氣溫、氣壓、地下水理論固體潮對新04井靜水位的影響分析①

木拉提江·阿不來提， 高 歌

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011)

地震孕育與地下水有著十分密切的聯(lián)系。巖石之間的應(yīng)力能量積累、熱動力狀態(tài)的改變都將導(dǎo)致地下流體介質(zhì)的變化[1-2]。由于觀測臺站建立在地殼表層，各種干擾因素激勵、調(diào)制出相應(yīng)的周期性變化，并為觀測儀器所記錄，諸如：固體潮、氣象、人類活動、環(huán)境變化、儀器故障等多源因素引起的變化。各類干擾因素的作用機制各異，相互影響，會降低地球物理場觀測的數(shù)據(jù)質(zhì)量與可靠性，增加了數(shù)據(jù)處理難度和異常識別的精確度[3-4]。為了有效識別和提取水位異常變化信息，降低或定量化剔除流體觀測資料中非構(gòu)造應(yīng)力引起的干擾尤為重要。

國內(nèi)外已開展大量針對井水位觀測干擾因素分析的研究工作，對觀測數(shù)據(jù)的干擾有了一些定性的認(rèn)識。例如，1940年Jacob[5]推出了井水位與氣壓的效率計算公式，1967年Bredehoeft[6]運用井水位氣壓效率計算了含水層的水動力學(xué)參數(shù)。2012年萬永革[7]等在研究水位數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)，水位觀測不僅包含地震前兆信息，還含有固體潮、氣壓、降雨量等因素的影響。劉愛春等[8-9]指出，氣溫、氣壓、降水的變化與觀測井環(huán)境的變化相對應(yīng)，氣壓、固體潮與水位有一定的相關(guān)性，這對異常判別提供了依據(jù)。明成山等[10-11]對錦州湯池子井氣壓、理論固體潮分別與井水位做了相關(guān)性分析，均得到較好的結(jié)果。Matsumoto N，Kitagawa G，Roeloffs E A 等[12]通過計算井水位變化提取地震地球物理場異常信息，消除了氣壓等非構(gòu)造應(yīng)力影響，分析水位變化與構(gòu)造活動關(guān)系。這些結(jié)果表明，不同流體測項或臺站對各種影響因素的響應(yīng)不同，可能對某些特定的因素更為敏感。

陳玲等[13]認(rèn)為，新04井井水位的固體潮、氣壓效應(yīng)明顯。2006年崔勇在研究新04井流體測項長趨勢變化時也指出，水位對氣壓、固體潮，地震波等應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)反映靈敏[14]。本文中以新04井靜水位為研究對象，應(yīng)用相關(guān)分析方法，選取不同時間尺度定量研究氣溫、氣壓及地下水理論固體潮對新04井靜水位的影響，并對干擾因素及影響機制進行了分析與探討，有助于對觀測數(shù)據(jù)物理意義的認(rèn)識，對地震地球物理場觀測異常辨別具有實際意義。

1 新04井造背景及觀測資料概況

新04號井位于烏魯木齊市水磨溝區(qū)溫泉療養(yǎng)院內(nèi)，高程821 m,井深145.48 m。北東向延伸的水磨溝—白楊南溝斷裂為本區(qū)的主干斷裂，該斷裂是大型逆沖推覆構(gòu)造—博格達(dá)構(gòu)造帶中妖魔山斷裂帶的一部分[15-16]。近SN向與NW向分支斷裂斜截背斜軸部并與主干斷裂相交。新04井位于2條斷裂的交匯處，所處位置呈巖石破碎、裂隙、節(jié)理發(fā)育[17]。由于水磨溝—白楊南溝斷裂兩側(cè)巖石透水性存在明顯差異，此處斷裂起到了2個作用：一方面，斷裂和破碎帶直接通到地下深部熱水中，成為地下流體向上轉(zhuǎn)移的排泄通道；另一方面，北盤透水性較弱的地表層沿斷裂形成地下徑流的效果，使基巖中裂隙里的水向上運移并形成出露于斷裂之中，沿著斷裂構(gòu)成多個溫泉的出露[18]。

新04號井于1977年開始采用紅旗-1型水位計觀測水位，1985年更換為SZ-1型水位計，1987年采用SW40-1水位計觀測，同年開始投入SZW-1、SZW-2、SZW-1A型水溫觀測和輔助觀測，2000年進行數(shù)字化更新改造，改造之后井水位觀測采用LN-3型號的數(shù)字水位觀測系統(tǒng)，水位傳感器探頭處于9.24 m，深層水溫觀測傳感器處于井下100 m。

