位同震阶变，超过这个范围的水位同震阶变响应无法用静态应力场的变化解释。Manga和Wang［15］认为，地下水的各种应力响应可分为断层错位产生的静应力和来自地震波的动应力，它们都来自地震矩，但随距离的衰减差别很大，静应力按1/r3(r为震中距)递减，而与地震波振幅成正比的动应力递减速度较为缓慢，衰减的经验公式为1/r1.66(r为震中距)。芦山Ms7.0级地震的Ⅵ度区长轴为95 km，在其1.5倍范围内，由静态应变引起的水位变化仅有一个邛崃测点，此次地震由静态应变触发地震的可能性不大。根据第二部分震中距与水位同震响应量的分析讨论，可以看出地震波的动应力对于水位同震的影响有限，水位同震变化是由多种因素影响的综合结果，因此区域应力场的机理更为复杂。

由于水位动态的物理意义明显，含水层受压时上升，受拉张时下降，因此震后阶跃上升的水井水位可能包含有区域应力场的信息，水位阶跃上升集中区可能也是区域压应力相对集中区。在以往的地震水位同震分析研究中，有时会发现在水位阶升集中的区域，在响应异常出现后的几个月时间内会发生较为显著的地震，例如1999年9月21日台湾集集Ms7.6地震，在辽宁有12口水位观测井出现了同震及震后效应，其中有11口井出现水位阶升，随后在1999年11月至2000年1月发生了最大震级为Ms5.4的海城—岫岩震群［16］。这样的震例虽多，但是也有响应异常出现后没有发生显著地震的情况，仍然以1999年9月21日台湾集集Ms7.6地震为例，江苏地区，句容16井，镇江17井和苏州20井也出现水位同震阶升的变化，然而没有相应地震的发生［6］。根据全国地下流体前兆台网数据库的统计结果，如图3所示，在芦山Ms7.0级地震震中距500 km范围内，水位同震阶升占据主体，区域压应力相对集中。根据GPS观测显示，巴东块体东南侧呈现挤压的运动态势［17］。但是在地震发生的10个月内，水位同震阶变集中区域，未发生4级以上显著地震，此区域因为压应力相对集中而引发地震的可能性不大。

4 结论

(1)在震中距500 km范围内，震中距是水位阶升最大振幅的主要影响因素，但是在全国范围内，影响水位阶升最大振幅的因素并不单一。

(2)因为水位阶降测点的数量少，分布分散的特点，震中距是影响水位阶降的主要因素。

(3)水位震荡的测点多而分布杂乱，大陆范围的台站对于芦山Ms7.0级地震的地下水同震响应能力除了震级、震中距外，还取决于井区水文地质条件、构造部位和井孔的特性。

(4)在芦山Ms7.0级地震震中距500 km范围附近，水位同震阶升占据主体，区域压应力相对集中，但是在地震发生的10个月内，水位同震阶变集中区域未发生显著地震，此区域因为压应力相对集中而引发较强地震的可能性不大。

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