井水位同震响应是地震波作用于井孔含水层系统的最直接体现^[1]。同震响应能够有效揭示孔隙压和周围介质应变的变化特征，反映介质的应力-应变过程^[2]，其现象包含着一定的前兆信息，能够在一定程度上反映出地震发生及震后调整过程^[3]。目前，同震响应以井水位、水温为主要研究对象，井水位同震响应效果明显优于水温。沈平等^[1]研究了湖南省13口井水位远场大震的同震响应特征，认为井-含水层系统的固有振动周期越接近地震瑞利波的振动周期响应能力越明显；陆丽娜等^[4]分析了赵各庄井地下流体的映震响应，发现井水位同震响应异常变化与断裂带的活动性有关，而水位异常变化又会影响断裂带的活动，故认为分析远场大震引起的同震响应机理和特征对余震、外围区及井附近未来可能发生地震的地点具有一定的指示性意义。因此，加强井水位对远场大震的同震响应特征研究对于促进地震预测研究和地壳应力状态变化研究具有重要意义。

范县井位于河南省范县颜村铺乡榆林头村（35.88°N，115.56°E）。此井原为石油勘探井，1979年进行改造并投入地震观测。该井深2 267.03 m，孔口标高46.2 m，套管深度1 032.32 m，直接坐落于古生代奥陶纪灰岩地层上，采用水泥固井，止水条件好，观测层段为1 030.0～1 977.0 m，为古生代奥陶纪石灰岩岩溶裂隙承压水，裸孔观测^[5]。观测井具有裂隙发育、含水层厚度大、承压性能强、封闭性好的特点（图1）。

图  1  范县井地层图

Figure 1.  The stratigraphy of Fanxian well

范县井四周为广阔的黄河冲积平原区，古生代基岩埋深1 010 m，第四系沉积厚度大于250 m^[6]。构造上位于华北断陷区南部，NNE向兰聊断裂带中段与近EW向汶泗断裂交汇处附近，属鲁西隆起西部边缘地带。

范县井于1979年12月正式投入观测，1982年采用SW-40型水位仪进行模拟观测，2015年开始采用SWY-2型数字式水位仪进行观测，观测仪器分辨率优于1 mm，采样率1次/s，量程0～10 m，仪器运行长期稳定可靠。近几十年的观测资料表明，范县井水位可有效反映出地球固体潮、气压波动，并有良好的映震能力；水位年动态受降雨影响较小，是一口灵敏度和精度都较高的静水位观测井。

本次研究选取的静水位数据起止时间为2018—2021年，为分钟值。地震目录来源于中国地震台网目录，选取2018—2021年期间全球发生的M_S6.5及以上地震。

在统计期间内，全球共发生M_S6.5及以上地震196次，其中具有同震响应的地震次数为34次，占全部地震的17.35%（表1）。

从响应特征筛选和计算结果（表2）可知，范县井水位同震响应时间最长的是2021年3月5日克马德克群岛M_S8.1地震，震后128 min井水位开始响应；响应最短的是2021年5月22日青海玛多M_S7.4地震，响应时间仅有3 min。

在统计期间内，新几内亚附近发生具有同震响应的地震有2次，震源深度分别为30.9 km和130.9 km，相应的震后响应时间分别为15 min和24 min；秘鲁附近发生具有同震响应的地震有2次，震源深度分别100.9 km和140.9 km，相应的震后响应时间分别为39 min和44 min；阿拉斯加附近发生具有同震响应的地震有4次，发震时间分别为2018年1月23日、2020年7月22日、2020年10月20日和2021年7月29日，相应震源深度分别为10.9 km、10.9 km、39.9 km和10.9 km，相应的震后响应时间分别为19 min、18 min、25 min和18 min。由此可见，当震中距相近时，震源深度对响应时间影响明显。震源深度差相对于震中距来说，可以忽略不计。众所周知，地震波是一种弹性波，且地球内部物质均匀不一，导致地震波在不同介质传播时容易发生反射以致传播路径复杂多变。因此认为，不同震源深度的同震响应时间差主要是受地质构造不同的影响。

在统计期间内，全球共发生M_S 6.5～6.9地震135次，范县井水位有5次明显的同震响应，响应比例为3.7%；发生M_S7.0～7.9地震58次，范县井水位有26次明显的同震响应，响应比例为44.8%；发生M_S8.0及以上地震3次，范县井水位有3次明显的同震响应，响应比例为100%。由此可见，震级越大，同震响应越明显。

范县井水位对各远场大震的响应幅度表现不一。其中，2021年5月22日青海玛多M_S7.4地震响应幅度最大，震后水位响应幅度达到99 mm；2018年2月4日台湾花莲海域M_S6.6地震和2018年5月5日夏威夷群岛M_S6.8地震响应幅度最小，震后水位响应幅度均为4 mm。

据已有资料证实，水位变化幅度与震级、震中距存在一定的数学关系：

式中：Δh_i为水位变化幅度（mm）；λ₁、λ₂、λ₃为常数；D为震中距（km）；M为Ms，表示面波震级。

陆丽娜等^[4]通过对赵各庄井的研究得出以下关系：

针对范县井，根据式（1）和表（2）数据结果，对水位变化幅度、震中距和震级之间做二元回归计算分析，得到以下关系：

经过计算，所选震例中共有6例符合式（3），其他震例计算的预测震级均大于实测震级，显然范县井水位变化不受此公式严格约束。根据响应特征绘制出震中距、震级与水位变化幅度的三维关系图（图2），反映了引起井水位变化的地震分布情况。由图可2可看，出范县井水位对M_S6.5～7.5地震响应幅度最为显著，小震中距的响应幅度相比大震中距地震有明显优势。

图  2  井水位的变化幅度与震中距、震级之间的关系

Figure 2.  The correlation of water level variation to epicentral distance and earthquake magnitude