2011年9月至2016年觀測井周邊發(fā)生多次基建干擾嚴(yán)重影響水位正常年變形態(tài)，2017年起水位數(shù)據(jù)逐漸出現(xiàn)年變。干擾情況如表1所示。

表1 2011年9月～2016年10月新04井水位周邊典型干擾事件統(tǒng)計

2 數(shù)據(jù)分析

因新04井觀測站2015年7月1日接入氣象要素觀測，存在的問題是此前無氣溫、氣壓整點值數(shù)據(jù)，且氣溫數(shù)據(jù)為觀測室溫度，冬季受供暖影響較大，限制了計算時段。所以選取的氣象資料是新疆維吾爾自治區(qū)地震局與新疆氣象局交換得到的數(shù)據(jù)。

氣壓、溫度、固體潮等因素對地球物理觀測的影響一直存在。為了更準(zhǔn)確的研究氣溫、氣壓及固體潮對水位的影響特征，減少人為干擾、場地環(huán)境、觀測系統(tǒng)等因素對水位數(shù)據(jù)造成的干擾。本文中根據(jù)新04井靜水位觀測曲線的年變形態(tài)變化，粗略地將靜水位、地下水固體潮理論值、烏魯木齊氣溫及氣壓的數(shù)據(jù)分成2007-01-01～2011-08-31、2017-01-01～2019-12-31兩段進行計算。

由圖1可見，烏魯木齊氣溫、氣壓、新04井靜水位的第1時段觀測曲線均具有較好的年周期變化形態(tài)，而新04井靜水位的第2時段年變形態(tài)較與第1時段相比較差。計算它們之間的相關(guān)系數(shù)，計算結(jié)果見表2及圖2。由表2及圖2可知，新04井靜水位年尺度變化基本與氣壓和氣溫有關(guān)，與地下水固體潮理論值無關(guān)。

圖1 氣溫、氣壓、地下水固體潮理論值與新04井靜水位日均值曲線圖(2007-01-01～2019-12-31)(a) 靜水位年變化 (b) 地下水固體潮理論值變化 (c) 氣壓年變化 (b) 氣溫年變化Fig.1 Theoretical values of air temperature, air pressure and groundwater solid tide，daily

表2 氣溫、氣壓、地下水固體潮理論值與新04井靜水位相關(guān)系數(shù)

進一步逐日滑動計算時間窗發(fā)現(xiàn)，氣溫對新04井靜水位的影響存在相位滯后(圖3)，在第1時段中，當(dāng)靜水位相位滯后氣溫35 d時，二者相關(guān)系數(shù)為 -0.781；第2時段里，當(dāng)靜水位相位滯后氣溫15 d時，二者相關(guān)系數(shù)為 -0.747，新04井靜水位相位平移后觀測值與氣溫的散點圖見圖4。由圖2、4可知，氣溫是新04井水位在年周期變化最主要的影響因素，水位與氣溫具有中高度的負(fù)相關(guān)性，且它們之間具有準(zhǔn)線性關(guān)系。

圖2 新04井氣壓、氣溫、與地下水固體潮理論值與靜水位散點圖(a) 2007-01-01～2011-08-31 (b) 2017-01-01～2019-12-31Fig.2 Scatter theoretical values of air pressure, air temperature, groundwater solid tide and

圖3 新04井靜水位滯后氣溫天數(shù)與相關(guān)系數(shù)關(guān)系圖(a) 2007-01-01～2011-08-31 (b) 2017-01-01～2019-12-31 Fig.3 Relationship between days of static water level lagging temperature and correlation coefficient in well Xin 04

圖4 新04井靜水位與氣溫散點圖(a) 2007-01-01～2011-08-31 (b) 2017-01-01～2019-12-31Fig.4 Scatter diagram of static water level and temperature of well Xin 04

為研究年、月頻段氣壓、氣溫、地下水理論固體潮對新04井靜水位的短期影響特征，進一步逐月計算它們之間的相關(guān)系數(shù)(圖5)，由圖5 可以看出，資料選取時間段內(nèi)新04井靜水位與氣壓有15個月呈中高度正相關(guān)，有10個月與氣溫呈中高度負(fù)相關(guān)，而與地下水固體潮理論值相關(guān)性始終保持較低的相關(guān)度。

圖5 氣壓、氣溫、地下水理論固體潮與新04井靜水位相關(guān)系數(shù)、烏魯木齊氣溫及降水時序曲線(a) 氣壓與靜水位相關(guān)系數(shù) (b) 氣溫與靜水位相關(guān)系數(shù) (c) 理論固體潮與靜水位相關(guān)系數(shù) (d) 烏魯木齊氣溫 (e) 烏魯木齊降水Fig.5 Barometric pressure, air temperature,theoretical solid tide of groundwater and static water level of well

