0 引言

井水位的同震响应，是指地震波作用引起的井水位振荡或阶变现象（车用太等，2007）。几十年以来，多次大地震引起中国地下流体观测井网大范围的井水位同震响应现象。研究地震引起的井水位同震响应特征是揭示地壳介质对应力—应变过程响应有效的直接手段之一，对了解井区地质构造和水文地质条件，认识地震波作用下含水层介质的应力应变，分析区域构造应力作用下地下水运动特征，探究井水位同震变化机理，理解地震孕育、发生过程中地下流体前兆现象具有重要的理论和实际意义（杨竹转等，2008）。许多地震工作者对此热点问题做了大量研究工作（Cooper et al，1965；汪成民等，1988；张子广等，1998；Roeloffs，1998；张昭栋等，2000；付虹等, 2002, 2007；刘耀炜等，2005；杨竹转等，2005；晏锐等，2009；顾申宜等，2011；杨竹转，2011；鱼金子等，2012；周志华等，2013；张立等，2016；向阳等，2017），而且多从远大震或部分地震对一个地区或单口井产生同震响应的角度，以一井对多震、一震对多井或多井对多震的方式，分析一个区域或构造带上的井水位同震变化特征及作用机理，对单井水位同震响应特征的系统深入分析相对较少。

文中选取2008—2017年腾冲地震台（下文简称腾冲台）井水位观测数据，统计对应时段发生的地震，系统分析产生井水位同震响应的地震观测数据变化特征，掌握该台井水位同震响应能力、同震变化特征及同震响应幅度与震级和井震距的关系、同震地震分布特征，并结合该井水位的同震变化动态、井—观测含水层系统、井孔水文地质构造条件等因素，对该井水位同震响应的可能机理进行初步探讨。

1 腾冲台井水位观测背景

腾冲台水位观测井（下文简称腾冲井）成井于1999年，非自流井，属静水位观测，位于腾冲县城东南郊云南省地震局腾冲地震台院内，距城区约3 km。井孔位于NE向大盈江断裂与SN向怒江断裂交汇处（图 1），地处腾冲盆地东侧近山麓地带，其中盆地属熔岩盆地堆积地貌类型，东山区为近代火山岩分布区，属火山穹丘地貌类型，火山呈近NS向线状排列。

腾冲井深120 m，井壁套管直径160 mm，下至井下60 m，包网滤水管直径108 mm，安装在井下60—117 m。该井观测含水层为第四系英安岩、安山岩及熔结凝灰岩沙层，渗透系数为0.60 m/d，水位埋深约5.8 m，地下水类型属裂隙水，水化学类型为HCO₃—Ca.Mg型，矿化度为255.44 mg/L。腾冲井井孔柱状结构见图 2。

2001年6月腾冲井架设安装“九五”LN-3型数字化水位仪进行地下水位观测，2007年6月完成“十五”改造，配备LN-3A型数字化水位仪开展水位观测，2018年1月15日，将老化严重的LN-3A型数字化水位仪更换为SWY-Ⅱ型数字化水位仪，水位探头投放深度为10.50 m。腾冲井水位观测可记录到清晰固体潮，正常日变动态较明显，一般为双峰单谷型，日变幅度在0.02 m以内，月变动态特征不明显。全年井水位受降雨干扰，呈夏秋高—冬春低的年变形态。

2 资料选取

选取腾冲井2008—2017年LN-3A水位仪记录的静水位分钟值数据，统计该时段内中国地震台网和云南测震台网正式测定的地震资料，按腾冲台周边200 km范围内4级以上地震、500 km范围内5级以上地震以及全球7级以上大震进行梳理，共获取308次地震，其中：4.0—4.9级地震92次，5.0—5.9级地震42次，6.0—6.9级地震8次，7.0—7.9级地震152次，8.0级以上地震14次。对所选地震，逐一对应查找腾冲井水位的同震变化，与腾冲台水平摆、分量式钻孔应变观测资料进行同步对比，若井水位测项与二者中至少一个测项同时记录到同震变化，则确认该变化为地震引起的井水位同震响应，如：2015年尼泊尔M 8.1地震，3个测项均记录到同震变化，对比曲线见图 3。

