中国大陆井水位观测网对甘肃岷县漳县6．6级地震同震响应特征分析①

周志华，黄辅琼，马玉川

（中国地震台网中心，北京 100045）

0 引言

地下流体同震效应能够有效、直接揭示地壳介质对应力－应变的响应。在过去几十年里，地震能引起较大范围的水位同震响应和较强的振幅变化，是国内外地震学家普遍关注的焦点问题［1－6］。地震引起的同震响应对了解研究区域的构造应力释放情况，对研究区域未来地震危险性的分析都具有十分重要的研 究 意 义［1－2，7－8］。 有 研 究 表 明［1，97］当 一 个 构造带区域上井水位普遍上升，代表构造应力场压性增强张性减弱；水位下降代表构造应力场压性减弱张性增强。因此水位同震阶变的观测井空间分布与构造区域的相互关系对判断构造应力场的变化也具有积极的意义。据Zhang Yan和 Huang［10］的研究结果，大约在地震烈度1．5倍的范围内主要由静态应变引起的水位同震阶变；在震中距远于1 000km的远震水位同震响应更多的是由动态应变引起。水位同震变化振幅除了与震中距、震级密切相关外，还可能与观测井含水层系统自身特性、震源方位、震源机制以及地震波的传播途径有关［9］。

图1 岷县漳县6．6级地震引起水位同震变化分布图Fig．1 Distribution of water level variations showing the coseismic effects of the MS6．6Minxian－Zhangxian earthquake

2013年7月22日7时45分，甘肃岷县漳县交界地区（东经104．2°，北纬34．5°）发生MS6．6级地震。本文通过统计全国地下流体台网数据库内全部水位观测网的数据，分析水位同震变化特征，根据水位同震阶变振幅，观测井空间分布与构造带间的关系，静态应变引起的的水位变化范围等，试图探讨此次地震对区域地应力的释放，以及对静态应变触发地震可能性进行分析。

1 水位同震响应特征

地震引起水位同震变化有震荡和阶变两种，震荡型变化是指在地震波作用下水位快速来回波动，地震波经过后水位很快平静下来，仍沿原来的形态变化；阶变则改变了水位背景，使得水位出现阶梯式的抬升或者下降，这种变化通常需要十几分钟多至几个月的时间才能恢复，有时甚至产生永久性的改变［4］。本文着重讨论水位阶变的分析结果。

根据全国地下流体前兆台网库统计，此次地震具有水位同震响应的共8个台站，如图1所示，分别是平凉华亭、平凉柳湖、横梁、周至西关、西安地震台、北碚柳荫、延庆五里营、桂平，分布在5个省市自治区。距离最近的是平凉华亭，震中距约230km；距离最远的是桂平，震中距约1 470km。震中距小于300km的台站仅有2个；震中距大于300km小于500km的有3个；震中距大于500km的有3个。水位同震响应的观测井分布与构造带无明显对应性。下面按照震中距由小到大的顺序依次阐述井孔的基本情况及其水位同震响应特征。

（1）平凉华亭井位于甘肃省华亭县马峡村马峡河边（106．52°E，35．24°N），震中距约230km。处于祁吕贺山字形脊梁柱南端盘山构造带上。井深225．49m，观测含水层为层间承压水，是第四系以下的前寒武纪灰岩岩溶水。水位同震响应呈现震荡阶变上升，变化幅度约1．5cm（图2（a））。

图2 岷县漳县6．6级地震引起的全国地下流体台站井水位同震变化Fig．2 Water level variations caused by the MS6．6Minxian－Zhangxian earthquake based on the national underground fluid precursory network database．

（2）平凉柳湖井位于平凉市崆峒区柳湖公园内（106．40°E，35．33°N），震中距约260km，地处祁、吕、贺山字形构造和陇西旋卷构造的交汇部位，宏观上属于南北地震带中北段。该井为柳湖公园的补给水井，海拔1 356．9m，井深301m，探头深度150 m。主要含水层为白垩纪（K1s）砂砾岩，补给来源为泾河上游和尚堡断裂带裂隙水。水位同震响应呈现阶变下降，变化幅度约7．5cm（图2（b））。

（3）横梁井位于甘肃省古浪县横梁乡石峡子村（103．33°E，37．30°N），震中距约320km。地处天桥沟－黄羊川断裂带的南侧。高程2 418m，井深193 m。观测含水层是承压水，含水层岩性为灰白色中粗砂岩及砂岩。水位同震响应呈现震荡阶变上升，变化幅度约1．4cm（图2（c））。

（4）周至井位于陕西省西安市周至县县城西关（108．10°E，34．15°N），震中距约382．1km，构造上属于汾渭断陷盆地西安－周至凹陷西端。秦岭北缘大断裂与岐山－马召断裂交汇地带。该井属深部承压水，观测含水层埋深2 340～2 658m，含水层岩性为老第三系渐新统砂岩，该井远离补给区，水位变化不受旱涝和人工取水等因素的影响［10］。水位同震响应呈现震荡型变化，变化幅度约±2cm（图2（d））。

（5）西安（毛西）井位于陕西省西安市灞陵区杨圪塔村（109．07°E，34．15°N），震中距约448．5km，构造上位于骊山隆起西侧，毗邻灞河断裂带。补给主要来自秦岭山前洪积扇上部河流渗漏及降雨渗入。观测含水层是第三系砂岩或泥岩。水位同震响应呈现震荡阶变上升，变化幅度约1．2cm（图2（e））。