不失一般性，以2019年整點值觀測數(shù)據(jù)為研究對象，按月分別計算氣壓、氣溫、地下水固體潮理論值與新04井靜水位的散點圖(圖6)。

圖6 氣壓、氣溫、地下水固體潮理論值與新04井靜水位散點圖(2019-01-01～2019-12-31)(a) 2019-01-01～2019-01-31 (b) 2019-02-01～2019-02-28 (c) 2019-03-01～2019-03-31 (d) 2019-04-01～2019-04-30 (e) 2019-05-01～2019-05-31 (f) 2019-06-01～2019-06-30(g) 2019-07-01～2019-07-31 (h) 2019-08-01～2019-08-31 (i) 2019-09-01～2019-09-30(j) 2019-10-01～2019-10-31 (k) 2019-11-01～2019-11-30 (l) 2019-12-01～2019-12-31Fig.6 Scatter theoretical values of air pressure, air temperature, groundwater solid tide

如圖5，氣壓與新04井靜水位的相關(guān)系數(shù)具有冬季高、夏季低的特點，尤其是在夏季，甚至出現(xiàn)了負(fù)相關(guān)的情況，這說明在冬季氣壓與水位具有較好的線性相關(guān)性，而在夏季氣壓與靜水位基本線性無關(guān)。進一步按月逐日計算二者相關(guān)性可知，氣壓與靜水位在1～4、11月份的線性特征較其他月份明顯(圖6a、6b、6c、6d、6k)，恰好佐證了該結(jié)論。

3 討論

車用太等[19]人在識別與排除地下水干擾異常時，提出了4個“相關(guān)性”原則，其中，成因上的相關(guān)性，是指觀測數(shù)據(jù)的動態(tài)變化與其影響因素間一定存在成因上相關(guān)性，而本文分析結(jié)果顯示氣壓對靜水位的影響出現(xiàn)隨季節(jié)變化(冬高夏低)，這與成因上的相關(guān)性存在一定矛盾。此外，計算結(jié)果表明，氣壓是新04井靜水位月尺度觀測的主要影響因素，氣溫、地下水固體潮理論值對水位短周期觀測數(shù)據(jù)的影響不大。

從區(qū)域水文地質(zhì)條件分析可知，新04井由博格達(dá)山區(qū)高山積雪融水滲入補給。因此氣溫的變化有可能引起天山融雪量發(fā)生變化，而影響補給水量，致使水位發(fā)生升降變化。由圖5可知，隨著氣溫的升高，氣壓與新04井靜水位的相關(guān)系數(shù)下降，這說明由于天山融雪造成的水量補給，破壞了氣壓對水位的線性特征，也就是說，實際上氣壓對水位短周期的影響仍表現(xiàn)為線性特征。

4 結(jié)語

(1) 年尺度相關(guān)性分析中可以看出，氣溫、氣壓是影響新04井靜水位年變形態(tài)主要因素，氣溫對靜水位影響相對較大，參與計算的2段觀測數(shù)據(jù)中，第1時段水位相位滯后約35 d，第2時段水位相位滯后約15 d。而固體潮引起的新04井水位年變化幅度非常小，這與高小其[20]等在研究氣溫、氣壓、固體潮對新04井靜水位年變化影響結(jié)論不盡相同。

(2) 月尺度相關(guān)分析中，新04井靜水位短周期觀測的主要影響因素是氣壓、氣溫、融雪和降水。氣壓對水位的影響是短周期微動態(tài)干擾，冬季烏魯木齊天氣寒冷，降水主要表現(xiàn)為冰雪且地表水結(jié)冰，人工取水活動相對較少，不能造成補給，且新04井表現(xiàn)為承壓井的特點，氣壓對靜水位影響就較為顯著。當(dāng)溫度升高，融雪和降水對井水位的補給影響較大，會掩蓋了氣壓的影響，這是靜水位與氣壓在其他季節(jié)呈現(xiàn)出相關(guān)系數(shù)低的原因。

(3) 儀器的觀測環(huán)境、工作狀態(tài)、安裝情況、基巖等條件的不同，會對干擾因素產(chǎn)生不同程度的響應(yīng)，相應(yīng)的儀器記錄曲線形態(tài)與變化幅度都會有所差異。因此如何從原始數(shù)據(jù)中識別和剔除干擾，減少觀測臺站周邊干擾源，是今后地震監(jiān)測人員需要解決的重要問題。