2017, Vol. 37
远场地震产生的地震波作用会导致井水位发生明显变化，称之为水位的同震效应，是由地震产生的面波在传播过程中引起含水层渗透率发生变化的结果。地震与地下水通过改变地壳中的岩性以及应力场变化而相互作用，通过研究地震波作用下含水介质的应力应变，可以促进区域构造应力作用下地下水运动的研究，从而推进对地震孕育过程中流体前兆现象的识别与研究[1]。
据中国地震台网测定，北京时间2015-04-25 14：11尼泊尔(28.2°N，84.7°E)发生MW8.1地震，震源深度20 km。本文收集整理此次地震发生前后中国大陆地下水观测网“九五”、“十五”数据库资料，针对水位的同震响应进行分析研究。
1 井水位的同震响应尼泊尔MW8.1地震发生后，本文共收集到中国大陆地下水观测网中242口观测井的水位资料，其中有175口水位观测井记录到了水位同震变化，距震中最近的是拉萨电磁(约540 km)，最远的是黑龙江黑河(约4 310 km)。如图 1所示，此次地震引起的井水位同震响应变化(2015-04-25 12:00~18:00分钟值)可分为以下几类：振荡型(图 1(a))、振荡脉冲下降型(图 1(b))、振荡上升型(图 1(c))、振荡下降型(图 1(d))、阶变上升型(图 1(e))、阶变下降型(图 1(f))。
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图 1 典型水位同震响应曲线 Fig. 1 Typical curves of water level with co-seismic response |
地震引起的水位同震变化大体分为振荡型和阶变型两种，振荡型是指在地震波作用下产生水震波，地震波经过后水位很快平静下来，仍沿原来的形态变化(图 1(a))；而阶变型则打破了井水位原有的变化过程，或引起水位突然的快速上升，或出现水位的突然下降(图 1(e)、1(f))，这种变化通常需要十几分钟甚至数月的时间才能恢复(有时甚至产生永久性的改变)。当然，也有某些观测井表现为水位出现阶变的同时伴随有振荡现象(图 1(c)、1(d))。井水位同震响应的形态差异，主要取决于观测井点所处的构造部位，而其同震响应的幅度主要取决于含水层的岩性、导水系数以及地下水埋藏类型等[2]。
关于水位振荡与阶变现象的形成机理，目前公认比较成熟的理论如下：水位振荡主要是地震P波、SV波和瑞利面波引起的[3]，当这些波通过井-含水层系统时会使含水层扩张和压缩从而引起孔隙压振荡，当含水层导水性足够大时，孔隙压的振荡会引起地下水流入或流出井孔，从而引起井水位的振荡，并且井-含水层系统对地震波的响应能力主要取决于系统的固有周期和阻尼系数[4]。而对于水位阶变的机理则一直处于研究与争议中，目前大多数人认为静态应变模型在一定程度上能够解释位于离震中较近的近场范围内固结含水层中的井水位变化[5]，尤其是在同震应变场分布与同震水位变化分布具有很好对应性的情况下。静态应变模型认为，地震时候发震断层错动产生的静态应变造成含水层的压缩与膨胀，从而造成井孔水位的阶梯状变化。然而根据同震应变场预测的水位变幅却往往要比实际观测的小很多[6]。而对于远强震引起的水位阶变，还有部分人认为地震波作用于地壳介质时引起含水层水体和固体骨架的震动，一方面会导致含水层岩体产生微裂隙或发生固结，另一方面水体的振荡可起到“清洗”裂隙的作用，这两个方面的原因以及地震波引起的含水层应力应变扰动可导致含水层的孔隙压发生变化，从而引起井水位的阶变[5, 7]。
为便于探讨井水位同震响应的空间分布特征，将图 1中(c)和(e)型的变化统称为上升型变化，(b)、(d)和(f)的变化统称为下降型变化，这样水位的同震响应类型就可以划分为3大类：振荡型、上升型和下降型。此次尼泊尔MW8.1地震引起中国大陆井水位的同震响应中振荡型变化有65个，上升型和下降型变化分别有54个和56个。图 2为此次地震引起的水位同震响应空间分布。上升点与下降点主要集中在南北地震带、华北地震带、华中及东南沿海地震带。与1999-09-21台湾南投MS7.6、2004-12-26苏门答腊MS8.7、2008-05-12汶川MS8.0以及2011-03-11日本MS9.0地震引起的中国大陆井水位同震响应特征有所不同，此次尼泊尔MW8.1地震的同震响应类型包括振荡型、上升型及下降型，分配比较均一，而前几次地震的同震响应以上升型或者振荡型居多[8]。
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图 2 尼泊尔MW8.1地震引起水位同震响应的井点空间分布 Fig. 2 Space distribution of wells with co-seismic response of the MW8.1 Nepal earthquake |
承压含水层内水井水位的变化可以反映含水层孔隙压的变化，而含水层孔隙压的变化与含水层所受的应力状态有密切的关系，地壳内的应力变化有时使含水层所受应力状态发生变化，从而导致含水层内水井水位也发生相应的变化。依据水位固体潮理论，井水位潮汐响应系数d是固体潮引起的水位变化量δHw与井-含水层系统体应变Θ的比值，即
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(1) |
固体潮产生的体应变Θ与固体潮造成的平均主应力变化量δσ之间存在如下关系[9]：
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(2) |
式中，k是井-含水层系统体积弹性模量的估计值，对于深部封闭含水层系统来说，一般取为50 GPa[10]。结合式(1)和式(2)可得水位的变化量与应力变化量之间的关系式：
