0 引言

地下水在地壳岩体的裂隙中广泛存在，具有可自由流动、对应力变化反应灵敏等特点，能够直接反映构造活动信息和深层地壳应力作用的变化情况，因此地下流体是地震预报的有效方法之一(田竹君等，1985；巩浩波，2009；兰双双，2010)。学者们对地下流体地震前兆异常进行了诸多研究，结果表明，浅部地下流体能够反映地震孕育和发生的过程，深部地下流体甚至能够影响地震孕育和发生(巩浩波，2009；兰双双，2010)。

GNSS是监测断层及其附近地壳形变的有效手段，根据形变数据可计算出断层及其附近的应力应变积累速率，可用于判断断层的活动性(江在森等，2003)。三峡水库蓄水后，仙女山断裂北端发生5次3.5级以上地震，其中2014年3月27日和30日连续发生秭归4.5级和4.7级地震，引起广泛关注。前人通过测定三峡区域的应力分布及变化规律，分析了区域地壳运动特征，这些研究对于认识三峡区域构造应力变化特征和地震相关性具有重要意义(王秋良等，2013；赵斌等，2014；王杰等，2018)。

2020年11月—2021年1月期间，秭归郭家坝地区记录到多次微小震群，平均震源深度约9.5km，震级集中在M_L 0~3.0。从地震频次来看，该地区地震活动明显变活跃。本文通过分析秭归井水位的变化，结合GNSS形变特征分析得出该地区的应力场变化，进而讨论该地区地震活跃的内在成因。

1 秭归井和研究区域构造背景 1.1 研究区构造和水文地质特征

秭归盆地位于扬子板块中北部、南大巴山褶冲带东段，北为神农架隆起，南为恩施弧形褶皱带，东与黄陵背斜相邻，区域构造特征复杂。研究表明，秭归盆地并不是单独的沉积盆地，而是四川盆地受印支运动隆升而形成向东延伸的部分(李智武，2006；李旭兵等，2008；龚志愚等，2014)。本文研究区位于秭归盆地内部(图 1(a))。

秭归井位于仙女山断裂北端，距离长江约200m，井深554.24m，该井最深处位于长江河床之下，且有侏罗系中统不透水岩层相隔，流量不受长江水位、降雨和气压等因素影响，周边出露地层以侏罗纪中-上统为主(图 1(a))。在构造上，该观测井处于近NS向秭归向斜和EW向背斜枢纽的交叉部位，岩石经历多次多方向的挤压变形，由于岩石能干性的差异较大，层间滑脱构造较为常见(王杰等，2018)。该区地下水主要为碎屑岩层间裂隙承压水，面积约为1000km²，水动力类型主要为向斜山横谷排水型(图 1(b))。

秭归台附近地层产状较为稳定，约为53°∠70°，局部地层发育有“S”型揉皱，显示出该处曾经历过强烈构造运动。台站附近岩石风化程度一般，但较为破碎，薄层粉砂岩、泥岩层内裂隙发育，透水性较好，这些裂隙及泥岩的发育有利于加速地下水的渗入及运移。

1.2 秭归井动水位变化

秭归井动水位于2018年6月出现加速下降变化，期间有小幅上升，但总体处于下降趋势，下降幅度较明显。下降过程于2020年4月中旬结束，随后转为上升，上升趋势在2020年11月终止，之后又变为下降(图 2)。

2 水化学特征分析

地下水的化学成分是在漫长的地质历史中不断与大气圈、生物圈、岩石圈等周围介质发生物质、能量、信息交换作用形成的，研究地下水的组分特征有助于分析地下水演变规律，揭示地球化学环境及地质构造活动过程(张炜，1990；胡伟伟等，2010；盛艳蕊等，2020；巩浩波等，2022)。

为揭示秭归井水的具体来源和水位变化与区域构造活动的相关性，我们采集了秭归井和附近长江水样品，送往湖北省地质实验测试中心做水质分析，结果见表 1。

Piper三线图和Na-K-Mg三角图常用来评价水-岩平衡状态和区分不同类型的水样(沈照理，1983；Giggenbach，1988；王博等，2008)。结果显示，秭归井(ZG-1)水质类型为Na-Ca-HCO₃型，长江(ZG-2)水质类型为Ca-Na-HCO₃-SO₄型(图 3)。秭归井与长江水质类型差别较大，说明井水与长江水水力联系不大。此外，秭归井(ZG-1)位于部分平衡水区域，表明该井水-岩反应较弱，主要受深部来源水影响，兼有地表水的影响；长江水(ZG-2)位于未成熟水区域，主要来自大气降雨。

3 区域GNSS应变场特征分析

主应变率场和面膨胀率场能够反映大尺度区域构造应力场状态与形变特征(Helmot et al，1984；Wang et al，2001；鲁小飞等，2020)。2018—2020年3年期的GNSS主应变率场和面膨胀率场结果(图 4)显示，鄂西地区主应变率总体上相对较小，量级小于10×10^-9/a，青峰断裂以南至仙女山断裂附近有所增强(图 4(a))；面膨胀率高值区(膨胀区)位于三峡库区周边及其南部，值得注意的是仙女山断裂北部为极高值区(图 4(b))。前人研究表明，封闭性良好的井水位受到环境干扰较小，水位的上升、下降与应力变化存在直接联系，下降代表该区域应力场处于拉张状态(黄辅琼等，2004)。秭归井水位的加速下降表明仙女山断裂北端区域整体处于拉张状态，与面膨胀率特征对应较好。

