海原甘鹽池地震觀(guān)測(cè)井水位動(dòng)態(tài)特征分析

朱鵬濤, 丁風(fēng)和, 沈 寧, 賀嘉偉, 李新艷, 王晨曦

(寧夏回族自治區(qū)地震局, 寧夏 銀川 750001)

0 引言

地殼中普遍存在和活躍著地下水,其動(dòng)態(tài)變化能較靈敏地反映構(gòu)造活動(dòng)和地震孕育的信息[1]。地震地下水位觀(guān)測(cè)是以捕捉地震活動(dòng)信息為目的的淺層地殼流體觀(guān)測(cè)手段,但連續(xù)觀(guān)測(cè)水位不僅僅觀(guān)測(cè)到地震活動(dòng)信息,還夾雜著其他影響水位變化的因素,如氣壓、降雨、固體潮、抽水及注水等[2]。故而在利用地下水動(dòng)態(tài)研究地震信息的過(guò)程中,必須先研究地下水的正常動(dòng)態(tài),以此判別異常。如若不進(jìn)行影響因素的分析研究,就無(wú)法提取正確的地震前兆信息[3]。

另外由于用于地震前兆觀(guān)測(cè)的地下水觀(guān)測(cè)井大都是20世紀(jì)60年代以來(lái)相繼建造和改建的,且在成井時(shí)也僅是定性的從地下水種類(lèi)、成因、補(bǔ)給區(qū)與分布區(qū)的關(guān)系和動(dòng)態(tài)特征等方面進(jìn)行了類(lèi)型上的區(qū)分。這些井經(jīng)過(guò)幾十年的觀(guān)測(cè),井孔條件發(fā)生了很多變化,如井孔坍塌、井管變形與破裂、濾水管滲水孔被堵塞及井底泥沙沉積等,改變了井孔原始的承壓性。這種情況不僅影響了井水位對(duì)地殼動(dòng)力作用的響應(yīng)能力,而且嚴(yán)重影響了觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)分析與對(duì)微動(dòng)態(tài)特征的認(rèn)識(shí),特別是影響了地震前兆信息的識(shí)別與提取。因此,研究井水位各類(lèi)影響因素與水位的動(dòng)態(tài)變化,還可以直接或間接地反映井孔水位觀(guān)測(cè)資料的質(zhì)量和可信度。利用不同方法對(duì)地下水類(lèi)型進(jìn)行深入分析,能更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)嘏袆e地下水位觀(guān)測(cè)的質(zhì)量和可信度,提升水位觀(guān)測(cè)的有效性和科學(xué)性,為地下水位觀(guān)測(cè)井的準(zhǔn)入(退出)機(jī)制提供可靠依據(jù)[4]。因此,本文選取運(yùn)行穩(wěn)定、干擾較少的海原甘鹽池井和甘鹽池新井(以下簡(jiǎn)稱(chēng)GYC井和GYCN井)做對(duì)比分析。GYC井成井時(shí)間較長(zhǎng),而GYCN井由寧夏地震局于2020年建造,通過(guò)對(duì)比分析為多年的地震觀(guān)測(cè)井、新建觀(guān)測(cè)井如何在進(jìn)行地下水埋藏類(lèi)型綜合評(píng)價(jià)、觀(guān)測(cè)質(zhì)量評(píng)價(jià)等方面提供方法和途徑。

本文主要收集這兩口井的水位資料,并結(jié)合氣壓以及區(qū)域降雨量進(jìn)行影響因素分析,同時(shí)基于滯后時(shí)間與階躍響應(yīng)函數(shù)(卷積回歸法)、潮汐波分量的預(yù)期響應(yīng)(頻譜分析法)、潮汐波群相位超前或滯后(調(diào)和分析法)等三種方法來(lái)診斷和判別這兩口井含水層的地下水埋藏類(lèi)型,分析井水位動(dòng)態(tài)特征的差異性。

