2021年漾濞MS 6.4地震云南数字化井水位同震响应特征分析

段胜朝 张山元 番绍辉 孙自刚

（中国云南 679100 云南省地震局腾冲地震台）

0 引言

井水位的同震响应，是指地震引起的井水位振荡或阶变现象，其动态变化能够较直接地反映地震作用于井—含水层系统的过程，对其进行科学研究是揭示地壳介质对应力—应变过程响应直接、有效的手段之一（中国地震局监测预报司，2005）。近几十年来，许多研究者基于水位分钟值数据从不同方面对井水位的同震响应特征和机理进行了研究（Cooper et al，1965；汪成民等，1988；张子广等，1998；刘耀炜等，2005；车用太等，2006；付虹等，2007；杨竹转等，2010）。但是，基于水位秒钟值数据的同震响应研究相对较少。近年来，向阳等（2017）利用水位秒钟值数据计算了单口井水震波的时频特征，并与地震波时频特征进行对比，得到了井水位观测数据所反映的地震波优势周期，计算了含水层水文参数的变化来解释单口井的同震响应机理。对于多口井水位秒钟值数据同震响应变化的研究则少见报道。

北京时间2021 年5 月21 日21:48:34，云南大理漾濞县发生MS6.4 地震（25.67°N，99.87°E），震源深度8 km。地震引起云南地区部分数字化井水位观测数据产生同震响应。本文收集整理此次地震云南现有在库正常观测的井水位观测数据及其同震响应记录情况，分析了井水位同震响应空间分布和同震水位变化形态特征，从部分观测井水位分钟值与秒钟值数据所反映的同震响应变化形态分析了观测仪器采样率对井水位映震能力的影响，并对水位同震响应机理进行了初步分析。

1 云南数字化水位井网观测概况

通过查询云南地球物理台网“十五”数据库和“十项措施”数据库发现，2021 年以来，云南地下流体数字化水位观测井网共有57 口井（静水位36 口井，动水位21 口井）正常在网观测，其空间分布如图1 所示。水位观测仪器主要有LN-3A 型数字水位观测仪、SWY-Ⅱ型数字化水位观测仪、ZKGD-3000 型水位水温综合观测仪，采样率为1 次/min，入库保存为分钟值数据。SWY-Ⅱ型数字化水位观测仪还可以进行秒采样，会自动生成秒钟值数据文件，但秒钟值数据保存时间较短且不能直接入库使用，需要手动下载保存和转换格式后才能使用，非常不便。因此，选用水位分钟值观测数据对漾濞MS6.4 地震引起云南数字化井水位同震响应特征进行分析。

图1 云南省数字化水位观测井分布Fig.1 The distribution of digital water level observation wells in Yunnan province

2 井水位同震响应特征

2021 年5 月21 日漾濞MS6.4 地震发生前后，云南有57 口井的水位观测仪器工作正常，观测数据连续可靠，水位动态变化背景相对稳定。通过对这57 口井水位分钟值观测数据进行分析，发现漾濞MS6.4 地震时有13 口井记录到明显的同震响应变化，其水位同震响应形态清晰可辨，变化幅度均大于0.005 m。经统计，记录到同震响应的观测井占总观测井的22.8%，将其水位同震响应变化特征整理归纳列于表1，同震响应观测井分布如图1 所示。

表1 漾濞MS 6.4 地震引起云南数字化井水位同震响应特征Table 1 Co-seismic response characteristics of digital well water level in Yunnan Province caused by Yangbi MS 6.4 earthquake

2.1 同震响应观测井分布特征

由图1 和表1 可知，漾濞MS6.4 地震引起水位同震响应的观测井主要分布在震中周围200 km 范围内的2 个区域。一是沿红河断裂带北侧呈NW 走向分布在丽江—剑川—洱源—大理—南华—楚雄一带，共8 口井记录到水位同震响应；二是分布在小滇西地区，小滇西地区位于漾濞MS6.4 地震震中西南方向，共有保山井、隆阳井、腾冲台井、腾冲洞山井、德宏井、施甸井、昌宁井等7 口水位井正常观测，其中，隆阳井、腾冲台井、腾冲洞山井、德宏井等4 口井记录到水位同震响应。另外，200 km 范围外，只有滇西南地区的普洱大寨井记录到水位同震响应。

