蘆山Ms7.0地震引起的水位同震響應特征分析

周志華，黎明曉，馬玉川

(中國地震臺網中心，北京 100045)

井水位變化是井水位觀測系統對產生體應變的地殼靜水壓力的一種響應［1］。地下流體同震效應是地震波在傳播路途中，沿途井孔含水層發生應變而引起的變化，一般以彈性形變為主［2］。同震響應的研究有助于對地下流體前兆現象的認識和理解［3］，對于減輕次生災害、追溯地震前兆、跟蹤后續地震以及研究地殼活動規律等都具有重要的理論和實際意義［4］。目前，國內外已經開展很多的科研工作，研究遠震、近震引起的地下水同震現象，分析地下水同震與震源機制、地震波等因素的關系［5］，從而進一步探討研究區域的構造應力釋放情況，對研究區域未來地震危險性的分析具有十分重要的意義［3，6，7］。

2013年4月20日08時02分46秒在四川省蘆山縣(30.30°N，102.99°E)發生Ms7.0級地震，震中位于龍門山地震帶南段［8］。主震破裂過程呈北北東向擠壓逆沖變形特征，與龍門山斷裂帶總體走向和運動性質一致(龍門山斷裂帶走向主要為近北東向)，是巴顏喀拉地塊向東運動遇到華南地塊阻擋時應力積累和釋放的結果［8，9］。地震引起我國大范圍的水位同震響應，本文基于全國地下流體觀測網數據庫，統計分析中國大陸地下流體臺站的水位觀測數據，研究蘆山Ms7.0級地震引起的水位同震響應特征與意義。

1 蘆山Ms7.0地震引起的水位同震變化特征

地下水同震效應即井孔含水層系統對地震波的響應是地震波引起水位變化即含水層內孔隙介質體膨脹的結果。地震引起的水位同震變化有震蕩和階變2種類型。

(1)震蕩型:一般為遠大地震引起，表現為水位快速高頻振蕩、快速高頻衰減、水位振蕩持續時間、振幅與震級呈正比關系。持續時間為數分鐘至幾小時，振蕩幅度為幾厘米至米［2］。蘆山Ms7.0級地震引起的水位震蕩型變化特征如圖1所示。

(2)階變型:一般為地方震及近地震引起，表現為地震波引起水位變化出現階升、階降，階升、階降持續時間及階變幅度亦與震級有關，階變幅度為幾毫米至幾十厘米，持續時間為數分鐘至數十分鐘，有時甚至產生永久性的水位改變［10］。蘆山Ms7.0級地震引起的水位階升變化特征如圖2(a)和圖2(b)所示，地震引起的水位階降特征變化如圖2(c)和圖2(d)所示。

圖1 蘆山Ms7.0級地震水位同震震蕩型變化特征

圖2 蘆山Ms7.0級地震水位同震階變型變化特征

根據全國地下流體前兆臺網數據庫統計，此次地震具有水位同震響應的共70個測點，其中具有水位階升的是16項，水位階降的是6項，水位震蕩的為48項(見表1)。在全部的研究對象中，震中距最近的是邛崍，約為40 km，振幅約0.518 m。震中距最遠的是富裕，約2 710 km，振幅約0.01 m。按照振幅變化來看，振幅最大的是0.518 m，是震中距最近的邛崍測點，振幅最小的是震中距約1 650 km的左家莊，其振幅僅0.1 cm。

表1 蘆山Ms7.0地震引起的水位同震變化類型、震中距與最大振幅統計

續表1

水位同震變化的空間分布具有一定的規律性(圖3)，震中距在500 km范圍內多呈現水位同震階升變化，且主要分布在震中的東南側;水位同震階降較為集中的區域在河北，震中距在1 400～1 700 km范圍內;水位同震震蕩的測點分布范圍廣，震中距也從40 km到2 710 km不等。

圖3 蘆山Ms7.0級地震水位同震響應測點的空間分布

2 觀測井震中距與水位同震響應量關系

有研究表明，水位同震階變幅度與震級和震中距有關，例如汪成民等［11］分析了唐山7.8級地震及其后寧河6.9級、6.2級地震時天津俵口、咸水沽、上古林三口井的

水位同震階變中，震中距影響強于震級的影響，盧龍井對唐山40多次余震同震階變的下降幅度特點也與之相符。除近震引發水位同震外，也有研究表明，遠震也能引發同震階變現象，如黃輔瓊等［6］分析了中國大陸52口井地下水對1999年臺灣集集地震的響應，在震中距小于550 km的閩粵井孔主要為震前變化，在震中距為800～2 120 km時均出現多種震蕩和階升的水位同震變化。

在蘆山地震水位同震響應的測點中，500 km范圍內的測點變化以水位同震階升為主，共計6個測點;水位同震階降的測點為2個，水位同震震蕩的測點3個。因此在分析水位同震最大振幅與震中距的關系中，僅水位同震階升可以分為500 km范圍內和全國范圍內測點進行對比。

如圖4(a)所示，在震中距500 km范圍內，震中距和水位同震階升最大振幅具有一定的相關性，水位同震階升最大振幅隨震中距的增加而減小，相關系數R為0.88，說明在500 km范圍內，水位同震變化的各項影響因素中，震中距的影響占優。如圖4(b)所示，在全國大陸范圍內，震中距和水位同震階升的最大振幅的相關系數差沒有明顯的規律存在。主要原因是存在個別測點的最大振幅出現異常高值，不符合震中距較遠和水位同震階升最大振幅較小的規律，其影響因素除與測點所在構造部位有關外，還與其所在層位和巖性具有一定的關系。震中距的影響范圍有限。

