0 引言

大地震释放的巨大能量会瞬间改变地壳介质的受力状态，从而引起含水层中的地下水流动，使水位发生变化^[1-2]。同震水位变化往往受井震距、震级、井深、井径、构造环境、所处活动地块边界距离、含水层岩性、水文地质条件、地震波频率、加速度幅值、持时等诸多因素的影响。现有研究多以井-含水层系统孔弹性响应等理论为基础，采用统计学、潮汐分析等方法从一震多井、一井多震、多震多井等角度对同震水位变幅、空间分布、同震水位响应类型、同震水位变幅与井震距及震级的关系等方面进行研究，认为水文地质条件与构造环境是同震水位响应的重要影响因素^[3-11]。断裂带往往是地震频发的地带，因此相关学者对其两侧分布的观测井水位同震响应特征进行了重点研究。黄辅琼^[12]通过对地下水井网及钻孔体应变观测台网的变化进行了归一化分析与对比，发现同震地下水位的变化幅度随震中距的增加并非单纯地减小，而是沿着构造带附近或构造带的特殊地区变化幅度大，位于相对稳定地区的台站变化幅度则比较小。史浙明^[11]对华蓥山断裂带上不同部位的三口井地震前后水位演化与含水层参数动态变化之间的变化规律开展了初步研究。然而，前人对于同一断裂带两盘井水位同震响应特征变化的对比研究较少。鉴于地质构造(断裂带)在地震监测中的重要意义，加强同一断裂带上下两盘不同井孔-含水层系统同震水位响应研究有助于阐明构造应力与地下水之间的相互作用关系。本文选取八宝山断裂带活动性最强的部位--断裂带中段上、下两盘大灰厂地区的两口观测井，对比分析其对不同地震响应形态、幅度、记震能力等的差异性，并采用统计学、数字滤波、Baytap-G程序等方法，通过求取井孔气压系数、固体潮等参数判定断层两盘含水层对应力变化响应灵敏度不同的原因，尝试揭示两井响应特征不同的控制因素，以期对指导观测井网布局提供参考。

1 研究背景 1.1 观测井位地质概况

八宝山断裂带为一压性逆冲断裂带，倾向SE135°，全长100余km，宽度20~30 m，切割深度约1.5 km^[13]。上盘为结构完整的震旦系灰岩，下盘为石炭系砂页岩，断裂破碎带表层风化严重，以断层角砾岩千枚岩为主^[14]。1号井位于该断层下盘破碎带上，井口距断层面的水平距离约20 m，井深99.0 m，观测层为砂页岩孔隙裂隙混合含水层。2号井处于断裂的上盘，两井间距约200 m，井深67.6 m，观测层为雾迷山组灰岩(图 1)。

1.2 井水位年动态特征

两观测井于1969年投入观测使用，本次选取的数据起止时间为2007.12.05-2012.11.11，观测精度和观测方式为分钟值静水位观测。两口井水位日均值年动态总体变化趋势基本一致，2号井变幅略大于1号井(图 2)。大灰厂井水位多年动态与年降雨量关系密切^[15]，1994-2003年数据显示，1号井水位变化依赖于每年降雨总量变化：年降雨总量低于370 mm时，水位明显的上升变化总是伴随着大降雨量的出现；降雨量为370~430 mm时，雨季后水位有所上升，但每年总体变化量多呈下降趋势^[16]，且其月均值与降水量年变化规律时间同步^[17]。因地处山前地下水径流的上游，大灰厂井受区域超采干扰较小^[18]，除此之外无其他低频干扰，地震引起的水位动态变化较易识别。

1.3 地震基本信息选取

为提高研究准确性，本次研究筛选出几乎覆盖了可能引起地下水位同震响应的所有地震，如表 1所示。具体选取标准为：我国东部大陆(东经105°以东地区)M_s(面波震级)4.0级以上、其他地区M_s5.0级以上、边境地区M_s6.0级以上和全球M_s7.0级以上的地震，共计449次。

2 井水位同震响应特征

井水位同震响应特征是指井水位在地震波作用下所表现出来的异常升降。以下将从井水位同震响应的次数、分布、同震响应形态、响应幅度以及井水位记震能力等方面揭示两口井的同震响应特征。研究前提是，以发震时刻为基点，甄别井水位动态数据、识别井水位具有同震响应的地震、搜集地震相关参数、确定井水位的响应类型、计算井震距。筛选及计算结果见表 2。

2.1 同震响应地震次数及分布

在选取的449次地震中，1号井呈现同震响应3次，2号井为7次。两口观测井除对汶川M_s8.0地震均有响应外，对其他地震的响应均不同，出现同震响应现象所占比例分别为0.67%和1.56%。同震响应比是指统计分析期内井水位同震响应地震数与地震发生总数之比。1号井和2号井对远震(M_s≥8.0)的同震响应比分别为16.67%和100.00%。1号井水位有响应的地震次数少，统计发现其仅对我国大陆2008年汶川特大地震有响应；相比之下，2号井水位响应则以远震(M_s≥8.0)为主，且分布范围较为集中(图 3)。

2.2 同震响应形态及响应幅度

对比井水位对地震的响应幅度及响应形态，两口观测井表现迥异。从汶川、智利及日本三次地震来看，两口井的最大响应幅度及其出现时间均不同(表 2，图 4)：1号井响应最大幅度为0.044 m；而2号井为0.209 mm，出现时间在M_s9.0日本地震时。另外，两井水位的同震响应类型及形态各异。图 4a中两口井水位均为振荡-阶变型；但1号井为水位变化速率逐渐减小的阶升型，2号井为阶降型，且1号井阶变幅度大于2号井。图 4 b、c中1号井几乎无响应；2号井则同震响应显著，水位以水震波振荡形态为主，并出现多期振荡。