3 同震响应特征分析

统计2008—2017年腾冲井水位同震响应地震的发震时刻、震级、震中位置、井震距、水位响应形态、响应幅度、持续时间、震中方位等信息，全面分析井水位同震响应特征，统计信息见表 1。篇幅所限，表 1仅给出部分地震的同震响应特征统计信息。

3.1 井水位同震响应能力

在选取的308个地震样本中，发生同震响应的地震事件有61个，同震响应占比19.8%，响应能力总体不强。按震级分档，统计腾冲井水位对不同震级地震的同震响应能力，结果见表 2。

由表 1、表 2可知：①在4.0—4.9级地震中仅1次同震响应事件，为2014年9月16日云南腾冲4.2级地震，井震距4 km；②在5.0—5.9级地震中仅2次同震响应事件，为2008年8月21日云南盈江5.9级地震和2014年5月24日云南盈江5.6级地震，井震距均为74 km，而井震距20 km的2011年2次云南腾冲5.2级地震均未记录到同震响应；③在6.0—6.9级地震中有2次同震响应事件，为井震距74 km的2014年云南盈江6.1级地震和井震距270 km的2014年云南景谷6.6级地震，而井震距300 km以上的7.0级以下地震未记录到同震响应水震波。

据此推测，腾冲井水位对5.0级以下地震的同震响应范围不大于20 km，6.0级以下地震的同震响应范围不大于100 km，7.0级以下地震的同震响应范围不大于300 km。可见，腾冲井水位仅对300 km范围内7.0级以下近震产生同震响应。因7.0级以下地震同震响应事件样本量较少，推测结果可能存在偏差，需要更多震例予以验证。据统计信息，腾冲井水位对7.0级以上地震产生同震响应的事件较多，如：2012年缅甸7.0级地震，井震距356 km；2009年新西兰南岛7.8级地震，井震距10 420 km；智利中部海岸近海8.3级地震，井震距达18 810 km。可见，随着震级的增大，腾冲井水位产生同震响应的地震事件井震距逐渐加大；同时，随着井震距的增大，井孔产生同震响应的震级下限不断升高。因此，引起井水位同震响应的地震震级与井震距间存在一定上限，即震级与井震距阈值曲线，只有满足阈值曲线关系，井水位才能记录到同震响应（King et al，1999；Montgomery et al，2003）。

绘制所选5级以上地震震级与井震距关系散点图，见图 4，地震事件以是否引起腾冲井水位同震响应分为2组，可见2组事件存在相对明显的分界线，其形态符合e指数函数，通过函数拟合，可得到以下曲线关系式。

$ D \le 0.102{{\rm{e}}^{1.5236M}} $

(1)

式中，D为井震距，M为地震震级。拟合曲线的复合相关系数R²检验值为0.673 2。

图 4中有同震响应和无同震响应地震事件的拟合曲线分界线即所求地震震级与井震距的阈值曲线，可见曲线右下方事件多为腾冲井水位同震响应地震，曲线上方地震均无同震响应，该规律在7级以上地震事件中体现更为明显。

为进一步分析腾冲井水位对7.0级以上地震的同震响应能力，按地震事件震级累积，统计记录到同震响应的7.0级以上地震，结果见表 3，结合表 2，可知：6.0级以下地震，同震响应占比较低，井水位同震响应能力较弱；6.0级以上地震，同震响应能力逐渐增强；7.0级以上地震，同震响应事件占比达33.7%；7.5级以上大震，同震响应事件百分比约65%；8.0级以上大震，几乎均可记录到同震响应，响应比达93%，由此表明，井水位同震响应能力随震级增大而显著增强。

