地震静应力作用与井水位孔压响应分析——以唐山古冶5.1级地震为例

董 博 纪春玲 杨东辉

1 河北省地震局，石家庄市槐中路262号，050021 2 承德地震监测中心站，河北省承德市殊像寺地震台，067000

井水位的持续变化是地震最好的水文响应。近几十年来，地震活动对井水位变化影响的理论分析取得了一些进展，地震近场和某些情况下中场的水位持续变化可用地震产生的同震静应变解释[1]。根据Biot线性孔弹性理论，一般井孔压为负的拉张区水位下降，井孔压为正的压缩区水位升高，这与很多震例分析结果一致[2-8]。

2020-07-12河北唐山市古冶区发生5.1级地震，震中位于39.78°N、118.44°E，震源深度为10 km。本文利用唐山地区9口流体井资料，根据线性孔弹性理论和同震体应变理论计算井孔压分布，结合唐山古冶5.1级地震震前、震时、震后井水位的变化情况，进一步佐证线性孔弹性理论所描述的井水位与体应变之间的关系，进而证实地震近场的水位持续变化可用地震产生的同震静应变解释。

1 资料选取及预处理

本文选取唐山地区观测质量较好的9口井作为研究对象(表1、图1)。选取2017-01-01～2020-07-31 井水位原始数据及同时间段气压数据，并人工剔除各井水位、气压原始数据中的一些尖峰、脉冲、因校测和仪器故障等产生的阶变数据。

表1 井信息

图1 震中及流体井分布Fig.1 The distribution of the epicenters and fluid wells

2 地震过程中天体引潮力附加构造应力变化

利用surfer软件中的克里金插值法对已进行预处理的井水位、气压数据进行补全[9]，最后对各井水位去趋势后进行傅里叶变换(FFT)，以确定潮汐对井水位的影响程度。以卢龙崔庄井为例，其2020-01的计算结果见图2、图3。

图2 卢龙崔庄井2020-01水位整点值曲线Fig.2 The curve of the epicenters and fluid wells in Lulong Cuizhuang well in January, 2020

图3 卢龙崔庄井2020-01水位频谱Fig.3 Water level spectrum of Lulong Cuizhuang well in January, 2020

由图2、图3可知，观测数据中明显含有日潮、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，这与固体潮理论一致，说明该井日变曲线主要受潮汐影响。笔者尝试了不同的数据，但频谱图中频率振幅将近0.065 kPa的信号一直存在，推断这可能与井本身结构和周围环境有关。

研究表明，引潮力是持续周期性变化的，其在最大振幅相位时刻有可能诱发地应力处于临界状态的构造区发生地震[10]。利用文献[11]的方法计算2020-06-16～07-31唐山古冶5.1级地震震中位置的引潮力连续变化值，如图4所示。

图4 唐山古冶地区引潮力变化曲线Fig.4 The variation curve of tidal force in Guye area, Tangshan

由图4可知，07-12唐山古冶地震发生时，引潮力处于较高的相位值，表明引潮力对该次地震有一定的诱发作用。但是该地震没有发生在引潮力极大值的某个转折点，而是在引潮力持续增大的过程中，表明古冶地震的发生与天体间引潮力瞬时变化关系不大，且震前应力应该是逐渐累积、增强的过程。

3 地震静应力作用与井水位孔压响应

唐山古冶5.1级地震震源机制解呈右旋走滑的运动性质，此次地震的主压应力方向为SEE向，与现代区域构造应力场主压应力方向(近EW向)一致，整体上呈现近东西向压缩、近南北向拉张的受力状态。

本文根据线性孔弹性理论和同震体应变理论，运用井水位升降变化确定地震引起的地壳形变分布。井孔压计算方法见文献[12]，震前孔压分布见图5。

图5 震前实测井水位升降与计算孔压变化Fig.5 The changes of water level and calculated pore pressure in wells before earthquake

由图5可知，压缩区为近东西向，昌黎何家庄井、玉田井、唐山井、丰润井、林西矿井和马家沟井水位处于上升状态，卢龙崔庄井和滦县井水位升降变化不明显；拉张区为近南北向，滦南井水位处于下降状态，符合线性孔弹性理论。

震前15 d马家沟井水位上升最大为0.556 6 m，计算孔压为1.487 8 Pa，林西矿井、滦县井水位上升幅度次之。唐山古冶5.1级地震前，震中附近的流体井孔压较大，距离震中较远的井孔压较小，说明震前唐山古冶地区处于应力累积的状态。历史震例也表明，在大震前震源附近会有应力累积过程。

