朱鵬濤, 丁風和, 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,其動態(tài)變化能較靈敏地反映構造活動和地震孕育的信息[1]。地震地下水位觀測是以捕捉地震活動信息為目的的淺層地殼流體觀測手段,但連續(xù)觀測水位不僅僅觀測到地震活動信息,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態(tài)研究地震信息的過程中,必須先研究地下水的正常動態(tài),以此判別異常。如若不進行影響因素的分析研究,就無法提取正確的地震前兆信息[3]。

另外由于用于地震前兆觀測的地下水觀測井大都是20世紀60年代以來相繼建造和改建的,且在成井時也僅是定性的從地下水種類、成因、補給區(qū)與分布區(qū)的關系和動態(tài)特征等方面進行了類型上的區(qū)分。這些井經過幾十年的觀測,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地殼動力作用的響應能力,而且嚴重影響了觀測數(shù)據(jù)分析與對微動態(tài)特征的認識,特別是影響了地震前兆信息的識別與提取。因此,研究井水位各類影響因素與水位的動態(tài)變化,還可以直接或間接地反映井孔水位觀測資料的質量和可信度。利用不同方法對地下水類型進行深入分析,能更嚴謹?shù)嘏袆e地下水位觀測的質量和可信度,提升水位觀測的有效性和科學性,為地下水位觀測井的準入(退出)機制提供可靠依據(jù)[4]。因此,本文選取運行穩(wěn)定、干擾較少的海原甘鹽池井和甘鹽池新井(以下簡稱GYC井和GYCN井)做對比分析。GYC井成井時間較長,而GYCN井由寧夏地震局于2020年建造,通過對比分析為多年的地震觀測井、新建觀測井如何在進行地下水埋藏類型綜合評價、觀測質量評價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,并結合氣壓以及區(qū)域降雨量進行影響因素分析,同時基于滯后時間與階躍響應函數(shù)(卷積回歸法)、潮汐波分量的預期響應(頻譜分析法)、潮汐波群相位超前或滯后(調和分析法)等三種方法來診斷和判別這兩口井含水層的地下水埋藏類型,分析井水位動態(tài)特征的差異性。

1 區(qū)域地震地質與觀測井概況

本文研究的兩口井均處在海原左旋走滑斷裂內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,觀測井周圍地勢開闊。甘鹽池盆地屬中帶大陸性季風氣候類型,年降雨量在240 mm左右,年蒸發(fā)量達2 000 mm左右,年均氣溫在5～8 ℃。區(qū)域地下水的補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給。西華山山體由前寒武系的大理巖、石英片巖、片麻巖構成主體,局部有泥盆系砂礫巖。由于長期構造運動和風化剝蝕,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年由寧夏地質局第二水文工程地質隊建設,井深165.64 m,GYCN井是2020年由寧夏地震局建設,井深209 m。兩口井均有三個含水層,GYC井的三個含水層上布設了三個濾水管,而GYCN井只在最底部的含水層上布設了濾水管。井孔詳細信息見表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型,探討其與成井時不一致的原因。經過分析認為,由于我國地震地下水觀測井多從地質、石油、水利、礦產等其他行業(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,考慮時間的一致性,故選取這兩口井2021年4月至2022年1月水位、氣壓整點值。為了確保數(shù)據(jù)質量,需對這兩項數(shù)據(jù)逐個檢查,要求每天必須有24個數(shù)據(jù),缺數(shù)的地方用“999999”標記,水位單位為m,氣壓單位為hPa,并利用三次樣條插值和一般多項式擬合值進行替換。由于觀測井附近沒有氣象部門的定點觀測氣象站,因此收集了其最近的海原氣象觀測站的降雨量日值資料。

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

3 地下水埋藏類型判別方法及原理

3.1 卷積回歸法

前人已提出利用井水位對氣壓的階躍響應函數(shù)進行地下水埋藏類型的定量診斷方法,并給出了井水位與氣壓的階躍響應函數(shù)和滯后時間之間變化規(guī)律的關系式,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應的水位、氣壓和理論固體潮數(shù)據(jù)來擬合階躍響應函數(shù)最佳值的有效方法,從而判斷各井含水層系統(tǒng)的地下水埋藏類型。在不考慮補給、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為滯后時間;m是選擇的最大滯后時間;ΔW(t)為t時刻的水位變化量;α(i)為滯后i時刻的氣壓單位脈沖響應函數(shù);ΔB(t-i)為t-i時刻的氣壓變化量;β(i)為固體潮響應系數(shù);ΔET(t-i)為t-i時刻的固體潮變化量。