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(3) |
虽然式(3)中水位变化量与应力变化量之间的关系是通过水位固体潮理论推导而来，但式中水位与应力变化的物理含义并非仅局限于固体潮引起的变化。可通过井水位的潮汐响应系数和同震阶变量来反演观测井所处区域的震时应力调整变化量[10]。本文利用尼泊尔MW8.1地震引起的中国大陆110口观测井水位同震阶变数据，计算了地震时井孔所在区域应力的调整变化量(表 1)。计算过程中，水位变化量通过图 1(b)~(f)型阶变数据求得，潮汐系数d通过Venedikv调和分析法求得，调和分析过程中潮汐分量选用受气压影响较小且具有较大振幅的M2波，各井水位调和数据选用地震发生前1 a的数据(2014-03-24~2015-04-24)。
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表 1 尼泊尔MW8.1地震引起的水位变化量与应力变化量 Tab. 1 Variations of water level and stress induced by MW8.1 Nepal earthquake |
图 3为尼泊尔MW8.1地震引起的110口观测井水位及其井-含水层所处区域应力变化量的空间分布。结合表 1可以看出，由于井-含水层系统对应力应变响应能力的差异，水位阶变量空间分布特征(图 3(a))与应力调整空间分布特征(图 3(b))也不尽相同，具体表现为：1)京津地区下降幅度较大，但反演得出的应力减弱程度却不是很大；2)川中东部水位上升幅度较小，但反演得出的应力增强程度却很明显；3)云南地区和甘青交界水位与应力的变化量均比较突出，且水位多表现为上升型变化，应力多表现为增强型。
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图 3 尼泊尔MW8.1地震引起的水位变化与应力调整分布 Fig. 3 Variations distribution of water level and stress due to the MW8.1 Nepal earthquake |
单个井孔的水位变化量和由其反演出的应力调整变化量与震中距有一定的关系，一般而言，距离震中越近，水位的变化幅度就越大，反之则越小。除震中距外，井孔所处区域的构造背景和水文地质环境也非常重要。如果井孔正好处于应力应变敏感区或断裂带附近，那么其水位的同震响应幅度就可能会相应较大，进而反演出来的应力变化量也会较大。依据单个井孔所反演出来的震时应力调整变化并不能完全包含其所处区域的应力场信息，但如果某个区域内应力调整变化比较明显且表现出一定的群体性或集中性，那么其可能是区域应力相对集中区，对未来该区域发生较显著的地震具有空间上的指示意义。
综上所述，利用水位同震阶变量反演得出的震时应力调整变化结果表明，尼泊尔MW8.1地震引起的中国大陆应力调整比较明显的区域主要是南北地震带，特别是甘青交界、云南地区及川渝黔交界地区震时应力变化明显增强。
3 震例检验尼泊尔MW8.1地震发生后的1~2 a内，甘青交界地区于2015-11-23与2016-01-21分别发生了青海祁连5.2级地震(38.0°N，100.4°E)与青海门源6.4级地震(37.68°N，101.62°E)，云南地区于2015-10-30与2016-05-18分别发生了云南保山昌宁5.1级地震(25.1°N，99.5°E)与云南大理5.0级地震(26.1°N，99.53°E)，具体震中位置如图 4所示(五角星)。由图 4看出，尼泊尔MW8.1地震发生后，通过水位同震阶变量反演得出的震时应力调整变化说明，甘青交界、云南地区及川渝黔交界地区震时应力增强幅度较大，与后续地震震中对应较好，这表明水位同震效应阶变反演的震时应力增强区域，可能对未来地震的发生具有一定的空间上的指示意义。
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图 4 尼泊尔Mw8.1级地震引起的应力调整与地震震中分布(五角星符号为地震标识) Fig. 4 The earthquake epicenter and stress variations distribution due to the MW8.1 Nepal earthquake (Pentagram symbol indicates earthquakes) |
1) 尼泊尔MW8.1地震的影响范围巨大，波及整个中国大陆。在收集到的242口观测井水位资料中，有175口井出现了同震响应。
2) 尼泊尔MW8.1地震引起的中国大陆井水位同震响应中，有40%的观测井表现为水位振荡变化，其余60%表现为水位上升或下降，主要集中在南北地震带、华北地震带、华中及东南沿海地震带。
3) 利用110口观测井的水位同震阶变资料反演中国大陆震时应力场调整状态，结果显示，尼泊尔MW8.1地震引起应力场调整比较明显的区域主要是南北地震带，特别是甘青交界、云南地区及川渝黔地区震时应力增强比较明显。
4) 尼泊尔MW8.1地震发生后的1~2 a内，甘青交界地区于2015-11-23与2016-01-21分别发生了祁连5.2级地震与门源6.4级地震，云南地区于2015-10-30与2016-05-18分别发生了保山昌宁5.1级地震与大理5.0级地震。这表明，水位同震效应阶变反演的震时应力增强区域，可能对未来地震的发生在空间上具有一定的指示意义。
致谢: 感谢孙小龙副研究员提供的计算程序。
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