地下流体同震响应能够有效、直接地揭示地壳介质对应力-应变的响应。在过去几十年里,地震能引起较大范围的水位、水温同震响应和较强的振幅变化,这是我国地震学家普遍关注的焦点问题(黄辅琼等,2000; 中国地震局监测预报司,2005; 晏锐,黄辅琼,2009; 杨竹转等,2008,2007,2005; 高小其等,2006; 廖丽霞等,2009; 顾申宜等,2010),他们不仅研究了同震响应的形态特征,而且开始探索同震响应特征在地震预测实践中的应用问题。黄辅琼等(2000)的研究表明,当一个构造带区域井水位普遍上升,代表构造应力场压性增强、张性减弱; 水位下降代表构造应力场压性减弱、张性增强,因此水位同震阶变的观测井空间分布与构造区域的相互关系对判断构造应力场的变化具有积极的意义。地震波引起的同震响应基本以水位振荡、水温下降—恢复的形态出现,水位振荡和水温下降的幅度均与震中距、震级有着一定的量化关系,机理比较复杂,目前解释较多的有气体逸出说、热弥散说和冷水下渗说3类,各观点均具有合理性,也能解释一定的观测现象,但哪种机理更具普适性和合理性,有待于更进一步的研究。

2015年4月25日尼泊尔发生8.1级地震,该地震在云南引起了大范围地下流体井水位、水温及个别井的气氡、水质(钙离子、碳酸氢根离子及pH值)同震响应,并出现2起宏观现象。本文系统收集和整理了尼泊尔8.1级地震在云南引起的地下流体同震响应现象,并对数字化水位、水温同震响应在该区域的时空分布规律、影响因素和相互关系等特征进行了分析和讨论。

经过近几十年对云南地区地下流体观测仪器设备的更新以及数字化改造,云南地区地下流体观测有了较大的发展。到目前为止,云南地区地下流体水位、水温及水化学观测台网共计300台项(不包括辅助测项),其中,水位70项、水温73项、氡54项、汞32项、水质(离子及其他)71台项,具体台项统计见表1。

数字化水位、水温观测采样率为每分钟采样一次,气氡和气汞观测为1小时观测一次,水质包括离子及电导率、pH等测项,主要是模拟观测,一天观测一次,其中的数字化观测只是氦气,采样率为每小时采样一次。

表1 云南地下流体观测项目台项数统计
Tab.1 Statistic of the number of underground fluid observation items in Yunnan

2015年4月25日发生的尼泊尔8.1级地震震中距云南流体观测井网最近井1 430 km,距最远井1 960 km,震后云南地区地下流体45口数字化水位观测井中有39口井观测到同震响应,占总观测井的87%。48口数字化水温观测井中有16口井观测到同震响应,占总观测井的33%。20口数字化气氡观测井中只有曲江井观测到同震响应,15口模拟水质观测井中只有普洱井观测到钙离子、碳酸氢根离子及pH值3个测项同震响应,在宾川和丽江发现2起水发浑宏观现象,其同震响应井点分布见图1,观测项响应统计见图2。气汞未出现同震响应。

从图1、2可清楚地看出,有同震响应的水位、水温井点多、分布广,对远场大地震的记震能力明显要高于气氡和水质,虽然资料显示个别台气氡能记录到远场大地震的发生,但其可识别程度明显低于水位及水温资料。

对数字水位仪、水温仪入库数据的原始图像进行分析,结果显示云南共有39口水位观测井的45台(套)仪器、16口水温观测井的20台(套)仪器记录到了2015年5月24日尼泊尔8.1级地震的同震变化。记录到的资料有如下特征:

(1)由图3可见,震时水位、水温同震响应的变化形态有所不同,水位同震响应变化形态主要有阶升、阶降及波动,而水温同震响应变化形

图1 尼泊尔8.1级地震云南流体观测同震响应井分布图
Fig.1 Distribution of fluid observation co-seismic response wells in Yunnan related to Nepal M8.1 earthquake

图2 云南流体各测项同震响应统计图
Fig.2 Statistics of the co-seismic response of each fluid observation items in Yunnan

(2)从表2统计的水位变化可以看出,在39个水位测项中有15个测项为阶变(阶升11、阶降4),且以阶升为主,其它24个测项为波动变化。不同水井记录的尼泊尔8.1级地震震时最大变化振幅、持续时间相差很大。阶变幅度5(兰坪)～940 mm(怒江),持续时间4(兰坪)～540 min(曲靖),波动幅度1(耿马)～1 096 mm(昭通),持续时间2(耿马)～74 min(昆明)不等(图4)。

表2 云南数字化水位和水温尼泊尔8.1级地震的同震响应特征
Tab.2 Co-seismic response characteristics related to Nepal MS8.1 earthquake which were recorded by digital water level and water temperature in Yunnan

注:①水位阶变变化幅度及持续时间表示最大阶变幅度及达到最大阶变幅度持续的时间,波动变化幅度及持续时间是最大双振幅及波动起止持续的时间; ②水温变化幅度及持续时间表示最大上升或下降幅度及上升或下降起始至恢复持续的时间.

