2017, Vol. 32
研究地下流体同震响应是揭示地壳介质对应力-应变的响应最直接、最有效的手段.地下流体观测中井水位的同震响应能够最直接地体现地震波作用于井-含水层系统的过程，是近几十年以来地球物理学家普遍关注的问题(车用太等，1989；刘耀炜等，2005；廖丽霞和王玫玲, 2008；刘序俨等，2009;廖丽霞等，2009；杨竹转等, 2008, 2014；张贝等，2015；张彬等，2015).早在1899年，意大利一口深井就记录到了远震地震波引起的水位振荡.在20世纪70年代，我国在北京洼里井第一次观测到水震波.鱼金子等(1993) 提出了水震波异常与中期强震危险性关系，认为井水位记震能力的异常分布范围与异常出现时间分别显示出未来强震的危险地区与时间.刘耀炜等(2005) 根据大陆地下流体台网对2004年12月26日苏门答腊地震的同震响应资料，分析了水位响应特征的基本类型.廖丽霞等(2009) 认为同震水位阶跃上升集中区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.杨竹转(2011) 指出，同一口井的水位同震变化的方向与地震的方位、距离、大小和震源机制无关，水位同震变化幅度主要受震级和井震距控制.
在井水位同震响应引起人们广泛关注的同时，许多学者对同震响应的机理也进行了大量的研究(汪成民等，1988；刘耀炜等，2005；陈大庆等，2007；孙小龙和刘耀炜，2008).孙小龙和刘耀炜(2008) 综合分析了前人的研究成果，将地震波引起井水位振荡-水温下降的机理概括为气体逸出说、热弥散说和冷水下渗说三种观点.
2015年4月25日14时11分23秒，尼泊尔发生了M 8.1大地震，该地震是近70年来对尼泊尔影响最大的地震.尼泊尔地震是中国地震背景场项目正式运行以来经历的第一次大地震，引起了中国大陆地下流体观测井水位大面积的同震效应.本文以湖南省地下流体井水位为研究对象，分析尼泊尔M 8.1地震引起的的井水位同震响应特征，并在此基础上进一步探讨同震变化机理.
1 湖南省数字化井水位观测网简介湖南省数字化流体观测网始建于2002年，经过“九五”、“十五”、“十一五”、“十二五”建设，现有数字化水位观测井共11口，除长沙台和清江台为动水位观测外，其余均为静水位观测.观测仪器主要为北京中科光大自动化有限公司生产的ZKGD3000水位仪与中国地震局地壳应力研究所生产的SWY-Ⅱ水位仪，仪器采样率均为1次/min.数字化观测时间最长的是长沙台，至今已有15年的时间，时间最短的是株洲台，在2015年12月底才开始进行数字化观测.湖南省数字化流体观测网的空间分布及具体情况分别见图 1和表 1.
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图 1 湖南省数字化流体观测井空间分布图 Figure 1 The distribution of digital well in Hunan Province |
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表 1 湖南数字化水位观测井基本情况简表 Table 1 The basic information of digital well in Hunan Province |
关于地震波引起的水位同震变化类型的分类，有人分为振荡和阶变2种类型(付虹等，2002；杨竹转等，2008)，也有人分为波动型、阶变型和持续缓变型3种基本类型(晏锐和黄辅琼，2009).波动型是指井水位在地震波的影响下，在原平衡中心线附近快速地来回波动，地震波经过后，水位很快平静下来，仍沿原来的形态变化；阶变型是指井水位在地震波的影响下，突然偏离震前水位线并产生一台阶，使得水位背景发生改变，出现阶梯式的抬升或者下降；持续缓变型是指地震发生时井水位不是突然地偏离震前水位线，而是缓慢地持续上升或下降，逐渐地偏离震前水位线.这种变化一般需要较长时间才能恢复，有时甚至产生永久性的改变.
在实际的水位观测中，很多井点的同震水位变化并不是简单的单一类型，而是表现为更加复杂的复合类型，水位波动时常会伴随有水位阶变现象，有时甚至是上述3种基本类型的综合.
