王曉濤，丁風和，賀嘉偉，馬云舉，馬治寧

（寧夏回族自治區(qū)地震局，寧夏 銀川 750001）

0 引言

地下流體是影響地震孕育與發(fā)生的重要因素，可靈敏反映重要前兆信息，是地震預測、預報的有效手段之一[1-2]。但其受多種自然環(huán)境的影響也較大，因此如何識別和排除各種干擾異常，是地震分析預報工作中的重要任務[3]。影響地下水位變化的因素很多，普遍存在的有開采、降雨、氣壓及固體潮等，多位學者曾對地下水位與各干擾因素的關系開展了研究[4]。地下流體水溫觀測中微小的變化可能反映地震孕育、發(fā)展和發(fā)生過程或地殼構造活動引起熱狀態(tài)的改變，在地震監(jiān)測預報研究中發(fā)揮著重要的作用，因此水溫異常識別和提取是地震預測預報的一種有效手段。另外有學者就水位、水溫的同步性變化特征進行了討論，根據(jù)同步尺度的不同，對同步協(xié)調的機理進行解釋[5]。

海原紅羊井水位于2020年2月20日出現(xiàn)快速下降，下降幅度達0.013m，同一時段該井水溫也出現(xiàn)下降，下降幅度達0.016℃，兩者出現(xiàn)了同步協(xié)調變化（圖1）。根據(jù)觀測資料統(tǒng)計，2015年中旬以來，水位、水溫多次出現(xiàn)瞬時同步變化現(xiàn)象，其中水位最大變化幅度達0.068m，水溫最大變化幅度達0.032℃。2015年5月1日至2020年3月24日，紅羊井水位、水溫出現(xiàn)的同步協(xié)調變化現(xiàn)象共計28次，其中同步上升共25次，同步下降共3次。該異常變化是區(qū)域構造活動造成的，還是由其他干擾因素所致？針對這一問題筆者分別從干擾因素調查分析、井下電視檢查、水化學分析、滯后時間與階躍響應函數(shù)分析、頻譜分析、潮汐參數(shù)分析計算及區(qū)域其他前兆異常對比分析等多種方法對該井出現(xiàn)的水位、水溫同步變化進行了綜合分析。

圖1 海原紅羊水位、水溫整點值曲線圖（2019年10月—2020年3月）Fig.1 Curves of water level and water temperature in Haiyuan Hongyang Well from October 2019 to March 2020

1 區(qū)域背景資料

海原紅羊井是寧夏地質局第一水文地質隊1976年8月建成，成井深度416.50m，套管直徑127mm，孔口標高2095.63m，觀測段位于12.88～416.50m，水位降深44.20m。開始觀測時間為1980年。觀測含水層為K1砂巖、砂礫巖，成井時涌水量為0.625L/s，水溫9℃，pH值7.2，地下水類型為承壓水。

紅羊井位于寧夏海原縣紅羊鄉(xiāng)東約1.5km，下紅羊村北。地處南華山南麓與月亮山北麓之間的中低山丘陵地帶。海拔高度2083m。該測點屬無人職守，距海原縣城53km，有鄉(xiāng)間柏油路，交通便利，供電、通訊條件好，維護看管安全可靠。紅羊流體觀測臺位于海原斷裂帶南側，月亮山北麓，場區(qū)地貌類型以黃土丘陵及土石山區(qū)為主。場區(qū)所屬海原—六盤山弧形構造帶內(nèi)，區(qū)內(nèi)地震活動強烈，如1920年海原8.5級特大地震就發(fā)生在測點以北的海原斷裂帶上。

圖2 紅羊井水溫隨深度變化曲線Fig.2 Curve of water temperature with depth in Hongyang Well

2 異常調查分析

2.1 干擾因素分析

針對紅羊井自2015年中旬以來多次出現(xiàn)水位、水溫同步變化現(xiàn)象，筆者聯(lián)合流體學科組專家及臺站工作人員成立異常核實小組，對該現(xiàn)象進行了核實，檢查的項目包括：觀測系統(tǒng)檢查、氣象因素調查、周邊地下水使用調查、周邊地下水補給與排泄干擾調查。最終調查結果表明：紅羊井觀測儀器工作正常，數(shù)據(jù)采集、供電系統(tǒng)、避雷系統(tǒng)工作正常，水位、水溫探頭電纜固定裝置均正常。觀測點東北側有一工地抽水井，井深17m，該井的抽水可能對紅羊井水位、水溫產(chǎn)生影響。