收集2017-01-01～2020-07-31华北地区MS≥3.0地震信息，绘制震中分布图(图6)和M-T图(图7)。从图6可以看出，2020年唐山古冶5.1级地震为近几年华北地区发生的最大地震，MS≥4.0地震主要分布在唐山地区近东西方向。结合图7可知，2017年至唐山古冶地震前，华北地区MS≥3.0的地震发震间隔较长(除2019-05有小部分应力的释放)，表现为应力的累积过程。

图6 2017-01-01～2020-07-31华北地区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

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

根据9口井同震效应计算地震当天井孔压力分布(图8)。由图可见，地震当天距离震中最近的林西矿井计算孔压为1.293 4 Pa，而距离震中较远的马家沟井孔压为1.294 4 Pa，说明震后瞬时，震中附近的井孔压力不一定是最大的，这可能跟所在区域的地质构造有关。

图8 震时实测井水位升降与计算孔压变化Fig.8 The changes of water level and calculated pore pressure in wells during earthquake

由图8可知，07-12震后瞬时玉田井水位处于上升状态；滦南井、丰润井、滦县井和卢龙崔庄井水位升降变化不明显；唐山井、马家沟井、林西矿井和何家庄井水位处于下降状态。由此可知，震后瞬时流体井井孔压力分布不符合震源机制解。震前井孔受拉张力的滦南井，震时水位未发生明显变化，震后瞬时井孔仍受拉张力控制；震前井孔受压应力的丰润井、滦县井和卢龙崔庄井，震时水位未发生明显变化，震后瞬时井孔仍受压应力控制；震前井孔受压应力的昌黎何家庄井，震时水位出现下降，震后瞬时井孔受拉张力控制。震后瞬时不符合震源机制解的现象可能与井孔结构、含水层深度、井孔所在断层位置等有关，有待进一步研究。

计算地震后15 d井孔压力分布(图9)。由图可知，震后滦南井水位由下降转变为上升，表现为应力的累积，而近东西向大部分流体井水位由上升转变为下降，表现为应力的释放，较图8可知，应力释放量有所增大。近东西向的震前、震时应力压缩区演变为拉张区，而近南北向的应力拉张区演变为压缩区，说明地震静应力作用得到了调整，逐渐恢复到正常的应力水平。

图9 震后实测井水位升降与计算孔压变化Fig.9 The changes of water level and calculated pore pressure in wells after earthquake

为进一步验证所得结论，绘制2017-01-01～2020-07-31所有井水位原始曲线图(图10)。由图可知，玉田井、滦南井、滦县井和丰润井水位存在一个相似的年变规律。从2019年下半年开始，滦南井呈现下降趋势，说明井孔受拉张力；玉田井、唐山井、滦县井、卢龙崔庄井、昌黎何家庄井、丰润井、林西矿井水位变化较平稳，基本呈现上升趋势，表现为应力累积；马家沟井水位呈现先上升后下降的趋势，受力状态不清晰。所得结论基本符合上述研究结果。

图10 2017-01-01～2020-07-31井水位原始曲线变化情况Fig.10 The variation of original curve of well water level from January 1,2017 to July 31,2020

通过计算震前、震时、震后的井孔压分布得知，井孔压在走滑断层破裂带周边呈四象限分布，这种变化特征可用震前闭锁剪力模型解释[13]。根据线性孔弹性理论，可以运用井水位升降变化确定地震引起的地壳形变分布变化。

4 结 语

以2020年古冶5.1级地震为例，通过计算唐山地区9口井流体潮汐参数及井孔压，结合实测水位的升、降情况，得出以下结论：

1) 唐山地区流体井日变幅曲线主要受潮汐作用影响，古冶地震发生时引潮力处于较高相位值，说明引潮力对该地震有一定的诱发作用。

2)震前压缩区为近东西向，表现为应力累积，井水位基本为上升状态；拉张区为近南北向，表现为应力的释放，井水位基本为下降状态，符合线性孔弹性理论。震时压缩区与拉张区没有改变，但压缩区应力有所释放，拉张区应力有所累积，井水位变化情况基本符合震源机制解，但流体井井孔压力分布不符合震源机制解，该现象可能跟井孔结构、含水层深度、井孔所在断层位置等有关，有待进一步研究。震后近东西向的压缩区演变为拉张区，近南北向的拉张区演变为压缩区，实测的井水位升、降情况也基本与压缩、拉张情况一致。