天津王3井水位突升异常的调查与研究

龚永俭，程立康，李颖楠，刘学领

(天津市地震局，天津　300201)



天津王3井水位突升异常的调查与研究

龚永俭，程立康，李颖楠，刘学领

(天津市地震局，天津300201)

从观测系统、自然环境、场地环境、人为干扰和地球物理事件等5个方面，对自2015年9月13日起天津王3井水位持续上升异常进行了调查与研究，结果表明：①该异常是受东北方向距其约2.6 km的京津新城供热有限公司钻井注水的影响，非震兆异常；②王3井水位对深井注水的响应较灵敏，无明显时间滞后，水位变化形态呈上升的趋势；③持续注水条件下，王3井水位持续上升，无“饱和”状态，短时停止注水后，王3井水位没有明显的下降恢复变化；④新钻井孔抽水时，王3井水位呈下降的变化形态，下降幅度与出水量成正比，进一步印证了该井水位突升异常系受钻井注水的影响。

水位；异常；地震前兆；天津

0　引　言

地下流体广泛赋存于地壳岩体的空隙之中，具有可自由流动性，是地壳动力过程中最活跃的因素。观测地下流体的各种物理、化学动态，一直被人类作为探索地震预报科学的途径[1-2]。水位对地壳介质应力应变反映灵敏，在大量的中、强震前，水位测项有较突出的异常表现，因此，对地震预报有重要的意义和价值[3-6]。经历“九五”、“十五”项目改造，我国地震系统的水位观测已全面实现了数字化。数字化水位观测具有采集数据信息量大，传输数据速度快，观测数据人为误差小等诸多优点，从而增加了水位高频、短周期的信息量，为捕捉地震短临异常信息提供更加有利的条件[7]。然而，数字化水位观测更易受到观测系统及观测环境等诸多因素的影响[8-18]。地震前兆异常的研究是突破地震预测难关的重要和关键环节[19], 探寻水位异常成因，排除观测中的非震兆异常，使水位观测资料在地震预测中充分发挥作用，其重要性不可小觑[20]。天津王3井(以下简称“王3井”)地处冀中凹陷东北端的王草庄凸起潜山带上，在宝坻凸起和潘庄凸起夹持的拐角处，应力易于集中，该井水位等测项能充分反映地下介质的应力应变状态。自2015年9月13日起，王3井水位突然改变了年变化动态，在下降的背景上出现了较大幅度的上升变化，且持续发展，受到关注。为确定异常成因，按照异常识别成因相关性、空间相关性、时间相关性和强度相关性的原则，从观测系统、自然环境、场地环境、人为干扰和地球物理事件等5个方面进行调查和分析，并对该井水位变化进行跟踪研究，最终确定该异常的成因及非震兆性质。

1　井孔及观测概况

1.1井孔概况及地质构造

王3井位于天津市宝坻区周良街道尹家铺村北(图1、图2)。该井属于承压类型流体观测井，井孔封闭性较好。1978年3月3日成井，井深1 077 m，裸眼段为882 m～1 077 m，含水层岩性为奥陶系灰岩，属岩溶裂隙承压水，热储层为下古生界奥陶系马家沟组和亮甲山组灰岩及白云岩。地质构造位置在冀中凹陷东北端的王草庄凸起潜山带上，其北临宝坻凸起，东靠潘庄凸起，恰好处于这两个凸起夹持的拐角处，是应力易于集中点。凸起内部断层纵横交错，构造复杂。该地区系现今小震活动频繁地带，又距新生代古地震活动遗址较近。从水动力分带特征看，该井位于水动力循环的弱交替带内。

(a)王3井构造位置 (b) 王3井地质剖面

图1王3井构造位置及地质剖面示意

图2　王3井柱状剖面图

1.2观测概况

王3井处于天津市宝坻区周良地热异常区，原为地热自流井，用于水化学取样观测，观测资料在几起中、强震前有突出的异常表现[20]。由于宝坻区人民政府与珠江合生创展公司联合在该井所在地建设京津新城，加之当地里自沽农场建设热带植物园，持续、大量开采地热资源，导致王3井井压不断降低，最终于2007年8月断流，水化学取样观测被迫停止。为使该井继续在地震预测中发挥效能，经充分论证，在该井增上水位、水温和逸出气氦气浓度3个数字化流体测项。其中，水位自2011年正式观测，使用的是中国地震局地壳应力研究所研制的SWY-1A型数字化水位仪。SWY-1A型数字化水位仪系压力型水位仪，采用高稳定性精密半导体压力传感器，仪器中使用了一只62.5Ω、精度为0.01%的标准电阻，使传感器电流流经此电阻，将此电阻上的电压送至数据采集器，然后转换水位值，从而实现对井水位的数字化观测。水位仪探头埋深距井口21.0 m处。自正式观测以来，王3井水位观测数据基本连续、可靠。

