李圣，张立，卿元华，杨玲英，张光顺，罗嘉铮

(1.云南省地震局，云南 昆明 650224；2.成都理工大学能源学院，四川 成都 610059；3.成都师范学院史地与旅游学院，四川 成都 611130)

0 前 言

所谓的水位同震响应是指地震波作用引起的井水位振荡或阶变现象[1]。从上世纪七十年代北京洼里井水位记录到地震同震响应以来，水位同震响应就一直备受关注，国内外不同学者开展了一系列的相关研究[2-3]。水位观测的井—含水系统对地震波有天然的放大效能，具有灵敏的记震能力[4]，尤其一些好的水井能够毫无遗漏的记录到全球发生7级以上的大地震[5]。本文对前人研究进行整理、归纳，总结出水位同震响应研究主要在以下几个方面：

第一，同震响应机制方面。学者普遍认为井—含水系统的导水能力是解释同震响应能力的主要因素[6-7]。其中导水能力和岩石渗透性有关，渗透率和含水层岩性、地震波有关。已有研究发现喀斯特地貌发育的碳酸盐岩渗透率大于砂岩，而砂岩渗透性大于岩浆岩[2]；除此之外地震波的动态应力也能打破井—含水系统原有的水位动态平衡，导致含水层孔隙压力与层间连通性和渗透性的改变，引起水位的变化[8]。第二，同震响应方式方面。有学者认为单井的同震响应模式是固定不变的，其模式和震源机制、震中方位等因素不大[8]。但有学者研究发现单井的响应方式具有多样性，且认为这样的多样性和水井所在地区的局部应力状态有关[9]。第三，同震响应形态方面。有研究发现同震响应形态主要为震荡型和阶变型，其中震荡型主要为远距离大地震或特大地震，震荡—阶变复合型为远震或近震，阶变型为地方震及近地震[10]。除以上三点之外，还发现水位记录地震波的响应能力和方位有一定程度上的关联，主要表现为对东部、南部的洋壳地震记录较好，而对西部、北部的陆壳地震较差[5]。目前关于昆明台黑龙潭井(以下简称昆明井)的同震响应研究很少,本文采用一井对多震的方式，以昆明井同震响应为研究对象，探讨昆明井水位的记震能力，分析昆明井的同震响应特征。

1 昆明井概况

昆明基准地震台地处昆明市北部13 km，所在地区构造发育，尤以断层为主。台站的东西两端有近南北向断层不连续分布，台站后山有近东西向断层分布，连续出露约62 m。台站后山断层为右旋走滑断层，两侧岩石破裂宽度约15 m，北盘为灰岩，走向北250东，倾向南东，倾角350°；南盘为玄武岩，断层走向近东西，倾向北。昆明井位于昆明基准地震台西侧100 m，黑龙潭北侧冲沟东部，高程1 975 m，滇东断裂系南北向黑龙潭—官渡断裂带上。该井深280.02 m，其中0～199 m孔段进行永久性井壁保护，井内59 m处作永久性止水，199～249 m为滤水管，249～280.2 m以下为裸孔。该井2006年后用于流体观测,地下水为岩溶裂隙承压水，隔水层为二叠系玄武岩，观测含水层为二叠系茅口组、栖覆组白云质灰岩。

2 资料选取

通过对昆明井水位自2014～2020年的水位观测数据进行数据整理及曲线形态归类，发现昆明井水位对7年中的16次地震有同震响应，同震响应地震的震级、井震距、响应幅度及其同震响应形态见表1。

表1 2008～2020年昆明黑龙潭井水位同震响应

3 同震响应特征及分析

3.1 同震响应能力特征

按昆明台周边3 000 km范围内6级以上地震，全球 7 级以上大震进行梳理，统计出6.0～6.9级地震83次，7.0～7.9级地震123次，8.0～8.9级地震3次，共209次地震。根据此数据进行同震响应比统计，结果显示昆明井水位整体同震响应比为7.65 %。其中6.0～6.9级地震同震响应比为2.4 %，最大井震距2 438 km；7.0～7.9级地震同震响应比为10 %，最大井震距19 510 km；8.0～8.9级地震同震响应比为67 %，最大井震距10 404 km。

