0 引言

水温同震变化是地震波作用于井-含水层系统的直接体现之一，研究水温同震响应对于理解孕震和发震过程中的应力-应变状态十分重要。自Shimamura等(1981)首次报道水温同震现象后，许多国内外学者对水温同震响应开展了特征和机理方面的研究(陈大庆等，2007；黄辅琼等；2000；孙小龙等，2008；张彬等，2013；He et al，2020；Wang et al，2012)。同震响应研究不仅有助于深入认识地壳应力的动态变化过程和规律，对于捕捉地震前兆异常、判定地震趋势及减轻次生灾害等也同样具有理论和现实意义(苏鹤军等，2020；杨竹转等，2005)。

据中国地震台网测定，2022年9月5日12时52分四川泸定县(29.59°N，102.08°E)发生M_S6.8地震，该地震属于鲜水河断裂上的一次左旋走滑型地震。中国大陆多处流体观测点记录到了此次地震引起的水温同震响应现象。本文选取在此次大震中记录到同震、震后效应的水温观测点资料，对其同震响应特征进行分析讨论。

1 全国水温台网概况

中国自1979年开始高精度水温前兆观测探索研究，并于1984年在云南建立了第一个水温前兆台网(付子忠，1990)。经过近40年的专业化和规范化发展，我国水温观测台站数量逐年增多，已发展成为世界上规模最大、地震监测能力最好的现代化地震地下流体观测网之一(车用太等，2017)。据刘春国等(2022)统计，纳入国家地下流体台网数据库和市县数据库管理的水温观测点(包括井和泉)分别为368个和177个，包含水温测项453项和235项，主要分布在华北、东北、东南沿海、南北地震带和天山地震带中段，总体呈现东密西疏的特点。观测仪器主要为SZW-1、SZW-1A、SZW-1AV2004、SZW-2、ZKGD3000等系列数字化水温仪，量程为0~100℃，采样率为1次/min，观测精度小于等于0.05℃，分辨力小于等于0.0001℃(陶志刚等，2022)。

2 水温同震响应特征分析

2022年9月5日四川泸定M_S6.8地震发生时，在全国545个观测点共计688项水温测项(部分观测点有不同深度的水温观测)中，记录到水温同震变化的观测点共29个，包含不同深度的水温观测32项，分别约占总观测点和总水温观测数量的5.3%和4.7%。这些观测点主要分布在四川、云南地区，其余零星分布在重庆、湖北、广西、湖南、海南、山西等地，基本信息见 表 1。

由于水温传感器不能快速响应井(泉)水温度变化，水温同震变化形态往往只有上升型和下降型两种(杨竹转，2011)。考虑到泸定M_S6.8地震发生后多数水温观测曲线已恢复到同震前的变化趋势(截至2022年9月10日)，为便于后续分析，将全国32项水温测项记录到的同震响应类型按照震后一段时间是否恢复至震前水平划分为上升型、下降型、上升—恢复型和下降—恢复型四类(表 1)。其中，上升型11项，约占同震总项数的34.4%；下降型3项，约占同震总项数的9.4%；上升—恢复型5项，约占同震总项数的15.6%；下降—恢复型13项，约占同震总项数的40.6%，同震响应类型以下降—恢复型和上升型为主。部分水温同震响应曲线如 图 1所示，其中，图 1(a)、1(b)、1(c)为上升型，图 1(d)、1(e)、1(f)为上升—恢复型，图 1(g)、1(h)、1(i)为下降型，图 1(j)、1(k)、1(l)为下降—恢复型。

