第３２卷　第５期　２０１１年　１Ｏ月　地震地磁观测与研究　ＳＥＩＳＭ０Ｌ０ＧＩＣＡＬ　ＡＮＤ　ＧＥ０ＭＡＧＮＥＴＩＣ　０ＢＳＥＲＶＡＴ１０Ｎ　ＡＮＤ　ＲＥＳＥＡＲＣＨ　Ｖｏ１．３２　ＮＯ．５　０ｃｔ．　２０１１　

ｄｏｉ：１０．３９６９／Ｊ．ｉｓｓｎ．１００３—３２４６．２０１　１．０５．００７　

大华北地区应力场在汶川地震时的变化研究　

杨从杰　田　韬　孟　科　肖　飞　

（中国南京２１００１４江苏省地震局）　

摘要利用大华北地区在汶Ｊｉｆ　８级地震时有水位阶变的３１口井孔的观测资料，通过计算各井水　位系统的观测格值，进而估算了震时引起大华北地区应力场的调整变化。研究发现汶川地震后大　华北中部地区的压应力得到增强，大华北东部和南部地区则表现为应力降低，对未来大华北地区　的地震危险性预测应具有一定参考价值。　

关键词汶川地震；水位阶变；应力场　

０　引言　

地壳应力场的特征，特别是其大小和方向，是判定活动构造和进行地震危险性预测的重要　

因素，一般可以通过地质观察、地壳形变测量、地震震源机制解及实地地应力测量等途径来获　

取。实际上，利用震时水井水位阶变和水井水位的体应变固体潮效应也是研究震时应力场变　化的一种有效途径。我们知道，承压含水层内水井水位的变化可以反映含水层孔隙压的变化，　

而含水层孔隙压的变化与含水层所受应力状态有密切关系。地壳内的应力变化有时可影响到　含水层所受应力状态的变化，从而导致含水层内水井水位发生相应变化。水井水位与应力场　

的这种变化关系，为通过震时水井水位变化来获取应力场变化奠定了物理基础。　地下水位的同震效应历来是地震地下流体学科的研究热点（付虹，２００２；郑江蓉，２００５；邱永　平，２００９），但前人研究多偏重水位同震效应特征及机理分析，较少将地下水位的变化同水井含水　

层的应力应变联系起来。我国学者张昭栋（１９８７，１９８８，１９９０）在利用井水位震时阶变研究应力场　

变化方面做出许多基础性、开创性工作，提出利用水井水位的固体潮效应来反演含水层应力场震　

时变化的方法，并利用该方法研究不同板块之间地震与水井水位的响应关系，分析应力场的震时　变化特征。本研究将对该方法进行拓展，研究同一板块不属同一构造块体的地震与水井水位变　

化的响应关系，分析应力场震时变化特征，并对应力场变化特征进行探索性讨论。　

１　资料　

２００８年５月１２日在汶川地区发生Ｍ。８．０特大地震。此次地震引起许多水井水位发生　

振荡，仅大华北地区就有３１口井孔的水位出现同震阶变，水位阶变的幅度在几毫米到上百厘　

米，其中左家庄井水位阶变幅度最大达，１９５　ｃｍ。表１给出有水位阶变的３１口井孔资料概况。　

作者简介：杨从杰（１９７７），女，副研究员，主要从事地震监测及地下流体等研究工作　基金项目：江苏省地震局青年基金项目，大华北地区应力场在汶ＪｉＩ　８级地震时的调整变化研究，编号：２００８０４　

本文收到日期：２０１１－０４—１９　第５期　杨从杰等：大华北地区应力场在汶川地震时的变化研究　３５　

此次汶川地震的震级较大，引起多数井孔水位的剧烈反应，阶变幅度普遍较大，井水位的　

同震响应特征多种多样，有陡降型、陡升型、缓降型、缓升型，有阶变之后可恢复的，有阶变同时　

伴有水震波的，有单纯阶变型等类型，这与各井孔所在含水层的水文地质条件有很大关系。总　

之，在有水位阶变的３１口井孔中，２０口井孔水位是上升型的水位阶变，有１１口井孔水位是下　降型的水位阶变。典型的水位阶变图形见图１，图１中４条曲线分别为４个台站水位在２００８　

年５月１２日的分钟值曲线。　

图１典型的水位阶变图形　（ａ）祁县上升型水位阶变；（ｂ）孝义上升型水位阶变；（ｃ）皖１４井下降型水位阶变；（ｄ）左家庄下降型水位阶变　Ｆｉｇ．１　Ｐｉｃｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｃｏ—ｓｅｉｓｍｉｃ　ｓｔｅｐ　ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ　ｌｅｖｅｌ