2.2 同震响应分析2015年4月25日尼泊尔M 8.1地震发生后，湖南省80%的数字化观测井都不同程度地记录到了地震波引起的同震响应，同震效应遍及全省.各观测井详细的同震响应情况见表 2和图 2.
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表 2 尼泊尔地震引起的井水位同震响应情况表 Table 2 The characteristics of co-seismic response of well water level to Nepal M 8.1 earthquake |
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图 2 湖南省数字化井水位同震响应曲线 Figure 2 The co-seismic response pictures of digital well water level in Hunan Province |
通过分析湖南省8口数字化水位观测井对尼泊尔M 8.1地震的同震响应情况，主要具有以下特点：
(1) 湖南省地下流体井水位对此次地震的同震响应类型有波动型(例如韶山井、清江井和桃源井)、阶变型(例如津市井)、持续缓变型(例如安乡井)以及波动伴随阶变型(例如长沙井、临湘井和张家界井).在观测到同震响应的所有井点中，除了安乡井与津市井之外，其余各井均记录到了同震水震波.安乡井的同震水位变化与2008年汶川M 8.0地震后的情况相似.津市井水位在此次地震中的变化表现为突升后回落，类似于一个尖脉冲.
井孔含水层对远场大震地震波的响应一般是以弹性变形为主，所以很多井孔会记录到水震波.有一部分井孔由于水文地质条件和区域地质环境的差异，在区域应力场和地震波传播的附加应力场的综合作用下，引起含水层的震后应力调整，因此出现了水位上升或者下降的变化，而且上升和下降的井孔与构造有一定的关联(付虹等，2007).
虽然湖南省地下流体井水位观测网中一共只有8口井记录到了此次地震的同震响应，但各井记录到的同震响应形态均不相同，有快速响应型和缓慢型的，也有波动型和阶变型的，还有波动和阶变的复合类型.对于同一地震引起的不同井孔间同震响应的差异性，其原因可能与所用仪器、井况、介质性质和区域地质环境有关.
(2) 在本次地震中，各井点所记录到的同震响应起始时间滞后于发震时间5~16 min不等，响应时间最快的(即滞后时间最短)是韶山井，响应时间最慢的(即滞后时间最长)是清江井，两井的同震响应起始时间差为11 min左右.通过查阅湖南省测震台网的相关波形资料发现，湖南地区最早和最晚记录到地震初至波的两个测震台的时间差为37 s，这说明地震波传播距离的时间差并不是引起同震响应初动时间差的原因.另一方面，由于研究区内井孔间距比震中距要小得多，因此在本次地震中，震中距的大小与同震响应初动时间的早晚关系不大.水位井对地震波同震响应时间的快慢应该是受井孔的构造环境、井径、井孔水柱高度、水文地质条件等因素的综合影响.
(3) 从井深来看，无论是浅井(韶山井，59.42 m)还是深井(长沙井，273.58 m)所记录到的水震波变化幅度相当；从含水层岩性来看，含水层为灰岩和砂岩的井孔记震能力较强；从导水能力来看，导水能力越好的井孔其记震能力也越强.有研究认为，井孔对地震波的响应能力与其导水系统或含水层渗透系数有关，其含水层导水系数越大，渗透性能越好，对井水位振荡时产生的阻尼越小，从而对地震波的响应幅度越大(孙小龙和刘耀炜，2008；鱼金子等，2012).
(4) 在所有同震响应中，除了安乡井的初始变化不清晰之外，长沙井、清江井、张家界井及津市井的同震响应初始变化表现为上升，表明当地震波通过这些井孔所处的含水层时，含水层首先受到挤压应力的作用；韶山井、临湘井及桃源井的同震响应初始变化表现为下降，表明含水层首先受到地震波的拉张应力的作用(车用太和鱼金子，2006；张清秀等，2012).