2.2 井水位同震响应变化形态特征

由表1 可知，对于漾濞MS6.4 地震，云南井水位产生同震响应的观测井其同震响应形态基本都是阶变型变化，根据其动态变化大致可分为阶升（上升）型、阶降（或缓降）型、阶变（阶升、阶降）—复原型等3 种变化类型（图2）。

2.2.1 阶升（上升）型同震响应变化特征。阶升（上升）型同震响应变化表现为当地震发生时，井水位台阶上升或快速上升，之后一直持续在高水位变化，短时间内不会恢复到震前的水位动态背景位置［图2（a）、2（b）］。漾濞MS6.4 地震发生时，下关井、大理月溪井、隆阳井、楚雄井、普洱大寨井等5 口井表现为阶升变化，升幅最小的是隆阳井，阶升0.028 m，升幅最大的是大理月溪井，阶升0.351 m；剑川井表现为快速上升变化，升幅0.012 m。下关井、大理月溪井、隆阳井震中距小于100 km，楚雄井、普洱大寨井大于100 km，下面以楚雄井为例具体分析。

图2 2021 年5 月21 日（牟定井为21—22 日）水位同震响应动态变化Fig.2 Co-seismic response dynamic curve of water level

楚雄井为动水位井，位于川滇菱形块体中南部的滇中块体内楚雄盆地西部边缘，距楚雄—建水断裂较近，距漾濞地震震中180 km，井孔深度为502.80 m，井内50 m 处作永久性止水。观测段含水层位于地下57—376 m，岩性主要为含钙质泥岩夹泥灰岩及粉砂质泥岩，地层为白垩系上统江底河组下段（K2J1），含裂隙溶孔承压水。2021 年5 月21 日21:48:34 漾濞MS6.4 地震时，楚雄井水位21:50 开始从0.563 m 台阶式上升至0.629 m，升幅0.066 m，之后一直持续在高水位动态变化，震后残留水位阶。

2.2.2 阶降（缓降）型同震响应变化特征。阶降（或缓降）型同震响应变化表现为当地震发生时，水位台阶下降或缓慢下降，之后一直持续在低水位变化，短时间内不会恢复到震前的水位动态背景位置［图2（c）、2（d）］。漾濞MS6.4 地震发生时，南华井表现为阶降变化，降幅0.009 m；牟定井表现为缓慢下降变化，降幅0.114 m，下面以南华井为例具体分析。南华井为静水位井，位于南华—楚雄断裂带北段，距漾濞地震震中153 km，井深212.5 m，水位埋深约2.3m。观测段含水层埋深75.60 m，岩性为石英砂岩，地层为中生代白垩西系下统高丰寺组（K1g3），含基岩裂隙脉状承压水。水位年变动态受降雨影响明显，为春夏低—秋冬高型变化，日变动态特征为双峰—双谷型变化。漾濞MS6.4 地震时，南华井水位在日变低谷值时产生同震阶降变化，21:50 从2.883 m 下降到2.892 m，降幅0.009 m，之后一直持续低于水位动态背景值，震后残留水位阶，直至6 月中旬进入雨季后才开始转折上升。

2.2.3 阶变（阶升、阶降）—复原型同震响应变化特征。阶变（阶升、阶降）—复原型同震响应变化表现为当地震发生时，井水位产生同震阶变（阶升或阶降），之后快速恢复到震前的水位动态背景位置，不会残留水位阶［图（e）、2（f）］。漾濞MS6.4 地震发生时，洱源井、丽江井、德宏井、腾冲洞山井、腾冲台井等5 口井表现为阶变（阶升、阶降）—复原型同震响应变化。震中距最小的是洱源井，相距50 km，其阶变幅度0.016 m。其他4 口井震中距都达到或超过140 km，其中，震中距最大的是德宏井，其阶变幅度0.015 m，丽江井、腾冲洞山井、腾冲台井等3 口井阶变幅度都是0.005 m。下面以德宏井为例具体分析。