2.1 同震空间分布特征

2022年9月5日四川泸定M_S6.8地震的水温同震响应范围为22~1442km，距震中最近的观测点为四川石棉川02井，最远的为山西朔州井(表 1)。按震中距划分，震中距Δ≤100km范围内水温观测6项，记录同震3项，占比为50%；100＜Δ≤200km范围内水温观测20项，记录同震7项，占比为35%；200＜Δ≤300km范围内水温观测22项，记录同震4项，占比约为18%；300＜Δ≤400km范围内水温观测26项，记录同震4项，占比约为15%；400＜Δ≤500km范围内水温观测23项，记录同震4项，占比约为17%；500＜Δ≤1000km范围内水温观测132项，记录同震4项，占比约为3%；Δ＞1000km范围外水温观测459项，记录同震6项，占比约为1%(表 2)。水温同震观测点主要集中在震中距Δ≤500km范围内，整体表现为水温同震项数及测项比随震中距的增加逐渐减少。

受地形和构造条件影响，震中距Δ≤500km范围内水温观测点分布不均，主要集中在龙门山断裂带、华蓥山断裂及川滇菱形块体中南部。震中距Δ≤500km范围内的水温同震分布与观测点分布大致相同，上升型、下降型和下降—恢复型主要集中在震中南部的川滇菱形块体中南部，上升—恢复型分布在震中东北部的龙门山断裂带。整体上，不同响应类型的观测点在空间分布上无明显的四象限分布特征(图 2)。

2.2 同震响应幅度特征

四川泸定M_S6.8地震的水温同震响应幅度范围为0.0005~0.894℃，变幅最小的观测点为广西桂平井，最大的为四川石棉川02井(表 1)。利用曲线拟合得到水温同震响应幅度(T)与震中距(D)和地震能量密度(E)之间的关系如 图 3所示，泸定M_S6.8地震的水温同震响应幅度与震中距、地震能量密度相关性显著，相关系数R分别为0.93和0.94。不同的是，水温同震响应幅度随震中距的增加呈指数型衰减，在距震中约364km处衰减至接近中位数0.0104℃水平(图 3(a))；而其随地震能量密度的增加呈指数型增大，当地震能量密度大于10^-1 J/m³时，水温同震响应幅度显著增大(图 3(b))。

2.3 同震响应时间特征

截至2022年9月10日，四川泸定M_S6.8地震的水温同震响应持续时间范围为13~2353min，持续时间最短的观测点为四川会理川31井，最长的为四川盐源井(表 1)。按照响应持续时间划分，持续时间在0~60min范围内11项，占比约34.4%；1~24h范围内17项，占比约53.1%；1天以上4项，占比约12.5%，水温同震响应持续时间主要集中在1天以内，占比约87.5%(图 4(a))。持续时间(t)与震中距(D)的拟合结果显示(图 4(b))，泸定M_S6.8地震的水温同震响应持续时间与震中距呈显著的指数相关，相关系数(R)为0.90，响应持续时间随震中距的增加而快速减小，在距震中约226km处衰减至接近中位数97min。

3 讨论与结论

强震的发生会促使区域构造应力更加集中，当积累的应力超过断裂破裂强度时会触发下次地震的发生(潘家伟等，2022)。地震学者通过研究流体同震变化特征与未来地震的关系发现，流体上升或下降变化的空间集中区可能与未来地震的震中有关(陈大庆等，2007；付虹等，2002；廖丽霞等，2009；刘耀炜等，2009；苏鹤军等，2020)。因此，研究同震形态的空间分布特征及响应机理对未来地震发生地点的预测具有一定的参考意义。

基于Okada(1992)有限矩形源模型计算泸定M_S6.8地震的同震静态应变场，结果显示，泸定M_S6.8地震引起的水温同震响应与同震破裂体应变四象限分布较为吻合，表现为水温同震上升和上升—恢复响应基本处于同震体应变压缩的区域，同震下降和下降—恢复响应多分布在同震体应变膨胀的区域。此外，同震体应变压缩的区域同样分布有一定数量的水温同震下降—恢复响应(图 5)。反观水位资料，泸定M_S6.8地震引起的水位同震响应与同震破裂体应变的四象限分布不太吻合，但大多数水位同震上升响应分布在同震体应变压缩的区域，侧面印证了水温同震上升所在区域挤压作用明显。在同震应变场不同区域还存在一定数量与区域应变状态相反的水位同震响应，即同震体应变压缩的区域井水位下降，同震体应变膨胀的区域井水位上升(图 5)。造成这种不同同震现象的原因和机理较为复杂，尤其是水温同震响应。从当前的研究成果来看，水温同震变化与水的作用密切相关，不仅仅是简单地由水位同震变化引起，还与水流特征、含水层特征、井孔结构以及温度梯度等水-热动力学因素有关(车用太等，2014)。

