2022年芦山MS 6.1、马尔康MS 6.0地震井水位、水温同震响应特征

陶志刚 刘春国 赵德杨

1）中国北京 100045 中国地震台网中心

2）中国成都 610044 四川省地震局

0 引言

大地震产生的应力能够瞬间改变地壳介质状态，引起含水层中地下水的流动（Wang et al，2014）。井水位、井水温同震效应是揭示地壳介质对应力—应变过程响应的有效手段，能够反映地壳动力作用下地下介质应变和孔隙压的变化特征，从而便于深入了解地下介质的动力学过程（Roeloffs，1998；Montgomery et al，2003）。由于地下流体同震响应分布区域较广，响应特征较易识别（陈大庆等，2007），故有关同震响应的研究报道相对较多，其主要涉及2 大方面，一方面是对一井多震的研究，即对同一口井进行研究，分析记录不同地震的同震响应特征（尹宝军等，2009；杨竹转等，2010；杨学锋等，2021；崔瑾等，2021 等）；另一方面是对一震多井的研究，即研究1 次地震所引起的全国范围内同震响应分布特征（黄辅琼等，2000；杨竹转等，2008；晏锐，2009；周志华等，2013，2014；张彬等，2015；李滔等，2020 等），也有针对2 次地震的对比研究，如杨竹转等（2014）对2013 年芦山MS7.0、2008 年汶川MS8.0 地震井水位同震变化进行分析。已有的研究结果表明，水位同震响应主要由周期为l5—20 s 的瑞利面波引起，震中附近同震响应幅度较大，但与震中距间没有显著的关系。同震响应有振荡和阶变2 种形态特征，井水位对地震波响应幅度与井孔的结构、含水层的导水系数、储水系数、含水层孔隙度、井—含水层固有频率等因素有关。同震响应的研究不仅有助于对地下流体前兆现象的认识和理解，还对于减轻次生灾害、追溯地震前兆、跟踪后续地震及研究地壳活动规律等都有一定的理论和实际意义（杨竹转等，2005）。

北京时间2022 年6 月1 日17 时0 分四川芦山（30.37°N，102.94°E）发生MS6.1 地震，震源深度17 km。2022 年6 月10 日1 时28 分，四川阿坝马尔康（32.25°N，101.82°E）发生MS6.0 地震，震源深度13 km。10 天内四川西部地区连续发生2 次6.0 级以上中强地震，发震间隔短，引发了社会上的持续关注。本文基于全国地下流体数据库，统计分析中国大陆地下流体井水位、水温测项的观测数据，对比分析了2 次地震引起的地下流体水位、水温同震响应特征。

1 芦山MS 6.1 地震同震响应特征

1.1 水位同震响应特征

按照同震响应的形态特征，将同震响应变化分为振荡、上升、下降等3 种类型。振荡型变化指在地震波作用下，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（杨竹转等，2008）；上升、下降变化则改变了水位的正常动态变化背景，水位出现了快速或阶梯式的抬升或下降，这种变化通常需要十多分钟至几天的时间才能恢复，有时甚至产生永久性的改变。

统计发现，由芦山MS6.1 地震引起水位同震响应的观测井有15 口（13 口非自流井，2 口自流井），其中，出现同震振荡的有4 口井，同震上升的有8 口井，同震下降的有3 口井。就此次地震而言，水位同震响应形态以同震上升变化为主，其次是同震振荡，同震下降的最少（表1）。

表1 记录到芦山MS 6.1 地震井水位同震响应的测点Table 1 Water level coseismic response information table of Lushan MS 6.1 earthquake

由表1 可见，与芦山MS6.1 地震震中相距最近的为宝兴川42 井，震中距12.2 km；最远的是北碚柳荫观测井，震中距356.5 km。出现同震水震波（振荡）观测井震中距为80.8—345.8 km；出现同震上升的为12.2—356.5 km；出现同震下降变化的为12.2—308 km。出现水位同震响应的观测井分布范围较集中，震中距均小于360 km。15 口井的水位同震变化幅度为0.001 6—0.764 9 m，平均0.116 6 m。从全国范围来看，震中距与同震响应变化幅度间呈指数幂衰减变化。震中距小于50 km 的同震响应变化幅度较大，且衰减较快；大于50 km 的同震响应变化幅度较小，衰减逐渐降低。同震响应程度（同震变化幅度与前一日正常动态变化幅度比值）与震中距间也呈现指数幂衰减现象（图1）。

图1 芦山MS 6.1 地震水位同震变化幅度（a）、同震响应程度（b）与震中距间的关系Fig.1 The relationship between epicentral distance with coseismic variation amplitude(a) and with level of coseismic variation (b)