2.2 水溫梯度實驗

臺站工作人員按照規(guī)范要求對紅羊井進行了每3m間隔的水溫梯度測量，測量結果如圖2、圖3所示。結果表明，隨著觀測井深度增加，水溫逐步增加。井下0～12m段，隨井深增加，水溫增加速率較為明顯，水溫梯度變化也大。在井下12m處，水溫梯度曲線斜率發(fā)生變化，結合井孔柱狀圖分析，井下12m段含水層巖性發(fā)生變化，由砂礫巖變?yōu)楹[粗砂巖。井下12～51m段，隨深度增加，水溫增大幅度變化不大，梯度曲線較為光滑，表明該段井下套管封閉性較好。在井下51m處，溫度梯度曲線斜率發(fā)生明顯變化，該處往下隨深度增加，水溫變化幅度也較大，由此推測井下51～54m段井孔可能與外界有很強的水力聯(lián)系，初步判斷該段護壁的套管可能由于長年受井水腐蝕導致封閉性變差。

圖3 紅羊井水溫梯度隨深度變化曲線Fig.3 Curve of water temperature gradient with depth in HongyangWell

2.3 井下電視檢查

異常核實小組利用深圳嘉怡豐便攜式井下監(jiān)視系統(tǒng)對井孔進行了檢查。下放過程中首先發(fā)現(xiàn)水面處漂浮一些懸浮雜質，入水后水質清澈無雜質。井下12.0m左右處懸浮大量雜質且擾動速率較快，結合井孔剖面資料、前述溫度梯度測量結果和環(huán)境干擾情況調查結果，紅羊井在該段存在透水現(xiàn)象，井孔可能與外界有較強的水力聯(lián)系。井下12.0～51.0m左右懸浮雜質少且擾動速率較慢。在井下51m處，發(fā)現(xiàn)井水從井壁外側向內(nèi)間歇性快速流動，水流間隔約30秒，推測該段井壁套管可能由于長年受井水腐蝕，封閉性有所變差，與外界有一定的水力聯(lián)系。探頭下放至55m無法繼續(xù)，從井下電視觀察該處已被淤泥堵塞。

2.4 多方法綜合判定紅羊井的地下水類型

2.4.1 基于滯后時間與階躍響應函數(shù)確定的地下水類型

利用井水位對氣壓的滯后時間與階躍響應函數(shù)可定量診斷井孔的地下水類型[6]，即是否為承壓水還是非承壓和半承壓水。從紅羊井2015—2018年水位對氣壓的滯后時間（12h）和水位對氣壓的階躍響應函數(shù)的關系可以看出（圖4）：二者間存在明顯的以e為底的指數(shù)函數(shù)形式，即A（i）=aebi+c。在第一象限內(nèi)，其滯后時間i（定義域） 的范圍為0～12h，值域階躍響應函數(shù)A（i）的范圍為0～1。隨著水位對氣壓的滯后時間的增大，該井水位對氣壓的階躍響應函數(shù)則呈遞減趨勢。這表明底數(shù)e前的系數(shù)a＞0時，水位對氣壓的階躍響應函數(shù)，隨著水位對氣壓的滯后時間的增大而減小，由此表明該井含水層系統(tǒng)的地下水類型為承壓水。

2.4.2 基于頻譜分析（潮汐波分量的預期響應）確定的地下水類型

選取紅羊井2019年10月至2020年3月的水位整點值數(shù)據(jù)，得到水位頻譜結果（圖5）。通過頻譜分析發(fā)現(xiàn)，引起紅羊井水位變化的主要潮汐分波有S2和M2波。其中，S2波由氣壓引起，M2波由日月引潮力引起，更真實更穩(wěn)定。另外，從地下水類型和潮汐波預期響應的關系及紅羊井原始水位的頻譜結果判定來看（表1），該井含水層系統(tǒng)地下水類型為承壓水或半承壓水的混合水。

圖4 2015—2018年紅羊水位對氣壓的階躍響應函數(shù)與滯后時間的關系Fig.4 Relation between step response function of water level and air pressure and lag time of Hongyang Well from 2015 to 2018

圖5 紅羊井原始水位的主要潮汐分波振幅譜Fig.5 Amplitude spectrum of main tidal partial wave at original water level of Hongyang Well

