本文所研究的井孔位于小江断裂带南段与红河断裂带中段交汇处,其中,元江井和新平井位于红河断裂带上,华宁井位于小江断裂带上(图1)。笔者共选取6口井进行频谱分析,分析区域应力应变状态。

分析6口井的井水位数据,其含水层类型为裂隙承压水,具有显著的固体潮效应,可以进行频谱分析。观测时间段最早从2001年8月开始,各井孔详细情况见表1。

表1 观测井基本参数
Tab.1 Basic parameters of observation wells

图1 井水位异常监测井位置及断裂带示意图
Fig.1 Sketch map of location of monitoring wells of water level anomaly and fault zones

存在井水位异常的4口井,除元江井年变规律不太清晰外,其余3口井水位年变规律明显,但各井孔水位峰值出现时间不同。近年来,这4口井井水位(埋深)出现下降,尽管开始下降时间不同,但都集中在2006～2008年(图2)。

根据年变水位的最高值变化特征,可以把这这6口井分为3种类型。第1种类型是平稳—下降型,如高大井和建水井。2001～2005年高大井水位最高值基本不变,介于-2.0～-2.1 m之间,从2006年开始,水位最高值逐年下降,至2011年11月下降到-3.4 m左右; 2008年6月以前建水井水位最高值基本保持-9.3 m左右,从2008年6月以后水位最高值开始逐年下降,至2011年10月下降到-10.6 m左右。第2种类型是下降—上升—下降型,如易门井。2004年1月以来易门井水位一直下降,到2007年7月下降到-2.6 m左右,其后水位上升,于2008年1月上升到-2.1 m,之后水位下降,于2010年下降到-2.9 m。第3种类型是上升—下降型,如元江井。从2007年开始,元江井水位逐年上升,到2009年9月上升到-9.8 m左右,之后水位逐渐下降,2011年12月下降到-11.6 m。

图2 滇中和滇南地区监测井水位变化曲线
Fig.2 Water level variation of observation wells in the central and south Yunnan region

裂隙承压含水层条件下,潮汐水位分波相位和振幅由裂隙产状、地震波和构造应力变化等决定。其中,裂隙产状一般不随应力变化,不会引起振幅和相位变化。由降水补给、地表水下渗、抽水等造成的含水层中水量增减不会引起相位和振幅的长期趋势性变化。一般认为,地震波引起的动态应变本身并不能导致持续的井水位变化,但可以通过疏通裂隙中的固体颗粒而使渗透率发生变化,引起井水位潮汐分波相位提前,震后相位逐渐恢复(Elkhoury et al,2006,2011)。当含水层膨胀和压缩时,在构造应力作用下,含水层产生线性或非线性弹性形变,岩体拉梅常数变化,裂隙孔压—引潮高振幅比发生变化,且影响含水层与井孔之间的水流交换,影响潮汐分波的振幅和相位。由于岩体形变主要作用在裂隙上,对裂隙开度尤其是裂隙最小过水断面的影响却较大。例如岩体厚度1 m,裂隙开度为2 mm,压缩为1.8 mm,岩体形变只有2×10^-4,但裂隙开度减小10%,渗透系数至少减小10%。因此,应力应变的演化将导致裂隙膨胀或压缩,潮汐水位分波振幅和相位相应地发生变化,且与导水系数同方向变化,即振幅和相位随导水系数增加而增加,随导水系数的减小而减小(Hsieh et al,1987; 石云等,2013)。

裂隙承压含水层条件下,地震波和构造应力引起的形变能够引起潮汐水位分波相位和振幅的变化,而含水层中水量增减不会引起相位和振幅的长期趋势性变化。相位的长期趋势性变化反应出含水层在构造应力作用下的应变信息。当断裂带受到挤压时,裂隙闭合,导水系数降低,相应

地相位下降。当裂隙膨胀时,导水系数提高,相位上升。因此,根据水井的相位和振幅变化,可以间接推断断裂带的形变信息。本文采用BAY-TAP程序对井水位数据进行频谱分析,分离出优势分波M₂波的振幅和相位,根据井水位和频谱分析结果分析井孔所在区域的应变(应力)变化,并且分析其对井水位变化的影响(唐彦东等,2013)。

开远、新平、元江井都具有比较显著的固体潮效应,可以对其进行频谱分析。在数据处理过程中,为了克服数据突跳、波动或不明原因的异常给分析带来的影响,我们对数据都采用分段处理方法,即把异常点(突跳点等)作为分界点,对前后两段分别进行频谱分析,这样就可以避开仪器故障等原因造成的数据异常(真实井水位没有变化)的影响。对于确实无法利用的数据进行删除处理。

从图3可以看出,易门和高大井相位和振幅变化比较稳定,历次较大的远震,如昆仑山口西地震、5次苏门答腊地震和汶川地震均没有对其造成相位和振幅显著变化,研究区域内及附近的多次地震也没有对其造成相位和振幅显著变化。开远井和建水井相位和振幅波动明显,一方面是由于仪器因素造成的数据质量不高,数据突跳点和数据缺失较多,另一方面是监测井受到外界干扰,如开远井西侧10～40 m处有3条米轨铁路通过,当列车通过时会对井水位产生干扰,但从总体上

图3 高大井(a)和易门井(b)M2波振幅和相位变化曲线图
Fig.3 Amplitudes and phase variation of M2 wave recorded by Gaoda(a)and Yimen(b)wells

新平和元江井相位和振幅变化与上述4口井不同。2004年12月苏门答腊8.9级地震前,新平井振幅和相位持续下降,反映出含水层持续受到挤压。地震后相位和振幅阶变上升,之后继续恢复

到原来的持续下降趋势,并且一直保持到2007年6月云南宁洱6.4级地震之前。说明地震仅仅影响含水层水力学参数,即在地震波作用下,裂隙疏通而后堵塞的过程,地震波没有改变含水层的挤压状态。宁洱M_S6.4地震和2007年9月苏门答腊地震一样新平井相位和振幅发生阶变。这两次地震后,相位和振幅变化相对稳定,略有下降趋势,这可能是宁洱地震后,新平井所处的红河断裂带应力得到某种程度释放,含水层受到的挤压程度不断减弱。元江井相位和振幅变化趋势与新平井

图4 开远井(a)和建水井(b)M2波振幅和相位变化曲线图
Fig.4 Amplitudes and phase variation of M2 wave recorded by Kaiyuan(a)and Jianshui(b)wells

图5 新平井(a)和元江井(b)M2波振幅和相位变化曲线图
Fig.5 Amplitudes and phase variation of M2 wave recorded by Xinping(a)and Yuanjiang(b)wells

基本相同,但变化幅度较小。一方面,新平和元江井相位和振幅基本符合震后相位上升其后下降的规律。另一方面,若相位仅受到地震波的影响,从长期看,相位应该回归到一个相对的稳定值,但2口井在观测时段内均没有出现稳定值,呈现长期的下降趋势,推断两口井所在区域含水层可能受到挤压。