隴06井水位動態(tài)特征及影響因素分析

張飛麗 張遠富 苗在鵬 張旭燕

1）中國甘肅 730000 蘭州地球物理野外科學觀測研究站

2）中國甘肅 744000 甘肅省地震局平?jīng)龅卣鸨O(jiān)測中心站

0 引言

我國地震地下流體觀測經(jīng)過多年的發(fā)展，已建立比較完善的地震水動態(tài)觀測網(wǎng)，其中大部分觀測井具有承壓性，能清晰記錄固體潮汐現(xiàn)象。這些觀測資料不僅可以用來研究地下水的動力學特征，也可以用來研究地殼的微形變動態(tài)特征（唐九安等，2012）。不少學者利用相關(guān)資料開展了大量研究工作，包括水位動態(tài)變化與地震活動的關(guān)系，水位、潮汐、水溫和水化學成分變化與地震短臨異常的關(guān)系等（陸明勇等，2005；車用太等，2006；馮瓊花等，2020；蘇鶴軍等，2020）。大量震例表明，地震前可以觀測到井水位異常變化。因此，井水位觀測一直被看作是用于地震預測、預報的有效手段之一（付虹等，2014）。但是影響水位觀測的因素較多，如高頻干擾、地下水開采、儀器故障、降雨、人為干擾、同震、氣壓等（王建國等，2007；穆慧敏等，2013；楊斐等，2013），在資料使用前需要剔除干擾。井水位動態(tài)觀測結(jié)果展示了較寬的頻帶，呈現(xiàn)出復雜的多譜結(jié)構(gòu)，具有多年、單年、多日和單日周期。通過對高質(zhì)量水位數(shù)據(jù)的動態(tài)特征分析，可以了解孕震過程中介質(zhì)變化特征（鞏浩波等，2014）。

平?jīng)龅靥庂R蘭褶帶的南段與隴西系六盤山旋回褶帶的復合部位，地質(zhì)構(gòu)造復雜，屬南北地震帶北段、鄂爾多斯塊體的西南緣（繆淑君等，2017）。隴06 井是平?jīng)龅貐^(qū)重要的水位觀測井，觀測資料連續(xù)可靠，井水位潮汐響應靈敏，對中強地震有一定指示意義，具有一定的應用與研究價值（唐九安等，1993）。多年來，該井的觀測儀器及環(huán)境均發(fā)生了較大變化。因此，有必要對該井近期觀測資料的動態(tài)特征及內(nèi)在質(zhì)量進行分析和評估。

1 觀測井概況

隴06 井位于甘肅省平?jīng)鍪徐o寧縣威戎鎮(zhèn)新勝村（圖1）。觀測井周圍地質(zhì)構(gòu)造較發(fā)育，主要分布海原斷裂、六盤山斷裂、羅山—云霧山斷裂、會寧—義崗斷裂，地形為河谷川地，距六盤山斷裂最近，約40 km。井水為志留系砂巖裂隙承壓水。上覆地層為不良透水性的第三系砂質(zhì)泥巖，厚度為33 m。該井于1983 年建成，井深400 m，井孔平均直徑109 mm，井段0—54 m 孔徑為130 mm，55—314 m 孔徑為110 mm，315—400 m 孔徑為90 mm。1985—2011 年，觀測儀器為SW40-1 型水位儀，沉放深度15 m。2011 年6 月更換為LN-3A 型數(shù)字水位儀，沉放深度13 m，并增設(shè)SZW-1A 型數(shù)字式溫度計，沉放深度170 m。2013 年9月新增SWY-Ⅱ型水位儀和SZW-Ⅱ型水溫儀各1 套，其沉放深度分別為16 m 和120 m，進行不同深度的對比觀測。2018 年4 月安裝RTP-Ⅱ型氣溫氣壓雨量綜合觀測儀，進行氣象三要素輔助觀測。