芦山MS6.1 地震引起的近震、远震水位同震响应特征完全不同，震中距小于50 km 的宝兴川42 井、芦山川46 井、芦山川47 井、芦山川48 井同震响应开始时间与发震时间同步，结束时间相对较晚，同震响应形态以快速上升或快速下降变化为主，变化幅度显著，震后效应明显，地震波传递后改变了原有的水位正常动态背景值域；而震中距大于50 km 的井同震响应结束时间较早，同震变化幅度较小，地震波传递后10 min 内水位恢复正常动态变化。

1.2 水温同震响应特征

芦山MS6.1 地震引起水温同震响应的观测井有5 口，其中，4 口井的震中距约为20 km，1 口井震中距287.5 km，同震响应时间滞后发震时间0—7 min，同震响应结束时间为震后34—131 min。水温同震响应形态以多向变化为主，其中，2 口井出现上升—下降变化，2 口井出现下降—上升变化，1 口井出现单向上升变化（表2），典型观测曲线见图2。

图2 2022 年6 月1 日水位、水温观测数据分钟值同震变化对比（a）、（b）芦山川46 井；（c）、（d）芦山川48 井；（e）、（f）芦山川47 井；（g）、（h）宝兴川42 井Fig.2 Comparative observation curves of coseismic variation of water temperature and water level on June 1st,2022

表2 记录到芦山MS 6.1 地震井水温同震响应的观测井Table 2 List of wells recorded coseismic response information of water temperature in Lushan MS 6.1 earthquake

5 口水温观测井，其同井水位均记录到了同震响应，另外10 口井记录到了水位同震响应，却未记录到水温同震响应，说明水温记录同震响应的前提条件是同井水位能够记录到水位同震响应。

除了川32 井外，其他4 口井的水温、水位同震响应时间与地震发震时间一致，地震发生后，水位、水温同时开始发生变化，但是水温的恢复时间要大于水位，说明水温震后恢复到一个新的动态平衡需要的时间更长。

同一个地震、不同的观测井，其水位同震响应形态与水温同震响应形态完全不同。川46 井水位同震响应呈上升—下降变化，水温同震响应也呈上升—下降变化，但变化幅度不成正比；川47 井水位快速下降后转折上升，而水温上升后快速下降变化。川48 井水位单向上升，水温出现下降后转折上升变化。川46 井（井底深度160 m，地处龙门山断裂带南段大川—双石活动断裂下盘）、川47井（井底深度161 m，地处龙门山断裂带南段大川—双石活动断裂上盘）、川48 井（井底深度125 m，地处龙门山断裂带南段大川—双石活动断裂破碎带上）位于同一个断裂带的不同位置上，水温传感器置深均为120 m，传感器处的温度梯度均为正向梯度，但是对同一个地震的同震响应形态却完全不同，说明水位同震响应变化形态可能与观测井所处的断层部位有关，处于断层的上盘、下盘和断裂带中的观测井对水位同震响应的形态可能不同；而对于水温观测而言，同震响应机理更为复杂，还与井孔中的温度梯度、井—含水层系统对流方向、水温传感器的投放位置等因素有关。

2 马尔康MS 6.0 地震同震响应特征

2.1 水位同震响应特征

对于马尔康MS6.0 地震，只有7 口井记录到了水位同震响应（1 口自流井，6 口非自流井），其震中距为158.8—576.2 km。水位同震振荡的有6 口井，同震下降的有1 口井，没有上升变化，水位同震响应程度相对较低（表3）。由表3 可见，记录到马尔康MS6.0 地震水位同震响应的观测井震中距为158.8—576.2 km，同震变化幅度为0.000 5—0.010 0 m，平均0.005 6 m，同震变化幅度较小，且随震中距的增加逐渐衰减。同震响应程度与震中距间无显著相关性。同震响应开始时间滞后发震时间0—3 min，响应持续时间2—9 min，平均约3 min。

表3 记录到马尔康MS 6.0 地震水位同震响应的观测井Table 3 List of wells recorded water level coseismic response information in the Maerkang MS 6.0 earthquake

马尔康地震是一次震群活动，先发生了MS5.8 地震，后又发生MS6.0 地震，昭通市昭阳一中井水位同时记录到了2 次地震的同震振荡变化，但MS5.8 地震水位同震变化幅度比MS6.0 地震的大（图3）。

图3 2022 年6 月9—10 日昭阳一中井水位观测数据分钟值同震变化Fig.3 Water level coseismic response curve of Zhaoyang No.1 Middle School in Zhaotong City

