刘凯　陈其峰　张军　孙豪　宋磊

摘要：2021年5月22日青海玛多M_S7.4地震和2022年1月8日青海门源M_S6.9地震引起栖霞鲁07井、枣庄鲁15井和菏泽鲁27井水位不同程度的同震响应。基于秒数据，对比分析3口井水位同震变化形态、幅度与分钟值记录的差异，并从含水层渗透性变化、地震能量密度等方面进行同震响应机理探讨。结果表明，井水位秒数据能够更加完整地记录水震波信息，更加精确展现水位同震变化形态、幅度；井水位对于远场大震的震荡形态主要受含水层水文地质条件的影响。在正常应力背景下，远场大震引起枣庄鲁15井水位同震响应的地震能量密度阈值大约是1.54×10^-4J·m^-3。

关键词：  水位；  同震响应；  秒数据

doi：10.16256/j.issn.1001-8956.2023.02.012

地震孕育、发生过程中产生的静态或动态应力作用于含水层，体现在观测井的水位变化上［1］，可直接、有效地揭示含水层介质对应力应变的响应过程［2］，其响应范围和变化幅度是传统的抽水、注水等研究手段所达不到的［3］。由于井水位同震响应分布的广区域性和响应特征的易识别性［4］，受到許多学者的关注。目前大多数的研究主要是从一井多震、一震多井两个角度开展［5］。针对不同的地震，记录同一口井的同震响应变化特征，有助于排除井孔水文地质条件的影响，突出地震因素；记录一次地震所引起的不同区域多口井的同震响应特征，有助于分析不同井孔水文地质条件对地震的响应［3］。已有的研究结果表明井水位同震响应形态主要为震荡和阶变［6］。同震响应幅度与井孔条件、含水层的导水系数、储水系数、含水层孔隙度［7］和地震波类型、周期、振幅［8］等因素有关，其受地震面波影响最为明显［9］。井水位同震变化的观测记录取决于水位仪的采样率。频率越高，越能真实还原水位变化。地震波和水震波都属于高频信号，周期远小于1 min，相较于分钟值和时值，秒数据具有绝对优势，能更清晰完整地记录到水震波［10］。本文中利用山东省地下流体观测台网中的栖霞鲁07井、枣庄鲁15井和菏泽鲁27井的水位秒数据（水位均指水位埋深），结合2021年5月22日青海玛多M_S7.4地震和2022年1月8日青海门源M_S6.9地震，进行井水位的同震响应特征分析。

1同震响应变化

栖霞鲁07井、枣庄鲁15井和菏泽鲁27井是山东省地下流体观测台网中的骨干观测点，三口井水位日变化动态清晰，含水层承压性好，均有明显的潮汐变化［11］。栖霞鲁07井井深600 m，套管深度73.55 m，主要观测段为73.55～600 m的花岗岩裂隙承压水，井孔水温14.0 ℃，pH值8.36。枣庄鲁15井井深约501 m，下套管239.62 m，揭露含水层为砂岩孔隙裂隙承压水。菏泽鲁27井井深2 000 m，井孔上层为松散砂土黏土沉积层，1 138 m以下为基岩，观测水层为深层奥陶系裂隙岩溶水（表1）。

2021年5月22日2时4分，青海果洛州玛多县发生M_S7.4地震，震中位于34.59°N，98.34°E。 2022年1月8日1时45分，青海海北州门源县发生M_S6.9地震，震中位于37.77°N，101.26°E。对于这2次地震，栖霞鲁07井、枣庄鲁15井和菏泽鲁27井的水位秒数据记录值和分钟记录值呈现出不同的同震响应变化。玛多M_S7.4地震引起的栖霞鲁07井水位秒数据呈现震荡形态，向下波动最大幅度16.5 cm，向上波动最大幅度9.5 cm，向下幅度是向上幅度的1.74倍；水位分钟值呈现突降形态，下降幅度1.7 cm，向上波动最大幅度0.8 cm，向下幅度是向上幅度的2.13倍。枣庄鲁15井水位秒数据呈现震荡形态，向下波动最大幅度2.1 cm，向上波动最大幅度1.5 cm，向下幅度是向上幅度的1.4倍；水位分钟值呈现突降形态，下降幅度0.6 cm，向上无明显变化。菏泽鲁27井水位秒数据呈现震荡形态，向下波动最大幅度4.9 cm，向上波动最大幅度5.8 cm，向下幅度是向上幅度的0.84倍；水位分钟值也呈现震荡形态，下降幅度1.8 cm，上升幅度0.9 cm，向下幅度是向上幅度的2.0倍（表2和图1）。