1 區(qū)域地震地質(zhì)與觀(guān)測(cè)井概況

本文研究的兩口井均處在海原左旋走滑斷裂內(nèi)部的甘鹽池拉分盆地中,地處1920年海原大地震的極震區(qū),兩井之間相距200 m。其東面約1 km處有一鹽湖,現(xiàn)已干涸,北面約500 m處有一村莊,觀(guān)測(cè)井周?chē)貏?shì)開(kāi)闊。甘鹽池盆地屬中帶大陸性季風(fēng)氣候類(lèi)型,年降雨量在240 mm左右,年蒸發(fā)量達(dá)2 000 mm左右,年均氣溫在5～8 ℃。區(qū)域地下水的補(bǔ)給主要受控制甘鹽池拉分盆地邊界的西華山和黃家洼山山體基巖裂隙水潛流補(bǔ)給。西華山山體由前寒武系的大理巖、石英片巖、片麻巖構(gòu)成主體,局部有泥盆系砂礫巖。由于長(zhǎng)期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和風(fēng)化剝蝕,基巖片理節(jié)理發(fā)育,裂隙相通,有利于大氣降水的滲入和運(yùn)移賦存,富含地下水,地下水埋深20 m左右。區(qū)域地表徑流量小,且季節(jié)變化大,暴雨季節(jié)有洪水,雨后流量驟減,旱季斷流。

GYC井是1979年由寧夏地質(zhì)局第二水文工程地質(zhì)隊(duì)建設(shè),井深165.64 m,GYCN井是2020年由寧夏地震局建設(shè),井深209 m。兩口井均有三個(gè)含水層,GYC井的三個(gè)含水層上布設(shè)了三個(gè)濾水管,而GYCN井只在最底部的含水層上布設(shè)了濾水管。井孔詳細(xì)信息見(jiàn)表1和圖1。

表1 GYC井和GYCN井井孔信息

圖1 GYC井和GYCN井井孔柱狀圖Fig.1 Borehole histogram of GYC and GYCN wells

成井時(shí)根據(jù)剖面圖得到兩口井為裂隙水。本文用數(shù)字化資料,利用階躍響應(yīng)函數(shù)(卷積回歸法)、頻譜分析法、潮汐波群相位超前或滯后法綜合分析判定地下水埋藏類(lèi)型,探討其與成井時(shí)不一致的原因。經(jīng)過(guò)分析認(rèn)為,由于我國(guó)地震地下水觀(guān)測(cè)井多從地質(zhì)、石油、水利、礦產(chǎn)等其他行業(yè)提供的勘探井中篩選得到,井水的承壓性資料層次不齊,并且已經(jīng)有四五十年的歷史,井孔條件發(fā)生了很多變化,如井孔坍塌、井管變形與破裂、濾水管滲水孔被堵塞、井底泥沙沉積等,改變了井孔原始的承壓性。

2 資料整理與處理

由于GYCN井水位儀于2021年4月架設(shè),考慮時(shí)間的一致性,故選取這兩口井2021年4月至2022年1月水位、氣壓整點(diǎn)值。為了確保數(shù)據(jù)質(zhì)量,需對(duì)這兩項(xiàng)數(shù)據(jù)逐個(gè)檢查,要求每天必須有24個(gè)數(shù)據(jù),缺數(shù)的地方用“999999”標(biāo)記,水位單位為m,氣壓?jiǎn)挝粸閔Pa,并利用三次樣條插值和一般多項(xiàng)式擬合值進(jìn)行替換。由于觀(guān)測(cè)井附近沒(méi)有氣象部門(mén)的定點(diǎn)觀(guān)測(cè)氣象站,因此收集了其最近的海原氣象觀(guān)測(cè)站的降雨量日值資料。

另外,整理一個(gè)excle文件,包括水位列、氣壓列、理論固體潮列和日期列,且為等間隔的整點(diǎn)值,水位值需由埋深值換算成水頭高度值,單位為m;氣壓?jiǎn)挝粸镻a;理論固體潮單位為nm/s2。

3 地下水埋藏類(lèi)型判別方法及原理

3.1 卷積回歸法

前人已提出利用井水位對(duì)氣壓的階躍響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行地下水埋藏類(lèi)型的定量診斷方法,并給出了井水位與氣壓的階躍響應(yīng)函數(shù)和滯后時(shí)間之間變化規(guī)律的關(guān)系式,定量區(qū)分了承壓水、非承壓水和半承壓水[5-10]。