(5) 在本次地震中，同一井孔记录到同震水震波的初始时间均早于水位阶产生的时间，通常认为这与他们的产生机理不同有关.一般认为地震波使含水层发生压缩与膨胀相互交替的变形，引起含水层内孔隙压力发生升降交替，导致井与含水层间交替产生从含水层到井、从井到含水层的水流运动，最终表现为井孔内水柱的反复升降变化，即井水位的振荡(汪成民等，1988；车用太和鱼金子，2006)；关于水位阶的产生机理虽有不同的看法，但都反映了当作用于含水岩体的波应力达到一定量级后，产生的应力阶作用于含水层介质，造成含水层的孔隙压力发生突变，从而形成水位阶.因此，对于波动伴随阶变的同震响应类型，一般水震波的初始响应时间都要早于水位阶变的产生时间，两者在产生的时间上存在一个先后的顺序过程(敬少群和王佳卫，2001；张清秀等，2012).
3 结论与讨论本文通过分析湖南省地下流体井水位观测网对尼泊尔地震的同震响应资料，并结合前人研究成果分析了井水位的同震响应机理，得到如下认识：
(1) 湖南省井水位的同震响应形态以水震波为主，部分井孔的水震波伴随有阶变，阶变中既有阶升也有阶降，个别井孔只记录到了水位阶，而且对于波动伴随阶变的同震响应类型，总是先记录到水震波然后才产生水位阶.同震响应形态的差异性以及初始响应时间的快慢可能与仪器、井况、介质性质和区域地质环境有关.井孔记震能力的大小与含水层岩性及导水能力有关.
(2) 湖南省地下流体井网中大部分井点对尼泊尔地震有较明显的映震效应，说明这些井孔虽然位于少震弱震地区，但对远场大震的远场效应反映灵敏，能反映区域应力场变化引起的含水层应力应变的变化.
(3) 数字化水位观测仪器的采样率为1次/min，测量误差只能精确到分钟值，而大多数地震引起的水震波持续时间一般也只有几分钟时间，因此分钟值很难记录到完整的同震变化波形，制约了对水震波的进一步分析.所以，加大水位观测仪器的采样率，能够为水位同震响应的精细研究提供更多更全面、更有效的数据.
(4) 湖南省地下流体观测台站分布不够均衡，主要集中在湘北的常德、岳阳和湘中的长沙、湘潭等地，省内西部及东南部的广大地区几乎没有一个前兆观测台站.要提高现行地震观测台网的监测预报效能，充分发挥其在地震异常跟踪与落实中的重要作用，一是要高度重视观测台网的建设、运行与管理，二是要提高相关仪器的性能，加强仪器的维护与维修工作，三是要加强台站周边环境的保护，尽量避免人为干扰.
致谢 感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持！| [] | Che Y T, Wang T C, Yu J Z. 1989. The current situation and trend of research on earthquake wave in China[J]. Earthquake (in Chinese), 1: 70–72. |
| [] | Che Y T, Yu J Z. 2006. Underground Fluids and Earthquake (in Chinese)[M]. Beijing: China Meteorological Press. |
| [] | Chen D Q, Liu Y W, Yang X H, et al. 2007. Co-seismic water level, temperature responses of some wells to far-field strong earthquakes and their mechanisms[J]. Seismology and Geology (in Chinese), 29(1): 122–132. |
| [] | Fu H, Liu L F, Wang S Q, et al. 2002. Research on coseismic and post seismic effect of ground water for the local and near earthquake[J]. Earthquake (in Chinese), 22(4): 55–66. |
| [] | Fu H, Wu C D, Liu Q, et al. 2007. Abnormal water level records caused by indonesia large earthquakes in Yunnan and its significance[J]. Seismology and Geology (in Chinese), 29(4): 873–882. |
| [] | Jing S Q, Wang J W. 2001. Analysis on seismic effect and its mechanism of Changsha well's dynamic ground water level for the MS 7..6 Jiji earthquake, Taiwan[J]. South China Journal of Seismology (in Chinese), 21(1): 32–37. |
| [] | Liao L X, Wang M L. 2008. The characteristic analysis of response to the M8 large earthquake of Indonesia of water level network of Fujian Province[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research (in Chinese), 29(4): 67–72. |
| [] | Liao L X, Wang M L, Wu S Z. 2009. Study on coseismic effects of water level as observed by Fujian well network and its implication to earthquake prediction[J]. Acta Seismologica Sinica (in Chinese), 31(4): 432–441. |