门源M_S6.9地震引起的栖霞鲁07井水位秒数据呈现震荡形态，向下波动最大幅度7.8 cm，向上波动最大幅度4.7 cm，向下幅度是向上幅度的1.66倍；水位分钟值呈现突降形态，突降幅度5.9 cm，突升幅度0.3 cm，向下幅度是向上幅度的19.67倍。枣庄鲁15井水位秒数据波动频率增大，但是变幅不明显；水位分钟值无明显响应变化。菏泽鲁27井水位秒数据呈现震荡形态，向下波动最大幅度0.6 cm，向上波动最大幅度0.6 cm，上下波动对称；水位分钟值也是呈现震荡形态，突降幅度0.3 cm，突升幅度0.2 cm，向下幅度是向上幅度的1.5倍（表3和图2）。

2结果与分析

远场大震的地震波作用于井—含水层，在动态应力作用下，井—含水层系统原有的水位动态平衡被打破，含水层介质孔隙压力、渗透系数及层间连通性的改变都有可能引起井水位的变化［12］。一般来说，同一口井对不同远震的同震响应形态一致［13］，不受震源机制与震中方位的影响。同震响应幅度与震级、井震距存在一定比例关系［14］。当响应过程发生改变时，有可能预示着含水层所处区域的应力状态发生变化［15］。

2.1变化形态

远场大震地震波产生的动态应力作用于井—含水层系统，含水层介质发生有规律的弹性变化，使得井水在井孔—含水层之间流动，出现水位变化。震后随着地震波能量的衰减，水位慢慢恢复至震前水平［16］。水位震荡是含水层对地震波的弹性响应。玛多M_S7.4地震和门源M_S6.9地震引起的三口井水位秒数据同震变化均为震荡形态。与分钟值相比，秒数据记录的水震波震荡形态更加对称，波形更完整。

对比分析栖霞鲁07井和菏泽鲁27井水位秒数据变化形态可以发现，2次地震引起的菏泽鲁27井水位上下波动幅度比较接近，说明含水层进行了有规律的弹性压缩与拉张；而栖霞鲁07井均是突降幅度明显大于上升幅度。井水位的上升或下降，是井孔与含水层交互作用的结果［17］。井—含水层系统既有水平向的井孔—含水层间的水流交换，也有垂向的含水层—弱透水层间的水流交换［18］。在地震波动态应力作用下，含水层交替发生压缩与拉张［19］。在极短时间内，栖霞鲁07井含水层受到拉张作用，介质孔隙增大，渗透性变强，水从井孔净流向含水层，再交替受到压应力作用，含水层受到压缩，介质孔隙减小，渗透性降低，水从含水层回流向井孔的速度减弱，导致水位上升幅度变小。在地震波的动态应力消失之后，含水层水文地质条件恢复，井水位便恢复至震前水平。因此，两口井水位呈现出的不同震荡形态与当地的水文地质条件有关，远场地震波只是起到触发作用［20］。

2.2变化幅度

远场大震引起的井水位同震响应幅度与震中距、震级有一定关系。震中距越小、震级越大，引起的井水位同震响应幅度越大［21］。部分学者据此提出地震能量密度参数［22］，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，与地震震级和震中距密切相关［23］。一般来说，对于同一口井，在相对稳定的井孔结构和含水层水文地质条件的前提下，远场大震能够引起井水位同震响应的地震能量密度存在一个阈值［24］。当地震能量密度高于阈值时，井水位产生同震响应；低于阈值时，井水位不受影响。

如果地震能量密度小于阈值，却能引起井水位同震响应，在一定程度上有可能表明观测井含水层受张应力影响较大，含水层介质孔隙变大，水流渗透性增强，较小的地震能量密度就能引起井水在井—含水层之间流动。当含水层受到压应力作用时，含水层介质孔隙率变小，渗透性降低，需要较大的地震能量密度才能引起井水位的同震响应。因此，井水位的记震能力可能会出现地震能量密度超过阈值无法激发同震响应，或者低于阈值时却能记录到水位同震响应的情况，即引起同震响应的地震能量密度阈值发生变化。井水位记震能力的变化在一定程度上可以反应区域应力场变化，对于研究地震的孕育和发展起到一定的指示作用。

