潘國勇，王 軍

（上海市地震局，上海 200062；上海佘山地球物理國家野外科學(xué)觀測研究站，上海 201602）

地下水位的異常變化包含很重要的地震前兆異常信息，但亦有可能是由環(huán)境干擾所致，所以正確識別與排除異常，對科學(xué)判定震情至關(guān)重要。經(jīng)過50 多年的發(fā)展，地下水位觀測技術(shù)已日臻成熟，并且在地震監(jiān)測中起到了至關(guān)重要的作用。在已有理論知識的指導(dǎo)下，隨著研究的不斷深入，在異常核實方面也逐漸建立了一套完整的方法[1]，在這些理論和方法指導(dǎo)下，國內(nèi)外學(xué)者對地下水的震前異常進行廣泛研究并且取得了一系列的優(yōu)秀成果[2-5]。

崇明地震臺（以下簡稱“崇明臺”）新井水位自投入觀測以來每天都有一個較大幅度的下降型臺階，最大下降幅度達0.95 m。為了弄清下降型水位異常是環(huán)境干擾所致還是地震前兆異常，本文按照地下水異常核實方法，對引起下降型臺階的各種因素進行分析，并在查明原因的基礎(chǔ)上提出改進措施。

1 崇明臺新井水位觀測概況

崇明臺位于崇明島的中南部，地勢平坦，水系發(fā)達，隸屬崇明縣豎新鎮(zhèn)行政區(qū)，建于1974 年，1976 年投入觀測，屬國家級基本臺，有電磁和流體兩大前兆觀測學(xué)科，共13個觀測項目，在地震監(jiān)測中發(fā)揮著重要作用。

崇明臺新井地址為崇明島豎新鎮(zhèn)新烈南路206 號。始建于2014-09-18，終孔于2014-12-29，歷時三個半月?；鶐r井孔深416.13 m，其中0～367 m 為第四系泥夾砂型的松散沉積物，367～388.2 m 為全風(fēng)化至中等風(fēng)化花崗巖，388.2～416.13 m 為微風(fēng)化花崗巖。成井時，上部0～27.41 m 為ф168×6.5 mm 的不銹鋼套管，同時包有長24 m 的ф273 mm螺旋鋼外套管，中部27.41～386.8 m 為ф168×6.5 mm 的地質(zhì)無縫鋼套管，下部386.8～416.13 m 為ф150 mm 的基巖裸孔。2016-11 開始水位觀測，使用的儀器是ZKGD3000-N 型地下流體監(jiān)測系統(tǒng)。其既可單獨監(jiān)測地震觀測井的水位或水溫，也能同時監(jiān)測水位、氣壓和水溫等多個測項，具有運行穩(wěn)定、可靠、安裝維護簡便等優(yōu)點。

2 異常調(diào)查及成因分析

2016-11-26 該井投入水位觀測以來，該井每日都有一個較大幅度的下降型臺階。本文按照地下水異常核實方法對引起水位變化的原因，進行了詳細(xì)的核實。

2.1 地質(zhì)構(gòu)造分析

地質(zhì)構(gòu)造上，崇明新井位于揚子地塊東南邊緣的上海斷塊隆起區(qū)，喜山運動后下沉接受堆積，之下為燕山晚期花崗巖，構(gòu)造穩(wěn)定，周圍無大型水庫、礦山采空區(qū)、降雨聚水區(qū)、大型抽水站且10 km 以內(nèi)未見較大斷裂。水位觀測期間在崇明區(qū)發(fā)生過兩次地震，即2017-01-26 的ML0.8 地震和2017-05-25 的ML1.3 地震，地震當(dāng)天水位數(shù)據(jù)沒有記錄到地震前兆信息，記錄到的信息仍為日常下降型臺階水位異常。由此可知，并不是地震活動引起，也并非受地質(zhì)構(gòu)造的影響。

2.2 觀測系統(tǒng)檢查

觀測儀器運行狀況、線路、電壓等因素可以引起異常變化。通過總結(jié)以往經(jīng)驗，崇明臺存在以下干擾：儀器故障、傳感器故障、外線路故障、數(shù)采故障、電源故障以及停電等。而這些故障造成的影響往往是單點突跳、毛刺、數(shù)據(jù)格式錯誤以及斷記等，不會出現(xiàn)上文中有規(guī)律的臺階狀干擾?，F(xiàn)場校測水位埋深為13.63 m，而監(jiān)測系統(tǒng)記錄的水位分量為13.61 m，誤差在允許范圍之內(nèi)，符合技術(shù)規(guī)范要求；其他技術(shù)指標(biāo)也均符合要求。此外，同井抽水時水泵的開啟與關(guān)閉的瞬間可能會由于電壓不穩(wěn)導(dǎo)致水位突變。但是經(jīng)仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)，這種情況下水位會在短時間內(nèi)恢復(fù)至與原水位相似的高度，而不會出現(xiàn)本文中“下降—幾個小時的平衡階段—恢復(fù)到原始高度”的情況，所以排除水泵閉合瞬間電壓不穩(wěn)造成的影響，從而排除觀測系統(tǒng)的影響。