| [] | Liu X Y, Zheng X J, Wang L, et al. 2009. Response analysis of the well-water-level system in confined aquifer[J]. Chinese Journal Geophysics (in Chinese), 52(12): 3147–3157. DOI:10.3969/j.issn.0001-5733.2009.12.025 |
| [] | Liu Y W, Yang X H, Liu Y M, et al. 2005. Response characters of subsurface fluid to the MW 9.0 Earthquake in Sumatra[M].//Department of Earthquake Monitoring and Prediction, China Earthquake Administration. The 2004 M 8.7 Earthquake in Sumatra, Indonesia and Its Influence on China Main Land (in Chinese). Beijing:Seismological Press, 131-285. |
| [] | Sun X L, Liu Y W. 2008. Characteristics and mechanism of co-seismic responses in the Tayuan well[J]. Earthquake Research in China (in Chinese), 24(2): 105–115. |
| [] | Wang C M. 1990. The Dynamic Observation Network of Earthquake Groundwater in China (in Chinese)[M]. Beijing: Seismological Press. |
| [] | Wang C M, Che Y T, Wan D K, et al. 1988. The Micro-dynamic Study on Groundwater (in Chinese)[M]. Beijing: Seismological Press. |
| [] | Yan R, Huang F Q. 2009. Preliminary study on coseismic response of Huanghua well water level to 5 times of Sumatra earthquakes[J]. Earthquake Research in China (in Chinese), 25(3): 325–332. |
| [] | Yang Z Z. 2011. Coseismic variations of well water-level and temperature caused by seismic waves and their generating mechanisms (in Chinese)[Ph. D. thesis]. Beijing:Institute of Geology, China Earthquake Administration. |
| [] | Yang Z Z, Deng Z H, Liu C G, et al. 2008. Coseismic changes of water level and water temperature caused by MS 8.0 Wenchuan Earthquake[J]. Seismology and Geology (in Chinese), 30(4): 895–905. |
| [] | Yang Z Z, Deng Z H, Yang X H, et al. 2014. Comparison and analysis of well water-level variations caused by Lushan MS 7.0 earthquake in 2013 and Wenchuan MS 8.0 earthquake in 2008[J]. Seismology and Geology (in Chinese), 36(2): 380–391. |
| [] | Yu J Z, Che Y T, Liu C L, et al. 2012. Coseismic responses of water level and temperature in wells of the Jinshajiang ground water observation network to the Japan MS 9.0 earthquake:Characteristics and mechanism[J]. Earthquake (in Chinese), 32(1): 59–69. |
| [] | Yu J Z, Che Y T, Wang A Y, et al. 1993. Preliminary study on relations between the anomalies of seismic wave of water level and the earthquake risk[J]. Earthquake (in Chinese)(4): 30–37. |
| [] | Zhang B, Cheng H H, Shi Y L. 2015. Calculation of the co-seismic effect of MS 8..1 earthquake, Apirl 25, 2015, Nepal[J]. Chinese Journal Geophysics (in Chinese), 58(5): 1794–1803. DOI:10.6038/cjg20150529 |