在震中距2 000 km内有3次同震响应的地震，其中非大陆型地震2次，为2018年2月4日台湾花莲海域M_S6.6地震和2021年11月10日琉球群岛地区M_S6.8地震，井水位响应幅度分别为4 mm和5 mm；大陆型地震1次，为2021年5月22日青海玛多M_S 7.4地震，井水位响应幅度高达99 mm。由此可见，对大陆型地震响应幅度明显高于非大陆型地震。

绘制震源深度、震级与水位变化幅度关系图（图3），从中可直观看出震源深度对响应幅度影响明显，对震源深度为0～30 km的远场大震响应幅度最为明显。

图  3  井水位的变化幅度与震源深度、震级之间的关系

Figure 3.  The correlation of water level variation to focal depth and earthquake magnitude

响应特征统计结果（表2）和典型水位同震响应曲线（图4）显示，范县井水位对远场大震的同震响应形态表现为脉冲型、振荡-脉冲型和振荡型3 种。图4a、4b为脉冲型，图4c、4d为振荡-脉冲型，图4e、4f为振荡型。经分析发现，对于6 000 km以内的远场大震，响应形态以脉冲型为主，并伴有少量的振荡-脉冲型；对于6 000 km及以上的远场大震，响应形态以振荡型和振荡-脉冲型为主，仅有1例2018年5月5日夏威夷群岛M_S6.8地震响应形态为脉冲型。

图  4  典型的水位同震响应曲线

Figure 4.  Typical co-seismic response curve of water level l

目前，主流认为同震响应是震后介质变形导致孔隙流体流动所致^[7-8]，当地震波到达观测井后，会导致观测井与含水层原有系统平衡被打破，观测井周围介质发生形变，从而导致孔隙压力变化，引发水流流速的改变。当孔隙压力变大，井孔外的水会向井孔内流动，井水位上升；当孔隙压力变小，井孔内的水会向井孔外流动，导致井水位下降^[9]。

同震响应比例为17.35%，另有82.65%的地震未有同震响应。原因一是本文水位研究数据为分钟值，采样率较低，导致部分地震同震响应未能有效记录下来；二是水位同震响应存在一个与震级和震中距相关的阈值（震级权重较大），只有达到该值，才能引起水位的同震响应。从表1中可以发现，范县井未发生同震响应的地震震级主要集中在M_S6.5～6.9之间，故认为未发生同震响应的地震主要是因为震级较小，地震波传至井孔周围时，地震波能量衰减严重，所剩余能量已不足以引起水位变化。

范县井埋深大，封闭性好，且含水层厚度较大。已有研究证明，这类含水层一般受降雨和浅地表水体的影响较小^[10]，且范县井的含水层导水能力强^[11]，即井—含水层振动的阻尼系数较小，意味着振动的阻力小；在地震波作用过程中，观测井与含水层水流交换时的能量损失较小，水位对地震波的响应能力更强，即响应幅度比更大。水位同震响应的幅度与观测井含水层的岩性有关，一般灰岩>变质岩>砂岩>第四系砂砾石。响应幅度还与井孔自身固有频率有关，井-含水层系统主要是对地震瑞利波产生响应，而地震波瑞利波的振动周期在20 s左右，所以井-含水层系统的固有振动周期越接近20 s，其对地震波的响应越好。

范县井对大陆型地震的响应幅度明显大于非大陆型地震，应是大陆型地震的地震波直接作用于固体地壳，地震波传至观测井周围时能量损失较小，导致井周围介质受到挤压更为明显，使得井水与含水层压差更大，从而导致响应幅度明显。非大陆型地震的地震波通过固体地壳-海水-固体地壳等不同介质能量传递转换时损耗较大，导致响应幅度较小。

对于同震响应的水位变化，近场地震以同震阶变为主^[12]，中场地震多出现缓变^[13]，而水位振荡则主要出现于远场大震^[14]。通过范县井远场大震的同震响应状态研究发现，6 000 km以内的远场大震响应形态以脉冲型为主，并伴有少量的振荡-脉冲型；6 000 km及以上的远场大震响应形态以振荡型和振荡-脉冲型为主，这与以前认为远场大震以振荡型为主不同。究其原因可能是本文所使用水位数据为分钟值，导致同震响应的完整过程没有被全部记录下来，因此在水位同震响应曲线图中表现为脉冲型或振荡-脉冲型。据现有资料表明，范县井对远场大震同震响应有多种形态，并不是一成不变的，但同时根据震中距的大小不同，其同震响应形态也有较为规律的表现形式。因此笔者认为，对于不同观测井的同震响应形态，应结合自身仪器情况、地质构造、含水层条件、介质性质、历史资料等条件进行综合分析，从而更为客观地得出观测井一定震中距范围所对应的同震响应形态规律。

本文对范县井静水位的M_S6.5及以上34个远场大震进行同震响应特征分析，并探讨了同震变化机理，同时与其他学者的研究成果进行了对比。

1）范县井同震响应能力良好，尤其是对M_S6.5～7.5地震之间的同震响应具有明显优势，且大陆型地震响应表现要优于非大陆型地震。

2）范县井对远场地震的响应形态有脉冲型、振荡型、振荡-脉冲型，并非单一形态，根据震中距范围的不同，响应形态伴有一定的表现规律，因此对观测井的响应形态研究应结合自身仪器情况、地质构造、含水层条件、介质性质、历史资料等条件进行综合研判。

3）震源深度对同震响应影响明显。从响应时间来看，在震中距相近时，震源越深，响应时间越晚，主要受地质构造不同的影响；从响应幅度来看，在震级相近时，震源越浅，响应幅度越大，对震源深度为0～30 km的远场大震响应幅度最为明显。