地震引起的地下水位变化及其机理初步研究
摘要
地震引起的地下水位变化也可称之为震后水位变化或地下水的震后效应，它是指大地震发生后的外围井点对其响应或被激发而形成的异常(汪成民，2001)。震后水位变化的研究对于减轻次生灾害、研究地壳活动规律、跟踪后续地震、追溯地震前兆等都具有重要的理论和实际意义。通过分析大量的水位记录资料，可从形态上将震后水位变化分为两类：快速的振荡变化和持续的单调变化。前一种类型即水震波，已有很多学者做过研究，本论文主要研究后一种类型的震后水位变化。
在工作中，首先研究一井多震的情况，即不同地震在同一口井引起的水位变化。选择云南思茅井和新疆乌鲁木齐新04井作为重点研究对象。它们分别代表了震后水位上升和震后水位下降两种类型，并且在几十年的井水位观测过程中，经历了多次在其周边发生的强震事件，可为深入研究提供资料保障。通过解剖它们各自震后水位变化特征，研究水位变幅与震级、距离的定量关系，分析影响井水位变化的因素和构造应力环境。然后，以2001年昆仑山Ms 8.1级地震在川滇地区引起的水位变化为例，综合研究一震多井的水位变化特征，应用有限元数值模拟方法对震后水位变化的原因进行初步的探讨性研究。
思茅观测井位于云南省思茅城东南11km处的倚象坝子中部，自从1990年以来，共有8次6级以上地震在云南思茅井引起了明显的水位变化(8cm以上)，它们的共同特点是，无论地震在那一方位发生，无论地震力学机制如何，震后水位总是上升，并且很快达到峰值，然后缓慢下降，视上升幅值大小需要数天至数周时间才能恢复到变化前水位值。统计回归分析结果显示，震后思茅井水位上升的幅度(△h_i)与震级(M)、井震距(D)之间满足如下关系式
Lg△h_i=0.319M-0.375 LgD-0.087
当△h_i≧8cm时，可以进一步得到震级M和井震距的关系式：
M≥3.104+1.176 LgD
有一些地震满足上述关系，但并未在思茅井引起8cm以上的水位变化，其原因可能是复杂的。1993年1月27日距思茅井38公里处发生了一个Ms6.2级，此后1994～1995年的4个地震都没有引起相应的水位上升变化，意味着井水位的响应可能受当地应力状态的影响。进一步分析还发现，在云南大姚、姚安、武定一带发生的地震在思茅井引起的水位上升幅度明显偏小，可能是由于红河断裂对地震波起到了较大的衰减或者屏蔽作用所致。
新04井在乌鲁木齐市水磨沟区温泉疗养院内，北东向延伸的压扭性大断裂
—水磨沟一白杨南沟断裂正从井区通过，井点位于断层上盘。新04井震后水
位变化以先下降后上升恢复为特征。从1990年以来有7个6.5级以上的地震在
新04井引起了水位明显下降(3IInn以上)，其下降的幅度(乙h办与震级(动、井震
距(D)之间具有如下关系:
Lg dh，二0.442护2.053 Lg介3.591
当兰边兰)3mm时，J哄妻一7.045+4.645Lg刀
进一步分析结果表明，在新04井附近，从1900至2003年6月的13年半的
时间内，前后期地震活动水平存在较大差异，对应新04井的震后水位效应也有
较大的不同。在地震活动水平较低的前期有4个地震应该引起3nun以上的水位下
降而未出现，在地震活动水平较高的后期所有6个地震都引起了3Inln以上的水位
下降。这进一步说明了地震引起的井水位变化可能与井孔所在区域的地应力水平
有关。
2001年昆仑山8.1级地震是中国50年来发生的最大地震，震后引起的地下
井水位变化分布范围非常广泛。考虑到川滇地区具有密度较高的地下水位观测点
以及特殊的构造环境和较丰富的地球物理、地质构造等方面的资料，所以选择该
区域为研究靶区。通过对观测资料的系统分析，(1)再次证明了前人的一个统计
结果:远震引起的井水位变化以上升为主。在川滇地区共有21口井的水位记录
曲线图上记录到了2001年昆仑山8.1级地震引起的水位变化，其中17口井记录
到的都是上升的变化形态，占81%;(2)发现了一个新的现象:震后水位下降井
只出现在一些特殊的构造部位。这两种现象的出现不是偶然的，有其深刻的地球
动力学背景，有必要深入研究。
为了研究震后井水位普遍上升的机理，本论文在地质构造环境和水文地质条
件分析的基础上，收集了前人地质调查、深部地球物理探测及三维层析成像的成
果，以11级活动地块划分为框架，建立三维地质模型和流体一固体藕合的数学模
型，应用有限元数值模拟方法，模拟2001年昆仑山8.1级地震在川滇地区引起
的应力、应变和地下水位变化的分布规律，对震后井水位变化的机理进行初步的
分析研究。在计算中分别考虑了介质的弱化或强化以及它们与渗透系数增减4
种组合引起的水位变化。计算结果显示，岩石介质强化或弱化引起的体应变对渗
流场水头变化的影响很小，而渗透系数的微小变化则可以引起渗流场水头较大的
变化。渗透系数减小时的计算结果与实际观测资料比较吻合。
昆仑山地震后，川滇地区有4口井记录到了震后水位的下降变化，分析发现
这4口井与其它震后水位下降井(例如新疆04井)具有的共同特点是:位于11
活动地块的边界带内具有逆冲性质的断层上盘，并且多数井孔穿过了断层破碎
带。其原因可能是在这种特殊构造部位具备产生表层张性构造的条件，并且能为
地下水提供足够
Groundwater-level changes caused by earthquakes can also be called water-level variations after earthquake or post-seismic effect. They can appear at many wells in a large range as excited anomalies in response to major earthquakes. The study of post-seismic water-level variations has great theoretical and practical implications for mitigation of secondary hazards, research of crustal motion, chasing after-shocks, and tracing back to earthquake precursors. Analysis of record data show that water-level variations after earthquakes can be classified into two types in form: fast oscillational change and continuous monotonous changes. The former is of a water-earthquake wave which has been extensively studied. This thesis focuses on the second type of water-level variations after earthquakes.First, this work studies the case of one well and many earthquakes. It means water-level changes at one well