目前，基于水-热动力学过程较为成熟的水温同震响应机理解释分为3种：①水位同震振荡时，温度较高的高分子动能的水与温度较低的低分子动能的水互相弥散，在一定条件下形成同震水温升高或降低现象(石耀霖等，2007)；②井水位在地震波作用下发生上、下振荡，促使井孔内不同温度的水发生热对流，在正水温梯度下，温度传感器放置在井孔下半部时会记录到水温下降，放置在井孔上半部时则会记录到水温上升；在负水温梯度下，则相反(车用太等，2014)；③应力作用下含水层参数发生改变，含水层中固体骨架吸附的气体和热水中溶解的气体随着水位振荡加速向外逃逸，在这个过程中携带了大量热量从而造成水温的下降(鱼金子等，1997)。以上水温同震机理往往局限于理想状态下简单的井-含水层水文地质模型，但考虑到不同井孔所处水文地质条件不同，同一力学作用下各含水层对井水温度或热变化的贡献不同，再加上温度传感器放置深度不同，水温同震响应现象可能是不同机理共同作用的结果(车用太等，2014)。

结合前人提出的多种不同水温同震响应机理，分析认为本次水温同震现象可能与含水层系统在地震波的作用下原有的水-热动力学动态平衡被打破有关。相关研究表明，当地震能量密度大于10^-4J/m³的阈值时，地震波能够引起含水层渗透性发生变化(Sun et al，2021；Wang et al，2010)。泸定M_S6.8地震在距震中距Δ≤500km处的地震能量密度达到2.9×10^-3J/m³，接近阈值的30倍，可以引起含水层渗透性发生显著变化。如含水裂隙出现弹-塑性的张开和闭合，或含水裂隙被冲开或被堵塞，甚至造成新的裂隙，从而形成流体在含水层中水平和垂向的运移(刘耀炜，2009)。由于地温梯度的存在，流体的流动引起热对流和传导，进而表现为温度的变化。震后一段时间，一部分井的水温会随含水层渗透性的恢复逐渐恢复至震前水平；而另一部分井可能由于不同温度的含水层在应力的强烈作用下产生了永久性的水力连通，导致较高温度的含水层持续补给井孔所在的低温含水层，或者较低温度的含水层持续补给井孔所在的高温含水层，从而表现出井孔内水温上升或下降后无法恢复至震前水平(Ma，2016)。因此，结合挤压区内水位同震上升响应密集分布的特点，认为水温同震上升或下降—恢复响应可能也是应力相对集中的一种体现，这些观测点所在的川滇菱形块体中南部以及龙门山断裂带可能是未来地震发生的优势地点。

通过对泸定M_S6.8地震水温同震响应特征分析，得出以下结论：

(1) 泸定M_S6.8地震引起的水温同震观测点主要集中在震中距Δ≤500km范围内，同震项数及测项比随震中距的增加逐渐减少，同震响应分布主要集中在龙门山断裂带和川滇菱形块体中南部，以下降—恢复型和上升型为主。

(2) 水温同震响应幅度与震中距和地震能量密度相关性显著，水温同震响应幅度随震中距的增加呈指数型衰减，而其随地震能量密度的增加呈指数型增大。

(3) 水温同震响应持续时间主要集中在1天以内，其与震中距呈显著的指数相关，随震中距的增加而快速减小。