毛巍穎

（云南省地震局，昆明 650224）

0 引言

井水位同震響應是井水位觀測的普遍現(xiàn)象[1-5]。不同地區(qū)不同觀測井的同震響應特點不同，與井孔所在的構造環(huán)境和水文地質條件有關，井孔含水層巖體結構的不同可能是主導因素[6]。

井孔的地質構造環(huán)境是一個十分寬泛的概念，涉及井孔周圍的地質、構造等方面。就地質環(huán)境而言，主要包括地層時代和巖性等，其中地層時代相對于巖性具有唯一性。對于同一時代地層可以有多種巖性；同一巖性不僅可以存在于不同時代地層，而且在同一時代地層中可以重復出現(xiàn)，但他們的物理性質卻存在差異。這種情況在地下流體觀測井網(wǎng)中是比較普遍的。

為了研究井孔巖石的地質時代和巖性對水位同震響應的影響，本文對比分析了含水層為中生界白堊系砂巖的云南思茅大寨井和含水層為新生界第四系松散層的云南大理月溪井水位同震響應差異，分析了導致差異的含水層地層學和巖石學原因。

1 思茅大寨井與大理月溪井觀測概況

1.1 思茅大寨井

云南思茅大寨井地處云南西南部普洱市思茅區(qū)城區(qū)東南，地理坐標為東經(jīng)101°03′，北緯22°45′，位于紅河斷裂以南主要出露中生代地層的的蘭坪思茅褶皺帶，構造上位于無量山斷裂帶。井深112.27 m，井孔7.5 m 以上為第四系殘坡積沙土層，7.5 m 以下均為白堊系泥質粉砂巖、石英碎屑砂巖、凝灰質泥巖（圖1a）。該井水位觀測始于1984年，自投入觀測后水位觀測質量一直比較穩(wěn)定。

圖1 思茅大寨井和大理月溪井井孔地質剖面圖Fig.1 The geological profile nap of Dazhai well and Yuexi well

1.2 大理月溪井

大理月溪井地理坐標100°10′ E、25°41′ N，地處云南西北部大理古城月溪村，位于主要由古生代地層出露的麗江臺緣褶皺帶，構造上位于紅河斷裂北側。井深800.50 m，井孔地層均為第四系礫石、砂和粘土層（圖1b）。該井的水位觀測始于1990年1月，儀器為SW40-1 水位儀。該井井水潮汐效應好，能記錄到遠震水震波（2001年11月14日昆侖山口西M8.1）。認為投入觀測至2000年間，該井水位出現(xiàn)過8 次異常，其中有5 次對應了200 km 范圍內的5 次地震，包括1991年4月12 日寧蒗M5.1、1992年12月18日永勝M5.4、1996年2月3日麗江M7.0、1998年11月19 日寧蒗M6.2、2000年4月2日施甸M5.9。該井水位數(shù)據(jù)在2007年5月16 日老撾M6.6、2008年5月12 日四川汶川M8.0地震前有明顯變化。

2 思茅大寨井與大理月溪井水位同震響應

2.1 思茅大寨井水位同震響應

思茅大寨井是云南記錄同震響應最多的井，楊竹轉等（2005）對1990—2003年該井的階升現(xiàn)象進行研究[7]。毛巍穎（2018年）增加研究樣本，對1988—2017年思茅大寨井的水位資料進行全時段的分析[8]。這些研究，思茅大寨井水位同震響應現(xiàn)象明顯（圖2），1988—2017年共出現(xiàn)27 次的同震響應（表1）。

圖2 思茅大寨井部分同震響應圖Fig.2 Coseismal response map of water level in Dazhai well

表1 思茅大寨水位同震響應一覽表Table 1 List of Coseismal response of water level of Dazhai well

思茅大寨井水位同震響應主要有以下特點：

（1）自1988年至2017年的30年中出現(xiàn)的27 次同震響應不受震源機制、發(fā)震構造等因素影響，響應形式均為階變上升。

（2）響應幅度大，27次同震上升階變中有16次階變幅度達10 cm以上，其中1988年11月6日云南瀾滄耿馬7.6、7.2級地震的同震階變幅度為57.1 cm。

（3）對10 km 范圍內的3、4 級地震有同震響應。對井震距2000～3000 km 的8.5級以上地震有同震響應。

（4）思茅大寨井水位對主震和強余震均可記錄到同震響應。

（5）震中距對思茅井水位同震響應有明顯影響。對10 km 范圍內的3、4 級地震都可能出現(xiàn)同震響應。可能引起思茅井水位出現(xiàn)同震響應的地震的震級所對應的震中距為： 5.0～5.9 級地震是120 km、6.0～6.9 級地震是300 km、7.0～7.0 級地震是600 km、8.0～8.9級地震3000 km。

2.2 大理月溪井水位同震響應

大理月溪井水位在表1 中思茅大寨井水位11次同震響應時有觀測數(shù)據(jù)，其余地震時無觀測數(shù)據(jù)。通過對這11 次地震期間大理月溪井水位數(shù)據(jù)分析，大理月溪井水位只對其中的5次地震有同震響應（圖3），而對2008年5月12 日四川汶川8.0 級等地震沒有出現(xiàn)同震響應（圖4）。

