徐清華，楊林根

(1.安徽省淮北市地震局，安徽 淮北 235000；2.安徽省巢湖市地震辦，安徽 巢湖 238000)

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皖22井井水觸發(fā)波及其波的分解

徐清華1，楊林根2

(1.安徽省淮北市地震局，安徽 淮北 235000；2.安徽省巢湖市地震辦，安徽 巢湖 238000)

[摘要]井水觸發(fā)波是指井孔-含水層系統(tǒng)在外力作用下引起井孔水位振蕩的水波,它可分為井水人工觸發(fā)波和井水自然觸發(fā)波兩種。就短周期而言，井水人工觸發(fā)波如重錘實(shí)驗(yàn)、封井實(shí)驗(yàn)和井下水體爆破等引起井水位振蕩的水波，井水自然觸發(fā)波主要是井孔-含水層系統(tǒng)受地震波觸發(fā)的水震波。

文章以皖22井為例，首先介紹方差分析周期分解法是如何從水位觀測(cè)記錄的時(shí)序數(shù)據(jù)中，提取出若干個(gè)含有周期特征的序列值。再簡(jiǎn)單介紹用重錘實(shí)驗(yàn)獲取井水位振蕩的方法。最后通過對(duì)微重錘實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和同時(shí)段地震波觸發(fā)井區(qū)含水層引起井水位振蕩波的分析，提出井孔水震波的主振蕩頻率是來自井孔自身的固有振動(dòng)頻率的觀點(diǎn)。

[關(guān)鍵詞]井水觸發(fā)波；方差分析；周期分解

在對(duì)地下水微動(dòng)態(tài)進(jìn)行分析研究中，研究對(duì)象是含水層中的“水”，它不是絕對(duì)理想的純凈水，提供它運(yùn)動(dòng)的載體井孔—含水層系統(tǒng)，也不是絕對(duì)不可溶的理想模型?？琢严吨械牧黧w不可避免地含有懸浮物、沙粒、礦物質(zhì)、微生物等。這些物質(zhì)在溫度、流量、流速等環(huán)境因素具備的情況下，可以結(jié)晶，可以形成絮狀物，可以存在流體中，也可附著在孔裂隙的巖壁上，進(jìn)而對(duì)地下水的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響。

魚金子,車用太,王愛英等[1](1993) 認(rèn)為井孔—含水層系統(tǒng)在外力(如水震波)的作用下，導(dǎo)水系數(shù)是有可能隨著應(yīng)力狀態(tài)的變化而變化。當(dāng)含水層受壓應(yīng)力作用空隙率變小，井孔—含水層滲透性變?nèi)酰划?dāng)含水層受張應(yīng)力作用空隙率變大，井孔-含水層滲透性變強(qiáng)。在含水層的孔裂隙中，只要有流體運(yùn)動(dòng)，“孔隙度”就會(huì)隨時(shí)變化著。

張昭棟等[2](1994)提出“井孔—含水層的振動(dòng)周期，主要取決于水井水柱的有效高度?！崩^后，張昭棟等[3](2000)對(duì)山東5口水井進(jìn)行了SLUG(重錘)試驗(yàn)，利用試驗(yàn)曲線測(cè)得振動(dòng)由平衡位置經(jīng)過一次振動(dòng)后再回到平衡位置所經(jīng)歷的時(shí)間，把它作為第一個(gè)準(zhǔn)周期。再根據(jù)水井含水層的資料，由井管內(nèi)半徑和水井水柱的有效高度、開爾文函數(shù)性質(zhì)等估算出水井含水層的導(dǎo)水系數(shù)，并認(rèn)為井水位對(duì)地震波的響應(yīng)主要取決于含水層系統(tǒng)的固有振動(dòng)周期和振動(dòng)的阻尼系數(shù)。

張淑亮等[4](2006)認(rèn)為井一含水層系統(tǒng)的固有周期與井孔中有效水柱高度有關(guān)，有效水柱高度與井孔中水柱高度、含水層厚度有關(guān)；在井一含水層固有周期一定的情況下，井水位對(duì)地殼中波動(dòng)信息的放大能力還與含水層的導(dǎo)水系數(shù)、井的半徑有關(guān)，而導(dǎo)水系數(shù)又取決于含水層的滲透系數(shù)和含水層的厚度。