由此推测昆明井水位对7级以下地震的同震响应范围小于2 500 km,对7级以上地震的同震响应不大于20 000 km，但由于7.0 级以下地震同震响应事件较少，推测结果可能存在偏差。从表1中可看出，昆明井对7级以上地震的同震响应较多，并呈现典型的振荡形态。如2016年马里亚纳群岛7.6级地震，井震距19 510 km；2018年斐济群岛8.1级地震，井震距9 819 km；2019年新不列颠岛7.6级地震，井震距6 279 km。由此可见，随着震级的增大，发生同震响应地震的井震距便不呈现单一的递增。据此对具有同震响应的地震作震级与井震距之间的相关性研究，最终发现震级与井震距之间存在一种耦合关系(图1)，即在井震距小于10 000 km时，震级与井震距存在良好的正相关性；而在井震距大于10 000 km时，震级与井震距存在负相关性。表明昆明井水位同震响应能力与震级、井震距有关，地震波起到了主控作用。

3.2 同震响应形态特征

通过绘制水位原始形态来确定其形态类型，结果显示昆明井水位同震响应形态都为震荡型(图2)。如上所述震荡型形态主要为远地震的同震响应[11]。本次在水位原始形态的基础上结合井震距来分析，发现昆明井对多数地震的水位同震响应符合前人研究。比如2015年12月7日塔吉克斯坦发生的7.4级地震，井震距为3 194 km，为远震；2020年7月22美国阿拉斯加州以南海域发生的7.8级地震，井震距为8 270 km，为远震，曲线形态都为震荡型。

图1 昆明井水位震级与井震距相关性 图2 昆明井水位同震响应

3.3 同震响应幅度特征

已有研究表明同震响应幅度与震级、井震距有关[12]。对昆明井响应幅度进行统计，发现幅度变化介于0.6～2.7 cm之间，范围多处于0.6～1.5 cm之间。响应幅度大于1.5 cm的分别为1.8 cm、2.0 cm、2.1 cm、2.2 cm、2.7 cm，所对应的震级分别Ms7.6、Ms7.6、Ms7.4、Ms6.6、Ms8.1，所对应的井震距分别为6 279 km、19 510 km、5 974 km、946 km、9 819 km。其中震级同为Ms7.6的地震有两次，井震距大的地震反而响应幅度较高，由此表明昆明井同震响应幅度便不完全受控于震级、井震距。该种现象的发生与前人研究观点所不同，推测其与井—含水系统的水文地质条件、区域应力变化有关。

3.4 同震响应持续时间特征

昆明井对各地震响应持续时间不同，持续时间介于9～89 min之间，小于60 min的地震有13次，大于60 min的地震有3次。从拟合关系图3和图4可知，持续时间与井震距相关系数R为0.37，斜率为28.129，在井震距10 000 km之内相关性更好。与震级相关系数R为0.38，斜率小于1，只在震级大于7.4级时表现出较好的相关性。同样表明昆明井水位同震响应受井震距与震级的双重控制。

图3 昆明井水位持续时间与井震距相关性 图4 昆明井水位持续时间与震级相关性

3.5 同震响应时间特征

对各地震的响应时间进行统计，发现其响应时间对于地震时间都较晚，即都有滞后性。数据表明同震响应滞后时间介于1～50 min之间，1～10 min之间共有3次地震，10～20 min共有7次地震，20～30 min共有5次地震，大于30 min只有1次地震。其中响应最快的为2015年12月7日的塔吉克斯坦Ms7.6地震和2016年8月24日的缅甸Ms7.6地震，滞后时间为1 min。滞后时间最长的为2019年5月26日秘鲁北部Ms7.8地震，滞后时间为50 min。之所以时间不同的缘故是因为前者的井震距较近，而后者较远。根据震级、井震距与滞后时间关系拟合图(图5、6)，获得与震级的拟合曲线，相关系数R约为0.64，斜率约为0.02，与井震距的拟合曲线相关系数R约为0.71，斜率为296，可以推测在水位同震响应过程中地震波起到了主要作用。并且当井震距小于10 000 km，震级大于Ms7.4时，昆明井拟合性曲线的相关性最好，说明此范围昆明井的同震响应更规律，效果也更好。

图5 昆明井水位滞后时间与震级相关性 图6 昆明井水位滞后时间与井震距相关性

4 结 论

昆明井水位同震响应过程地震波起了主要作用。同震响应形态为震荡型，响应能力受震级和井震距的双重控制，具体表现为对井震距小于10 000 km，震级大于7.4的地震具有较强的记震能力。但同震响应振幅便不完全受井震距、震级的控制，推测和井—含水系统以及区域应力变化有关。