caused by varied events. A well at Simao of Yunnan province and a Xin-04 well at Wulumuqi, Xinjiang are chosen as the study targets,which represent water-level rise and water-level fall after events, respectively. During observations of several decades, a lot of major earthquakes occurred around these two wells, so that there are enough record date available for the research. This word analyzes the features of water-level changes after earthquakes at these two wells, studies the quantitative relationship between the water-level change amplitude, earthquake magnitude, and epicenter distance, and discusses the possible factors affecting water-level changes and tectonic stress settings. Then this thesis makes an integrated study on the case of one earthquake and many wells, by taking the example of water-level variations in Sichuan and Yunnan, associated with the Ms8.1 Kunlun earthquake of 2001. The finite element method is used to explore the causes of water-level variations after the earthquake.The Simao observational well is located at the middle of Yixiangbazi, about 11 km southeast to the Simao town. Since 1990,obvious variations of water-level variations(more than 8cm)at this well have been recorded which are presumably associated with eight times of earthquakes greater than M6. The common characteristics of these variations are that the water-level always went up and reached the peaks quickly after earthquakes, and then fell down slowly. These features exist no matter where earthquakes occurred and of what mechanisms they are. It took several
days or weeks for the water-level to return the value before the earthquakes, dependent on the maximum amplitudes of their rise. Analysis of statistical regression yields the following relationship between the rise amplitude ( h),magnitude(M),and distance between the well and epicenter (D)for the Simao well:When h 8 cm, the relationship between M and D is further obtained:Although some earthquakes meet the above relationship, they did not cause water-level changes greater than 8cm at Siamo. The reason is probably complicated. For instance, an Ms 6.2 event occurred 38km to the Simao well on January 27 of 1993. Following this event four earthquakes in 1994-1995 did not produce rising change of water-level at the Simao well, implying that the response of well water-level might be affected by the local stress state. Further analysis indicates that earthquakes at Dayao,Yaoan, and Wuding of Yunnan caused small rising values of water-level at Simao. It is likely due to that the Honghe fault has a major attenuation or screening role on the seismic wave.The Xin-04 well is located at the yard of the shuimegou hot spring in Wulumuqi city. It is on the hangwall of the Shuimegou-Baiyangnangou fault which is trending NE and of compression with strike-slip. At this well the post-seismic water-level change is characterized by descending first and then rising recover. Since 1990,seven events of M = 6.5 produced marked water-level descending(more than 3mm) at this well. Thy meet the following relationship:When h 3mm, there is M7.045+4.645LgDFurther analysis shows that the seismicity has major differen