因此，如何客觀地求出井孔-含水層系統(tǒng)在振蕩中的固有周期，對(duì)深入研究地震地下水微動(dòng)態(tài)是十分有意義的課題。

1皖22井

皖22井(淮北瓦子口井)自1987年1月進(jìn)行地震地下水位觀測(cè)。觀測(cè)資料連續(xù)、完整、可靠。多年的觀測(cè)資料分析結(jié)果顯示，皖22井潮汐因子大、記震能力強(qiáng)。記錄全球Ms6.5級(jí)以上地震的能力達(dá)到92%，記錄全球Ms7級(jí)以上地震能力達(dá)到100%，是一口較理想的地震地下水位觀測(cè)井。

1.1井孔基本概況

皖22井(34°15′N， 116°48′E)位于郯廬斷裂西側(cè)，宿北斷裂北側(cè)，蕭縣背斜的西翼，瓦子口斷裂與蘆花斷裂的交匯處，是應(yīng)力易于集中的構(gòu)造部位。井孔深201.84 m，鋼質(zhì)套管下至93.4 m處基巖上，93.4 m以上為第四紀(jì)覆蓋層，以下為奧陶紀(jì)灰?guī)r。觀測(cè)層巖性為奧陶紀(jì)灰?guī)r水，地下水類型屬裂隙-巖溶水(圖1)。

1.2觀測(cè)儀器及觀測(cè)概況

皖22井目前有三套儀器同時(shí)運(yùn)行：SW40-1模擬水位自1987年1月連續(xù)觀測(cè)，LN-3A數(shù)字化水位自2007年11月連續(xù)觀測(cè)，WTLZ-1水溫水位綜合觀測(cè)儀自2012年3月連續(xù)觀測(cè)。

用來分析的秒文件均來自LN-3A。LN-3A水位傳感器采用進(jìn)口擴(kuò)散硅半導(dǎo)體壓力芯片，具有靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、測(cè)量精度高等特點(diǎn)，同時(shí)具有水位“事件”(例如水位階躍異常、水震波等)自動(dòng)識(shí)別功能，當(dāng)水位發(fā)生快速變化并超過所設(shè)定的閾值時(shí)，水位儀會(huì)自動(dòng)識(shí)別并加密采樣，由每分鐘一次加密到每秒一次，此數(shù)據(jù)可真實(shí)地再現(xiàn)水震波的原始形態(tài)或者水位階躍異常的詳細(xì)變化過程。

圖1　皖22井井孔柱狀圖

2井水觸發(fā)波

本文提出的“井水觸發(fā)波”是指井孔-含水層系統(tǒng)受外力作用引起井孔水位上下運(yùn)動(dòng)的振蕩波。它可分為井水人工觸發(fā)波和井水自然觸發(fā)波兩種。井水人工觸發(fā)波如重錘實(shí)驗(yàn)、封井實(shí)驗(yàn)和井下水體爆破等引起井水位振蕩的水波，井水自然觸發(fā)波主要是井孔-含水層系統(tǒng)受地震波觸發(fā)的水震波。

2.1井水自然觸發(fā)波

水震波指地震波引起的井孔水位的振蕩現(xiàn)象。地震面波在傳播過程中，使巖層應(yīng)力產(chǎn)生波動(dòng)，同時(shí)發(fā)生應(yīng)變，對(duì)于井水位而言由于含水層受地震面波擾動(dòng)表現(xiàn)為水位波動(dòng)，即形成水震波[5]。

皖22井是一口靜水位觀測(cè)井，記震能力強(qiáng)，全球7級(jí)以上地震均可記到水震波。從記錄圖2中可知，震級(jí)越大，水位振蕩的幅度越大，振蕩的時(shí)間越長(zhǎng)。

2.2井水人工觸發(fā)波

井水人工觸發(fā)波指借用外力改變觀測(cè)環(huán)境，使井水位在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生振蕩，如重錘試驗(yàn)。重錘試驗(yàn)指向井孔內(nèi)快速投放一知體積的圓筒，井水位快速上升，井孔一含水層系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)迫一自由振動(dòng)響應(yīng)，然后記錄水位的恢復(fù)過程，水位上升高度取決于井孔半徑和圓筒體積。

