云南普洱大寨井水位同震響應研究及預測意義*

胡小靜，付 虹，李 濤，李 瓊

(云南省地震局，云南 昆明 650224)

0 引言

井-含水層系統對地震波的響應非常靈敏，中強以上地震發生后，其外圍的井-含水層系統經常可以記錄到顯著的同震響應(汪成民等，1988；車用太等，1989；付虹等，2002)。過去幾十年，國內外地震學家和水文地質學家對此廣泛關注(Leggette，Taylor，1935；Wang，Manga，2010；Yanetal，2014)，并取得了很多成果：如在同震響應的機理機制研究方面，Elkhoury等(2006)認為地震波可增加滲透率，Wang和Manga(2010)提出地震引起的滲透率變化可能是解釋同震水位階變的主要機制，同時構造因素與水文地質因素對于控制地下水同震響應特征具有重要作用(史浙明，2015)；晏銳和黃輔瓊(2009)認為同震響應方式可能與井孔所處地區的局部應力應變狀態或井-含水層系統的結構變化有關；Liao等(2015)認為大地震能打破隔水層是導致井水位同震大幅變化的主要原因。在井水位的映震能力方面，萬登堡(1992)發現在1983年越南7.0級、1988年瀾滄7.6級和1991年緬甸7.6級地震前部分井孔的計震能力發生了改變，認為井水位映震能力變化可能是地下水預報中強地震的一種新方法；魚金子等(1993，2012)認為，當含水層受壓應力作用時，空隙率變小、滲透性變弱，井孔水震波響應能力可能降低；相反，含水層受張應力作用時，空隙率變大、滲透性變強時，井孔水震波響應能力加強。

觀測井同震響應過程與其井含水層、周邊區域應力場變化可能存在一定關系，當它的響應過程發生改變時，有可能預示著含水層所處區域的應力狀態發生變化，或是與區域構造活動有一定聯系。本文以云南普洱大寨井為例，試圖通過分析該井同震響應的差異變化與區域中強以上地震活動之間的關系，進而探索井水位同震響應變化對后續地震的預測意義。

1 觀測井基本概況

圖1 普洱大寨井構造位置圖(a)及井孔柱狀圖(b)

表1 普洱大寨井地下流體觀測情況

普洱大寨井水位觀測資料顯示(圖2a)，2001—2011年井水位呈小幅度的趨勢下降，2012—2017年表現為小幅度趨勢上升，但整體水位變化動態相對平穩；從年動態來看，每年雨季(5月前后)，水位出現快速上升的過程，于9月前后達到峰值，在雨季結束后(10月左右)開始緩慢下降，并于次年4月左右到達谷值，呈現出明顯的年變形態(圖2b)。

圖2 普洱大寨井動水位(a)及輔助流量(b)觀測曲線(日均值)

2 同震響應的特征

2.1 統計特征

1990—2018年，思茅大寨井水位共記錄到同震響應26次，選取距該井1 000 km范圍內的22次地震(表2)作為本文研究對象。從空間分布來看，有同震響應的地震主要為滇西南及鄰區的6級地震、觀測井附近的3～5級地震以及8級遠震(圖3)。從同震響應的幅度來看最大為2001年昆侖山口西8.1級地震，幅度約為60.8 cm；最小為2014年景谷5.8級地震，幅度為1.1 cm；2000年姚安6.5級地震、1995年武定6.6級地震的同震響應幅度分別為2.0和3.4 cm。從同震響應形態來看，2000—2018年所有井水位的同震響應全部表現為同震階升現象(圖4)，與其他研究者的研究結果一致(楊竹轉等，2006；毛巍穎，2018)，表明自觀測以來普洱大寨井水位的同震響應形態未曾發生改變。

圖3 1990—2018年云南及鄰區6級以上震中分布圖

表2 1990—2018年普洱大寨井水位同震階變表

圖4 普洱大寨井動水位同震響應

2.2 差異性特征及后續預測意義分析

2.2.1 同震響應幅度的差異性

井水位同震響應幅度與震級、井震距之間關系為(Roeloffs，1998)：

lgΔh=b1M+b2lgD+a

(1)

式中：Δh為水位變化幅度，單位為cm；M為震級；D為震中距；a，b1，b2為常數。

對1990—2018年普洱大寨井記錄到的其周圍1 000 km范圍內的22次同震響應作回歸計算：

lgh=0.5M+0.789lgD-0.381

(2)

可以計算出不同震級和震中距地震引起的井水位變化幅度，計算值與實測值之差表示同震響應偏離均值的狀態(表2)。當同震響應的計算值與實測值相差超過8 cm時，認為同震響應的變化幅度與正常狀態存在明顯差別。由表2可見，有6次地震的差值超過8 cm，其中包含2014年景谷6.6級地震，其后2個月在原震區發生了5.9級，5.8級強余震；其它4次地震后約6個月在瀾滄江以西的滇西南—小滇西地區均有5級以上地震發生(圖5)。

圖5 同震響應計算幅度與實際幅度差值

2.2.2 同震響應幅度與地震波振幅

考慮到遠震發生后，地震波到達觀測臺站時可能同時攜帶有多種類型的地震波，難以辨識，因此本文只選取普洱大寨井震中距1 000 km以內的云南及其周邊地震；根據已有的認識，水位同震響應一般與S波關系更為密切，因此從臺站記錄的引起同震響應的地震波中讀取S波的最大振幅記錄結果，并與同震響應振幅進行比較。