2.3 井水位记震能力方向性

井水位记震能力一般指井孔水位对远大地震面波(周期10~20 s)的响应能力。

井水位记震能力具有明显的方向性^[19]，本次研究也验证了这一点。本研究中，以八宝山断裂带为界，1号井和2号井对各自所在断盘一侧地震的记震能力较强，而对另一盘的地震几乎不响应；但二者对沿断裂带走向的汶川地震均响应良好(图 5)。因此认为，对八宝山断裂带两盘的观测井而言，断层屏蔽作用是存在的，但该作用是否在跨断层井中普遍存在，需有大量震例加以验证。

3 同震响应特征成因 3.1 水位与井震距、震级、含水层岩性之间的关系

根据以往研究，水位的响应幅度与地震震级、震中距之间可以用如下公式^[6]拟合：

式中：w₁，w₂，w₃为常数；Δh为水位变化幅度。

对于大灰厂井，采用多元线性回归法分别拟合震级、震中距和水位之间的关系式，可得水位变幅与上述参数之间的关系：

式(2)的相关系数为0.173，显示水位与震级、井震距之间没有呈现很强的相关性。另外，据史浙明^[11]对中国大陆194口井分岩性(砂岩含水层105口、灰岩含水层42口、火成岩含水层47口)统计其对汶川地震响应的结果可知，大灰厂断裂带两口井所处地带岩性不是控制水位响应幅度大小的主要因素。

3.2 两口井对含水层应力变化的灵敏度

断层两盘应力状态及灵敏度定量估算的理论和方法较为成熟，本文利用井水位固体潮效应和气压系数判断断层两盘应力状态变化的灵敏度，以揭示跨断层井水位同震响应特征差异的原因。假设含水层不排水，井水位变化Δh与含水层应力变化有如下关系^{[10, 20]}：

式中：Δσ、Δσ_v分别为含水层体应力变化和含水层垂向应力变化，压应力为正值，张应力为负值；λ、μ为拉梅系数；Δθ为近地球表面的潮汐体应变变化量；k_w为井所在含水层的应力响应系数；B_θ、B_p分别为井水位固体潮系数、气压系数；ρ为密度；g为重力加速度。对于给定的含水层系统，λ、μ和k_w均为常数，可由井孔含水层的平均潮汐力主应力引起的井水位潮汐幅度与主应力最大幅度之比求得。

在承压井-含水层系统为不排水、忽略海潮和降雨影响的条件下，井水位实测值由潮汐成分、气压成分、趋势项以及观测噪声四部分组成。以1号井2012年1月数据为例，采用最佳逼近正交多项式拟合法剔除井水位观测数据趋势项，拟合阶数为2，水位残差值即为去趋势后的剩余水位(图 6)。

本文采用数字滤波提取，通过相关分析试算确定窗口长度L=50。采用带通滤波，根据体应变固体潮的周期确定带通为12~25 h。提取井水位固体潮，与体应变固体潮理论值比较，二者走势一致，但峰值大小和极值出现时刻存在明显不同，见图 7。此时的残差水位为气压波动引起的井水位变化，由此将井水位固体潮和由气压波动引起的井水位变化分离。为了进一步定量分析气压与固体潮对井水位的影响程度，采用一阶差分法和一元回归法计算井水位固体潮系数B_θ和气压系数B_p。计算结果显示，1号井井水位B_p=3.31 mm/10^-9＞B_θ=0.056 mm/10^-9，即其常态高频变化主要受气压变化控制，固体潮效应次之(图 8，图 9)。

按上述步骤分别计算2011年12月、2012年1月以及2012年2月两口井水位固体潮系数和气压系数，大灰厂两口井气压系数B_p1＞B_p2，计算结果见表 3。根据公式(4)及对气压系数理论的研究^[4]，井径相同且井水位变化相同时，气压系数与含水层应力变化呈负相关；由此可判定位于断层上盘的2号井对其含水层应力变化的灵敏度高于位于断层下盘的1号井，与上述同震响应曲线特征相符。

此外，本文采用Hsieh等^[21]提出的利用承压井水位对潮汐引力响应反演含水层体应变、地震前后相位变化，目的是估算断裂带两盘两井所处含水层地震前后的渗透性变化。根据相位滞后与渗透系数的关系可以判断，相位增大意味着含水层渗透性的增加。本次对所选数据利用Baytap-G程序提取潮汐参数，得到表 4。从计算结果来看：1号井从2008年至2010年相位先减小(滞后)后增大(超前)，对应该盘相位先减小后增大，表明含水层渗透系数先减小后增大，但震后未恢复到震前水平；相比而言，2号井相位表现为先增大后减小再增大再减小的变化过程，对应该盘含水层渗透系数也发生了同样的变化。这也是解释同震水位变化特征不同的一个可能机理。

4 结论

通过对北京大灰厂断裂带中段上下盘相距仅200 m的两井水位的地震响应形态、响应幅度等进行对比研究，得出如下结论：

1)北京大灰厂断层上盘观测井对大地震响应能力优于下盘观测井，但井水位记震能力具有明显的方向性和差异性，证实存在断层屏蔽作用。

2)含水层岩性、井震距、震级并非影响两井响应能力不同的原因，而含水层应力变化的灵敏度与两盘井-含水层系统的渗透系数变化则是主要原因。

3)综合考虑本文研究结果及影响监测井映震能力及其受外界干扰程度等井位选址影响因素，对八宝山断裂带而言，地震流体监测井布于该断裂带上盘，井水位同震响应更加灵敏。本研究的某些结果对其他断裂带地震流体监测井布设在一定程度上具有借鉴意义。