廣西桂平西山井水位同震特征和機理初探

莫佩嬋 閻春恒 李蕾 李莎 向巍 原永東 周依

廣西壯族自治區(qū)地震局，南寧市古城路33號 530022

0 引言

地震孕育過程中，由于應(yīng)力-應(yīng)變逐漸積累，會引起局部或區(qū)域尺度地殼深、淺部介質(zhì)結(jié)構(gòu)和物理化學性質(zhì)的變化（王廣才等，2010）。地下水作為地殼中普遍存在且對地殼應(yīng)力與固體變形反映最靈敏的物質(zhì)之一，其動態(tài)變化能反映地殼介質(zhì)變化和構(gòu)造活動信息。對于封閉性較好的承壓井-含水層系統(tǒng)，可以將其看作靈敏的應(yīng)變儀，其對地殼體應(yīng)變響應(yīng)靈敏度可達10－10量級（晏銳，2008；史浙明等，2013）。因此，井-含水層系統(tǒng)可以記錄到地震的同震水震波，即地震波在傳播的過程中引起井水位的振蕩或階變現(xiàn)象。研究表明，影響水震波的因素很多，包括井-含水層系統(tǒng)的固有頻率、水流調(diào)節(jié)能力與觀測儀器的記錄能力等（陳大慶等，2006；鄭江蓉等，2013；張立等，2016）。當?shù)卣鸬脑杏^程影響到井區(qū)含水層應(yīng)力狀態(tài)的變化，也可能會引起井水位記震能力、水震波振蕩幅度與振蕩持續(xù)時間等參數(shù)的異常變化（魚金子等，1993；楊竹轉(zhuǎn)，2004；楊竹轉(zhuǎn)等，2005）。井孔記錄的水震波能力和形態(tài)特征改變，可能揭示了地下水動力學作用過程，可為地震預(yù)測研究提供參考。

桂平西山井是廣西壯族自治區(qū)內(nèi)對遠大震響應(yīng)最靈敏的水井孔，積累了豐富的水震波資料。本文收集2008年以來廣西桂平西山井水位數(shù)據(jù)及全球5級以上地震資料，研究井孔記錄水震波的能力、水震波形態(tài)特征及其影響因素，分析水震波形態(tài)與臺站周邊地震活動的關(guān)系，并初步探討其同震機理。

1 桂平西山井概況

桂平西山井位于廣西桂平市西山村，地處西山東側(cè)坡底侵入巖體與第四系砂礫巖交匯處，含水層屬泥盆系砂巖。NE向的靈山-防城斷裂帶為該地區(qū)的主干斷裂，具有右旋剪切-引張力學性質(zhì)（游象照，1988）。受中間高、四周低的地形影響，該地區(qū)地表水不發(fā)育，地下水類型主要是孔隙水，補給來源主要為大氣降水（鄭曉明等，2013）。

桂平西山井屬自流井，井口海拔高程 44m，井孔深度 186.97m，原水頭高 0.9m，孔徑0.146m，經(jīng)一次變徑。該井于 1993年底勘選和土建，1994年3月建成并投入使用，配備SW 40-1水位儀進行模擬觀測。2007年經(jīng)“十五”數(shù)字化改造，安裝了LN-3A數(shù)字化儀器，采樣率1次/分鐘。李柳英等（2008）研究結(jié)果表明，桂平西山井數(shù)字化和模擬觀測間的相關(guān)性好。除偶爾受到降雨、洪水、臺風等自然因素影響外，井孔幾乎不受其他人為因素的干擾，觀測資料連續(xù)、穩(wěn)定、可靠，能夠記錄到形態(tài)清晰、不同周期的固體潮信息，日最大潮差約40mm，具有夏高冬低的年變規(guī)律。

2 資料選取

收集廣西桂平西山井2008～2016年數(shù)字化水位觀測分鐘值、模擬水位和該時段內(nèi)全球MS≥5.0地震資料。地震目錄從哈佛大學（http：//www.globalcmt.org/CMTsearch.htm l）下載，包含地震發(fā)震時刻、震源位置、深度、震級、震源機制解等信息，共獲得 8220次地震，其中5.0≤MS≤5.9地震 7178次，6.0≤MS≤6.9地震 873次，7.0≤MS≤7.9地震 159次，MS≥8.0地震10次。廣西及鄰區(qū)地震整體活動水平不高，桂平西山井周邊MS≥5.0近震很少，井震距小于1000km的地震11次，2016年7月31日廣西蒼梧MS5.4地震（中國地震臺網(wǎng)定位結(jié)果）井震距最小，約為 175km，其余 10次地震井震距為 745～1000km，且 MS≤6.0。圖1為2008年以來該井的水位觀測曲線及部分遠震水震波。