卷積回歸法是利用相對(duì)應(yīng)的水位、氣壓和理論固體潮數(shù)據(jù)來(lái)擬合階躍響應(yīng)函數(shù)最佳值的有效方法,從而判斷各井含水層系統(tǒng)的地下水埋藏類(lèi)型。在不考慮補(bǔ)給、排泄等外部影響因素的前提下,井水位的變化量可表示為:

(1)

式中:i為滯后時(shí)間;m是選擇的最大滯后時(shí)間;ΔW(t)為t時(shí)刻的水位變化量;α(i)為滯后i時(shí)刻的氣壓?jiǎn)挝幻}沖響應(yīng)函數(shù);ΔB(t-i)為t-i時(shí)刻的氣壓變化量;β(i)為固體潮響應(yīng)系數(shù);ΔET(t-i)為t-i時(shí)刻的固體潮變化量。

井水位對(duì)氣壓的階躍響應(yīng)函數(shù)可表示為:

(2)

式中:A(i)為井水位對(duì)氣壓的階躍響應(yīng)函數(shù),可由氣壓?jiǎn)挝幻}沖響應(yīng)函數(shù)α(j)累加求和得到。

3.2 頻譜分析法

在處理時(shí)間函數(shù)或序列時(shí),如地下水位觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)中的提取信號(hào)和壓制干擾,首先應(yīng)分析它們的頻率成份,弄清兩者之間的異同,這就需要從時(shí)域轉(zhuǎn)到頻域上來(lái)考慮問(wèn)題。通常從時(shí)域上考慮信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間和強(qiáng)度并不能將它們區(qū)分開(kāi),但從頻域上考慮信號(hào)和干擾所占有的頻帶往往容易將它們分開(kāi)。

一般情況下,地下水埋藏類(lèi)型和潮汐波預(yù)期響應(yīng)存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系[11]。地球固體潮是很多潮汐的分波,但主要成分是5個(gè)日波(O1、P1、K1、Q1、J1)和5個(gè)半日波(M2、N2、L2、S2、K2)。由固體潮引起的井水位潮汐現(xiàn)象也具有相同的分波,但在5個(gè)日波和5個(gè)半日波中占全部起潮力95%以上的主要是M2波、O1波、K1波、S2波和N2波。(1)如果這5個(gè)分波都比較明顯,且M2波最顯著,則表明是承壓水。(2)如果M2波、K1波和S2波振幅比較明顯,且S2波振幅最顯著,則表明是半承壓水。除此之外,O1波和N2波不一定有。(3)如果M2波、O1波和N2波都不顯現(xiàn),而K1波和S2波可能顯現(xiàn),則表明是非承壓水(表2)。

表2 地下水類(lèi)型和潮汐波預(yù)期響應(yīng)的關(guān)系

3.3 潮汐波群相位超前或滯后法

地球潮汐波是太陽(yáng)和月球?qū)Φ厍騼煞N起潮力的合力作用產(chǎn)生的能夠預(yù)測(cè)和測(cè)量的一種自然現(xiàn)象。

目前國(guó)際上比較通用的分析方法是維尼迪柯夫調(diào)和法,主要算法是最小二乘法,所用到的模型為[12]:

理論固體潮:

(3)

式中:s(t)是固體潮理論值;ω是角頻率(弧度);hω和φω(t)分別表示t刻的理論振幅(10-9)和相位(°)。

固體潮觀(guān)測(cè)值:

(4)

式中:S(t)是固體潮觀(guān)測(cè)值;,Hω和Φω(t)分別表示t時(shí)刻的觀(guān)測(cè)振幅(mm)和相位(°)。

而觀(guān)測(cè)振幅與理論振幅之比即為潮汐因子δω:

(5)

觀(guān)測(cè)相位與理論相位之差即為相位滯后dφ:

dφ=Φω(t)-φω(t)

(6)

式(5)中的潮汐因子指的是實(shí)際固體潮觀(guān)測(cè)值與理論固體潮觀(guān)測(cè)值之比,對(duì)井-含水層系統(tǒng)而言,反映的是受周期固體潮應(yīng)力影響的水位波動(dòng)振幅與理論固體潮振幅之比。