圖1 隴06 井位置Fig.1 The geographical sketch map of Long No.06 well

2 水位動態(tài)特征分析

2.1 變化形態(tài)特征

隴06 井數(shù)字化水位觀測始于2011 年6 月。選取2012 年以來該井水位觀測資料進行日均值分析，并與同期降水量變化進行對比，并將2012—2020 年水位變化進行周期對比，結(jié)果見圖2。圖2（a）給出該井水位2012—2020 年日均值曲線，可以看出9 年的數(shù)據(jù)曲線形態(tài)變化趨勢總體可分為2 個階段：①第1 階段：2012—2017 年，曲線整體呈下降趨勢，水位從9.383 m 下降至10.445 m，年均降低0.177 m；②第2 階段：2017—2020 年，曲線整體呈現(xiàn)轉(zhuǎn)折上升的趨勢，水位從10.445 m 上升至9.426 m，年均上升0.255 m。值得關(guān)注的是，2013 年7 月8 日—17 日數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)階躍式上升變化，變化幅度0.53 m，7 月22 日在甘肅岷縣、漳縣交界發(fā)生MS6.6 地震，震中距217 km。2017 年7 月21 日數(shù)據(jù)曲線開始轉(zhuǎn)折上升，8 月8 日在九寨溝發(fā)生MS7.0 地震，震中距278 km。由此可見，該井水位資料對中強地震有一定指示意義。九寨溝MS7.0 地震發(fā)生后，隴06 井水位停止下降，開始轉(zhuǎn)折上升，目前仍在持續(xù)上升。對比該區(qū)多年降雨曲線可知，補給水引起該變化的可能性不大，應為地下應力狀態(tài)改變引起含水層變化所致。從這個角度來看，該井對地球內(nèi)部應力變化比較敏感，是較為理想的地球物理觀測井，觀測資料可信度較高。從該井多年水位日均值曲線變化形態(tài)來看，水位存在規(guī)則的年變形態(tài)，即夏高冬低。

2.2 年動態(tài)分析

隴06 井水位觀測資料存在規(guī)則的年變化形態(tài)。通過對近6 年的觀測資料進行同期對比分析，年動態(tài)曲線為日均值曲線，并被消除趨勢變化，對比結(jié)果如圖2（b）所示，不難看出，該井水位資料年變規(guī)律顯著，其動態(tài)特征表現(xiàn)為夏高冬低，每年5 月中旬至9 月下旬處于高值波動，其余時段處于低值波動，年變幅約0.6 m，其中低值多出現(xiàn)在2、3 月，高值多出現(xiàn)在7、8、9 月。波峰時段變化幅度較大且每年不盡相同。波谷時段變化幅度相對較小且每年基本趨于一致。說明該井水位資料受季節(jié)性氣候變化影響較明顯，在夏季汛期補給水充沛時水位測值升高，冬季補給水相對少時測值也趨于平穩(wěn)。

圖2 隴06 井水位日均值曲線動態(tài)(a)原始數(shù)據(jù)曲線；(b)6 年同期對比Fig.2 The dynamic curve of the daily mean of Long No.06 well water level

2.3 月動態(tài)分析

水位月動態(tài)分析采用小時值，主要分析1 個月時間尺度上水位測值的變化規(guī)律。為突顯水位測值的正常月動態(tài)變化，需要剔除無規(guī)律的起伏、階變、脈沖等干擾。根據(jù)上述年動態(tài)分析結(jié)果，選擇井水位測值變化相對平穩(wěn)的月份作為研究對象。選擇2020 年1 月隴06井水位觀測數(shù)據(jù)進行分析，如圖3 所示，可以看出，水位隨日、月潮汐引力的變化明顯，水位測值和固體潮理論值相位基本一致。隴06 井水位對地殼應力應變的響應具有較高的靈敏度。從整月水位數(shù)據(jù)曲線形態(tài)來看，水位測值整體變化比較平穩(wěn)，存在相對整齊的日變周期和半月周期。固體潮月變幅相對較小，基本由日變幅所決定，朔望前后固體潮日變化幅度約0.15 m。

圖3 隴06 井水位與固體潮理論值曲線對比(a)水位小時值曲線；(b)固體潮理論值曲線Fig.3 Comparison between water level and theoretical value of solid tide in Long No.06 well

2.4 日動態(tài)分析

在月動態(tài)分析的基礎(chǔ)上認識到水位測值固體潮效應顯著，存在明顯的日變化特征且在朔望前后潮汐起伏較大。因此，在做日動態(tài)分析時，截取朔望前后的分鐘值數(shù)據(jù)進行分析。如圖4（a）—（b）所示，不難看出，在望（農(nóng)歷十五）時段潮汐起伏最為顯著，可達0.162 m；在朔（農(nóng)歷二十一）時段潮汐起伏較小，僅為0.045 m。將該時段數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換（FFT）得到的頻譜分析結(jié)果如圖4（c）—（d）所示，朔、望時段均存在12 h 和24 h 的顯著周期成分，望前后的顯著周期成分振幅更大。隴06 井水位日動態(tài)曲線具有明顯的半日波和全日波。該變化特征是識別短臨異常的可靠動態(tài)背景。

圖4 隴06 井水位分鐘值及頻譜分析曲線(a)望時段原始曲線；(b)朔時段原始曲線；(c)望時段頻譜；(d)朔時段頻譜Fig.4 Water level minute value and frequency spectrum analysis curve of Long No.06 well