表1 地下水類型和潮汐波預期響應的關系及紅羊井判定結果

2.4.3 基于潮汐波群相位滯后確定的地下水類型

利用維尼迪科夫調和分析程序，分別計算了紅羊井水位2019年10月—2020年3月時段M2波和S2波的相位滯后，結果表明：（a） 該時段內(nèi)M2波相位滯后均值為-2.69°，M2波相位滯后誤差為2.57°；（b） 該時段內(nèi)S2波相位滯后均值為31.31°，S2波相位滯后誤差為2.4°?？紤]到S2波振幅最大，因此選定S2波相位滯后來判定該井的地下水類型，即基于潮汐波群相位滯后確定的該井地下水類型為半承壓水和非承壓水的混合水。

2.4.4 基于地下水平衡狀態(tài)確定的地下水類型

根據(jù)Na-K-Mg三角圖可評價水-巖平衡狀態(tài)和區(qū)分不同類型的水樣，能把未成熟水（淺表水）、混合水和平衡水（深層水）很好地分開。結合地震科技星火計劃（XH16040Y）對甘鹽池井近幾年水化學離子樣品測試結果分析發(fā)現(xiàn)，除了甘鹽池井成井時地下水平衡狀態(tài)為部分平衡水外，近幾年該井都以淺表水為主，且靠近Mg端元。

表2 紅羊池井多方法綜合判定的地下水類型統(tǒng)計結果

2.5 水化學組分分析

結合地震科技星火計劃（XH16040Y），對紅羊井近幾年水化學離子樣品測試結果進行分析發(fā)現(xiàn)：

（1） Na-K-Mg三角圖用于將水分為完全平衡，部分平衡和未成熟水三種類型，可以較好地用于解釋水的起源。將樣品數(shù)據(jù)點投到Na-K-Mg三角圖中，結果表明，紅羊井全部處于“未成熟水”范圍內(nèi)（圖6），表明其為淺層地下水，主要接受大氣降水的補給，循環(huán)周期相對較快，水-巖之間尚未達到離子平衡狀態(tài)，水巖作用仍在進行。

（2）根據(jù)舒卡列夫分類，紅羊井2016年以來3期水化測試結果都表明，紅羊井屬于Ca-Mg-SO4型水（圖 7）， 溶解性總固體 （TDS）高達3618.245mg/L，說明水巖作用較強，井孔內(nèi)水質礦化度高。另外無論是豐水期還是枯水期井水的陰陽離子差異不大。

圖6 紅羊井井水水化離子測試三角圖Fig.6 Na-k-Mg triangular diagram of Hongyang Well water

圖7 紅羊井井水水化離子三線圖Fig.7 Piper trilinear diagram of Hongyang Well water

（3） 氫氧穩(wěn)定同位素的變化特征能表明地下深部熱流活動狀態(tài)。以2017年7月同位素測試結果來看（圖8），井水同位素靠近全國大氣降水線且偏正上方，表明該井除受區(qū)域降雨影響外，還受碳氫化合物交換的影響。大氣降雨成因，即主要接受大氣降雨補給。紅羊井水氫氧同位素測值偏大氣降水線左側，呈δ18H正向漂移，表明地下水與圍巖介質發(fā)生了水-巖反應。

（4） 利用地下水水溫（T），依據(jù)

可推算井水的大致循環(huán)深度（H）。式中t為海原的年平均氣溫，這里取7.0℃；h為年常溫帶深度，取30m；地熱梯度r的平均值取3℃/100m[7]；地下水溫度取10℃。依據(jù)上述公式推算出地下水的大致循環(huán)深度約H=130m。

2.6 水位潮汐參數(shù)計算分析

依據(jù)前述頻譜分析可知，紅羊井水位的半日波中S2波的振幅最大，但考慮到M2波由日月引潮力引起，更真實更穩(wěn)定。為此，我們利用維尼迪柯夫調和分析程序可獲得紅羊井水位S2波和M2波潮汐因子和相位滯后等參數(shù)。結果表明：（1） 由于S2波主要有氣壓引起，其潮汐因子、相位滯后時序曲線呈明顯的周期變化，除個別時段誤差較大外，S2波的潮汐因子和相位滯后整體變化平穩(wěn)（圖12）；（2） 從紅羊井水位M2波潮汐因子、相位滯后時序曲線看出（圖10），M2波的潮汐因子和相位滯后整體變化平穩(wěn)。

圖9 2019年10月以來，紅羊井原始水位的S2波潮汐因子（上）和相位滯后（下）時序曲線Fig.9 The timing curves of S2 wave tidal factor(upper)and phase lag（lower） of Hongyang Well water since October，2019