在此基礎(chǔ)上,可利用井水位觀(guān)測(cè)中的相位的變化,即相位為正(0°～45°)的超前垂直流和相位為負(fù)(-90°～0°)的滯后水平流判斷各井的地下水埋藏類(lèi)型是承壓水還是非承壓水[13-14]。

4 井水位的影響因素分析

地下水位變化受多種因素影響,最常見(jiàn)的有氣壓、固體潮、降雨、抽水及海潮等,故在分析前應(yīng)先對(duì)水位進(jìn)行處理。前人研究得出,主要固體潮分波的周期為12～25 h,地震波的周期為0.1～100 s,氣壓波動(dòng)周期為1 min～1 a,降雨入滲一般為幾天以上,海潮周期為12～25 h[15]。由于海原甘鹽池拉分盆地位于內(nèi)陸,可以忽略海潮的影響,并且研究的兩口井周?chē)鷽](méi)有抽水源,不存在抽水影響,因此本文主要研究降雨和氣壓的影響。

井水位對(duì)降雨和氣壓的響應(yīng)是復(fù)雜的,都存在一定時(shí)間的滯后效應(yīng)。利用到近年來(lái)井水位對(duì)降雨和氣壓滯后響應(yīng)研究較多的的褶積算法(或稱(chēng)卷積回歸方法)[16]對(duì)GYC井與GYCN井水位進(jìn)行氣壓校正,水位與氣壓之間的相關(guān)系數(shù)分別是0.773和0.656(表3)。結(jié)合兩口井原始水位與氣壓的對(duì)比(圖2)表明海原甘鹽池拉分盆地內(nèi)井水位受氣壓影響顯著,且水位顯示有半月潮和日潮,反映出一定的潮汐變化。降雨的影響更為復(fù)雜,將兩口井的水位進(jìn)行氣壓校正并做歸一化處理后再與降雨作對(duì)比,結(jié)果顯示降雨量增大時(shí)水位都呈現(xiàn)上升趨勢(shì)(圖3)。另外,從兩口井水位氣壓校正前、后對(duì)比曲線(xiàn)可以看出,校正后的水位波動(dòng)變小,說(shuō)明受氣壓影響比較顯著(圖4)。

表3 GYC井和GYCN井水位與氣壓間的線(xiàn)性回歸計(jì)算結(jié)果

圖2 GYC井和GYCN井原始水位與氣壓關(guān)系圖Fig.2 Relationship between original water level and air pressure of GYC and GYCN wells

圖3 GYC井和GYCN井氣壓校正后水位與降雨量關(guān)系圖Fig.3 Relationship between water level and rainfall of GYC and GYCN wells after pressure correction

圖4 井水位氣壓校正前后對(duì)比Fig.4 Comparison between well water levels before and after pressure correction

綜上研究結(jié)果表明,海原甘鹽池兩口地震觀(guān)測(cè)井水位的趨勢(shì)變化和周期變化受區(qū)域降雨和氣壓的影響較大。

5 各井地下水埋藏類(lèi)型分析

5.1 卷積回歸法分析

丁風(fēng)和等[17]利用卷積回歸法給出了水位對(duì)氣壓的滯后時(shí)間與階躍響應(yīng)函數(shù)的關(guān)系式,即:

A(i)=aebi+c

(7)

式中:A(i)為井水位對(duì)氣壓的階躍響應(yīng)函數(shù),范圍為0～1;i代表滯后時(shí)間,范圍為0～12 h;a為系數(shù),其正、負(fù)決定井-含水層的地下水埋藏類(lèi)型;定義域b值一般小于零,期值大小與井孔的形狀、尺寸(結(jié)構(gòu))和含水層的水力特性有關(guān)。

(1) 當(dāng)a<0時(shí),水位對(duì)氣壓的階躍響應(yīng)函數(shù)隨著水位對(duì)氣壓滯后時(shí)間的增大而增大,井-含水層系統(tǒng)的地下水類(lèi)型為承壓水;

(2) 當(dāng)a>0時(shí),水位對(duì)氣壓的階躍響應(yīng)函數(shù)隨著水位對(duì)氣壓滯后時(shí)間的增大而減小,井-含水層系統(tǒng)地下水類(lèi)型為潛水和半承壓水。