　地震地磁观测与研究　３２卷　

２计算方法　

刘序俨（２００９）基于弹性力学与流体静力学原理，对承压含水层弹性孑Ｌ隙介质在作用力激　

励下做出的体应变响应的力学机制，进行较清晰深入的阐述与理论推导，得到井水位系统的动　

力学方程。该方程表明，井水位系统为一个零阶的放大环节，其传递函数为一常数，从而给出　在含水层孔隙度分别等于０和等于１情况下的井水位系统所允许的理论格值范围。作者推导　

出的井水位观测系统的理论格值为　

一了１一　０＝Ｐｇ＝ｐｇ（　＋彘）一了一一，　Ｉ　十　Ｊ　

上式中，ｈ与口分别为相对于某一时刻的井水位与体应变的相对变化量，Ｂ　与Ｂ　分别为岩体　

与流体的体积模量，ｎ为含水层的孔隙度，ｐ为流体密度，ｇ为重力加速度。　虽然可以通过野外地质勘探或钻井地质剖面资料确定井孑Ｌ所在地的岩性，以获知其体积　

模量，但无法获知含水层的孔隙度，也就无法由上式求出该点井水位系统的理论格值，以取代　

观测格值。鉴于井水位系统为一个天然体应变计，其维尼迪柯夫调和分析所得到的振幅比（或　

潮汐因子）即为该水井的传递函数（灵敏度）。由于半日波为水位观测资料的主项，而Ｍ２波为　半日波主项。因此，以Ｍ２波灵敏度的倒数作为该井水位系统的格值较为可取。　

Ｎａｒａｓｉｍｈａｎ曾推证，固体潮造成的平均主应力变化与体应变有如下关系　

一是・　这里，忌是含水层体积模量的估计值。对于深部封闭含水层系统来说，一般取５０　ＧＰａ。　

基于以上理论方法，利用维尼迪柯夫调和分析方法，获取各观测井孔水位系统的格值，进　

而估算水井水位阶变时对应的应力变化。　

３　结果分析　

计算得到的各井孔所在地对应的含水层应力趋势变化数值见表２。表２中正值表示应力　

增大，负值表示应力降低。由表２可知，大华北地区各井孔震后的应力变化差异较大，个别井　

孔的应力变化比其他井孔大１～２个数量级，且多数井孑Ｌ表现为应力增大，约１／３的井孔表现　为应力降低，应力降低的区域主要是大华北东部沿海和大华北南部地区，而大华北中部地区表　

现为明显的应力增大，也就是说，大华北中部地区是汶川地震后压应力增强区域。郭良迁　（１９９９）指出，较大地震都发生在压缩区内，从而揭示出压缩区是地震能量的积累区。压缩区远　

多于地震发生区，是因为同一个大区域中可以存在多个应力集中点（马宗晋，１９８０），压缩区正　

是应力集中多点场的表露。如：江苏句容苏１６井所在地在汶川地震后是应力增强，２００８年７　

月６日江苏句容ＭＬ　３．６地震印证该点。　

表２汶川地震后各井孔含水层的应力变化量　Ｔａｂｌｅ　２　Ｓｔｒｅｓｓ　ｖａｒｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗｅｌｌｓ　ａｑｕｉｆｅｒ　ａｆｔｅｒ　Ｗｅｎｃｈｕａｎ　ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ　序号　井名　应力变化／Ｐａ　序号　井名　应力变化／Ｐａ　１　皖１４井　一ｌ１　４１７　１７　鞍山　７８５　２　皖２３井　１０　０９５　１８　丹东变电　９９　２１２　３　沙河台　１　１７４　１９　邮岩１号井　１１８　４　杨村台　２　８６７　２Ｏ　鲁２７井　５０５　５　左家庄　一１７　２０１　２１　鲁Ｏ４井　

２　３０７　第５期　杨从杰等：大华北地区应力场在汶川地震时的变化研究　３７　

续表２　序号　井名　应力变化／Ｐａ　序号　井名　应力变化／Ｐａ　６　焦作Ｏ９井　３　５１４　２２　介休　１３７　９１１　７　黑河　６　９８４　２３　祁县　２６　１４２　８　桃源　一４６７　２４　夏县　９　０２７　９　张家界　一５　９２５　２５　孝义　２０　３５６　１Ｏ　抚松　一２　００２　２６　泾阳　３３　７５４　１１　苏１Ｏ井　一３　８０８　ｚ７　洛南　１６　５４６　１２　苏１６井　２１　８４８　２８　７胃南双王４８　６０１　１３　苏１８井　２８　９９５　２９　上海大学　一６３３　１４　苏１９井　一２　１５８　３Ｏ　余山　一２６１　１５　苏２１井　一６　４９８　３１　杨家埠　５　１６６　１６　赣州　一１　１２９　