德宏井为静水位井，位于龙陵—瑞丽压扭性大断裂下盘芒市断陷盆地东南缘、龙陵—畹町断裂北部，距漾濞地震震中195 km，井深200.17 m，水位埋深约2.15 m。观测段含水层埋深92.6 m，岩性呈中厚层状泥灰岩，地层年代为中生代侏罗系中统（J2m¢），含承压岩溶水。水位年变动态受降雨影响明显，为冬春低—夏秋冬高型变化，日变动态特征为双峰—双谷型变化。漾濞MS6.4地震时，德宏井水位在日变低谷值时产生同震阶升—阶降—复原形态变化，21:52 从2.409 m 阶升至2.398 m，然后阶降至2.413 m，再阶升至2.410 m恢复正常动态，变幅为0.015 m。地震后，水位恢复动态背景值变化，未残留震后水位阶。

通过以上分析可知，漾濞MS6.4 地震对云南井水位观测的影响主要集中在震中周围200 km 范围内。从变化形态和分布上，井水位的同震响应都表现出下列特征：①阶升型同震响应幅度相对大于阶变（阶升、阶降）—复原型和阶降（缓降）型同震响应；②距震中100 km 内，观测井无论是在红河断裂带一线还是在小滇西地区，井水位同震响应均主要表现为阶升变化，只有洱源井是阶升—阶降复原变化；③距震中140 km 外，井水位同震响应主要表现为阶变（阶升、阶降）—复原变化和阶降（缓降）变化，只有楚雄井和震中距347 km 的普洱大寨井是阶升变化。

3 观测仪器采样率对井水位映震能力的影响

廖丽霞等（2013）通过对不同采样率的水位同震响应能力及其特征分析认为，不同采样率的仪器记录水位同震响应存在较大差异，不但形态特征上明显不同，响应能力及响应幅度也差别较大。目前，云南有部分井孔水位观测采用SWY-II 型数字水位仪，具备秒采样功能，但数据收集不方便。使用云南地震台地球物理研究室下载保存的云南省水位秒钟值数据，收集到漾濞MS6.4 地震时楚雄井、德宏井、洱源井、建水井、剑川井、昆明台井、泸西井、勐腊井、孟连井、弥渡井、姚安井、永胜井、元谋井、麒麟井、昭通井、师宗井等16 口井的水位秒采样数据。

漾濞MS6.4 地震时，楚雄井、德宏井、洱源井、剑川井等4 口井水位分钟值、秒钟值都明显记录到同震响应变化。图3 为分钟值、秒钟值记录同震响应形态对比。如图3（a）所示，楚雄井分钟值水位阶升，秒钟值同样水位阶升，只是在阶升前期记录到短暂的振荡变化，表明楚雄井水位同震响应阶升是可信的。洱源井、德宏井分钟值水位阶变—复原变化，而其秒钟值则表现为振荡—复原变化，表明其水位同震阶变—复原响应变化可能主要是观测仪器采样率不足、数据部分缺失造成的。基于此，漾濞地震水位同震阶变—复原型变化可大致认为是时间较短的振荡—复原变化。

其他12 口井在漾濞MS6.4 地震时未记录到水位分钟值同震响应变化或记录不明显，而明显记录到秒钟值同震响应变化［图3（b）］，但同震响应持续时间只有几秒至几十秒。弥渡井、永胜井、姚安井、元谋井等4 口井井震距小于200 km，只有秒钟值明显记录到同震响应。其他8 口井井震距均大于200 km，最远的泸西井井震距415 km，同样只有秒钟值记录到同震响应。由图3 可知，秒钟值水位动态变化更为完整，同震响应幅度也相对较大；而分钟值水位动态变化则存在部分信息缺失，甚至未记录到同震响应变化。因此，一定范围内的观测井水位分钟值未记录到同震响应的主要原因是采样率不够，而秒钟值记录同震响应的时间较短可能与观测井—含水层系统、井孔所在位置的水文地质条件和地质构造条件有关。