利用卷積回歸法分析了GYC井和GYCN井水位對(duì)氣壓滯后時(shí)間與階躍響應(yīng)函數(shù)的關(guān)系。結(jié)果表明,隨著水位對(duì)氣壓階躍響應(yīng)時(shí)間的增大,(1)GYC井水位對(duì)氣壓的階躍響應(yīng)函數(shù)整體增大,實(shí)際為承壓水,但是實(shí)際值與理論值擬合效果不佳,可能與其時(shí)間較長(zhǎng)、長(zhǎng)年失修、存在破損現(xiàn)象有關(guān),或受地表水影響較大;(2)GYCN井水位對(duì)氣壓的階躍響應(yīng)函數(shù)增大,該井的井-含水層系統(tǒng)的地下水埋藏類(lèi)型為承壓水(圖5)。

圖5 GYC井和GYCN井水位對(duì)氣壓的階躍響應(yīng)函數(shù)Fig.5 Step response function of water levels of GYC and GYCN wells to air pressure

5.2 頻譜分析法分析

選取兩口井的原始水位以及氣壓校正后的水位整點(diǎn)值數(shù)據(jù),得到的頻譜分析結(jié)果如圖6所示。由圖可知:(1)經(jīng)氣壓校正后兩口井潮汐分波中的S2波均消失[圖6(b)],則說(shuō)明S2波是由氣壓引起的;(2)引起GYC井水位變化的主要潮汐分波有S2波、M2波、N2波、K1波和O1波,其中S2波振幅最大[圖6(a)中的GYC井],從前述表2中地下水類(lèi)型和潮汐波預(yù)期響應(yīng)的關(guān)系判定來(lái)看,該井含水層系統(tǒng)地下水類(lèi)型為半承壓水;(3)引起GYCN井水位變化占起潮力95%的5個(gè)波都有,其中M2波最穩(wěn)定,且振幅較大、較顯著[圖6(a)中的GYCN井],綜合地下水類(lèi)型和潮汐波預(yù)期響應(yīng)關(guān)系判定,該井含水層地下水埋藏類(lèi)型為承壓水。

圖6 井水位氣壓校正前、后頻譜分析結(jié)果Fig.6 Comparison between spectrum analysis results of well water levels before and after pressure correction

5.3 潮汐波群相位超前或滯后法分析

結(jié)合頻譜分析法獲得的兩口井原始水位波群,利用維尼迪科夫調(diào)和分析法分別計(jì)算兩口井潮汐波中振幅最大的兩個(gè)波(GYC井S2波,GYCN井M2波)相位滯后,結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 GYC井和GYCN井相位滯后對(duì)比Fig.7 Phase lag comparison between GYC well and GYCN well

結(jié)果表明,GYC井S2波的相位滯后均值高于0°(為25.929 14°),處于垂直流狀態(tài)。GYCN井的M2波相位滯后均值低于0°(為-52.015 8°),處于水平流狀態(tài),6月份相位滯后大于0°的原因是由于儀器故障缺數(shù)8天,利用三次樣條插值和一般多項(xiàng)式擬合值替換存在誤差。綜上 ,基于潮汐波群相位滯后確定的這兩口井地下水埋藏類(lèi)型分別為:GYC井為半承壓水,GYCN井為承壓水。

5.4 綜合評(píng)價(jià)

利用上述水位對(duì)氣壓的階躍響應(yīng)函數(shù)方法、頻譜分析法、潮汐波群相位超前或滯后法來(lái)診斷和判別海原甘鹽池兩口地震地下水觀(guān)測(cè)井(GYC井和GYCN井)含水層地下水埋藏類(lèi)型(表4)的結(jié)果如下:

(1) GYC井綜合判定為混合水,與該井依據(jù)成井時(shí)的貯存埋藏條件定性判別的結(jié)果(承壓水)存在不一致性。究其原因?yàn)樵摼菑南到y(tǒng)外接收的,雖在承壓區(qū),但其成井時(shí)間較長(zhǎng)且長(zhǎng)年失修,存在破損現(xiàn)象,而三個(gè)含水層間有過(guò)濾管,或受地表水影響較大。

