云南思茅大寨井与大理月溪井水位同震响应对比分析

毛巍颖

（云南省地震局，昆明 650224）

0 引言

井水位同震响应是井水位观测的普遍现象[1-5]。不同地区不同观测井的同震响应特点不同，与井孔所在的构造环境和水文地质条件有关，井孔含水层岩体结构的不同可能是主导因素[6]。

井孔的地质构造环境是一个十分宽泛的概念，涉及井孔周围的地质、构造等方面。就地质环境而言，主要包括地层时代和岩性等，其中地层时代相对于岩性具有唯一性。对于同一时代地层可以有多种岩性；同一岩性不仅可以存在于不同时代地层，而且在同一时代地层中可以重复出现，但他们的物理性质却存在差异。这种情况在地下流体观测井网中是比较普遍的。

为了研究井孔岩石的地质时代和岩性对水位同震响应的影响，本文对比分析了含水层为中生界白垩系砂岩的云南思茅大寨井和含水层为新生界第四系松散层的云南大理月溪井水位同震响应差异，分析了导致差异的含水层地层学和岩石学原因。

1 思茅大寨井与大理月溪井观测概况

1.1 思茅大寨井

云南思茅大寨井地处云南西南部普洱市思茅区城区东南，地理坐标为东经101°03′，北纬22°45′，位于红河断裂以南主要出露中生代地层的的兰坪思茅褶皱带，构造上位于无量山断裂带。井深112.27 m，井孔7.5 m 以上为第四系残坡积沙土层，7.5 m 以下均为白垩系泥质粉砂岩、石英碎屑砂岩、凝灰质泥岩（图1a）。该井水位观测始于1984年，自投入观测后水位观测质量一直比较稳定。

图1 思茅大寨井和大理月溪井井孔地质剖面图Fig.1 The geological profile nap of Dazhai well and Yuexi well

1.2 大理月溪井

大理月溪井地理坐标100°10′ E、25°41′ N，地处云南西北部大理古城月溪村，位于主要由古生代地层出露的丽江台缘褶皱带，构造上位于红河断裂北侧。井深800.50 m，井孔地层均为第四系砾石、砂和粘土层（图1b）。该井的水位观测始于1990年1月，仪器为SW40-1 水位仪。该井井水潮汐效应好，能记录到远震水震波（2001年11月14日昆仑山口西M8.1）。认为投入观测至2000年间，该井水位出现过8 次异常，其中有5 次对应了200 km 范围内的5 次地震，包括1991年4月12 日宁蒗M5.1、1992年12月18日永胜M5.4、1996年2月3日丽江M7.0、1998年11月19 日宁蒗M6.2、2000年4月2日施甸M5.9。该井水位数据在2007年5月16 日老挝M6.6、2008年5月12 日四川汶川M8.0地震前有明显变化。

2 思茅大寨井与大理月溪井水位同震响应

2.1 思茅大寨井水位同震响应

思茅大寨井是云南记录同震响应最多的井，杨竹转等（2005）对1990—2003年该井的阶升现象进行研究[7]。毛巍颖（2018年）增加研究样本，对1988—2017年思茅大寨井的水位资料进行全时段的分析[8]。这些研究，思茅大寨井水位同震响应现象明显（图2），1988—2017年共出现27 次的同震响应（表1）。

图2 思茅大寨井部分同震响应图Fig.2 Coseismal response map of water level in Dazhai well

表1 思茅大寨水位同震响应一览表Table 1 List of Coseismal response of water level of Dazhai well

思茅大寨井水位同震响应主要有以下特点：

（1）自1988年至2017年的30年中出现的27 次同震响应不受震源机制、发震构造等因素影响，响应形式均为阶变上升。

（2）响应幅度大，27次同震上升阶变中有16次阶变幅度达10 cm以上，其中1988年11月6日云南澜沧耿马7.6、7.2级地震的同震阶变幅度为57.1 cm。

（3）对10 km 范围内的3、4 级地震有同震响应。对井震距2000～3000 km 的8.5级以上地震有同震响应。

（4）思茅大寨井水位对主震和强余震均可记录到同震响应。

（5）震中距对思茅井水位同震响应有明显影响。对10 km 范围内的3、4 级地震都可能出现同震响应。可能引起思茅井水位出现同震响应的地震的震级所对应的震中距为： 5.0～5.9 级地震是120 km、6.0～6.9 级地震是300 km、7.0～7.0 级地震是600 km、8.0～8.9级地震3000 km。

2.2 大理月溪井水位同震响应

大理月溪井水位在表1 中思茅大寨井水位11次同震响应时有观测数据，其余地震时无观测数据。通过对这11 次地震期间大理月溪井水位数据分析，大理月溪井水位只对其中的5次地震有同震响应（图3），而对2008年5月12 日四川汶川8.0 级等地震没有出现同震响应（图4）。