圖3 大理月溪井5次同震響應曲線圖Fig.3 5 coseismic response curve of Yuexi Well

圖4 大理月溪井在汶川8.0級地震期間的水位數(shù)據(jù)曲線Fig.4 The water level data curve of Yuexi well during the Wenchuan M8.0 earthquake

大理月溪井水位同震響應特點是：同震響應現(xiàn)象少，響應幅度小，一般在1～3 cm。對一些云南省內的中強地震和8級以上遠震一般沒有同震響應。

3 討論與結論

3.1 思茅大寨井水位同震響應效能力明顯高于大理月溪井

與大理月溪井相比，思茅大寨井水位同震響應能力明顯高于大理月溪井。主要體現(xiàn)在：

思茅大寨井水位同震響應數(shù)量多、響應幅度大，自1988年11月6 日瀾滄耿馬地震以來的30年中對27 次地震有明顯的同震響應，響應幅度達10 cm以上的為16次，最大可達57.1 cm

3.2 井孔含水層地質時代和巖性可能是影響井水位同震響應的主要因素

目前認為井水位同震響應是地震波傳播中沿途井孔含水層發(fā)生應變引起變化，地震波引起水位變化即含水層內孔隙介質體膨脹的結果，受控于當?shù)氐牡刭|構造環(huán)境和水文地質條件。

表2 思茅大寨井和大理月溪井水位同震響應一覽表Table 2 List of coseismal response of water level of Dazhai well and Yuexi well

從地震波作用的角度，地震波作用與巖石密度有關。無論地震波的P 波還是S 波的傳播速度都與傳播介質密度（p）有關[9]：

式中Vp 為縱波波速，Vs 為橫波波速，ρ為巖石密度，μ為巖石剛度，K為體模量。

井孔巖石是由巖石骨架和流動的孔隙流體組成的二相體，由孔隙和骨架構成。不同種類巖石和不同巖性的巖石密度不同[9]，其中沉積巖是1.2～3.0 g/cm3、巖漿巖是2.6～3.5 g/cm3，變質巖是2.4～3.1 g/cm3，砂巖密度是2.1～2.5 g/cm3、干沙土密度是1.4～1.7 g/cm3。巖石密度除取決于巖石種類和巖性外，還與巖石形成的年代有關，形成時代越早，成巖作用越長，巖石密度就越大，即新生代巖石密度＜中生代巖石密度＜古生代巖石密度。因此，不同地質時代和巖性的井孔含水層由于巖石密度變化可以影響地震波作用[10]。巖石時代越老、密度越大，對地震波的傳播速度就越慢，地震波作用于巖體的時間就越長，引起的含水層內孔隙介質體積膨脹就應越大。

從井水位同震響應能力角度，地震波作用和井孔含水層特性是決定井水位同震響應的兩個關鍵因素。地震波作用改變地下水文系統(tǒng)，其中包括井水位急劇變化。同時地震波作用可以增加巖石的滲透性。地震波的可透性與巖石的滲透性的關系為[11]：

式中K為巖石的滲透率，μ為動力粘粘滯度，ρ為密度，g為重力加速度，d為含水層厚度，T為地震波的可透性。

Jean E.Elkhoury 的關系表明，地震波的可透性（T）和含水層有關，與含水層厚度（d）呈正比。

根據(jù)向陽等[12]，地震波作用下含水層孔隙壓力波動引起的水位變化幅度（h）與地表垂向運動引起的水位變化幅度（s）之比（R）關系為：

式中Ew為水的彈性模量，ρ為密度，g 為重力加速度，n為含水層孔隙度，υ和τ分別為地震波的波速和周期。

這個關系說明地震波作用下含水層孔隙壓力波動引起的水位變化幅度與含水層孔隙度和地震波速應呈反比關系。

巖石密度和孔隙率是描述巖石特性的重要指標，二者間具有密切聯(lián)系，具有相同孔隙類型優(yōu)勢的巖石密度隨孔隙度的增大而降低[13]。不同巖性的巖石密度和孔隙度是不同[9]，因此，巖石孔隙度與巖石形成的地質時代關系則與巖石密度相反，即新生代巖石孔隙度＞中生代巖石孔隙度＞古生代巖石孔隙度。

含水層巖石密度和孔隙率影響含水層導水性。含水層對地震波的響應與其導水系數(shù)有關，導水系數(shù)越大，其滲透性能越好，對地震波的響應性也就越好，基巖含水層導水系數(shù)明顯大于松散含水層[13]。

綜上所述，地震波作用是井孔水位同震響應主導因素，而地震波的傳播與巖石密度有關。地震波作用下的井孔含水層響應，是井水位同震響應的結果，而井孔含水層的響應與井孔含水層的含水性有關，含水層巖石孔隙度又決定了井孔含水層的含水性。

思茅大寨井水位同震響應效能力明顯高于大理月溪井，主要原因是思茅大寨井與大理月溪井含水層因地質年代和巖性的明顯差異導致的含水層密度和孔隙度差異引起。思茅大寨井含水層為中生界白堊系砂巖，大理月溪井含水層為新生界第四系松散砂礫層，二者密度和孔隙度差異明顯。前者結構致密、孔隙率小，有利于地震波傳播導致水層孔隙壓力波動，井水位同震響應能力強。后者巖體結構疏松、孔隙率大，地震波傳播導致水層孔隙壓力波動能力也就相對弱，水位同震響應能力相應也就弱。