3 影響因素分析

水位觀測作為一種地球物理常規(guī)測項，目的在于捕捉淺層地殼流體異常信息。觀測資料除了包含地球物理信息外，還含有如固體潮、同震、氣壓、抽水、降雨、河流以及人為等干擾。因此，在進行異常分析時，有必要及時準確地剔除非震異常信息。

3.1 固體潮

地下水觀測井深度一般在幾十到幾百米，最深幾千米，均屬于地球表層，因此地球表層的應力分布必然會影響井水位變化。潮汐應力的大小隨地球與天體之間的相對位置變化而變化。當潮汐引力增大時，含水巖層發(fā)生體膨脹，含水層的孔隙水壓降低，井水位下降；當潮汐引力變小時，含水巖層發(fā)生體壓縮，含水層的孔隙水壓升高，井水位上升。隴06井水位固體潮效應已經(jīng)體現(xiàn)在日、月動態(tài)數(shù)據(jù)資料中。實際上，根據(jù)太陽和月球與地球的相對位置關(guān)系，不難解釋隴06 井水位存在朔望前后潮汐日變差異的現(xiàn)象，也不難解釋觀測值曲線存在顯著的全日波、半日波、半月波等周期成分的現(xiàn)象。據(jù)2012—2020 年隴06 井水位計算，所得資料潮汐因子均值為2.5 左右，變化相對穩(wěn)定，表明該井水位存在明顯的固體潮效應。

3.2 同震效應

2013 年7 月22 日7 時45 分在甘肅岷縣、章縣交界發(fā)生MS6.6 地震，震中距217 km。隴06 井水位于8:06—8:26 出現(xiàn)同步式階躍下降，如圖5（a）所示，持續(xù)時間20 min，下降幅度0.049 m。2017 年8 月8 日21 時19 分在四川阿壩州九寨溝縣發(fā)生MS7.0 地震，震中距278 km。該井水位于21:21—21:56 出現(xiàn)同步式階躍下降，如圖5（b）所示，持續(xù)時間35 min，下降幅度0.053 m。從2 次地震同震響應可見，水位值均無大幅升降或突跳變化，但固體潮正常變化形態(tài)受到影響?？梢?，該井水位對中強地震的同震效應相對明顯，表現(xiàn)形式為階躍式下降和固體潮形態(tài)畸變。

圖5 隴06 井水位同震效應及人為干擾(a)岷縣—漳縣地震同震曲線；(b)九寨溝地震同震曲線；(c)取水干擾；(d)安裝儀器干擾Fig.5 The co-seismic effect and human disturbance of Long No.06 well

3.3 人為干擾

隴06 井觀測環(huán)境相對較好，附近無明顯干擾源，2012—2020 年水位觀測數(shù)據(jù)連續(xù)率達99.82%。除電源故障、主機死機造成的短時間缺測外，基本無觀測系統(tǒng)干擾。需要說明的是人為干擾，如取水樣、調(diào)試儀器、安裝設(shè)備等對水位觀測造成的影響。2018 年6 月15 日13 時33 分—14 時26 分，地下流體學科組進行地球化學背景場數(shù)據(jù)采樣，對水位觀測數(shù)據(jù)造成人為干擾，數(shù)據(jù)出現(xiàn)大幅尖峰突跳，如圖5（c）所示，最大變化幅度為0.207 m。2018 年11 月13 日13 分47 秒—14 分25 秒，安裝ZKGD3000-NL 型水位儀監(jiān)測設(shè)備，對觀測數(shù)據(jù)造成人為干擾，數(shù)據(jù)曲線同樣出現(xiàn)尖峰突跳，如圖5（d）所示，最大變化幅度為0.022 m。可見，人為干擾與同震響應相比變化幅度更大，表現(xiàn)形式為尖峰突跳。