2　水位突升异常概述

自2015年9月13日起，王3井水位突然改变了正常的年变化动态，在下降的背景上出现了较大幅度的上升。自9月13日至9月19日，王3井水位上升约1.29 m。其中，9月13日,王3井水位上升速率稍小；9月14日起，上升速率加大，每日变幅约0.3 m，9月16日8时以后，水位上升变化不明显；17日8时后，又重新恢复大速率的上升；19日18时以后，水位变化再次转为平缓(图3)。据不完全统计，该井水位的正常日变幅约0.04 m，以往从未出现过此类大幅的上升异常。

图32015年9月10日～19日王3井水位分钟值曲线

3　异常核实与分析

3.1观测系统检查及水位校测

3.1.1观测系统检查

首先，远程检查王3井SWY-1A型数字化水位仪主机的各项参数，与之前设定的参数无变化。之后，租车到现场检查水位仪的工作状态，电源指示灯、液晶面板显示的数据及主机自校数等均正常；测量水位仪供电交流电压为222 V，经UPS之后稳压为220.1 V(王3井水位仪交流输入端与UPS输出端相连)，水位仪供电电瓶浮充电压为14.21 V，仪器的交、直流供电系统正常；断开水位仪信号避雷器，将探头直接连接到主机上，观测数据与之前无变化，验证仪器信号避雷器正常，之后恢复原状；检查仪器的接地线，无破损，导电性能良好；对通讯链路进行了检查，无线路由器等设备无异常，通讯方式未改变，仍为3G传输方式。

3.1.2水位校测及结果分析

2015年9月15日9时38分至9时42分，现场校测王3井水位，相对误差δ=0.09%，|δ|<1%，校测结果合格，且与上一次校测的相对误差相差不大；9月16日，又现场对水位校测结果进行核查，相对误差与9月15日的校测结果一致。9月15日、16日2次水位校测结果验证了王3井水位观测系统正常，可以确定王3井水位观测数据的变化是真实的、客观的。

3.2自然环境干扰调查

自然环境对水位观测的影响，主要表现在气象因素方面。大量观测实践表明，降雨前后的气压急剧波动、强降雨等气象因素对水位观测有一定的影响。气压急剧波动对水位的影响表现为水位观测数据曲线出现畸变，气压波动结束后，水位恢复正常，这种畸变与气压的变化呈负相关，符合气压减弱孔隙水升高的机理。王3井尚未安装气象三要素仪器，距其约25 km的宝坻新台三要素仪观测数据显示，在王3井水位异常时间段内没有大幅气压波动现象，通过对王3井所在地群众的走访，该时段也未有大风，基本可以断定期间没有大的气压波动。因此，可以排除气压波动对王3井水位的影响。

强降雨对水位的影响表现为水位观测数据出现突升，这是因为强降雨在地表附加了很大的荷载效应，在这种压力作用下孔隙水会出现突升。2012年7月21日至7月22日，持续暴雨，累计降雨量为146.2 mm，王3井水位出现突升，变幅约0.1 m(图4)。异常时间段内王3井周边地区无降水，且既使有降雨，也不可能导致水位有如此显著的持续上升。

图4受强降雨影响的王3井水位分钟值曲线(2012-07-21～07-22)

3.3场地环境干扰调查3.3.1地下水开采调查

从地下抽液或向地下注液，很可能会导致观测井孔水位发生突变，一般注液会导致观测井孔水位上升，抽液则相反；若到平衡状态时，突然大幅降低对地下水的开采(抽液)，也可能会导致水位发生上升变化。王3井在京津新城的边缘，很可能会受到周边地下水开采的影响。调查得知，京津新城供水单位为东山水厂，位于王3井西南方向，该水厂日供水量在5 000 m3～6 000 m3，供水全部来源于引滦渠水，尽管该厂有备用的地下水开采井6口(4口井在本部，用于供应京津新城；2口井在九园工业园，用于供应九园工业园)，但一直未开采地下水。另外，本地农村居民的生活用水主要来源于地下水，但开采井深度基本在200 m以内，开采量相对稳定。该区域内无大型企业、学校大量开采地下水,基本可以排除周边地下水开采对王3井水位的影响。