图3 2021 年5 月21 日分钟值、秒钟值记录同震响应形态对比蓝色为分钟值；黑色为秒钟值（a）分钟值与秒钟值都记录同震响应的观测井；（b）只有秒钟值记录到同震响应的观测井Fig.3 Contrast chart of co-seismic response form by minute and second values recorded

4 井水位同震响应机理简析

Manga 等（2007）分析认为，地下水的各种应力响应可分为断层错位产生的静应力和来自地震波的动应力。几个震源体范围内的承压含水层的水位阶变是源于多孔弹性介质对静态应力场的响应（Wakita，1975；Roeloffs，1998；Brodsky et al，2003）。Zhang等（2011）认为，在震中距小于1.5 倍地震烈度长轴的范围内主要由静态应变引起水位同震阶变，超过该范围的水位同震阶变响应无法用静态应力场的变化来解释。漾濞MS6.4 地震烈度的Ⅵ度区等震线长轴呈NNW 走向，长度为106 km，估算1.5 倍烈度长轴为159 km。

分析认为，地震所导致的地表破裂根据其发震断层的走向具有一定的方向性，地震烈度区域随着地表破裂的程度而展布，由此绘制的地震烈度图大多不是圆形区域构成，若只依据烈度长轴估算静态应力（或应变）的影响范围，则估算影响范围为圆形区域，可能与实际相差较大。根据漾濞MS6.4 地震时周边井水位的同震响应变化形态和分布特征，距震中159 km 内同震响应井较多，变化形态各异，也不能完全用静态应力（或应变）的影响来解释。在此基础上，增加地震烈度短轴的影响，漾濞地震烈度短轴长76 km，估算1.5 倍烈度短轴为114 km，由长轴和短轴划定的椭圆区域可能更接近静态应力（或应变）的影响范围（图4）。由此可见，可以依据漾濞MS6.4 地震时各观测井所处位置的应力状态分析水位同震响应产生的力学机理。

由图4 可知，漾濞MS6.4 地震静态应力影响范围内有下关井、大理月溪井、洱源井、剑川井、隆阳井等5 口井产生同震响应，除洱源井外，其他4 口井水位同震响应均为阶升变化。在漾濞地震前，这些井孔所在区域共同构成了孕育漾濞地震的区域构造应力（静态应力）场，区域压应力逐渐增强，至漾濞地震时，震源应力场的向外推挤作用叠加使这些井孔所在区域含水层受到瞬时增大的压应力，从而导致含水层介质内水瞬间流入井孔造成水位阶升，之后压应力会持续存在一段时间，直至产生新的应力调整，因此震后一段时间内这些井孔水位残留震后水位阶。

图4 漾濞地震静态应力影响范围示意图F1 为小江断裂带；F9 为澜沧江断裂带；F10 为怒江断裂带；F11 为大盈江断裂带 ；F12 为龙陵—瑞丽断裂带；F15 为无量山—营盘山断裂；F17 为红河断裂带；F18 为楚雄—建水断裂Fig.4 Sketch map of influence area of static stress of Yangbi earthquake

在静态应力影响范围以外，有8 口井产生同震响应。其中，德宏井、腾冲洞山井、腾冲台井、丽江井阶变—复原型变化结合其秒钟值动态变化实际上是短暂的振荡—复原变化，可认为是地震波作用于含水层导致含水层介质弹性变形引起的。楚雄井水位阶升变化其秒钟值数据在水位阶升前期记录到了振荡变化，表明含水层介质在水位阶升前期经历了弹性变形。分析认为，楚雄井水位阶升可能是受漾濞地震地震波的触发作用，前期产生振荡变化，之后触发区域压应力进一步增强，产生塑性变形，从而表现为阶升变化，并且阶升后残留水位阶，一直持续高水位动态变化。杨竹转等（2005）通过对普洱大寨井水位同震阶变的研究发现，无论地震在哪一个方位发生，无论地震力学机制如何，普洱大寨井水位同震阶变总是上升。南华井位于受静态应力、动态应力影响的交界处，水位可能受静态应力、动态应力的综合作用表现为阶降变化；牟定井水位缓降变化可能是受地震波作用的影响，井—含水层介质产生塑性拉张变形，但拉张变形的程度不大，表现为缓慢下降变化。