在全國范圍內，震中距與水位同震階降的最大振幅的相關性較好，相關系數R為0.85，如圖5(a)所示，可能的主要原因是水位同震階降的測點較少，除河北境內分布較為集中和各個測點的測量層位和巖性類似以外，其余測點分布較為分散，震中距對同震振幅的影響占據主體。

圖4 水位同震階升振幅與震中距的相關性

震中距與水位同震震蕩的最大振幅相關性最差，如圖5(b)所示，主要因素是水位同震震蕩的測點較多，測點分布不規律，在測點較密集的區域，震中距相差無幾，觀測臺站所處巖性和構造決定水位同震振幅，多種影響因素綜合在一起，導致單純的水位同震最大振幅與震中距的關系沒有相關性。

圖5 水位同震最大振幅與震中距的相關性

從上述震中距與水位同震響應量的分析可以看出，水位階變或者震蕩形式的同震現象不僅受斷層破裂產生的應變影響，還受水文構造環境的共同影響，井水位對地震波作用的響應能力與響應特征，與井點所在的構造部位、觀測含水層的類型和含水層的導水系數有關。車用太等［12］研究了井孔所在含水層的巖性與同震響應的關系，發現喀斯特發育且透水性強的碳酸鹽巖含水層中井孔記震能力最強，其次為砂巖孔隙含水層中的井孔，再次為巖漿巖裂隙含水層中的井孔。因此水位的同震效應是因井而異的，不能簡單地把一口井水位的同震響應特征視為井孔所在區域井水位對地震波作用響應的特征，其關鍵因素起主導作用。

3 水位同震空間分布特征與分析

Wakita［13］認為，震中周圍一定范圍內，承壓含水層的水位階梯狀變化是源于多孔彈性介質對靜態應力場的響應，根據Yan Zhang和Fuqiong Huang［14］研究結論，震中距小于1.5倍烈度長軸的范圍內主要由靜態應變引起水位同震階變，超過這個范圍的水位同震階變響應無法用靜態應力場的變化解釋。Manga和Wang［15］認為，地下水的各種應力響應可分為斷層錯位產生的靜應力和來自地震波的動應力，它們都來自地震矩，但隨距離的衰減差別很大，靜應力按1/r3(r為震中距)遞減，而與地震波振幅成正比的動應力遞減速度較為緩慢，衰減的經驗公式為1/r1.66(r為震中距)。蘆山Ms7.0級地震的Ⅵ度區長軸為95 km，在其1.5倍范圍內，由靜態應變引起的水位變化僅有一個邛崍測點，此次地震由靜態應變觸發地震的可能性不大。根據第二部分震中距與水位同震響應量的分析討論，可以看出地震波的動應力對于水位同震的影響有限，水位同震變化是由多種因素影響的綜合結果，因此區域應力場的機理更為復雜。

由于水位動態的物理意義明顯，含水層受壓時上升，受拉張時下降，因此震后階躍上升的水井水位可能包含有區域應力場的信息，水位階躍上升集中區可能也是區域壓應力相對集中區。在以往的地震水位同震分析研究中，有時會發現在水位階升集中的區域，在響應異常出現后的幾個月時間內會發生較為顯著的地震，例如1999年9月21日臺灣集集Ms7.6地震，在遼寧有12口水位觀測井出現了同震及震后效應，其中有11口井出現水位階升，隨后在1999年11月至2000年1月發生了最大震級為Ms5.4的海城—岫巖震群［16］。這樣的震例雖多，但是也有響應異常出現后沒有發生顯著地震的情況，仍然以1999年9月21日臺灣集集Ms7.6地震為例，江蘇地區，句容16井，鎮江17井和蘇州20井也出現水位同震階升的變化，然而沒有相應地震的發生［6］。根據全國地下流體前兆臺網數據庫的統計結果，如圖3所示，在蘆山Ms7.0級地震震中距500 km范圍內，水位同震階升占據主體，區域壓應力相對集中。根據GPS觀測顯示，巴東塊體東南側呈現擠壓的運動態勢［17］。但是在地震發生的10個月內，水位同震階變集中區域，未發生4級以上顯著地震，此區域因為壓應力相對集中而引發地震的可能性不大。

4 結論

(1)在震中距500 km范圍內，震中距是水位階升最大振幅的主要影響因素，但是在全國范圍內，影響水位階升最大振幅的因素并不單一。

(2)因為水位階降測點的數量少，分布分散的特點，震中距是影響水位階降的主要因素。

(3)水位震蕩的測點多而分布雜亂，大陸范圍的臺站對于蘆山Ms7.0級地震的地下水同震響應能力除了震級、震中距外，還取決于井區水文地質條件、構造部位和井孔的特性。

(4)在蘆山Ms7.0級地震震中距500 km范圍附近，水位同震階升占據主體，區域壓應力相對集中，但是在地震發生的10個月內，水位同震階變集中區域未發生顯著地震，此區域因為壓應力相對集中而引發較強地震的可能性不大。

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