枣庄鲁15井水位秒数据对于玛多M_S7.4地震，有明显的同震变化；但是对于门源M_S6.9地震，只是水位震荡频率增大，波动幅度基本不变。结合近几年井孔周围100 km范围内无M_S≥2.0地震发生，区域应力场相对稳定，基本可以推断门源M_S6.9地震产生的地震能量密度，非常接近引起枣庄鲁15井水位同震响应的阈值。对于震级M，距离为r处的地震能量密度e可以用经验关系式表示［22］，

logr=0.48M-0.33loge-1.4 . （1）

式中：r为井震距，单位km；e为地震能量密度，单位J·m^-3。

将门源M_S6.9地震要素导入式（1），得到引起枣庄鲁15井水位同震响应的地震能量密度阈值为1.54×10^-4J·m^-3。玛多M_S7.4地震的地震能量密度为5.01×10^-4J·m^-3，明显大于阈值，所以能够引起井水位同震响应。为了进一步检验阈值的可靠性，选取2022年以来发生在日本地区的两次大地震计算其地震能量密度。2022年1月22日，日本九州岛附近海域发生M_S6.4地震，井震距1 380 km，地震能量密度0.36×10^-4J·m^-3，小于阈值，没有引起枣庄鲁15井水位同震响应。2022年3月16日，日本本州东岸近海发生M_S7.4地震，井震距2 217 km，地震能量密度2.41×10^-4 J·m^-3，大于阈值，引起枣庄鲁15井水位同震响应，向上最大幅度0.5 cm，向下最大幅度0.3 cm。此次地震能量密度不足玛多M_S7.4地震的一半，引起的同震变化幅度也明显较小。从震例检验结果来看，目前所得到的地震能量密度阈值有可行性。因此，当未来远场大震发生时，如果地震能量密度超过了1.54×10^-4J·m^-3，却没有激发枣庄鲁15井水位变化；或者低于这个阈值却能记录到水位同震变化，则预示着该区域应力场可能发生变化，需提高警惕。

3结束语

水位秒数据能够更加完整地记录水震波信息，更加精确展现水位同震变化形态和幅度，可以提高同震响应分析结果的准确性。井水位的同震响应与井孔周围的水文地质条件有关。不同的观测井对同一地震具有不同的响应变化，远场地震波只是起到触发作用，含水层孔隙压的改变起主导作用。栖霞鲁07井和菏泽鲁27井水位不同的震荡形态主要是受井孔含水层水文地质条件的影响。在正常应力背景下，远场大震激发井水位同震响应的地震能量密度存在一個阈值。当井水位记震能力发生变化，即地震能量密度超过阈值时无法激发同震响应，或者低于阈值时却能记录到水位同震响应，在一定程度上能够反映周边区域应力场的变化。枣庄鲁15井的地震能量密度阈值大约是1.54×10-4 J·m-3。井水位的同震响应机理比较复杂，即使是相似的井水位变化，其响应机制也可能不同。高采样率的观测数据能够更加真实还原水位变化。因此，提高观测仪器的采样率和精准度，对于分析地震波和水震波之间的响应机制有重要意义。

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COSEISMIC RESPONSE ANALYSIS OF WELL WATER LEVEL

IN SHANDONG PROVINCE CAUSED BY 2021 MADUO

M_S7.4 AND 2022 MENYUAN M_S6.9 EARTHQUAKES

LIU Kai CHEN Qi-feng ZHANG Jun SUN Hao SONG Lei

（1.Liaocheng Earthquake Monitoring Central Station of Shandong Earthquake Agency，Liaocheng 252000，Shandong，China;

2.Heze Earthquake Monitoring Central Station of Shandong Earthquake Agency，Heze 274000，Shandong，China;

3.Yantai Earthquake Monitoring Central Station of Shandong Earthquake Agency，Yantai 264000，Shandong，China;

4.Zaozhuang Emergency Management Agency，Zaozhuang 277000，Shandong，China）

Abstract： Coseismic responses of Qixia No.07 well， Zaozhuang No. 15 well and Heze No.27 well caused by the May 22， 2021 Qinghai Maduo M_S7.4 earthquake and the January 8， 2022 Qinghai Menyuan M_S6.9 earthquake. Based on the second data， this paper analyzes the differences of water level coseismic change in the form and amplitude compared to the minute data，and discusses coseismic response mechanism from the aspects of aquifer permeability change and seismic energy density. The results show that the well water level second data can record the water shock wave information more completely， and show the shape and amplitude of the coseismic change of the water level more accurately; Coseismic variation range of well water level for far-field large earthquakes is mainly affected by the hydrogeological conditions of the aquifer; The oscillation pattern of the well water level to the far-field earthquake is mainly affected by the hydrogeological conditions of the aquifer.Under the normal stress background， the seismic energy density threshold of the water level coseismic response of Zaozhuang No. 15 well caused by the far-field earthquake is approximately 1.54×10^-4J·m^-3.

Key words： Water level; Coseismic response; Second data