井水位對氣壓的階躍響應函數(shù)可表示為:

(2)

式中:A(i)為井水位對氣壓的階躍響應函數(shù),可由氣壓單位脈沖響應函數(shù)α(j)累加求和得到。

3.2 頻譜分析法

在處理時間函數(shù)或序列時,如地下水位觀測數(shù)據(jù)中的提取信號和壓制干擾,首先應分析它們的頻率成份,弄清兩者之間的異同,這就需要從時域轉到頻域上來考慮問題。通常從時域上考慮信號出現(xiàn)的時間和強度并不能將它們區(qū)分開,但從頻域上考慮信號和干擾所占有的頻帶往往容易將它們分開。

一般情況下,地下水埋藏類型和潮汐波預期響應存在一定的對應關系[11]。地球固體潮是很多潮汐的分波,但主要成分是5個日波(O1、P1、K1、Q1、J1)和5個半日波(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個日波和5個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 地下水類型和潮汐波預期響應的關系

3.3 潮汐波群相位超前或滯后法

地球潮汐波是太陽和月球對地球兩種起潮力的合力作用產生的能夠預測和測量的一種自然現(xiàn)象。

目前國際上比較通用的分析方法是維尼迪柯夫調和法,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(°)。

固體潮觀測值:

(4)

式中:S(t)是固體潮觀測值;,Hω和Φω(t)分別表示t時刻的觀測振幅(mm)和相位(°)。

而觀測振幅與理論振幅之比即為潮汐因子δω:

(5)

觀測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際固體潮觀測值與理論固體潮觀測值之比,對井-含水層系統(tǒng)而言,反映的是受周期固體潮應力影響的水位波動振幅與理論固體潮振幅之比。

在此基礎上,可利用井水位觀測中的相位的變化,即相位為正(0°～45°)的超前垂直流和相位為負(-90°～0°)的滯后水平流判斷各井的地下水埋藏類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,最常見的有氣壓、固體潮、降雨、抽水及海潮等,故在分析前應先對水位進行處理。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陸,可以忽略海潮的影響,并且研究的兩口井周圍沒有抽水源,不存在抽水影響,因此本文主要研究降雨和氣壓的影響。

井水位對降雨和氣壓的響應是復雜的,都存在一定時間的滯后效應。利用到近年來井水位對降雨和氣壓滯后響應研究較多的的褶積算法(或稱卷積回歸方法)[16]對GYC井與GYCN井水位進行氣壓校正,水位與氣壓之間的相關系數(shù)分別是0.773和0.656(表3)。結合兩口井原始水位與氣壓的對比(圖2)表明海原甘鹽池拉分盆地內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。降雨的影響更為復雜,將兩口井的水位進行氣壓校正并做歸一化處理后再與降雨作對比,結果顯示降雨量增大時水位都呈現(xiàn)上升趨勢(圖3)。另外,從兩口井水位氣壓校正前、后對比曲線可以看出,校正后的水位波動變小,說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性回歸計算結果

圖2 GYC井和GYCN井原始水位與氣壓關系圖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比Fig.4 Comparison between well water levels before and after pressure correction

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

5 各井地下水埋藏類型分析

5.1 卷積回歸法分析

丁風和等[17]利用卷積回歸法給出了水位對氣壓的滯后時間與階躍響應函數(shù)的關系式,即:

A(i)=aebi+c

(7)

式中:A(i)為井水位對氣壓的階躍響應函數(shù),范圍為0～1;i代表滯后時間,范圍為0～12 h;a為系數(shù),其正、負決定井-含水層的地下水埋藏類型;定義域b值一般小于零,期值大小與井孔的形狀、尺寸(結構)和含水層的水力特性有關。