2.2 水温同震响应特征

只有川46 井记录到了马尔康地震时水温同震变化（图4），其表现为水温同震缓慢上升，变化幅度较小。该井也记录到了水位同震下降变化，且对马尔康MS5.8、MS6.0 地震均有反应（图5），MS6.0 地震时水位同震下降变化幅度大于MS5.8 地震，变化幅度与震级间呈正比。同一口井记录不同的地震，水位同震上升或下降变化的幅度与震级间成正比，即震级越大，水位同震上升或下降变化幅度越大。而水位震荡变化与震级间不一定成正比。这主要是因为水位仪器为分钟采样率，对于振荡型不能完全记录水震波的全部形态，水位变化幅度不能真实地反映水震波的变化幅度。因此，对于振荡变化的水位同震响应幅度和响应时间的研究还存在一些不足之处，应在秒采样率的前提下进行研究。

图4 2022 年5 月9—10 日川46 井水位（a）、水温（b）观测数据分钟值同震响应Fig.4 Coseismic response curves of water level and water temperature in Well Chuan 46 from May 9 to 10,2022

3 同震对比分析

通过对比发现，芦山MS6.1 地震引起的井水位、水温同震响应的台项数量明显高于马尔康MS6.0 地震，同震响应形态也不相同，芦山MS6.1 地震水位同震响应以上升变化为主，而马尔康地震以振荡为主。这2 组地震，震中相距仅132.26 km，震级相差0.1 级，但是引起的水位、水温同震响应特征却完全不同，推测可能存在以下3 种原因。

（1）震源机制解不同。经初步分析，芦山MS6.1 地震发生在巴颜喀拉块体的东部边界，以NE 向的逆冲型断裂为主，发震构造为双石—大川断裂，断层节面Ⅰ：走向220°/倾角40°/滑动角98°，节面Ⅱ：走向29°/倾角50°/滑动角83°。马尔康MS6.0 地震发生在巴颜喀拉块体内部，以NW 向的走滑断裂为主，发震构造为松岗断裂，断层节面Ⅰ：走向57°/倾角77°/滑动角-172°，节面Ⅱ：走向325°/倾角82°/滑动角-13°。2 组地震的震源机制解完全不同。芦山MS6.1 地震的发震构造是低角度的逆冲型断裂，而马尔康MS6.0 地震的发震构造为高角度的走滑型断裂，推测芦山MS6.1 地震引起的静应力变化范围可能要大于马尔康MS6.0 地震。此外，2 组地震震级相差0.1 级，但地震释放的能量可能会相差较多。

（2）台站分布密度不同。距芦山MS6.1 地震震中300 km 范围内有32 口观测井，200 km 范围内有18 口观测井，100 km 范围内有7 口观测井。而距马尔康MS6.0 地震震中300 km 范围内只有18 口观测井，200 km 范围内有2 口观测井，100 km 范围内无观测井，距芦山MS6.1 地震震中300 km 范围内的台站密度远远高于马尔康MS6.0 地震。台站密度不同可能是造成2 组地震同震响应台项数量差别的主要原因。

（3）同震响应机理不同。记录到马尔康MS6.0 地震同震响应的7 口井，均记录到了芦山MS6.1 地震的同震响应，同震响应变化形态也有所差别（表4）。映秀井、自贡富顺童寺井、川46 井这3 口井对应上述2 次地震的同震响应形态完全不同，这主要与震中距有关。近震和远震的同震响应机理不同，近震的同震响应是因为含水层应力状态改变而引起水位长期维持在一个新的动态平衡中，所以同震响应以上升或下降变化为主，震后效应明显，恢复时间较长。而远震的同震响应是由于地震波传递后引起了含水层中的地下水发生自由震动，使含水层内孔隙压力发生升降交替变化，导致井—含水层系统之间交替产生水流运动，最终表现为井孔内水柱的反复升降变化，也就是震荡变化，其恢复时间短。所以，芦山MS6.1地震同震响应以近震的形态特征为主，而马尔康MS6.0 地震同震响应形态以远震特征为主。

表4 同时记录到马尔康MS 6.0、芦山MS 6.1 地震水位同震响应的观测井Table 4 List of wells recorded the coseismic response information of the water level of both in the Maerkang MS 6.0 earthquake and the Lushan MS 6.1 earthquake

4 结论

通过分析芦山MS6.1、马尔康MS6.0 地震引起的水位、水温同震响应特征，得到以下几点认识：①芦山MS6.1 地震引起的井水位、水温同震响应的观测井数量明显多于马尔康MS6.0 地震，水位测项记录同震响应的能力要强于水温测项；②芦山MS6.1 地震水位同震响应以上升为主，同震变化幅度较大，而马尔康MS6.0 地震同震响应以振荡为主，同震变化幅度较小；③2 组地震引起的同震响应差异主要与震源机制解、台站分布密度、同震响应机理等的不同有关；④位于同一个断裂带上且所处构造部位不同的观测井，其水位、水温的同震响应形态可能不同，说明水温、水位同震响应机理较复杂。

本文对2 次地震引起的水位、水温同震响应特征进行了初步总结，很多变化特征没有给出合理的解释，还需结合井孔水文地质条件、井孔温度梯度等资料进一步研究。