表4 GYC井和GYCN井多種方法綜合判定地下水埋藏類(lèi)型結(jié)果

(2) GYCN井綜合判定為承壓水,與該井依據(jù)成井時(shí)的貯存埋藏條件定性判別的結(jié)果(承壓水)一致,可能是該井2020年由寧夏地震局新打的地震觀(guān)測(cè)專(zhuān)用井,雖有三個(gè)含水層,但只有一個(gè)過(guò)濾管,與外界聯(lián)系弱。

6 結(jié)論與討論

6.1 結(jié)論

本文利用海原甘鹽池兩口井(GYC井和GYCN井)水位、氣壓、降雨等資料,分析了其影響因素,并對(duì)其觀(guān)測(cè)質(zhì)量和可信度進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明:

(1) 利用卷積回歸法對(duì)兩口井的水位進(jìn)行氣壓校正,并將其與降雨進(jìn)行對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)氣壓和降雨是影響其水位動(dòng)態(tài)變化的主要因素。

(2) 通過(guò)水位對(duì)氣壓的階躍響應(yīng)函數(shù)法、頻譜分析法和潮汐波群相位超前和滯后法綜合評(píng)價(jià)兩口井地下水埋藏類(lèi)型,結(jié)果表明:①通過(guò)水位對(duì)氣壓的階躍響應(yīng)函數(shù)法得到兩口井的井-含水層系統(tǒng)的地下水埋藏類(lèi)型均為承壓水,但GYC井的實(shí)際值與理論值擬合效果不佳,可能與其成井時(shí)間較長(zhǎng)、長(zhǎng)年失修、存在破損現(xiàn)象以及受地表水影響較大有關(guān);②基于頻譜分析法得到兩口井的井-含水層系統(tǒng)的地下水埋藏類(lèi)型分別是:GYC井為半承壓水,GYCN井為承壓水;③基于潮汐波群相位超前或滯后法得到兩口井的地下水埋藏類(lèi)型分別是:GYC井為半承壓水,GYCN井為承壓水;④綜合三種方法的結(jié)果,得到兩口井的地下水埋藏類(lèi)型是:GYC井為混合水,GYCN井為承壓水。

6.2 討論

(1) 在地震系統(tǒng)內(nèi)如GYC井這樣觀(guān)測(cè)了幾十年的井還有很多,它們的井孔結(jié)構(gòu)、與外界的水力聯(lián)系以及含水層特性都已發(fā)生了改變,相應(yīng)產(chǎn)出的資料質(zhì)量和可信度如何值得商榷;另一方面,我們從國(guó)土、水利等部門(mén)移交過(guò)來(lái)的井,怎樣利用這些井才能達(dá)到地震觀(guān)測(cè)的要求,通過(guò)本文的研究可以得到很好的解決辦法:只需提供原有井的水位、氣壓整點(diǎn)值,利用上述三種方法綜合評(píng)價(jià)井的地下水埋藏類(lèi)型,為提高觀(guān)測(cè)質(zhì)量和資料可信度提供科學(xué)依據(jù)。

(2) 地震地下水位觀(guān)測(cè)是捕捉地震活動(dòng)信息的有利手段,但是地下水位的動(dòng)態(tài)變化不僅僅有地震活動(dòng)信息,還摻雜著一些非地震活動(dòng)信息,比如氣壓、降水、抽水和注水等,所以研究地下水位動(dòng)態(tài)中存在的各種影響因素,對(duì)識(shí)別和提取地震前兆信息以及認(rèn)識(shí)井含水層特征都有重要意義,可為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和理解地下水動(dòng)態(tài)變化提供可靠的理論基礎(chǔ)。而面對(duì)地震觀(guān)測(cè)井水位影響因素的復(fù)雜性,基于多種方法的地下水埋藏類(lèi)型研究,為地下水位的異常甄別、觀(guān)測(cè)井的質(zhì)量和可信度評(píng)價(jià)以及觀(guān)測(cè)井點(diǎn)的勘選是非常重要的?？紤]到地下水的運(yùn)移是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程,本文只分析了氣壓與降水對(duì)井的影響以及利用三種方法進(jìn)行了地下水埋藏類(lèi)型的判定,若要得到更可靠的結(jié)果,今后還需做大量和深入的工作。