圖1 2008～2016年西山井水位觀測原始曲線和部分地震水震波

3 桂平西山井水震波特征

3.1 桂平西山井水位同震響應(yīng)能力分析

統(tǒng)計桂平西山井水位變化和2008年以來全球MS≥5.0地震的相關(guān)信息，包括井震距、水位振蕩的幅值、形態(tài)、持續(xù)時間等信息，進而分析西山井水位的同震效應(yīng)。已有研究表明，水震波幅度通常與地震震級成正比，與井震距成反比（楊竹轉(zhuǎn)等，2010）。鑒于地震樣本量較大，對不同震級檔的地震采用不同的分析策略：MS＜7.0地震分震級檔、按照井震距排列從近到遠依次分析，直至井孔無法記錄到該震級檔的水震波，MS≥7.0地震全部參與統(tǒng)計。

5.0≤MS≤5.9地震統(tǒng)計結(jié)果顯示，桂平西山井記錄最近的地震為2016年7月31日廣西蒼梧MS5.4地震，井震距為175km，水震波形態(tài)為階升型，幅度13.9cm（圖2（a））。其余14次地震井震距為746～1027km，均未記錄到水震波。推測西山井無法監(jiān)測到6級以下遠震水震波。

圖2 桂平西山井記錄地震水震波示意

6.0≤MS≤6.9地震統(tǒng)計結(jié)果顯示，井震距小于2000km的36次地震，桂平西山井只記錄到2008年3月3日MS6.9地震的水震波，井震距為1967km，形態(tài)為振蕩型，而2011年11月8日1次井震距為1652km的MS6.9地震，水震波幅度與噪聲水平相近（圖2（c））。由于地震震級對水位同震效應(yīng)的影響較大，我們進一步統(tǒng)計了井震距小于20000km的23次MS6.9地震，只有4次地震有同震響應(yīng)，除2008年3月3日MS6.9地震外，還有2009年4月7日、2011年9月2日和2011年9月18日3次MS6.9地震，井震距分別為4509、7201、2225km，形態(tài)均為振蕩型，振蕩幅度均很小（圖2（b））。

MS≥7.0地震統(tǒng)計結(jié)果顯示，桂平西山井共記錄到114次地震的水震波，占MS≥7.0地震總數(shù)的67%，其中107次地震的水震波為振蕩型，7次地震的水震波為階升型，表明桂平西山井水位對全球MS≥7.0大震具有較好的同震響應(yīng)能力（表1）。圖1為7次階升型地震水震波形態(tài)，圖2（d）～2（f）為3次典型的振蕩型地震水震波形態(tài)。篇幅所限，表 2僅給出階升型或MS≥8.0地震水震波參數(shù)。

表1 桂平西山井對全球MS≥7.0地震同震響應(yīng)統(tǒng)計

表2 2008～2016年桂平西山井記錄的部分地震水震波特征

3.2 MS≥7.0地震水震波變化特征分析

2008年以來全球MS≥7.0級地震主要集中在歐亞地震帶和環(huán)太平洋地震帶，紅色為桂平西山井水位能記錄到水震波的地震，黃色為未記錄到水震波的地震（圖3）。統(tǒng)計結(jié)果顯示，西山井能記錄到歐亞板塊內(nèi)部所有地震的水震波，對板緣地震的記錄效果較差。地震井震距介于1000～20000km（圖4）。64次地震井震距小于5000km，其中61次記錄到水震波，占比為95%。126次地震井震距小于10000km，其中102次記錄到水震波，占比為81%。43次地震井震距大于10000km，其中12次記錄到水震波，占比為28%。可見，隨井震距增大，井孔對遠震的同震響應(yīng)能力逐漸下降。