3.2 井水位同震响应变化特征分析

据汪成民等（1988）对中国大量同震记录资料的分析，井水位对近震和远震的同震响应特征不同：井震距 < 500 km，同震响应形态以阶变型为主；井震距 > 2 000 km，同震响应形态以振荡型为主。分析发现，腾冲井水位同震响应主要有阶变—复原型和振荡型2种形态。其中，阶变—复原型同震响应与多数井孔记录的阶变型同震响应形态不同，均为阶降—复原变化，同震阶降后几分钟至几十分钟内将恢复至震前动态变化水平，不会残留震后水位阶变。利用井震距对阶变型和振荡型同震响应形态类型的划分，与汪成民等（1988）的研究不同，井震距 < 1 000 km时，腾冲井水位同震响应均为阶降—复原型形态，井震距 > 1 000 km时仅2015年尼泊尔8.1级地震是振荡—阶降—复原型复合变化，属孤立事件，其余同震响应均为振荡型变化。腾冲井水位各种同震响应形态记录见图 5。由表 1、图 5可知，腾冲井水位阶降—复原型同震响应存在阶降—阶升复原型[图 5(a)]和阶降—缓升复原型[图 5(b)，图 5(c)，图 5(d)]；振荡型同震响应可分为平稳振荡型[图 5(g)]和振荡下降—振荡回升型[图 5(f)，图 5(h)]，多数振荡型同震响应表现为平稳振荡型，仅2012年苏门答腊8.6级地震和2011年日本9.0级地震表现为振荡下降—振荡回升型变化。

由表 1可知，腾冲井水位同震响应持续时间基本在10—160 min，其中2014年云南景谷6.6级地震同震响应持续时间最短，仅9 min，井震距270 km；日本9.0级地震同震响应持续时间最长，同震响应变化时长152 min，井震距4 374 km；智利8.8级地震同震响应持续时间131 min，井震距18 544 km。统计发现，同震响应持续时间与震级基本呈正相关，与井震距或井震距对数无明显对应关系，见图 6。

由图 6可见：①对于7.0级以下地震，由于样本量较少，同震响应持续时间随震级增大而增大的关系不明显。对于7.0级以上地震，同震响应持续时间随震级增大而明显增加，震级越大，同震响应持续时间越长，二者接近线性相关，拟合相关方程为：T = 50.172M -350.21，式中，T为响应持续时间，M为地震震级，相关系数R = 0.779；②同震响应持续时间与井震距或井震距对数无明显对应关系，二者相关性较小。

3.3 同震响应幅度与震级、井震距关系

研究表明，井水位同震响应幅度随震级增大而增大，随井震距增大而减小（杨竹转等，2005；杨从杰等，2009；秦双龙等，2017），Roeloffs（1998）对井水位同震响应幅度（Δh）与震级（M）和井震距（D）的关系进行统计，得到以下公式

$ \lg (\Delta h) = {b_1}M + {b_2}\lg D + a $

(2)

式中，a、b₁、b₂为常数。

据统计信息，2008—2017年，腾冲井水位同震响应幅度为0.001—0.052 m。运用多元线性回归方法，对同震响应事件的响应幅度（Δh）与震级（M）和井震距（D）的关系运用公式（2）进行拟合，得到各参量间的统计关系，公式如下

$ \lg (\Delta h) = 0.755M - 0.965\lg D - 4.894 $

(3)

式（3）表明，腾冲井水位同震响应幅度与震级呈正相关变化，与井震距呈负相关变化，即井水位同震响应幅度随震级增大而增大，随井震距增大而减小，且水位变化受震级与井震距的影响力基本相当。

利用式（3）计算腾冲井同震响应事件水位变化幅度拟合值，与水位变化实测值进行对比分析，对比曲线见图 7。由图 7可见，多数水位变化幅度实测值与拟合值接近，2条曲线趋势动态变化基本一致，表明采用式（3）拟合的腾冲井水位同震响应幅度（Δh）与震级（M）和井震距（D）之间的相对变化关系可靠，但仍有部分拟合值明显偏离实测值，可能与震源深度、发震构造及区域地质构造环境等有关，也可能是因为，前一地震造成观测井区应力及含水层系统的水动力条件发生变化，在本次地震发生时，该变化未恢复至正常背景状态，影响井水位对该地震的同震响应效果，从而导致井水位对此次地震的同震响应幅度与拟合理论值产生偏离。