图3 大理月溪井5次同震响应曲线图Fig.3 5 coseismic response curve of Yuexi Well

图4 大理月溪井在汶川8.0级地震期间的水位数据曲线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响应特点是：同震响应现象少，响应幅度小，一般在1～3 cm。对一些云南省内的中强地震和8级以上远震一般没有同震响应。

3 讨论与结论

3.1 思茅大寨井水位同震响应效能力明显高于大理月溪井

与大理月溪井相比，思茅大寨井水位同震响应能力明显高于大理月溪井。主要体现在：

思茅大寨井水位同震响应数量多、响应幅度大，自1988年11月6 日澜沧耿马地震以来的30年中对27 次地震有明显的同震响应，响应幅度达10 cm以上的为16次，最大可达57.1 cm

3.2 井孔含水层地质时代和岩性可能是影响井水位同震响应的主要因素

目前认为井水位同震响应是地震波传播中沿途井孔含水层发生应变引起变化，地震波引起水位变化即含水层内孔隙介质体膨胀的结果，受控于当地的地质构造环境和水文地质条件。

表2 思茅大寨井和大理月溪井水位同震响应一览表Table 2 List of coseismal response of water level of Dazhai well and Yuexi well

从地震波作用的角度，地震波作用与岩石密度有关。无论地震波的P 波还是S 波的传播速度都与传播介质密度（p）有关[9]：

式中Vp 为纵波波速，Vs 为横波波速，ρ为岩石密度，μ为岩石刚度，K为体模量。

井孔岩石是由岩石骨架和流动的孔隙流体组成的二相体，由孔隙和骨架构成。不同种类岩石和不同岩性的岩石密度不同[9]，其中沉积岩是1.2～3.0 g/cm3、岩浆岩是2.6～3.5 g/cm3，变质岩是2.4～3.1 g/cm3，砂岩密度是2.1～2.5 g/cm3、干沙土密度是1.4～1.7 g/cm3。岩石密度除取决于岩石种类和岩性外，还与岩石形成的年代有关，形成时代越早，成岩作用越长，岩石密度就越大，即新生代岩石密度＜中生代岩石密度＜古生代岩石密度。因此，不同地质时代和岩性的井孔含水层由于岩石密度变化可以影响地震波作用[10]。岩石时代越老、密度越大，对地震波的传播速度就越慢，地震波作用于岩体的时间就越长，引起的含水层内孔隙介质体积膨胀就应越大。

从井水位同震响应能力角度，地震波作用和井孔含水层特性是决定井水位同震响应的两个关键因素。地震波作用改变地下水文系统，其中包括井水位急剧变化。同时地震波作用可以增加岩石的渗透性。地震波的可透性与岩石的渗透性的关系为[11]：

式中K为岩石的渗透率，μ为动力粘粘滞度，ρ为密度，g为重力加速度，d为含水层厚度，T为地震波的可透性。

Jean E.Elkhoury 的关系表明，地震波的可透性（T）和含水层有关，与含水层厚度（d）呈正比。

根据向阳等[12]，地震波作用下含水层孔隙压力波动引起的水位变化幅度（h）与地表垂向运动引起的水位变化幅度（s）之比（R）关系为：

式中Ew为水的弹性模量，ρ为密度，g 为重力加速度，n为含水层孔隙度，υ和τ分别为地震波的波速和周期。

这个关系说明地震波作用下含水层孔隙压力波动引起的水位变化幅度与含水层孔隙度和地震波速应呈反比关系。

岩石密度和孔隙率是描述岩石特性的重要指标，二者间具有密切联系，具有相同孔隙类型优势的岩石密度随孔隙度的增大而降低[13]。不同岩性的岩石密度和孔隙度是不同[9]，因此，岩石孔隙度与岩石形成的地质时代关系则与岩石密度相反，即新生代岩石孔隙度＞中生代岩石孔隙度＞古生代岩石孔隙度。

含水层岩石密度和孔隙率影响含水层导水性。含水层对地震波的响应与其导水系数有关，导水系数越大，其渗透性能越好，对地震波的响应性也就越好，基岩含水层导水系数明显大于松散含水层[13]。

综上所述，地震波作用是井孔水位同震响应主导因素，而地震波的传播与岩石密度有关。地震波作用下的井孔含水层响应，是井水位同震响应的结果，而井孔含水层的响应与井孔含水层的含水性有关，含水层岩石孔隙度又决定了井孔含水层的含水性。

思茅大寨井水位同震响应效能力明显高于大理月溪井，主要原因是思茅大寨井与大理月溪井含水层因地质年代和岩性的明显差异导致的含水层密度和孔隙度差异引起。思茅大寨井含水层为中生界白垩系砂岩，大理月溪井含水层为新生界第四系松散砂砾层，二者密度和孔隙度差异明显。前者结构致密、孔隙率小，有利于地震波传播导致水层孔隙压力波动，井水位同震响应能力强。后者岩体结构疏松、孔隙率大，地震波传播导致水层孔隙压力波动能力也就相对弱，水位同震响应能力相应也就弱。