基线时间序列能够反映两站点间距离随时间的变化，其值表示某一时刻两站点距离与启测时两个站点初始距离之差，其正负值表示站点间拉张或挤压状态，能够反映断层的活动性(Milne et al，2001；Bennett et al，2007)。通过对湖北省内全部连续站点时间序列(数据截至2020年10月)分析显示，2018年期间，荆门-秭归(HBJM-HBZG)与荆门-恩施(HBJM-HBES)时间序列总体变化趋势较平稳，于2019年6月出现明显正值(拉张)，2019年底达到高值，约7mm。自2020年4月开始出现明显负值(挤压)异常变化(图 5)，最大值达6mm，至2020年10月出现正值(拉张)。2018年同期秭归水位变化较平稳，于2019年6月出现加速下降，至2020年4月转折上升，表明仙女山断裂北端区域的应力变化于2020年4月从拉张状态转为挤压状态。而水位于2020年10月从上升趋势转为下降，表明从荆门至秭归、恩施大范围的挤压状态持续至2020年10月，而小范围仙女山断裂北端同时期也处于挤压状态。

4 讨论 4.1 区域应力和井水位变化

前人研究发现，应力-应变的动态变化对井水位变化有较大影响。井水位对应力-应变动态变化的响应主要体现为，井-含水层系统应力-应变状态受到构造应力、附加应力和其他形式力的影响下发生变化，从而导致井水位变化，这种变化的前提是含水层系统贮水量未发生任何增减。其中，含水层受到的构造应力是指构造运动过程中，构造带内的应力分布变化(David et al，1941；Roeloffs，1988；Ge et al，2000；刘耀炜，2009)。

具体表现为：如果岩层被挤压，则岩层的孔隙率变小，孔隙水压增大，水流由含水层向井孔流动，从而使水位上升；相反，如果岩层被拉张，则岩层的孔隙率变大，孔隙水压变小，水流由井孔返回含水层，致使水位下降(刘耀炜，2009)。

结合秭归井水文地质、水化学和GNSS等资料，分析认为秭归井与长江水水质类型存在差异，大气降水或地表水渗入地下经历较长时间或较远路径到达观测含水层。井水与地表水的直接水力联系较小，受地表水的直接影响较弱。秭归井水位的异常动态主要受区域构造应力变化的影响，区域应力前期以拉张为主，水层的孔隙率变大，孔隙水压变小，水流从井孔流向含水层，导致水位下降。后期区域应力变为挤压状态，水流又从含水层流向井孔，水位上升。

4.2 应力变化与震群

前人研究表明，地壳在受到外力和内力共同作用下会产生弹性形变，弹性应变能积累到一定程度，超过岩层抗剪强度平衡时，即应力积累越来越高达到闭锁区域无法再积累，断裂突变失稳，岩层破裂、错动，从而导致地震发生；从另一角度来说，孕育地震的力源主要来自构造块体之间相互作用积累的弹性应变能突然释放(秦四清等，2011；李大虎，2017；袁杰等，2021)。地震一般发生在GNSS速度变化、应变场应力积累等存在显著差异的区域(Helmot，1984；Wang et al，2001；Xu et al，2002)。

上述分析提到，秭归井水位的涨落与GNSS时间序列存在较好的同步性，能够直观反映秭归区域的应力应变状态。2020年4月之前，秭归区域处于加速拉张的状态，之后水位和GNSS时间序列同时出现转折，整个区域的应力状态变为挤压，挤压状态一直持续到2020年10月，这是一个应力积累的过程。自2020年10月初开始，仙女山断裂北端秭归井附近地震活动明显增强(图 6)，震级主要集中在M_L 0~3.0(图 7(a))，地震活跃期从2020年11月至2021年1月(图 7(b))，总共发生300余次地震，之后该震群恢复到正常水平。该地区的挤压状态持续6个月，表明应力积累已经超过岩层抗剪强度，岩层发生破裂，从而导致该震群发生。

5 结论

本文对秭归井水位2018年1月—2021年2月的时间序列变化、周边水文地质、水化学分析结果、GNSS资料和仙女山断裂北端近期地震活动性等进行了综合分析，得到以下初步结论：

(1) 秭归井水化学特征表明秭归井水受地表水影响较小，井水位的快速变化主要受该区域构造应力变化的影响。

(2) 研究区GNSS时间序列与秭归井水位的涨落存在较好的同步性，GNSS应变场特征显示面膨胀率高值区位于三峡库区周边及其南部，极高值区正好位于仙女山断裂北部。分析认为，2020年4月之前研究区处于加速拉张的状态，之后区域应力状态变为挤压和应力积累状态，该状态持续到2020年10月。

(3) 仙女山断裂北端秭归井附近2020年10月—2021年1月出现的M_L 0~3.0震群与该地区持续6个月的挤压状态有关，该时段研究区应力积累超过岩层抗剪强度，致使岩层破裂而发生地震。