3.4 同震响应地震分布特征

腾冲井水位对产生同震响应的地震分布具有较明显的区位型特点（图 8）。对于云南及周边地区5.0级以上近震，腾冲井水位仅对观测井西南方向的2008年云南盈江5.9级地震、2012年缅甸7.0级地震、2014年盈江5.6级和6.1级地震及东南方向的2014年云南景谷6.6级地震、2011年缅甸7.2级地震产生同震响应，而对观测井东北方向尤其是怒江深大断裂以东和东偏北方向的5.0级以上地震则无同震响应，可能与观测井东偏北方向相距百十千米的几条深大断裂有关。由图 1可知，在云南境内腾冲东北方向发生的地震，地震波向西南传播需穿过红河断裂带、澜沧江断裂带和怒江断裂带，能量可能大幅衰减，至腾冲台观测井所在位置时，已不足以引起井水位产生同震响应。但是，研究时段内，云南境内未发生7.0级以上近震，而东北方向与腾冲台相距818 km的四川汶川8.0级地震和相距733 km的四川芦山7.0级地震，均引起该台井水位的同震响应。因此，腾冲井水位对台站东北方向5.0级以上近震无同震响应可能是震级较小、地震波能量不够且断裂带对地震波能量传播起到一定削弱作用的原因，不排除该方向7.0级以上大震产生同震响应的可能。对于全球7.0级以上地震，腾冲井水位能够对欧亚地震带（即地中海—喜马拉雅地震带）2/3以上的地震产生同震响应，对环太平洋地震带地震产生同震响应的比例则小得多，且主要集中在日本及附近地区、菲律宾棉兰老岛地区、所罗门群岛地区、智利海岸附近地区，而其他地区的同震响应事件较少或仅为孤立事件。

4 同震响应机理探讨

井水位同震效应是否明显，与井—含水层观测系统固有周期是否和地震面波振动周期相互匹配有一定关联（莫佩婵等，2018）。井—含水层观测系统固有周期T₀可用以下公式近似表示（汪成民等，1988）。

$ {T_0} = 2{\rm{ \mathsf{ π} }}\sqrt {\frac{{{H_{\rm{e}}}}}{g}} $

(4)

式中，H_e为井水柱的有效高度；g为重力加速度，取9.81 m·s^-2。当井孔只有一次变径时，井水柱的有效高度H_e表达式为

$ {H_{\rm{e}}} = H + \frac{3}{8}d $

(5)

式中，H为隔水顶板以上的水柱高度，d为含水层厚度。

腾冲台水位观测井隔水顶板以上的水柱高5.8 m，含水层厚度110 m，估算腾冲水位井固有周期为13.75 s，与井震距1 000—5 000 km范围内远大震产生的瑞利面波约10—18 s的振动周期接近，易产生共振。因此，在该井震距范围内发生的大地震更易触发腾冲井水位产生同震响应，且响应比例相对较高，幅度相对较大，可能是因为腾冲井水位同震响应地震主要分布在欧亚地震带（地中海—喜马拉雅地震带）、菲律宾棉兰老岛和日本及附近地区。

一般认为，井水位同震响应的作用机理是，受地震波影响，含水层出现压缩与膨胀，产生相互交替的变形，使得含水层孔隙压力升降交替，含水层的水在井与含水层间交替流动（含水层到井，井到含水层），最终表现为井孔内水柱的反复升降变化，即井水位的振荡变化（汪成民等，1988；车用太等，2006）。统计发现，腾冲井水位对井震距大于1 000 km、震级大于7.0地震的同震响应，多表现为水位振荡型特征，且震后快速恢复至震前动态背景。分析认为，远大地震发生后，地震波传播至腾冲台水位观测井，因波的周期与井—含水层观测系统固有周期相近，与含水层系统产生共振，使得含水层发生压缩与膨胀相互交替的弹性变形，含水层内孔隙介质体积发生变化，从而造成水位出现振荡变化；地震波传播过后，含水层弹性变形消失，井—含水层系统快速恢复初始状态，水位振荡随之消失，恢复到震前动态水平。