圖10 2019年10月以來，紅羊井水位的M2波潮汐因子（上）和相位滯后（下）時序曲線Fig.10 The timing curves of M2 wave tidal factor（upper）and phase lag （lower） of Hongyang Well water since October，2019

2.7 區(qū)域其他前兆資料分析

寧夏南部的流體、磁電和形變中，共有15個測項。其中，流體8項，磁電3項，形變4項。2020年度以來，被確定為異常的有（表3）：（1） 海原地電阻率NS向2018年2月以來出現(xiàn)低值下降變化，下降幅度明顯大于年變幅度；（2）固原磁測深視電阻率2018年1月以來NS向和EW向10min、20min和40min周期變化不同步；（3）涇源伸縮儀EW向2018年6月以來持續(xù)上升，與2011年之后極度類似，存在趨勢上升異常。且這些既有異常與紅羊井水位、水溫多次出現(xiàn)的同步異常變化不存在時間上的同步性和內(nèi)在聯(lián)系，且不具備地震前兆異常群體性特征。

表3 2020年度寧夏南部前兆觀測趨勢異常情況

3 異常機理探討

在實際工作中常會遇到地震觀測井水位異常上升的現(xiàn)象，從機理分析，導致該類異常的原因主要有：（1）區(qū)域應力場作用導致含水層孔隙壓增加，地下水從含水層流向井內(nèi)致水位、水溫變化；（2）地下水補給量增加；（3）地下水開采量減少。而影響井水溫度動態(tài)的主要因素是井與含水層間及井筒內(nèi)的水流運動，其次是井水與井筒外巖石間存在的溫度差異，導致井與含水層間與井筒內(nèi)的水流運動，此時在水溫梯度作用下會產(chǎn)生井筒內(nèi)不同深度上的水溫異常變化。根據(jù)冷熱水混合機理，假定某一井的井水是深層熱水與淺層冷水混合而成的，井水中原有的冷熱水混合比發(fā)生變化，冷水所占比例變小，熱水所占比例相對變大，導致井水溫上升，水位下降[8-10]。根據(jù)前文的論述，基本排除紅羊井水位、水溫協(xié)調同步變化現(xiàn)象是由區(qū)域應力場作用導致。

從觀測資料分析，自2015年以來，紅羊井水位、水溫一直呈下降趨勢。該井成井深度為416.5m，但55m以下的井筒已被泥沙堵死，實際深井僅55m，觀測含水層為12.88m以下的全井段，井水為上層冷水和下層熱水的混合水。依據(jù)地下水循環(huán)深度估算公式，推算出紅羊井水的大致循環(huán)深度約為130m，意味著該井有來自深部熱水的補給。結合水溫梯度測量結果，55m放置水溫探頭處的水溫高于上層井筒水溫，由于該井在51m處存在與井筒外較強的水利聯(lián)系，當來自井筒外的深部熱水加入到水溫較低的井筒中，就會引起溫度探頭放置處水溫的上升及井筒內(nèi)水位的上升，這也就解釋了紅羊井自2015年多次的水溫、水位同步瞬時上升現(xiàn)象，機理解釋圖如圖11所示。2020年2月20日的水位、水溫同步下降異常，可能由于觀測井房西北側的實驗工地井抽水，使井筒內(nèi)的冷水從井壁破裂處（51m處位置）回流至井筒外，導致水位、水溫瞬時同步下降。綜合分析認為紅羊水位、水溫同步協(xié)調變化符合水-熱動力學機制，而非地震前兆異常。

圖11 紅羊井水位、水溫異常機理解釋圖Fig.11 Diagram of abnormal mechanism of water level and temperature in Hongyang Well

4 結論

井水位、水溫異常的變化機理較為復雜，既與區(qū)域構造活動有關，也與井孔自身的水文條件密切相關。通過井點歷史資料、以及現(xiàn)場對觀測系統(tǒng)工作狀態(tài)檢查、水溫梯度分析、環(huán)境干擾情況調查（降雨和氣壓等）、井下電視探查、同位素與水化學組分分析、多方法綜合判定井的地下水類型、氣壓系數(shù)和潮汐參數(shù)分析和區(qū)域其他前兆資料分析等，2015年中旬以來，紅羊井水位、水溫多次出現(xiàn)的同步協(xié)調變化真實可信，引起這一現(xiàn)象的原因可能與井下51m處井壁受腐蝕破裂，使得破裂處含水層的地下水與井筒內(nèi)井水快速交換所致，并非地震構造活動引起的前兆異常，后續(xù)需密切跟蹤和做更深入的分析。