地震靜應力作用與井水位孔壓響應分析
——以唐山古冶5.1級地震為例

董 博 紀春玲 楊東輝

1 河北省地震局，石家莊市槐中路262號，050021 2 承德地震監測中心站，河北省承德市殊像寺地震臺，067000

井水位的持續變化是地震最好的水文響應。近幾十年來，地震活動對井水位變化影響的理論分析取得了一些進展，地震近場和某些情況下中場的水位持續變化可用地震產生的同震靜應變解釋[1]。根據Biot線性孔彈性理論，一般井孔壓為負的拉張區水位下降，井孔壓為正的壓縮區水位升高，這與很多震例分析結果一致[2-8]。

2020-07-12河北唐山市古冶區發生5.1級地震，震中位于39.78°N、118.44°E，震源深度為10 km。本文利用唐山地區9口流體井資料，根據線性孔彈性理論和同震體應變理論計算井孔壓分布，結合唐山古冶5.1級地震震前、震時、震后井水位的變化情況，進一步佐證線性孔彈性理論所描述的井水位與體應變之間的關系，進而證實地震近場的水位持續變化可用地震產生的同震靜應變解釋。

1 資料選取及預處理

本文選取唐山地區觀測質量較好的9口井作為研究對象(表1、圖1)。選取2017-01-01～2020-07-31 井水位原始數據及同時間段氣壓數據，并人工剔除各井水位、氣壓原始數據中的一些尖峰、脈沖、因校測和儀器故障等產生的階變數據。

表1 井信息

圖1 震中及流體井分布Fig.1 The distribution of the epicenters and fluid wells

2 地震過程中天體引潮力附加構造應力變化

利用surfer軟件中的克里金插值法對已進行預處理的井水位、氣壓數據進行補全[9]，最后對各井水位去趨勢后進行傅里葉變換(FFT)，以確定潮汐對井水位的影響程度。以盧龍崔莊井為例，其2020-01的計算結果見圖2、圖3。

圖2 盧龍崔莊井2020-01水位整點值曲線Fig.2 The curve of the epicenters and fluid wells in Lulong Cuizhuang well in January, 2020

圖3 盧龍崔莊井2020-01水位頻譜Fig.3 Water level spectrum of Lulong Cuizhuang well in January, 2020

由圖2、圖3可知，觀測數據中明顯含有日潮、半日潮、1/3日潮信息，且半日潮振幅最大，日潮次之，1/3日潮的振幅最小，這與固體潮理論一致，說明該井日變曲線主要受潮汐影響。筆者嘗試了不同的數據，但頻譜圖中頻率振幅將近0.065 kPa的信號一直存在，推斷這可能與井本身結構和周圍環境有關。

研究表明，引潮力是持續周期性變化的，其在最大振幅相位時刻有可能誘發地應力處于臨界狀態的構造區發生地震[10]。利用文獻[11]的方法計算2020-06-16～07-31唐山古冶5.1級地震震中位置的引潮力連續變化值，如圖4所示。

圖4 唐山古冶地區引潮力變化曲線Fig.4 The variation curve of tidal force in Guye area, Tangshan

由圖4可知，07-12唐山古冶地震發生時，引潮力處于較高的相位值，表明引潮力對該次地震有一定的誘發作用。但是該地震沒有發生在引潮力極大值的某個轉折點，而是在引潮力持續增大的過程中，表明古冶地震的發生與天體間引潮力瞬時變化關系不大，且震前應力應該是逐漸累積、增強的過程。

3 地震靜應力作用與井水位孔壓響應

唐山古冶5.1級地震震源機制解呈右旋走滑的運動性質，此次地震的主壓應力方向為SEE向，與現代區域構造應力場主壓應力方向(近EW向)一致，整體上呈現近東西向壓縮、近南北向拉張的受力狀態。

本文根據線性孔彈性理論和同震體應變理論，運用井水位升降變化確定地震引起的地殼形變分布。井孔壓計算方法見文獻[12]，震前孔壓分布見圖5。

圖5 震前實測井水位升降與計算孔壓變化Fig.5 The changes of water level and calculated pore pressure in wells before earthquake

由圖5可知，壓縮區為近東西向，昌黎何家莊井、玉田井、唐山井、豐潤井、林西礦井和馬家溝井水位處于上升狀態，盧龍崔莊井和灤縣井水位升降變化不明顯；拉張區為近南北向，灤南井水位處于下降狀態，符合線性孔彈性理論。

震前15 d馬家溝井水位上升最大為0.556 6 m，計算孔壓為1.487 8 Pa，林西礦井、灤縣井水位上升幅度次之。唐山古冶5.1級地震前，震中附近的流體井孔壓較大，距離震中較遠的井孔壓較小，說明震前唐山古冶地區處于應力累積的狀態。歷史震例也表明，在大震前震源附近會有應力累積過程。