在工作中，首先研究一井多震的情况，即不同地震在同一口井引起的水位变化。选择云南思茅井和新疆乌鲁木齐新04井作为重点研究对象。它们分别代表了震后水位上升和震后水位下降两种类型，并且在几十年的井水位观测过程中，经历了多次在其周边发生的强震事件，可为深入研究提供资料保障。通过解剖它们各自震后水位变化特征，研究水位变幅与震级、距离的定量关系，分析影响井水位变化的因素和构造应力环境。然后，以2001年昆仑山Ms 8.1级地震在川滇地区引起的水位变化为例，综合研究一震多井的水位变化特征，应用有限元数值模拟方法对震后水位变化的原因进行初步的探讨性研究。
思茅观测井位于云南省思茅城东南11km处的倚象坝子中部，自从1990年以来，共有8次6级以上地震在云南思茅井引起了明显的水位变化(8cm以上)，它们的共同特点是，无论地震在那一方位发生，无论地震力学机制如何，震后水位总是上升，并且很快达到峰值，然后缓慢下降，视上升幅值大小需要数天至数周时间才能恢复到变化前水位值。统计回归分析结果显示，震后思茅井水位上升的幅度(△h_i)与震级(M)、井震距(D)之间满足如下关系式
Lg△h_i=0.319M-0.375 LgD-0.087
当△h_i≧8cm时，可以进一步得到震级M和井震距的关系式：
M≥3.104+1.176 LgD
有一些地震满足上述关系，但并未在思茅井引起8cm以上的水位变化，其原因可能是复杂的。1993年1月27日距思茅井38公里处发生了一个Ms6.2级，此后1994～1995年的4个地震都没有引起相应的水位上升变化，意味着井水位的响应可能受当地应力状态的影响。进一步分析还发现，在云南大姚、姚安、武定一带发生的地震在思茅井引起的水位上升幅度明显偏小，可能是由于红河断裂对地震波起到了较大的衰减或者屏蔽作用所致。
新04井在乌鲁木齐市水磨沟区温泉疗养院内，北东向延伸的压扭性大断裂
—水磨沟一白杨南沟断裂正从井区通过，井点位于断层上盘。新04井震后水
位变化以先下降后上升恢复为特征。从1990年以来有7个6.5级以上的地震在
新04井引起了水位明显下降(3IInn以上)，其下降的幅度(乙h办与震级(动、井震
距(D)之间具有如下关系:
Lg dh，二0.442护2.053 Lg介3.591
当兰边兰)3mm时，J哄妻一7.045+4.645Lg刀
进一步分析结果表明，在新04井附近，从1900至2003年6月的13年半的
时间内，前后期地震活动水平存在较大差异，对应新04井的震后水位效应也有
较大的不同。在地震活动水平较低的前期有4个地震应该引起3nun以上的水位下
降而未出现，在地震活动水平较高的后期所有6个地震都引起了3Inln以上的水位
下降。这进一步说明了地震引起的井水位变化可能与井孔所在区域的地应力水平
有关。
2001年昆仑山8.1级地震是中国50年来发生的最大地震，震后引起的地下
井水位变化分布范围非常广泛。考虑到川滇地区具有密度较高的地下水位观测点
以及特殊的构造环境和较丰富的地球物理、地质构造等方面的资料，所以选择该
区域为研究靶区。通过对观测资料的系统分析，(1)再次证明了前人的一个统计
结果:远震引起的井水位变化以上升为主。在川滇地区共有21口井的水位记录
曲线图上记录到了2001年昆仑山8.1级地震引起的水位变化，其中17口井记录
到的都是上升的变化形态，占81%;(2)发现了一个新的现象:震后水位下降井
只出现在一些特殊的构造部位。这两种现象的出现不是偶然的，有其深刻的地球
动力学背景，有必要深入研究。
为了研究震后井水位普遍上升的机理，本论文在地质构造环境和水文地质条
件分析的基础上，收集了前人地质调查、深部地球物理探测及三维层析成像的成
果，以11级活动地块划分为框架，建立三维地质模型和流体一固体藕合的数学模
型，应用有限元数值模拟方法，模拟2001年昆仑山8.1级地震在川滇地区引起
的应力、应变和地下水位变化的分布规律，对震后井水位变化的机理进行初步的
分析研究。在计算中分别考虑了介质的弱化或强化以及它们与渗透系数增减4
种组合引起的水位变化。计算结果显示，岩石介质强化或弱化引起的体应变对渗
流场水头变化的影响很小，而渗透系数的微小变化则可以引起渗流场水头较大的
变化。渗透系数减小时的计算结果与实际观测资料比较吻合。
昆仑山地震后，川滇地区有4口井记录到了震后水位的下降变化，分析发现
这4口井与其它震后水位下降井(例如新疆04井)具有的共同特点是:位于11
活动地块的边界带内具有逆冲性质的断层上盘，并且多数井孔穿过了断层破碎
带。其原因可能是在这种特殊构造部位具备产生表层张性构造的条件，并且能为
地下水提供足够
Groundwater-level changes caused by earthquakes can also be called water-level variations after earthquake or post-seismic effect. They can appear at many wells in a large range as excited anomalies in response to major earthquakes. The study of post-seismic water-level variations has great theoretical and practical implications for mitigation of secondary hazards, research of crustal motion, chasing after-shocks, and tracing back to earthquake precursors. Analysis of record data show that water-level variations after earthquakes can be classified into two types in form: fast oscillational change and continuous monotonous changes. The former is of a water-earthquake wave which has been extensively studied. This thesis focuses on the second type of water-level variations after earthquakes.First, this work studies the case of one well and many earthquakes. It means water-level changes at one well caused by varied events. A well at Simao of Yunnan province and a Xin-04 well at Wulumuqi, Xinjiang are chosen as the study targets,which represent