MS≥7.0地震的振蕩型水震波振幅為2～62mm，持續(xù)時間為3～240min，4次8級以上地震的水震波持續(xù)時間均超過120m in。水震波的振幅和持續(xù)時間和井震距成反比（圖5）。此外，7次地震水震波呈現(xiàn)階變上升型，其共性是MS基本大于等于7.8，階變幅度大于100mm，井震距小于3600km（圖1、表2）。表明地震震級越高，階變幅度越大，持續(xù)時間越長。

統(tǒng)計震源機制類型對臺站記錄水震波的影響（圖4、表3）。結(jié)果顯示，桂平西山井對正斜滑型地震的響應(yīng)能力最高，達到77%，對逆斷型地震的響應(yīng)能力次之，為72%，對正斷型和走滑型地震的響應(yīng)能力較弱，分別為63%和58%。當井震距小于5000km時，井孔能記錄到幾乎所有類型地震的水震波。當距離為5000～10000km時，井孔依然能記錄到不同類型地震的水震波，但是同震響應(yīng)能力明顯下降，正斷型地震降至78%，逆斷型地震降至70%，其余類型地震降至57%左右。當距離大于10000km時，只能記錄到部分逆斷型和走滑型地震的水震波。表明桂平西山井對不同類型地震水震波的記錄能力存在差異。

圖3 2008～2016年西山井同震效應(yīng)分布

圖4 不同類型地震的井震距和同震效應(yīng)的關(guān)系

將全球MS≥7.0地震劃分為4個震級檔，統(tǒng)計震級對臺站記錄水震波效果的影響，詳見表4。西山井對 MS＜7.5地震的響應(yīng)能力為60%，對7.6≤MS≤7.9地震的響應(yīng)能力顯著提升，達到 89%，對 MS≥8.6地震的響應(yīng)能力達到100%，表明井孔對水震波的記錄能力隨地震震級增大而顯著提升（表4）。

圖5 振蕩型水震波幅值和持續(xù)時間與井震距的關(guān)系

表3 地震震源機制類型和同震效應(yīng)的關(guān)系

表4 地震震級和同震效應(yīng)的關(guān)系

3.3 階變型水震波與臺站周邊顯著地震活動相關(guān)性

6次階升型水震波出現(xiàn)后2年內(nèi)，臺站周邊約300km范圍內(nèi)或廣西及其鄰近北部灣海域均發(fā)生了MS≥3.6以上地震（表5），表明桂平西山井記錄到階升型水震波與臺站周邊或者廣西及其鄰近北部灣海域中強地震有較好的對應(yīng)關(guān)系。桂平西山井記錄到汶川MS8.0地震的水震波為階升型，但隨后2年內(nèi)臺站周邊并未發(fā)生MS≥3.6地震，可能與汶川地震對華南地區(qū)地震活動起減震作用有關(guān)。

4 桂平西山井水位同震機理探討

井水位同震效應(yīng)是否明顯，與井-含水層觀測系統(tǒng)本身固有周期是否和地震面波振動周期相互匹配有一定的關(guān)聯(lián)。井-含水層觀測系統(tǒng)本身固有周期τ0可以用以下公式近似表示（汪成民等，1988）

式中，He為井水柱的有效高度；g為重力加速度，取9.81m/s2。當井孔只有一次變徑時，井水柱的有效高度He的表達式為：

式中，H為隔水頂板以上的水柱高度，d為含水層厚度。

西山井隔水頂板以上的水柱高為60.09m，含水層厚度為119.78m，估算西山井固有周期為20.6s，與瑞利面波15～20s左右的振動周期接近，容易產(chǎn)生共振。因此，特定的觀測系統(tǒng)是西山井記錄水震波能力較強的決定性因素。車用太（1990）研究認為，碳酸巖的透水性最強，砂巖、泥質(zhì)砂巖次之，巖漿巖最差。井孔含水層的巖性決定了其導水性能的強弱，進而影響記錄水震波的效果。西山井含水層屬泥盆系砂巖，具有導水性好的地質(zhì)條件。此外，井孔變徑少也是西山井水位響應(yīng)能力靈敏的因素。