2.3 地下水開采與補給情況分析

地下水的開采是影響地下水位變化的重要因素。本文對2016 年以來新井周圍5 km 內(nèi)的開采井進行了調(diào)查。發(fā)現(xiàn)距崇明新井約300 m 處的三烈中學(xué)內(nèi)有一個575.25 m 深的井，該井原為測震專用井，成井后，由于技術(shù)指標(biāo)不達標(biāo)等問題而廢棄，現(xiàn)作為水位、水溫觀測點。除此之外周圍無開采井。當(dāng)?shù)鼐用竦娘嬘盟F(xiàn)為長江原水，農(nóng)田灌溉用水為地表水，新井周圍無同層開采井。

地下水的補給是影響地下水位變化的另一個重要因素，當(dāng)?shù)氐叵滤难a給主要來自降雨。收集2017-06-01—2017-07-31 該區(qū)降雨資料。崇明新井水位和降雨量變化關(guān)系曲線如圖1 所示。從時間上來說，降雨與水位變化并非一一對應(yīng)。從降雨的量來分析，也不足以因此這么大幅度的水位變化。加之，該井是深水井本身受地表降水影響也不大，可排除降雨因素的影響。

圖1 崇明新井水位與降雨量變化曲線

2.4 水位異常與抽水

崇明新井在用于觀測水位的同時也作為水氡觀測井，所以每天都會進行抽水操作。從成因上分析臺階的下降和恢復(fù)過程符合抽水過程造成的影響，且抽水的起止時間和臺階出現(xiàn)的時間大體相符合。為了進一步驗證臺階的產(chǎn)生是不是由于抽水造成的，又做了如下實驗。臺階型水位隨水泵開閉時間的變化情況如圖2 所示。

開泵時間不變：在開泵時間不變的情況下，觀察臺階出現(xiàn)的情況。將2017-06-01—2017-06-15 每天開泵的時間都設(shè)置為5：21：00—8：51：00。研究發(fā)現(xiàn)臺階出現(xiàn)的時間與開泵時間同步，如圖2（a）所示。

開泵時間變化：從2017-06—2017-12，每個月月初將開泵時間提前1 min，開泵時長不變，如圖2（b）所示。發(fā)現(xiàn)下降型臺階出現(xiàn)和終止的時間也隨著開泵時間發(fā)生相應(yīng)變化（為了使圖形更清晰，所以圖2（b）中只放了2017-06-01、08-01、10-01 和12-01 的，所以在圖上開泵時間顯示的時差是2 min）。

綜上所述，崇明新井深層水位出現(xiàn)的臺階變化可判定為干擾異常，干擾是由于水氡觀測時抽水所致。抽水造成的下降型臺階主要分為三個過程：第一階段從開始抽水到水位穩(wěn)定，此時抽水一直持續(xù)進行；第二階段是整個過程中地下水位已經(jīng)達到并且維持穩(wěn)定的一個階段，此時水位曲線中的固體潮開始恢復(fù)；第三階段是停止抽水后水位的恢復(fù)階段。

圖2 臺階型水位隨水泵開閉時間的變化情況

3 改進措施

明確原因以后，在盡量不改變現(xiàn)有觀測條件基礎(chǔ)上，為保證水位觀測質(zhì)量，提出一個解決臺階問題的方案——連續(xù)開泵，持續(xù)抽水。開始抽水時，抽水量大于補給量所以水位下降得很快。隨著水位的繼續(xù)降低，周圍水的補給量越來越大也越來越快，當(dāng)抽水量等于補給量時，水位達到穩(wěn)定狀態(tài)，水位不再降低，此時水位記錄的固體潮恢復(fù)。如果再持續(xù)抽水，那么抽水造成的影響就相當(dāng)于在沒抽水時水位數(shù)據(jù)減去一個基線值，在此基礎(chǔ)上記錄的水位就相當(dāng)于靜水位。通過連續(xù)開泵，持續(xù)抽水實驗，可以看出臺階問題得到了解決并且固體潮信息記錄很清晰，如圖3 所示。

圖3 連續(xù)抽水時的水位變化

為了驗證連續(xù)抽水這段時間記錄的固體潮信息是否可靠。崇明新井水位的觀測層位與距其300 m 的三烈中學(xué)井距崇明新井的觀測層位相同且距離較近，把連續(xù)抽水這段時間的水位變化趨勢和三烈中學(xué)井水位的變化趨勢作對比，如圖4 所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)變化趨勢一致。這也說明了持續(xù)抽水過程中記錄的固體潮信息是可靠的。

圖4 崇明新井持續(xù)抽水時水位與三烈中學(xué)井水位記錄的固體潮信息對比

4 結(jié)語

崇明臺新井水位出現(xiàn)的臺階可判定為干擾異常，干擾是由水氡觀測時抽水所致。抽水造成的下降型臺階主要分為三個過程：第一階段從開始抽水到水位穩(wěn)定，此時抽水一直持續(xù)進行；第二階段是整個過程中地下水位已經(jīng)達到并且維持穩(wěn)定的一個階段，此時水位曲線中的固體潮開始恢復(fù)；第三階段是停止抽水后水位的恢復(fù)階段。明確干擾原因以后，提出一個解決臺階問題的方案——連續(xù)開泵，持續(xù)抽水，在不改變現(xiàn)有觀測條件的基礎(chǔ)上很好解決了抽水造成干擾，對日后分析前兆異常具重要的指導(dǎo)意義。