water-level rise and water-level fall after events, respectively. During observations of several decades, a lot of major earthquakes occurred around these two wells, so that there are enough record date available for the research. This word analyzes the features of water-level changes after earthquakes at these two wells, studies the quantitative relationship between the water-level change amplitude, earthquake magnitude, and epicenter distance, and discusses the possible factors affecting water-level changes and tectonic stress settings. Then this thesis makes an integrated study on the case of one earthquake and many wells, by taking the example of water-level variations in Sichuan and Yunnan, associated with the Ms8.1 Kunlun earthquake of 2001. The finite element method is used to explore the causes of water-level variations after the earthquake.The Simao observational well is located at the middle of Yixiangbazi, about 11 km southeast to the Simao town. Since 1990,obvious variations of water-level variations(more than 8cm)at this well have been recorded which are presumably associated with eight times of earthquakes greater than M6. The common characteristics of these variations are that the water-level always went up and reached the peaks quickly after earthquakes, and then fell down slowly. These features exist no matter where earthquakes occurred and of what mechanisms they are. It took several
days or weeks for the water-level to return the value before the earthquakes, dependent on the maximum amplitudes of their rise. Analysis of statistical regression yields the following relationship between the rise amplitude ( h),magnitude(M),and distance between the well and epicenter (D)for the Simao well:When h 8 cm, the relationship between M and D is further obtained:Although some earthquakes meet the above relationship, they did not cause water-level changes greater than 8cm at Siamo. The reason is probably complicated. For instance, an Ms 6.2 event occurred 38km to the Simao well on January 27 of 1993. Following this event four earthquakes in 1994-1995 did not produce rising change of water-level at the Simao well, implying that the response of well water-level might be affected by the local stress state. Further analysis indicates that earthquakes at Dayao,Yaoan, and Wuding of Yunnan caused small rising values of water-level at Simao. It is likely due to that the Honghe fault has a major attenuation or screening role on the seismic wave.The Xin-04 well is located at the yard of the shuimegou hot spring in Wulumuqi city. It is on the hangwall of the Shuimegou-Baiyangnangou fault which is trending NE and of compression with strike-slip. At this well the post-seismic water-level change is characterized by descending first and then rising recover. Since 1990,seven events of M = 6.5 produced marked water-level descending(more than 3mm) at this well. Thy meet the following relationship:When h 3mm, there is M7.045+4.645LgDFurther analysis shows that the seismicity has major differen
引文
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