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

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

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

圖5 GYC井和GYCN井水位對氣壓的階躍響應函數(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值數(shù)據(jù),得到的頻譜分析結果如圖6所示。由圖可知:(1)經氣壓校正后兩口井潮汐分波中的S2波均消失[圖6(b)],則說明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中地下水類型和潮汐波預期響應的關系判定來看,該井含水層系統(tǒng)地下水類型為半承壓水;(3)引起GYCN井水位變化占起潮力95%的5個波都有,其中M2波最穩(wěn)定,且振幅較大、較顯著[圖6(a)中的GYCN井],綜合地下水類型和潮汐波預期響應關系判定,該井含水層地下水埋藏類型為承壓水。

圖6 井水位氣壓校正前、后頻譜分析結果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,利用維尼迪科夫調和分析法分別計算兩口井潮汐波中振幅最大的兩個波(GYC井S2波,GYCN井M2波)相位滯后,結果見圖7。

圖7 GYC井和GYCN井相位滯后對比Fig.7 Phase lag comparison between GYC well and GYCN well

結果表明,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型分別為:GYC井為半承壓水,GYCN井為承壓水。

5.4 綜合評價

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

(1) GYC井綜合判定為混合水,與該井依據(jù)成井時的貯存埋藏條件定性判別的結果(承壓水)存在不一致性。究其原因為該井是從系統(tǒng)外接收的,雖在承壓區(qū),但其成井時間較長且長年失修,存在破損現(xiàn)象,而三個含水層間有過濾管,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型結果

(2) GYCN井綜合判定為承壓水,與該井依據(jù)成井時的貯存埋藏條件定性判別的結果(承壓水)一致,可能是該井2020年由寧夏地震局新打的地震觀測專用井,雖有三個含水層,但只有一個過濾管,與外界聯(lián)系弱。

6 結論與討論

6.1 結論

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,并對其觀測質量和可信度進行了評價。結果表明:

(1) 利用卷積回歸法對兩口井的水位進行氣壓校正,并將其與降雨進行對比分析,發(fā)現(xiàn)氣壓和降雨是影響其水位動態(tài)變化的主要因素。

(2) 通過水位對氣壓的階躍響應函數(shù)法、頻譜分析法和潮汐波群相位超前和滯后法綜合評價兩口井地下水埋藏類型,結果表明:①通過水位對氣壓的階躍響應函數(shù)法得到兩口井的井-含水層系統(tǒng)的地下水埋藏類型均為承壓水,但GYC井的實際值與理論值擬合效果不佳,可能與其成井時間較長、長年失修、存在破損現(xiàn)象以及受地表水影響較大有關;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綜合三種方法的結果,得到兩口井的地下水埋藏類型是:GYC井為混合水,GYCN井為承壓水。

6.2 討論

(1) 在地震系統(tǒng)內如GYC井這樣觀測了幾十年的井還有很多,它們的井孔結構、與外界的水力聯(lián)系以及含水層特性都已發(fā)生了改變,相應產出的資料質量和可信度如何值得商榷;另一方面,我們從國土、水利等部門移交過來的井,怎樣利用這些井才能達到地震觀測的要求,通過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、氣壓整點值,利用上述三種方法綜合評價井的地下水埋藏類型,為提高觀測質量和資料可信度提供科學依據(jù)。

(2) 地震地下水位觀測是捕捉地震活動信息的有利手段,但是地下水位的動態(tài)變化不僅僅有地震活動信息,還摻雜著一些非地震活動信息,比如氣壓、降水、抽水和注水等,所以研究地下水位動態(tài)中存在的各種影響因素,對識別和提取地震前兆信息以及認識井含水層特征都有重要意義,可為進一步認識和理解地下水動態(tài)變化提供可靠的理論基礎。而面對地震觀測井水位影響因素的復雜性,基于多種方法的地下水埋藏類型研究,為地下水位的異常甄別、觀測井的質量和可信度評價以及觀測井點的勘選是非常重要的?？紤]到地下水的運移是一個復雜的動態(tài)過程,本文只分析了氣壓與降水對井的影響以及利用三種方法進行了地下水埋藏類型的判定,若要得到更可靠的結果,今后還需做大量和深入的工作。