3.4 氣象因素

井水位的升降變化主要反映了地下水儲量的變化，而氣候變化又是影響地下水儲量的主要自然因素，降雨作為地下水補給的主要來源，當?shù)乇硭臐B入補給增加時井水位表現(xiàn)為上升，反之則下降。該井水位觀測點2018 年4 月新增氣象三要素輔助觀測?？紤]到數(shù)據(jù)的完整性，選取2019—2020 年井水位資料進行分析，如圖6 所示。從圖6（a）可以看出，井水位與降雨的同軸曲線形態(tài)相似，同步性較好，說明該井水位與降雨的相關(guān)性顯著。從圖6（b）可以看出，井水位與氣溫的同軸曲線年動態(tài)趨勢基本相同，但局部同步性不明顯，例如，2020 年3—5 月水位曲線出現(xiàn)折拐，但溫度曲線變化相對平穩(wěn)，說明該井水位與氣溫存在相似的年變動態(tài)，但相關(guān)性并不顯著。從圖6（c）可以看出，井水位與氣壓的同軸曲線形態(tài)存在一定相位差，表現(xiàn)出反向變化的關(guān)系，說明該井水位與氣壓存在一定相關(guān)性。圖6（d）為該井水位與各氣象因素的月相關(guān)系數(shù)曲線，可以看出，水位與降雨的相關(guān)系數(shù)較低，平均值僅為0.5，而氣溫、氣壓的平均相關(guān)系數(shù)均達到0.7。顯然該結(jié)果和上述分析并不吻合，可能與以下因素有關(guān)：①降雨分析采用日累計降雨量數(shù)據(jù)，其他測項采用日均值數(shù)據(jù)，計算結(jié)果為月相關(guān)系數(shù)，較大程度上反映了長趨勢的相關(guān)性（如年動態(tài)）；②降雨量對水位的影響是短期的，無降雨時則不相關(guān)，因此相關(guān)系數(shù)偏小。需要說明的是，上述相關(guān)系數(shù)采用絕對則不相關(guān)值表示，氣壓與水位的相關(guān)系數(shù)實際為負數(shù)，說明氣壓與水位存在負相關(guān)。

圖6 隴06 井水位與氣象因素的關(guān)系(a)與降雨的關(guān)系；(b)與氣溫的關(guān)系；(c)與氣壓的關(guān)系；(d)相關(guān)系數(shù)曲線Fig.6 Relationship between water level and meteorological factors of Long No.06 well

為了進一步說明氣象因素與水位變化的關(guān)系，選取2020 年2 次典型降雨前后的資料進行量化分析，結(jié)果參見表1。顯然，降雨過程中井水位的漲幅幾乎是降雨前、后的10 倍，氣溫、氣壓的變化幅度并不明顯。從該時段的相關(guān)系數(shù)計算結(jié)果來看，降雨與水位的相關(guān)系數(shù)達0.948，氣溫與水位的相關(guān)系數(shù)僅為0.483，氣壓與水位的相關(guān)系數(shù)為-0.734。該結(jié)果進一步說明，隴06 井水位與降雨的相關(guān)性顯著，但影響是短期的；與氣壓的相關(guān)性次之，表現(xiàn)為負相關(guān)；與氣溫的相關(guān)性不明顯。

表1 2020 年隴06 井水位與氣象因素關(guān)系的統(tǒng)計Table 1 Statistics of relationship between water level and meteorological factors of Long No.06 well,2020

4 結(jié)論及討論

通過上述分析研究，對隴06 井水位變化特征有以下認識：①該井水位觀測資料受季節(jié)性氣候變化影響較明顯，存在“夏高冬低”的年動態(tài)特征，每年5 月中旬至9 月下旬處于高值波動，其余時段處于低值波動，年變幅約0.6 m；②該井水位對地殼應力、應變的響應靈敏度較高，固體潮形態(tài)清晰，潮汐因子均值約2.5，具有明顯的半日波、全日波、半月波等周期成分。該井水位月動態(tài)變化相對平穩(wěn)，月變幅基本由固體潮日變幅所決定，朔望前后固體潮日變化幅度可達0.15 m；③影響該井水位觀測的主要因素有固體潮效應、同震效應、人為干擾、氣象因素等。其中同震效應表現(xiàn)為井水位曲線的階躍式下降和固體潮形態(tài)畸變。人為干擾與同震效應相比變化幅度更大，表現(xiàn)為尖峰突跳。在氣象因素中，降雨與水位的相關(guān)性顯著，其影響是短期的；氣壓與水位的相關(guān)性次之，表現(xiàn)為負相關(guān)；氣溫與水位存在相似的年變動態(tài)，但二者相關(guān)性并不顯著。

本文討論分析了隴06 井水位觀測資料的正常動態(tài)及各種影響因素。希望通過對非震異常的積累，為今后震兆異常分析提供判據(jù)。該井早期觀測資料顯示，在共和、景泰等地震前存在中期異常（唐九安等，1993）。從近期水位觀測資料來看，在岷縣—漳縣地震前15 天左右出現(xiàn)階躍式上升變化，九寨溝地震前16 天左右曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折上升。該類變化與前述的非震異常變化不盡相同，是否可以判別為震兆異常？由于數(shù)字化觀測以來隴06 井水位觀測站點周邊震例較少，需要積累更多震例才能給出明確結(jié)論，但至少說明，該井水位資料對中強地震有一定指示意義，具有一定應用與研究價值。