3.3.2周边地热资源开采调查

京津新城和里自沽农场以温泉为主打项目，地热井主要是用于洗浴(温泉城井)、热带植物种植(里自沽农场井)以及冬季居民取暖，对地热资源的开采利用是显著的。异常时间段是秋季，居民供暖还未开始。故重点对温泉城井、里自沽农场井的地热开采情况进行调查。同时，由于王4井距王3井距离较近(不足1 km ),故对王4井的地热开采变动情况一并调查。

(1)温泉城井(也称为“周良1井”或称为“ZL-1井”)。该井主要用于温泉城温泉洗浴项目和客房供暖。经调查，自2015年9月初起，温泉城对绝大多数的洗浴池进行修缮，只有少量洗浴池开放。但该井对地热水的日开采量与之前8月相比并无明显变化，仍为600 m3～800 m3。这是因为夏季温泉洗浴是淡季，对地热水需求较少。

(2)里自沽农场地热井。该井主要用于农场的热带植物园和采摘园。经调查，该井无开采量的具体数据，但据相关技术人员估计，该井在异常时间段内的开采量无明显变化。

(3)王4井。王4井系宝坻地震台水化学观测井，原断流停测，之后当地公司开发“9号院”旅游服务项目，在该井安装了热泵开采地热水，用于洗浴和客房供暖。由于该井抽水相对稳定，为此宝坻地震台继续采样开展水化学观测。2015年9月3日，王4井热泵出现故障，停泵检修，无法采集水样化验。 9月11日晚，王4井热泵修复，恢复开采地热水。热泵修复前后，该井的抽水方式和出水量基本没有变化。

通过上述排查，基本可以认定周边地热资源的开采没有大的变动，地热资源的开采利用不是王3井水位上升异常的原因。

3.3.3新钻地热井调查

调查得知，位于王3井东北方向约2.6 km的京津新城供热有限公司正在钻一口地热井。现场向相关人员调查得知，该公司计划开凿2口地热井，井深设计在3 000 m左右，一口用于开采地热水供暖，另一口用于回灌。当时正在开凿的地热井为回灌井，编号BD-09B，井管计划有4处变径，直径分别为340 mm、245 mm、178 mm和152 mm。该井已经施工2个月，每日钻井深度约40 m，已钻至2 000 m以下。在钻井过程中，于地表以下1 852 m和1 883 m处分别发现了溶洞。为了保证地下水不受污染，自9月13日7时起，改由向下加压注地表水(渠水)的方式继续钻井，每小时加压注水124 m3。钻井过程中每隔几日就要提钻维护钻头或更换钻头，在此期间停止向地下加压注水。2015年9月16日7时30分左右～9月17日7时左右，曾提钻维护、停止注水。而这段时间，王3井水位变化较平稳，没有明显的上升变化。19日17时左右，再次提钻停止注水，王3井水位在其后再次出现平稳变化。从向地下注液对井水位影响的机理、钻井过程中的注水量、所在地的地质结构以及王3井水位的实际变化情况，初步判断王3井水位上升异常系位于东北方向约2.6 km的京津新城供热有限公司钻井注水所致。

3.4人为干扰调查

王3井为无人值守流体观测井，异常前无人进入观测室。而且，既使有碰触水位仪探头线等人为干扰事件或其他人为干扰事件，也不会出现水位的持续多日上升变化。因此，王3井水位突升异常与人为干扰事件无关。

3.5地球物理事件的影响分析

与水位观测相关联的地球物理事件主要是同震变化和震后效应。9月14日18时10分、18时23分，河北昌黎发生M4.2级、M3.3级地震(震中距约120 km)，而且王3井水位自14日开始上升明显，有必要对此进行分析。

水位的同震变化是地震产生的面波在传播过程中引起的井水位震荡，水位对地震的响应以波动类形态显示，测值不打破原有的变化趋势和过程，仅仅围绕原水位线上下震动，其机理是地震波传播经过含水层时，含水层内会交替地产生弹性压缩与拉张变形，致使空隙压力发生增加与减小的交替变化，导致水位发生上升与下降相交替出现的震荡变化。据多年的观测实践，水位对远场强震往往会记录到水震波，个别情况受仪器分钟值采样率影响会记录到尖峰是波动，这均与王3井突升异常形态不同。并且，河北昌黎地震发生前王3井水位上升的速率已经加大。

水位的震后效应是指水位对地震的响应打破了原有的变化过程,引起井水位快速上升或快速下降，而这种变化一旦出现将持续一定的时间，或产生永久性变化。但是，水位的震后效应表现的上升或下降速率相对较快，往往在十几分钟或几个小时内。王3井水位的上升变化发生于河北昌黎地震之前，在震后也一直未出现转折，应当不是震后效应。