皖22井產(chǎn)生人工觸發(fā)波的事件分別是：

2011年11月11日，安裝SZW-1A水溫儀、LT-SHZ1水位儀、DRSW-1綜合水溫水位儀。安裝過程中，下放上述探頭，水位產(chǎn)生小幅振蕩。

2012年3月13日，安裝WTLZ-1水溫水位綜合觀測(cè)儀。下放水位水溫探頭其間，水位產(chǎn)生小幅振蕩。

2014年1月15日，標(biāo)定LN-3A儀器探頭。將LN-3A水位儀探頭依次提起和下放，水位產(chǎn)生振蕩。

以上三次人為活動(dòng)，均引起水位的小幅振蕩，激發(fā)LN-3A記錄到振蕩時(shí)的秒文件，展示了水位變化的詳細(xì)過程。

圖2　皖22井記錄水震波圖

3波的分解

3.1方差分析周期法

3.1.1基本原理

方差分析周期分解法是方差分析法應(yīng)用的一個(gè)特例，早在1964年我國(guó)科學(xué)工作者章少卿等就已經(jīng)提出[6]。它是一種時(shí)間序列周期分析方法,由兩部分組成，一是方差分析周期分解；二是疊加擬合外推。前者側(cè)重于研究產(chǎn)生條件性差異的根由，后者是試圖利用它對(duì)某要素進(jìn)行定量地外推預(yù)報(bào)。本文應(yīng)用的是前者：側(cè)重于研究產(chǎn)生條件性差異的根由。

3.1.2方法步驟

1)組間離差平方和與組內(nèi)離差平方和的計(jì)算

表1　試驗(yàn)周期分組表

2)方差比F的確定與F檢驗(yàn)

由于做周期分析時(shí)，事先并不知道周期數(shù)目，因些需要從可能存在的周期中反復(fù)排列各種數(shù)值

根據(jù)方差比：

其中，S1，S2分別為組間離差平方和與組內(nèi)離差平方和的；f1，f2分別為組間離差平方和與組內(nèi)離差平方和的自由度。f1=b-1，f2=n-b。

方差比F在一定的條件下可以證明是一個(gè)隨機(jī)變量，而且是服從F-分布的。F-分布有專用的F-分布表可查，因此可以用F檢查的方法來檢驗(yàn)組間方差是否顯著地大于組內(nèi)方差。

具體計(jì)算步驟見圖3。

圖3　方差分析周期分解法的具體步驟

將三次人為活動(dòng)引起的觸發(fā)波與該井記錄到的水震波數(shù)據(jù)(秒文件)按照方差分析周期法的步驟分別求出各自的第一準(zhǔn)周期值(見表2)。

表2　皖22井“人工觸發(fā)波”與其水震波振蕩頻率的比較表

從表2可見，三次人為活動(dòng)觸發(fā)波的振蕩周期在21～23 s之間，而五次水震波的振蕩周期也在21～23 s之間。由此可見，皖22井的水位無論是人工觸發(fā)還是地震波觸發(fā)，振蕩周期均在21～23 s之間。

3.2波的頻譜分析

利用傅里葉變換的方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行分解，并按頻率展開，使其成為頻率的函數(shù)，進(jìn)而在頻率域中對(duì)信號(hào)進(jìn)行研究和處理的一種過程，稱為頻譜分析。頻譜分析的目的是將信號(hào)在時(shí)間域中的波形轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率域的頻譜，進(jìn)而可以對(duì)信號(hào)的信息作定量解釋。

為了檢驗(yàn)方差分析周期分解法對(duì)皖22井三次人為活動(dòng)觸發(fā)波的振蕩周期的求解結(jié)果，我們又對(duì)該井70個(gè)秒值文件(有水震波的秒值文件22個(gè)，無水震波的秒值文件48個(gè))進(jìn)行滑動(dòng)頻譜分析，部分分析結(jié)果見表3。表中顯示，其水震波震蕩周期基本上是21.3秒，少數(shù)的是25.6 s，這與方差分析周期分解法求解人為活動(dòng)觸發(fā)波的振蕩周期的結(jié)果基本一致。即使通過增加時(shí)域取樣點(diǎn)數(shù)(N=2048)進(jìn)行復(fù)算，結(jié)果基本吻合。這說明該站點(diǎn)地下水位觀測(cè)系統(tǒng)(井孔-含水層-觀測(cè)儀器)響應(yīng)水震波的頻率是穩(wěn)定的(見表3)。