图3 水位(a)、水温(b)观测井及同震响应井分布图
Fig.3 Distributions of water level(a),water temperature(b)observation wells and co-seismic response wells

图4 部分水位震时响应曲线图(a)楚雄动水位;(b)保山动水位;(c)普洱动水位;(d)弥勒动水位;(e)曲江动水位;(f)昆明台静水位; (g)昆明小哨动水位;(h)腾冲台静水位;(i)丽江动水位;(j)建水静水位
Fig.4 Part of the water level response curves at the earthquake time(a)Chuxiong dynamic water level;(b)Baoshan dynamic water level;(c)Puer dynamic water level;(d)Mile dynamic water level;(e)Qujiang dynamic water level;(f)Kunming station static water level;(g)Kunming Xiaoshao dynamic water level; (h)Tenchong station static water level;(i)Lijiang dynamic water level;(j)Jianshui static water level

由图5可见,用15个测项水位阶变和24个测项水位波动分别统计同震变化幅度与持续时间、震中距的关系,持续时间的长短与其最大振幅成正比,水位最大振幅越大,持续时间越长(除个别井外),而幅度变化与震中距没有统计关系。

(3)由表2统计的水温变化可知,16个井水温测项中有8个测项为上升、8个测项为下降。不同水井记录的尼泊尔8.1级地震震时最大变化振幅、持续时间也相差很大。最大双振幅0.006 ℃(寻甸)～0.116 9 ℃(昭通),持续时间18(曲江)～305 min(富民)不等(图6)。

由图7可见,用16个水温测项分别统计同震变化幅度与持续时间、震中距关系,均没有明显的统计关系。

图5 水位变化幅度与持续时间(a)、震中距(b)统计图
Fig.5 Statistic between water level change amplitude and duration(a),epicenter distance(b)

图6 部分水温震时响应曲线图(a)腾冲台;(b)昭通;(c)澄江;(d)丽江
Fig.6 Part of the water temperature response curves at the earthquake time(a)Tengchong station;(b)Zhaotong;(c)Chengjiang;(d)Lijiang

图7 水温变化幅度与持续时间(a)、震中距(b)统计图
Fig.7 Statistic between water temperature change amplitude and duration(a),epicenter distance(b)

(4)2015年4月25日尼泊尔8.1级地震发生后,5月12日又发生了7.5级最大余震。由图8可见,同一套仪器记录的尼泊尔主震及强余震的水位、水温同震响应变化显示,曲线形态相似,且震级越大,同震响应幅度越大。昭通、德宏、建水、澄江、永胜5个水位井,昭通、德宏、丽江3个水温井记录到7.5级地震的同震响应分别占观测井的11%、6%,即有同震响应井数量也较主震少。

(5)尼泊尔地震发生时,6口水位井(曲江、小哨、弥勒、开远、澄江、高大)、4口水温井(普洱、下关、澄江、弥勒)有2种不同型号仪器并行观测水位、水温。由图9可见,同一井孔内不同型号仪器均有同步响应,仪器型号不同,其响应最大幅度及持续时间有明显差异。

图8 同一套仪器记录的主震及强余震的水位、水温同震响应曲线(a)德宏静水位;(b)昭通静水位;(c)德宏水温;(d)昭通水温
Fig.8 Co-seismic response curves of water level and water temperature of the main shocks and aftershocks recorded by the same observation instrument(a)Dehong static water level;(b)Zhaotong static water level;(c)Dehong water temperature;(d)Zhaotong water temperature

图9 水位、水温同井2种不同型号仪器观测同震响应的同比例图(a)澄江静水位;(b)高大静水位;(c)普洱水温;(d)弥勒水温
Fig.9 The curves of water level and water temperature co-seismic response in same scale recorded by two different types of instruments in the same well(a)Chengjiang static water level;(b)Gaoda static water level;(c)Puer water temperature;(d)Mile water temperature

通过对尼泊尔8.1级地震在云南区域观测到的流体同震响应的分析研究,得到以下初步认识:

(1)尼泊尔8.1级地震对云南地区的影响较大,引起了地震地下流体观测微观及宏观动态较显著的同震响应。数字化水位与水温对该大地震的记震能力明显要高于气氡和水质。分析其原因大致可能有几个方面:首先,受观测技术和观测方法的限制,目前气氡和水质的观测分别是整点值及日值,以这样的采样频率很难捕捉到迅速经过井-含水层系统的地震波所引起的地壳介质的瞬时动态变化; 其次,气氡、水质等化学量的变化并非由单纯的应力—应变的扰动所引起,其变化受多种因素的控制,地震波引起气氡与水质的微变化以目前的观测精度还无法记录到; 再者,气氡与水质观测手段,其干扰因素相对较多,这就会对同震响应或异常变化的提取造成很大程度的影响(孙小龙,王博,2008)。

(2)水位同震响应的比例为87%,水温同震响应的比例为33%,表明云南水位与水温观测对高频地壳动力作用有较强的响应能力,且水位的记震能力强于水温。水位、水温记录最大强余震同震响应井比例分别为11%、6%,说明水位与水温的同震响应程度与远场地震的震级密切相关,震级越大则响应程度越高,也可说具有同震响应的井点数越多,这与杨竹转等(2005)提出的观点相一致。

(3)不同井水位、水温同震响应最大振幅、持续时间相差很大,水位以振荡和阶变上升为主,水温则表现为上升或下降后缓慢恢复的变化形态。不同的观测井对远场大震具有不同的响应特征,这主要与观测井自身的水文地质背景有关(刘成龙等,2009)。

(4)对同一井孔内水位、水温记录的主震及最大余震的同震响应变化显示,震级越大,同震响应幅度越大,但形态相似。

对同一井孔内水位、水温不同型号仪器均可记录到同步响应,但仪器型号不同,其响应最大幅度及持续时间有明显差异。

单一观测井对不同地震有着比较一致的记震形态,且响应幅度除观测仪器外,主要与远场地震的震级有一定的关系(刘成龙等,2009)。

(5)有水温同震响应的井中均有水位同震响应。井水位与井水温同震响应是密切相关的,井水温的同震响应多由井水位的同震响应引起,其主要原因为井水位振荡时井筒内上下水混合作用(鱼金子等,2012)。