（6）北碚柳荫位于重庆市北碚区柳荫镇江山村（106．60°E，29．96°N），震中距约554km，构造上位于观音峡冲断背斜与悦来场向斜之间。水位观测的是泥岩夹砂岩的裂隙水。水位同震响应呈现阶变上升变化，变化幅度约0．9cm（图2（f））。

（7）延庆五里营井位于北京市延庆北缘深大断裂上（115．94°E，40．47°N），距离震中约1 230km，观测层为上元古界蓟县系白云灰质岩岩溶含水层，位于承压水层，井水自流。水位同震响应呈现阶变上升变化，变化幅度约0．3cm（图2（g））。

（8）桂平井（动水位）井孔位于广西桂平市西山村西山脚（110．06°E，23．39°N）［17］，震中距约1 470 km，井深186．97m，主要含水层属泥盆系砂、页岩。地表水和地下水向郁江排泄，地下水经深部循环积聚承压，沿接触变质带上升［11］。水位同震响应呈现阶变上升变化，变化幅度约0．24cm（图2（h））。

据上述特征，可以看出水位震荡的只有一口井（周至西关井），震中距约382．1km。水位阶升的有6口井，占水位同震变化台站的75%，震中距由小变大的过程，变化幅度也是由大到小非常规律的变化。震中距小于500km的水位同震阶升变化幅度在1～1．5cm之间；超过1 000km的震中距水位同震阶升变化就在0．3cm左右。全部6口水位阶升变化的井同震阶升变化幅度均较小。而此次地震中，全国大陆范围内同震阶降也仅有1口井（平凉柳湖），变化幅度7．5cm，震中距约260km。

2 水位同震响应分析与讨论

通常情况下，阶变型水位同震响应一般为地方震及近地震。震荡型水位同震响应一般为远大震，振幅与震级呈正比关系［12］。但是也有远震能引发同震阶变现象［1］。水位同震升降的方向不因地震的远近、大小、震源机制或地震方位的变化而改变，更多地受控于本地的地质构造环境和水文地质条件。地震波能量的变化不能改变水位同震变化的方向，当地震波能量足够大时，会使一些原来仅产生震荡或者无同震响应的井孔的水位发生阶变［13］。水位的同震阶变可视为大震后区域应力调整的表现，井水位同震阶升说明井区压应力作用增强，意味着井区 应 力 状 态 的 加 强［7］。 根 据 Zhang Yan 和Huang［10］研究结论，震中距小于1．5倍烈度长轴的范围内主要由静态应变引起的水位同震阶变；大于1 000km的远震同震变化更有可能是动态应力引起的变化。那么在静态应力引起的水位同震阶变范围内，观测井的分布与构造带的关系是判断区域危险性的方法之一。纵观此次地震的水位同震响应特征，分析如下。

（1）静态应变触发地震的可能性不大。甘肃岷县漳县6．6级地震Ⅵ度区长轴为161km，在其1．5倍左右的范围内由静态应变引起的水位变化仅有一个观测井平凉华亭，此观测井的水位阶升幅度仅仅1．5cm，静态应变触发地震的可能性不大。

（2）岷县漳县6．6级地震的水位同震响应多取决于所处构造环境。据上述水位同震响应特征统计（表1），可以看到仅有的一个震荡变化台站周至西关台，震中距382．1km，并不是最大震中距的台站。唯一的一个水位同震阶降的台站平凉柳湖，同震幅度变化却是最大的，但是其震中距不是最小的，岩性却是同震幅度相对最小的砂砾岩。超过1 000km震中距的延庆五里营和桂平台站水位同震呈现的是阶升，而不是震荡型变化。远震的机理可能是，当地震波到达时，引起含水层岩石原有裂缝系统出现弹－塑性的张开和闭合，而张开程度小于闭合程度，结果含水层被压缩，岩石的孔隙度减少，致使井水位出现明显的阶升［13］。种种表现均体现出震荡与阶变的变化不仅仅是震中距的关系，更多取决于所处的地质构造环境［18］和水文地质条件。

表1 岷县漳县6．6级地震引起的水位同震响应分类统计Table 1 Types of water level changes caused by the MS6．6 Minxian－Zhangxian earthquake

（3）岩性对同震振幅变化有一定的影响，但是其影响力远远小于震中距的影响。通常情况下，在含水层埋深大致相同时，水位同震振幅大小取决于含水层岩性：一般灰岩＞变质岩＞砂岩＞第四系砂砾岩［12］。在震中距差别很大的情况下岩性对振幅的影响可以忽略不计。在6个阶升变化的台站资料中，振幅变化由大到小全部吻合于震中距的由近及远。阶降和震荡的幅度与阶升变化幅度没有关系。

3 结论

（1）在甘肃岷县漳县6．6级地震烈度Ⅵ度区长轴161km的1．5倍范围内，主要由静态应变引起水位同震变化的观测井仅有一个，水位同震阶升的幅度小，静态应变触发地震的可能性不大。

（2）以全国台网流体观测数据的统计结果来看，此次岷县漳县6．6级地震中具有水位同震响应的台站数量非常少，水位同震阶变观测井分布与构造带没有良好的对应关系，静态应变范围内的应力得到释放。

（3）岷县漳县6．6级地震水位同震效应的震荡或者阶升变化，更多的取决于台站所处的构造条件和水文地质条件，与震中距的关系相对有限。

（4）台站水位监测层位的岩性对水位同震幅度的影响远远小于震中距对同震变化的影响。

致谢：甘肃地震局张煜高工，陕西地震局赵小茂工程师和重庆地震局巩浩波为本文提供资料。

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