4結(jié)語

本文以皖22井為例，介紹方差分析周期分解法是如何從水位觀測(cè)記錄的時(shí)序數(shù)據(jù)中，提取出若干個(gè)含有周期特征的序列值，求解井孔的固有振蕩頻率。

(1)用方差分析周期分解法求解天然地震引發(fā)的水震波與人工觸發(fā)的水震波的振蕩周期，兩者的第一準(zhǔn)周期均在21～23 s之間。因?yàn)榈卣鹨l(fā)的水震波振動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，用傅氏頻譜分析法求解水震波的振蕩周期，其周期基本為21.3 s。說明用21.3 s描敘該井的固有振動(dòng)周期較為合適。

(2)雖然方差分析周期分解法與頻譜分析法均能求出波的振動(dòng)周期，但作者認(rèn)為二者的主要差別在于，方差分析周期分解法能客觀地得出每個(gè)分波的特征值，為進(jìn)一步分析波的機(jī)理提供可行工具。

(3)由于個(gè)井的井孔-含水層水文地質(zhì)的不同，重錘試驗(yàn)的效果也有不同，基本上可分為“單調(diào)下降(回升)型”、“振蕩型”、“中間型”三種，其中只有“振蕩型”的井孔才有可能用此法求解出井孔的固有振蕩頻率。

表3　皖22井水震波及地下水微動(dòng)態(tài)頻譜分析震例庫

(4)由于天然地震引發(fā)的水震波來自不同時(shí)間、不同地點(diǎn)、不同震深、不同震級(jí)的地震觸發(fā)，其發(fā)震環(huán)境、發(fā)震機(jī)理及傳播路徑不盡相同，且地震面波也不是一個(gè)恒定頻率的振蕩波，因而不能簡(jiǎn)單地理解為水震波的振蕩頻率就是地震面波的振蕩頻率。但該井不同時(shí)期，不同方法引發(fā)振動(dòng)波的振動(dòng)周期卻大致相同，從而說明水震波的頻率主要是記錄該井孔-含水層的固有頻率。

(5) 如果說水震波的頻率主要是記錄該井孔-含水層的固有頻率。那么可不可以將每次大地震的水震波收集起來，同時(shí)對(duì)有條件的井孔制造類似重錘實(shí)驗(yàn)的人工觸發(fā)水震波，求出每口井的固有振動(dòng)周期，繪制成井網(wǎng)水井振動(dòng)頻率分布圖，從地理空間上觀測(cè)井孔固有振動(dòng)周期的變化。正常情況下因?yàn)樗鼈兊恼駝?dòng)頻率是基本不變的，一旦出現(xiàn)振動(dòng)頻率異常區(qū)域，可視為該區(qū)域巖層應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了變化，從這個(gè)角度探索預(yù)報(bào)地震的可能。

參考文獻(xiàn)

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Well water triggered wave and its wave's decomposition

XU Qing-Hua1，YANG Lin-gen2

(1.Seismological Bureau of Huaibei Ciyt, Huaibei 235000,China；2.Seismological Office of Chaohu Ciyt , Chaohu,23800,China)

Abstract:Well water triggered wave refers to the water wave which appear in the well-aquifer system under the action of external force and can cause borehole water level oscillations.It can be divided into two kinds, artificial triggered wave of well water and natural triggered wave of well water.In terms of short cycle, artificial triggered wave of well water includes such as weighted hammer experiment, well sealing experiment and underground water blasting experiment.Natural triggered wave of well water is mainly water level oscillation caused by earthquake wave in the well-aquifer system.

This article takes Wan No.22 Well as an example, firstly introduces how the variance analysis cycle decomposition method is used to extract several sequence values containing characteristic in the time series data from water level observation records.Then simply introduces experimental methods of obtaining water level oscillations with a weighted hammer.Finally,based on the analysis of experimental data as well as well water level oscillations caused by the earthquake wave triggers aquifer in the well area at the same time,the article gives a point of view that the main oscillation frequency of borehole water is raised from the natural vibration frequency.

Key words:Well water triggered wave Variance analysis Cycle decomposition method

[收稿日期]2015-10-28

[作者簡(jiǎn)介]徐清華(1969-)，女，安徽濉溪人，工程師，主要從事地震前兆觀測(cè)與研究工作。

[中圖分類號(hào)]P315.72+3

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1004-1184(2016)01-0038-04