思茅臺距離普洱大寨井約5 km，2000—2018年普洱大寨井水位共記錄到同震響應13次，從思茅臺收集到其中9次地震的地震波形，統計每次地震同震響應的最大幅度與本次地震波形最大振幅速度(表3)，對二者作線性回歸擬合，并計算其殘差(圖6)。理論上，當周圍介質狀態處于正常狀態時，在小區域范圍內每一次地震發生時測震臺所記錄的S波最大振幅與水位同震響應幅度應該呈一定的正比關系。圖6a顯示，大多數地震過程中，地震波形最大振幅速度越大，所引起的同震響應幅度也越大。圖6b顯示，景谷6.6級地震所引起的水位響應幅度和地震波形最大振幅速度之間偏離最為明顯，其計算殘差超過10 cm，表現為較小的波形最大振幅速度引起了極大的同震響應幅度，即普洱大寨水位觀測對本次地震過程的響應較為強烈。在上次9次地震中，僅有景谷6.6級地震后2個月發生了景谷5.8，5.9級強余震，這2次余震的響應幅度與地震波形振幅最大速度之間吻合程度較好。這種較為顯著的偏離現象可能表明在地震發生時，能量并未完全釋放，區域內應力水平仍然較高，后續為了完成能量的釋放仍存在發生強余震的危險。

圖6 同震響應幅度與地震波形振幅速度散點分布圖(a)及殘差(b)

表3 2000—2018年思茅臺記錄的9次地震的同震響應幅度和波形最大振幅速度

綜合分析上述差異性特征，當同震響應幅度與計算響應幅度、波形最大振幅速度協調性等出現一些較為顯著的差異時，與該區域的后續地震活動有一定的相關性。

3 同震引起的井-含水層系統滲透性變化分析

井孔對地震響應能力的強弱與滲透性的強弱密切相關(魚金子等，2012)，井水位M2波的相位差反應了含水層滲透性的變化狀態特征(Elkhouryetal，2006；Xueetal，2013；Yanetal，2020；孫小龍，向陽，2018)。為了進一步研究普洱大寨井水位對地震的響應能力與井-含水層系統滲透性的關系，筆者計算了該井井水位M2波相位差(圖7)。圖7顯示，2000年以來，大寨井水位M2波相位差整體比較平穩，在-20°附近波動；2011年緬甸7.2級地震發生時，井孔含水層滲透性發生變化，相位差出現了明顯的波動過程，持續約2個月后恢復正常；2012年印尼8.6級地震發生時，引起相位差瞬時變化，之后很快恢復正常；2012年緬甸7.0級地震發生時，相位差發生小幅度改變，2個月后恢復正常；2013年6月起，相位差出現顯著的改變，由負值變為正值，表明期間含水層可能存在垂直向水流交換，之后在滇西南地區分別于2014年1月28日、2014年2月5日和2014年10月7日發生了景洪4.6級、思茅4.2級和景谷6.6級地震，震中距分別為30 km，4 km和100 km，之后相位差恢復正常；2015年尼泊爾8.1級地震發生時，同樣是引起相位差瞬時變化，之后很快恢復正常。2018年1月至2020年1月，大寨井水位相位差再次出現了與2013年6月相類似的變化，表明滲透性發生了明顯的改變，且可能存在垂向水流交換。

圖7 普洱大寨井含水層相位差時間進程(月值)

圖8 普洱大寨井水化學離子測項觀測曲線(日值)

從上述記錄到同震響應和相位差的結果可見，有同震響應的地震發生之后，整個含水層滲透性會出現一定的調整和恢復過程：其中遠震(Δ>2 000 km)主要表現為瞬時的相位差改變，在很短時間內便恢復正常；周邊區域(Δ<500 km)的中強震恢復過程會持續2～3個月。這也在一定程度上表明周邊地區的中強震發生后，區域應力狀態會有一定的改變、調整、恢復過程，而遠震對區域應力狀態的影響則相對較小。

4 結論

本文通過研究1990—2018年云南普洱大寨井水位記錄到的多次地震的同震響應變化特征，分析不同地震引起的井水位變化差異與后續井孔周邊地區中強地震的關系，探討了含水層滲透性變化對區域構造活動的可能影響，得到以下結論：

(1)當地震波引起的同震響應計算值與實測值相差超過8 cm時，普洱大寨井所處的滇西南及附近的小滇西地區未來半年左右多有5級以上地震發生，這可能反映出地下介質受力發生變化時可能會導致含水層滲透性改變，這種狀態下有利于區域內的中強地震發生。

(2)當一次地震所記錄的波形最大振幅速度與引起的水位同震響應幅度二者之間偏離較大，其殘差超過10 cm時，有可能是應力狀態導致的含水層滲透性變化，使地下水位對地震波的響應發生改變，這種情況下有利于區域內中強震的發生。

(3)2018—2019年，普洱大寨井含水層滲透性發生了明顯的改變，與此同時該井的水化學離子濃度也出現了顯著變化，表明區域構造作用的增強，可能導致含水層滲透性變化，同時也引起其他測值的同步變化。當含水層滲透性與同井的其他多種觀測出現準同步變化時，異常信度更高。

綜上認為，同震響應的變化可能反應含水層滲透性的變化，對后續的區域地震活動有一定預測意義，可以作為探索區域介質受力變形、應力狀態變化以及地震活動的新的參考指標。