井震距1 000 km以内的近震，与大多数观测井记录的阶变型同震响应形态有所不同，无论震源机制和地震方位如何，腾冲井水位同震响应形态均表现为阶降—复原型变化，不残留震后水位阶变，难以用目前主流的阶变型同震响应机理进行解释。杨竹转等（2010）对新疆乌鲁木齐04号井数字化水位同震阶变的研究表明，水位同震变化主要受控于本地构造环境和水文地质条件，水位同震下降需具备以下地质背景条件：观测井位于断裂交汇区，岩石破碎，裂隙节理发育，井孔穿过断层破碎带；受强震激发，穿过井孔的断层出现张合作用或蠕动而引起井水外泄，可能是井水位同震下降变化的原因。腾冲台水位观测井位于NE向大盈江断裂与SN向怒江断裂交汇处，井孔柱状结构揭示，井口75 m以下岩石破碎，张裂隙较发育，说明井孔穿过断层破碎带，当观测井区及附近地区发生中强以上地震时，穿过井孔的断裂破碎带受到拉张应力作用产生断层缝隙、岩石破碎裂隙或张裂隙进一步拉张，致使井水快速流入裂隙而产生水位阶降，地震波传播经过，断层或裂隙闭合，挤出流入裂隙的井水，使得井水位快速回升，复原到震前水位动态位置。以上可能是腾冲井水位对近震产生阶降—复原型同震响应变化的原因。

尼泊尔8.1级地震井震距大于1 000 km，同震响应形态非振荡型，而是振荡—阶降—复原型复合变化，与腾冲井水位对其他地震的同震响应形态不同，无法采用上述2种同震响应机理来解释。因此类事件太少，目前进行机理探讨的意义不大。

5 认识与讨论

通过对腾冲井水位同震响应特征的分析和同震响应机理的探讨，得到以下认识。

（1）腾冲井水位同震响应能力总体不强。对于7.0级以下地震，腾冲井水位只对井孔300 km范围内的近震产生同震响应；对于7.0级以上地震，随着震级增大，同震响应能力逐渐增强。引起井水位同震响应的地震震级和井震距均满足一个阈值关系，但并非满足该关系的地震均能引起井水位的同震响应，可能与震源体发震构造、震源深度和腾冲台水位观测井—含水层系统等因素有关。

（2）腾冲井水位同震响应形态主要有阶降—复原型和振荡型2种变化：①井震距 < 1 000 km，同震响应形态表现为阶降—复原型变化，同震阶降后几分钟至几十分钟内恢复至震前的动态变化水平，不残留震后水位阶；②井震距 > 1 000 km，多表现为振荡型变化。同震响应持续时间与震级呈正相关，与井震距无明显相关性。同震响应幅度随震级增大而增大，随井震距增大而减小，水位同震变化受震级与井震距的影响力基本相当。

（3）腾冲井水位产生同震响应的地震分布具有较明显的区位型特点。对于云南及周边地区5.0级以上近震，井水位只对几次西南方向和东南方向的地震产生同震响应。对于全球7.0级以上地震，井水位对欧亚地震带（地中海—喜马拉雅地震带）上发生的2/3以上地震产生同震响应，环太平洋地震带上发生的地震产生同震响应的比例则较小，且主要集中在日本、所罗门群岛等巨震高发区，其他地区同震响应事件则只是孤立事件。

（4）腾冲井水位同震响应形态并非单一类型，每种同震响应形态有其特殊响应机理。振荡型同震响应机理是，地震波使含水层发生压缩与膨胀相互交替的变形，引起井与含水层间交替的水流运动，导致井孔内水柱反复升降变化，产生井水位振荡。阶降—复原型同震响应变化的可能原因是，腾冲台水位井位于断裂交汇处，岩石破碎，张裂隙发育，观测井区及附近地区发生地震使断裂破碎带或张裂隙进一步拉张，地震过后，断层或裂隙闭合，致使井水位产生快速下降—回升的变化，复原到震前水位动态位置。同一观测井孔对不同井震距的地震表现出不同的同震响应形态，可能由地震引起井区地质背景条件或局部应力状态发生改变所致，也可能是地震引起井—含水层系统的水动力条件与含水层参数发生变化所致，或多种未知因素共同作用的结果，有待于进一步研究。

感谢云南省地震局张立在本文撰写过程中给予的指导和帮助；感谢审稿专家对本文撰写提出的建设性意见。