| [] | Zhang B, Liu Y W, Gao X Q, et al. 2015. Correlation analysis on co-seismic response between well water level and temperature caused by the Nepal MS 8.1 earthquake[J]. Acta Seismologica Sinica (in Chinese), 37(4): 533–540. |
| [] | Zhang Q X, Chen Y, Zheng X J, et al. 2012. The analyze of coseismic response characteristics of magnitude 9.0 earthquake in Japan from the digital water level and temperature in Fujian Province[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research (in Chinese), 33(3-4): 61–66. |
| [] | Zhang Z D, Chi Z L, Chen H M, et al. 2000. Vibration of water level in well and earthquake wave[J]. Journal of Seismological Research (in Chinese), 23(4): 418–425. |
| [] | 车用太, 王铁城, 鱼金子. 1989. 我国水震波研究的现状与动向[J]. 地震(1): 70–72. |
| [] | 车用太, 鱼金子. 2006. 地震地下流体学[M]. 北京: 气象出版社. |
| [] | 陈大庆, 刘耀炜, 杨选辉, 等. 2007. 远场大震的水位、水温同震响应及其机理研究[J]. 地震地质, 29(1): 122–132. |
| [] | 付虹, 刘丽芳, 王世芹, 等. 2002. 地方震及近震地下水同震震后效应研究[J]. 22(4): 55-66. |
| [] | 付虹, 邬成栋, 刘强, 等. 2007. 印尼巨大地震引起的云南水位异常记录及其意义[J]. 地震地质, 29(4): 873–882. |
| [] | 敬少群, 王佳卫. 2001. 长沙井动水位对台湾集集7.6级地震的震时效应及其机理分析[J]. 华南地震, 21(1): 32–37. |
| [] | 廖丽霞, 王玫玲. 2008. 福建水位观测网对印度尼西亚8级巨震的响应特征分析[J]. 地震地磁观测与研究, 29(4): 67–72. |
| [] | 廖丽霞, 王玫玲, 吴绍祖. 2009. 福建省流体台网井水位的同震效应及其地震预测意义[J]. 地震学报, 31(4): 432–441. |
| [] | 刘序俨, 郑小菁, 王林, 等. 2009. 承压井水位观测系统对体应变的响应机制分析[J]. 地球物理学报, 52(12): 3147–3157. DOI:10.3969/j.issn.0001-5733.2009.12.025 |
| [] | 刘耀炜, 杨选辉, 刘永铭, 等. 2005. 地下流体苏门答腊8. 7级地震的响应特征[M]. //中国地震局监测预报司. 2004年印度尼西亚苏门答腊8. 7级大地震及其对中国大陆地区的影响. 北京: 地震出版社, 131-285. |
| [] | 孙小龙, 刘耀炜. 2008. 塔院井水位和水温的同震响应特征及其机理探讨[J]. 中国地震, 24(2): 105–115. |
| [] | 汪成民. 1990. 中国地震地下水动态观测网[M]. 北京: 地震出版社: 289-290. |
| [] | 汪成民, 车用太, 万迪堃, 等. 1988. 地下水微动态研究[M]. 北京: 地震出版社. |
| [] | 杨竹转. 2011. 地震波引起的井水位水温同震变化及其机理研究[博士论文]. 北京: 中国地震局地质研究所. |
| [] | 杨竹转, 邓志辉, 刘春国, 等. 2008. 中国大陆井水位与水温动态对汶川MS 8.0地震的同震响应特征分析[J]. 地震地质, 30(4): 895–905. |
| [] | 杨竹转, 邓志辉, 杨贤和, 等. 2014. 2013年芦山MS 7.0地震和2008年汶川MS 8.0地震井水位同震变化的比较分析[J]. 地震地质, 36(2): 380–391. |
| [] | 鱼金子, 车用太, 刘成龙, 等. 2012. 金沙江水网对日本9.0级地震的同震响应及其特征与机理[J]. 地震, 32(1): 59–69. |
| [] | 鱼金子, 车用太, 王爱英, 等. 1993. 水震波异常与中期强震危险性关系初探[J]. 地震(4): 30–37. |
| [] | 张彬, 刘耀炜, 高小其, 等. 2015. 2015年尼泊尔MS 8.1地震引起的井水位与井水温同震效应及其相关性分析[J]. 地震学报, 37(4): 533–540. |
| [] | 张贝, 程惠红, 石耀霖. 2015. 2015年4月25日尼泊尔MS 8.1大地震的同震效应[J]. 地球物理学报, 58(5): 1794–1803. DOI:10.6038/cjg20150529 |
| [] | 张清秀, 陈莹, 郑小菁, 等. 2012. 福建省数字化水位、水温对日本9级地震的同震响应[J]. 地震地磁观测与研究, 33(3-4): 61–66. |
| [] | 张昭栋, 迟镇乐, 陈会民, 等. 2000. 井水位的振荡与地震波[J]. 地震研究, 23(4): 418–425. |
| [] | 晏锐, 黄辅琼. 2009. 黄骅井水位对苏门答腊5次地震的同震响应初步研究[J]. 中国地震, 25(3): 325–332. |