表5 水位階變與臺站周邊顯著地震的關(guān)系

西山井可以記錄到2種形態(tài)的水震波。關(guān)于振蕩型水震波成因的認識目前有以下2種：一種是水位的波動主要由周期為15～20s的瑞利面波引起。瑞利面波可同時引起體積膨脹和垂直運動。當P、SV瑞利面波通過含水層時，含水層介質(zhì)發(fā)生體積變化使得水位振蕩（Cooper et al，1965）。另一種是水震波成因也可能與氣體脫逸有關(guān)。當直徑達7～8mm的氣泡上涌時，井水位抬升，而氣泡由水面釋放后，井水位下降，如此反復過程導致了井水位的同震振蕩現(xiàn)象（魚金子等，1997）。西山井含水層觀測系統(tǒng)的固有周期和地震的P、SV瑞利面波接近，可能會產(chǎn)生共振進而記錄到振蕩型的水震波。是否存在氣體脫逸導致西山井水位振蕩，需要觀測資料佐證。

關(guān)于階變型水震波的成因，不同學者的認識存在差異。楊竹轉(zhuǎn)等（楊竹轉(zhuǎn)，2004；楊竹轉(zhuǎn)等，2005）研究表明，當井區(qū)附近處于地震孕震環(huán)境時，受本地應(yīng)力狀態(tài)的影響，斷層受到擠壓閉鎖，透水能力下降。階變同方向，說明階變方式由觀測井局部的地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)條件決定，地震波可能只起到觸發(fā)作用。國外一些研究認為，幾個震源體范圍內(nèi)的同震階變多是源于多孔彈性介質(zhì)對靜態(tài)應(yīng)力場的響應(yīng)，而幾百乃至上千千米外的地震引起井水位的階變則是地震波與含水層交互作用的結(jié)果（Roeloffs，1998；Brodsky et al，2003）。

綜合分析認為，桂平西山井記錄振蕩型和階變型水震波的機理不同。地震發(fā)生后，當傳播至桂平西山井的地震面波周期和井-含水層觀測系統(tǒng)的固有周期接近時，井水位與地震波產(chǎn)生共振，此時可能記錄到振蕩型的水震波。當西山井所處位置具備區(qū)域應(yīng)力場增強，介質(zhì)變化及構(gòu)造活動時，地震波激發(fā)含水層受力發(fā)生應(yīng)變，必將引起含水層應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)的改變，導致含水層導水能力和孔隙水壓的變化，應(yīng)力-應(yīng)變反映在水位后效上，此時可能記錄到階變型的水震波。階變方式由觀測井局部的地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)條件決定。桂平西山井水位記錄到遠震階升型水震波后2年內(nèi)，臺站周邊300km或者廣西及其鄰近北部灣海域均發(fā)生了MS≥3.6地震。因此，西山井水位階升可能反映了區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場增強。以上認識可供地震預(yù)測研究借鑒。

5 結(jié)論

（1）桂平西山井對全球 MS≥7.0地震具有較好同震響應(yīng)，能清晰記錄到全球 67%的MS≥7.0地震同震水震波。水震波形態(tài)主要為振蕩型，少數(shù)為階變上升型。從空間分布來看，對位于歐亞地震帶及歐亞板塊內(nèi)地震的響應(yīng)能力較好，對板緣地震的記震能力較弱，幾乎無法記錄到震中位于海洋板塊內(nèi)部的地震水震波。

（2）振蕩型水震波振幅變化幅度為3～240mm，持續(xù)時間通常為2m in到1h。上升階變型水震波的共性是MS基本大于等于7.8，階變幅度大于100mm，持續(xù)時間通常超過1個月，井震距均小于3600km。

（3）井-含水層觀測系統(tǒng)、地震震級、井震距是影響水震波記錄效果的重要因素。水震波的變化幅度與地震震級成正比，與井震距成反比。當MS≤7.0或井震距大于10000km時，西山井的記錄遠震水震波的能力驟降。震源機制類型可能會影響井孔記錄水震波的效果和形態(tài)。振蕩型水震波的形成與井-含水層觀測系統(tǒng)的固有周期有關(guān)，階升型水震波的形成與區(qū)域應(yīng)力場增強、介質(zhì)變化及構(gòu)造活動等因素有關(guān)。桂平西山井記錄的階升型水震波現(xiàn)象反映了區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場增強，該認識可為地震預(yù)測研究提供參考。

致謝：中國地震局地質(zhì)研究所楊竹轉(zhuǎn)副研究員和審稿專家對本研究提出寶貴的意見和建議，在此深表感謝。