４结论　

（１）汶川地震引起我国大华北地区震时应立场的调整变化表明，汶川地震后大华北中部地　区的压应力得到增强，大华北东部和南部地区则表现为应力降低，对未来大华北地区的地震危　险性预测具有一定参考价值。　（２）在现今能定量反演震时区域应力场调整变化方法不多的情况下，再次证明，利用震时　

水井水位阶变，反演震时区域应力场的调整变化是一种简单易行的方法。　

本研究得到中国地震台网中心刘春国副研究员的指导和帮助，在此深表感谢。　

参考文献　付虹，等．地方震及近震地下水同震震后效应研究ＬＪ］．地震，２００２，２２（４）：５５—６６．　郭良迁．华北近年水平形变与地震关系的研究ＥＪ］．东北地震研究，１９９９，１５（４）：５０—５４．　刘序俨，郑小菁，王林，等．承压井水位观测系统对体应变的响应机制分析口］．地球物理学报，２００９，５２（１２）：３　１４７—３　１５７．　马宗晋．华北地区的多（应力集中）点场与地震ＥＪ］．地震地质，１９８０，１（２）．　邱永平，杨钢宇．浙江地下流体在汶川８．０级地震中的映震效应研究［Ｊ］．地震地磁观测与研究，２００９，３Ｏ（５）：１０７—１１２．　张昭栋，张广城．利用水位阶变资料反演震时应力的调整变化［Ｊ］．地震研究，１９８７，１０（６）：６９３—７０１．　张昭栋，郑金涵，冯初刚．日本秋田地震引起我国应力场的震时调整变化ＥＪ］．地震学报，１９９０，１２（１）：６０—６９．　张昭栋，郑金涵，冯初刚．一种估算地震引起应力场调整的新方法ＥＪ］．地震，１９８８，（３）：１—６．　郑江蓉，徐桂明，李鸿宇，等．２００４年１２月２６日印尼８．７级强震后江苏地区同震效应分析［Ｊ］．防灾减灾工程学报，２００５　２５（１）：１０５—１１３．　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｓｔｒｅｓｓ　ｆｉｅｌｄ　ｖａｒｉａｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｎｏｒｔｈ　Ｃｈｉｎａ　ａｒｅａ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　Ｗｅｎ－　

ｃｈｕａｎ　ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ　

Ｙａｎｇ　Ｃｏｎｇｊｉｅ，Ｔｉａｎ　Ｔａｏ，Ｍｅｎｇ　Ｋｅ　ａｎｄ　Ｘｉａｏ　Ｆｅｉ　

（Ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ　Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１００１４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎａｌ　ｄａｔａ　ｏｆ　ＣＯ—ｓｅｉｓｍｉｃ　ｓｔｅｐ　ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ　１ｅｖｅ１　ａｔ　３　１　ｗｅｌｌｓ　ａｔ　ｔｈｅ　ｔｉｍｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｗｅｎｃｈｕａｎ　ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ，ｔｈｅ　ａｄｊ　ｕｓｔｍｅｎｔ　ｖａｒｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＣＯ—ｓｅｉｓｍｉｃ　ｓｔｒｅｓｓ　ｆｉｅｌｄ　ｉｎ　Ｎｏｒｔｈ　Ｃｈｉｎａ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎａｌ　ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ　ｖａｌｕｅ　ｏｆ　ｗｅｌ１　ｗａｔｅｒ　ｌｅｖｅｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｉｎ　Ｍｉｄｄｌｅ　Ｃｈｉｎａ　ｉＳ　ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｉｎ　Ｅａｓｔ　Ｃｈｉｎａ　ａｎｄ　Ｓｏｕｔｈ　Ｃｈｉｎａ　ｉＳ　ｄｅｃｒｅａｓｅｄ，ａｌ１　ｔｈｅｓｅ　ｗｉｌｌ　ｈａｖｅ　ｓｏｍｅ　ｒｅｆｅｒｅｎｔｉａｌ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ　ｆｏｒ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇ　ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ　ｉｎ　Ｎ　ｏｒｔｈ　Ｃｈｉｎａ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｗｅｎｃｈｕａｎ　ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ，ｔｈｅ　ｓｔｅｐ　ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ　ｌｅｖｅｌ，ｓｔｒｅｓｓ　ｆｉｅｌ

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