综上所述，从井孔所处区域受力影响的状态可以初步分析各种同震响应变化形态的形成机理。但是，对于每一口井水位同震响应变化机理的深入研究，需要结合各观测井所处位置的区域应力状态、同震水位变化形态、观测井的井—含水层系统、井区地质构造条件、水文地质条件等进行综合分析，才能得出更科学合理的解释。

5 结论与讨论

通过对漾濞MS6.4 地震云南数字化井水位分钟值数据同震响应特征、观测仪器采样率对井水位映震能力的影响进行分析，得到了以下几点认识。

（1）漾濞MS6.4 地震时有13 口井记录到明显的水位同震响应变化，占云南总数字化水位观测井的22.8%。这些水位同震响应观测井主要分布在震中周围200 km 范围内的2 个区域。一是沿红河断裂带北侧呈NW 走向分布在丽江—剑川—洱源—大理—南华—楚雄一带；二是分布在小滇西地区，位于漾濞MS6.4 地震震中西南方向。在200 km 范围以外，只有滇西南地区的普洱大寨井记录到水位同震响应变化。表明漾濞地震引起云南数字化井水位产生同震响应的能力总体不强，影响范围不大。

（2）对于漾濞MS6.4 地震，云南数字化井水位同震响应形态基本都是阶变型变化，根据其动态变化大致又可细分为阶升（上升）型、阶降（或缓降）型、阶变（阶升、阶降）—复原型等3 种变化类型。

（3）对于漾濞MS6.4 地震，云南数字化井水位的同震响应从变化形态和分布上都表现出下列特征：①阶升型同震响应幅度相对大于阶变（阶升、阶降）—复原型和阶降（缓降）型同震响应；②在静态应力影响范围内，观测井无论是在红河断裂带一线还是在小滇西地区，井水位同震响应主要表现为阶升变化；③在静态应力影响范围以外，井水位同震响应形态除了以阶变（阶升、阶降）—复原变化为主外，还有阶降（缓降）变化和阶升变化。

（4）对于井水位同震响应机理的探讨，在Zhang 等（2011）研究的基础上，引入地震烈度短轴的影响，由地震烈度长轴和短轴共同划定的椭圆区域来划分漾濞MS6.4 地震静态应力、动态应力的影响范围，依据漾濞地震时各观测井所处位置的应力状态，分析其水位同震响应产生的力学机理来解释漾濞地震时各观测井水位的同震响应变化形态可能更接近实际情况。因此，这种划分应该可以作为水位同震响应机理分析的一种参考分析依据。

（5）观测仪器采样率对井水位映震能力的影响较大，漾濞MS6.4 地震时云南部分观测井没有记录到分钟值数据同震响应，主要原因是仪器采样率不够，而秒钟值记录同震响应的时间较短可能与观测井—含水层系统、井孔所在位置的水文地质条件、地质构造条件等有关。

水位秒钟值数据的同震响应变化形态更加完整，可为井水位同震响应机理研究提供更客观的资料。但是，目前水位秒钟值数据的收集和使用都存在不便，SWY-II 型数字水位仪具备秒采样功能，但没有自动下载、数据入库功能。如果需要秒钟值数据，需要手动下载保存。若不及时收取，容易造成数据缺失。秒钟值文件数据格式也不是常用软件可以直接使用的格式，需要转换才能使用。建议仪器生产厂家优化水位秒钟值数据下载保存和格式转化使用功能，以便发挥水位秒钟值数据更大的应用研究价值。

在项目实施和论文撰写过程中得到云南省地震台张立高级工程师的悉心指导，审稿专家对本文提出了宝贵的建设性修改意见，在此一并感谢。