收集2017-01-01～2020-07-31華北地區MS≥3.0地震信息，繪制震中分布圖(圖6)和M-T圖(圖7)。從圖6可以看出，2020年唐山古冶5.1級地震為近幾年華北地區發生的最大地震，MS≥4.0地震主要分布在唐山地區近東西方向。結合圖7可知，2017年至唐山古冶地震前，華北地區MS≥3.0的地震發震間隔較長(除2019-05有小部分應力的釋放)，表現為應力的累積過程。

圖6 2017-01-01～2020-07-31華北地區MS≥3.0地震震中分布Fig.6 The epicenters distribution of MS≥3.0 earthquakes in north China from January 1, 2017 to July 31, 2020

圖7 2017-01-01～2020-07-31華北地區MS≥3.0地震M-T圖Fig.7 M-T map of MS≥3.0 earthquakes in north China from January 1, 2017 to July 31, 2020

根據9口井同震效應計算地震當天井孔壓力分布(圖8)。由圖可見，地震當天距離震中最近的林西礦井計算孔壓為1.293 4 Pa，而距離震中較遠的馬家溝井孔壓為1.294 4 Pa，說明震后瞬時，震中附近的井孔壓力不一定是最大的，這可能跟所在區域的地質構造有關。

圖8 震時實測井水位升降與計算孔壓變化Fig.8 The changes of water level and calculated pore pressure in wells during earthquake

由圖8可知，07-12震后瞬時玉田井水位處于上升狀態；灤南井、豐潤井、灤縣井和盧龍崔莊井水位升降變化不明顯；唐山井、馬家溝井、林西礦井和何家莊井水位處于下降狀態。由此可知，震后瞬時流體井井孔壓力分布不符合震源機制解。震前井孔受拉張力的灤南井，震時水位未發生明顯變化，震后瞬時井孔仍受拉張力控制；震前井孔受壓應力的豐潤井、灤縣井和盧龍崔莊井，震時水位未發生明顯變化，震后瞬時井孔仍受壓應力控制；震前井孔受壓應力的昌黎何家莊井，震時水位出現下降，震后瞬時井孔受拉張力控制。震后瞬時不符合震源機制解的現象可能與井孔結構、含水層深度、井孔所在斷層位置等有關，有待進一步研究。

計算地震后15 d井孔壓力分布(圖9)。由圖可知，震后灤南井水位由下降轉變為上升，表現為應力的累積，而近東西向大部分流體井水位由上升轉變為下降，表現為應力的釋放，較圖8可知，應力釋放量有所增大。近東西向的震前、震時應力壓縮區演變為拉張區，而近南北向的應力拉張區演變為壓縮區，說明地震靜應力作用得到了調整，逐漸恢復到正常的應力水平。

圖9 震后實測井水位升降與計算孔壓變化Fig.9 The changes of water level and calculated pore pressure in wells after earthquake

為進一步驗證所得結論，繪制2017-01-01～2020-07-31所有井水位原始曲線圖(圖10)。由圖可知，玉田井、灤南井、灤縣井和豐潤井水位存在一個相似的年變規律。從2019年下半年開始，灤南井呈現下降趨勢，說明井孔受拉張力；玉田井、唐山井、灤縣井、盧龍崔莊井、昌黎何家莊井、豐潤井、林西礦井水位變化較平穩，基本呈現上升趨勢，表現為應力累積；馬家溝井水位呈現先上升后下降的趨勢，受力狀態不清晰。所得結論基本符合上述研究結果。

圖10 2017-01-01～2020-07-31井水位原始曲線變化情況Fig.10 The variation of original curve of well water level from January 1,2017 to July 31,2020

通過計算震前、震時、震后的井孔壓分布得知，井孔壓在走滑斷層破裂帶周邊呈四象限分布，這種變化特征可用震前閉鎖剪力模型解釋[13]。根據線性孔彈性理論，可以運用井水位升降變化確定地震引起的地殼形變分布變化。

4 結 語

以2020年古冶5.1級地震為例，通過計算唐山地區9口井流體潮汐參數及井孔壓，結合實測水位的升、降情況，得出以下結論：

1) 唐山地區流體井日變幅曲線主要受潮汐作用影響，古冶地震發生時引潮力處于較高相位值，說明引潮力對該地震有一定的誘發作用。

2)震前壓縮區為近東西向，表現為應力累積，井水位基本為上升狀態；拉張區為近南北向，表現為應力的釋放，井水位基本為下降狀態，符合線性孔彈性理論。震時壓縮區與拉張區沒有改變，但壓縮區應力有所釋放，拉張區應力有所累積，井水位變化情況基本符合震源機制解，但流體井井孔壓力分布不符合震源機制解，該現象可能跟井孔結構、含水層深度、井孔所在斷層位置等有關，有待進一步研究。震后近東西向的壓縮區演變為拉張區，近南北向的拉張區演變為壓縮區，實測的井水位升、降情況也基本與壓縮、拉張情況一致。