4　跟踪分析

4.1注水与提钻停注跟踪分析

对钻井注水的跟踪调查得知，京津新城供热有限公司新钻地热井注水时间段分别为：2015年9月13日7时至16日7时、9月17日7时至19日17时、9月20日18时至23日6时、9月23日23时至26日18时、9月29日0时至10月2日5时、10月3日6时至4日5时，中间未注水时间段为提钻维护钻头。从图5可以清楚地看到，王3井水位观测数据受京津新城供热有限公司钻井加压注水干扰，产生快速上升变化，至10月4日5时上升幅度约2.592 m；在提钻停止注水时，王3井水位变化平稳，短时间停止注水期间没有明显的下降恢复变化，停钻时间较长时稍有下降变化；王3井水位对新钻井注水的响应时间滞后不明显，注水时间段和停注时间段，在水位变化曲线上易于识别。因此，可以断定王3井水位持续上升系受新钻井注水影响。

图5王3井水位观测数据分钟值曲线(2015-09-01～2015-10-05)

4.2抽水跟踪分析

2015年10月8日18时至13日18时30分，王3井水位出现显著下降变化，下降幅度约1.687 m(图6)。经核查，京津新城供热有限公司新钻地热井已经成井(井深2 598 m)，自10月8日18时左右抽水，下管1 853.03 m，流量128.8 m3/h，10月12日17时左右流量调整为89 m3/h，13日6时左右流量调整为47 m3/h，13日16时30分左右停泵不再抽水。王3井水位显著下降与京津新城供热有限公司新钻地热井抽水时间吻合，进一步表明王3井水位突升异常系受钻井注水影响。从图6也可以看到，当水泵出水量调整为47 m3/h之后，王3井水位下降不再明显。由出水量减少到一定程度，水位下降不明显的事实，也可以推定注水量与王3井水位上升幅度成正比例关系。

图6王3井水位2015年10月7日～15日分钟值曲线

5　结　论

(1)排查、跟踪分析结果表明，王3井水位突升异常是受东北方向距其约2.6 km的京津新城供热有限公司钻井注水影响所致，属于场地环境影响，非震兆异常。

(2)王3井水位对深井注水的响应较灵敏，无明显的时间滞后，变化形态呈上升趋势，注水量对王3井水位上升幅度的影响呈正比例关系。

(3)持续注水的条件下，王3井水位持续上升，未出现“饱和”状态；短时间停止注水后，王3井水位没有明显的下降恢复变化，长时间停止注水，王3井水位有下降变化。因异常前水位变化的背景就是下降，停止注水后的下降究竟是正常变化，还是恢复性变化，尚不能断定。

(4)新钻井孔抽水时，王3井水位呈下降形态变化，这进一步印证了该井水位突升异常系受钻井注水的影响。

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SURVEY AND STUDY ON THE WATER LEVEL JUMP ABNORMAL OF WANG NO.3 WELL IN TIANJIN

GONG Yongjian，CHENG Likang，LI Yingnan，LIU Xueling

(EarthquakeAdministrationOfTianjinMunicipality,Tianjin300201,China)

From five aspects of the observation system, natural environment, spatial environment, human interference and geophysical events, rising to Tianjin water level since September 13,2015, the anomalies were investigated and studied, the results show that:① the abnormal is affected by the heating Co. of Tianjin city in the northeast direction about 2.6 km drilling water, and it is not precursory anomaly;②Water level of Wang No.3 well in deep water is sensitive reaction, the time lag is not obvious, the morphlogical change presents the upward trend;③Under the conditions of continuous water injection, water level of Wang No.3 well is continued to rise, no"saturated" trend, and short-term after injection, the water level is not obviously drop back to change;④New drilling pumping, the water level decreased with morphological changes, and it further confirms that the abnormal of water level in the well jumped by impact of drilling water injection.

Water level; Abnormal; Precursory anomaly; Tianjin

2015-12-20

中国地震局地震科技星火计划攻关项目“天津前兆台网数据跟踪分析质量监控与产出应用研究”(编号：XH15003)；中国地震局“地震监测、预报、科研”三结合课题“水位校测方法的对比实验研究”(编号：150204)资助。

龚永俭(1972—)，男，天津宝坻人，高级工程师,1992年6月毕业于防灾技术高等专科学校应用地球物理专业，2009年7月毕业于西南大学计算机科学与技术专业(网络教育)，工学学士。主要从事地震台站流体、电磁观测技术和网络管理技术的研究．E-mail:gong_123@126.com。

P315.72+3

A

1005-586X(2016)03-0026-07