内蒙古通辽市库伦CK3井水位、水温数据异常特征研究

金小溪，吴 哲，李泽胤

（1.通辽市地震局，内蒙古 通辽028000；2.通辽市地震监测中心，内蒙古 通辽028000）

0 引言

地下静水位、深井水温（地热）观测是地震预测、预报的重要观测手段。地下流体观测中所获得的观测数据，除包含用于地震分析预报和地震科学研究的有关信息外，还含有误差和干扰。因此，异常的调查和落实以及干扰异常的排除和地震异常的提取是进行地震分析预报的前提［1］。库伦CK3井是通辽地区地震前兆观测项目之一，1990 年正式投入地震前兆观测。库伦CK3井水位在1998年张北6.2 级地震、2003年赤峰5.9级地震和2004年锡盟5.9级地震前均表现出明显的震兆异常①金小溪，白领利，刘宏伟，等.2008年通辽市及邻近地区地震造势研究报告.通辽：通辽市地震局，2007.。2013年8月份该井迁址新建，2014 年9月份投入观测。自2015年4 月11日水位开始出现大幅度下降，后每年的4月中旬至11 月上旬均会出现多次类似的大幅度下降变化，下降幅度达0.2～2.5m，同井观测的水温数据同步下降，水温下降幅度为0.05℃左右，对观测数据造成了严重的干扰（图1）。为有效排除异常，提高前兆数据质量，更好地捕捉地震信息，通过对观测系统检查，气象因素对比分析，观测环境调查等方面进行研究分析，同时核实了观测井附近干扰源。

图1 库伦CK3井水位、水温分钟值变化曲线Fig.1Water level， water temperatureminutevalue change curveof Kulun CK3Well

1 区域地质构造及水文地质概况

库伦CK3井位于内蒙古通辽市库伦旗库伦镇。处于华北板块与东北板块的交汇处附近，构造形迹复杂，构造运动强烈。区域地震地质构造上属于新华夏系松辽盆地北部西南缘，新构造运动分区可划分为三个区：大兴安岭隆起区，松辽及下辽河沉积降区，老爷岭—辽东隆起区。各新构造分区均由活动断裂或构造活动带所分隔。区内EW 向构造形成较早，构成主要构造格架，并被后期构造切割和改造，由南到北主要分布有赤峰—开原断裂、养畜牧河断裂、西拉木伦河断裂、乌力吉木仁断裂等。NE—NNE向断裂较为发育，为本区主要活动构造。NE向断裂主要分布有嫩江断裂、老哈河断裂、双泡子断裂、医巫闾山西侧断裂、朝阳—北票断裂及郯庐断裂等。NW 向断裂形成时代最新，切割EW 向和NE—NNE向断裂，区内分布有胡虎尔河断裂。由于区内第四系地层覆盖较厚，多数断裂只在盆地周边有出露，而在盆地内部主要依据航磁、重力和卫片等地球物理异常推断其大致走向。近年来的小震活动及中强地震均发生在这些断裂构造的复合部位附近（图2）。

本区新构造运动表现为南升北降的差异性和不均一的特点。井点北侧直线距离约5km 左右，分布有近东西向展布的养畜牧河断裂，并有河流分布。晚第四纪以来，该断裂以北缓慢沉陷，其南部相对抬升，形成南部山区与松辽平原的分界线。地貌上特征明显，河流南侧为低山丘陵，而北侧是松辽平原南部的沙坨沼泽间布地带。区域内地下水的分布主要受地质构造、地层、岩性结构和气象水文条件的控制，而盆地构造为地下水的赋存提供了良好的环境。在这些因素的综合作用下，形成了本区各种不同的含水层，其中赋存有各种不同类型的地下水。由于含水层结构和补给条件的不同，各种不同类型的地下水其水量差异甚大。以养畜牧河断裂为界，形成了截然不同的两个水文地质单元。北侧为断陷盆地，主要以碎屑岩类裂隙水和松散岩类孔隙水为主；养畜牧河断裂以南，自侏罗纪以来长期隆起为陆地，遭受风化剥蚀，风化裂隙发育，第四纪以来堆积了较厚的风成黄土状亚砂土，赋存着黄土裂隙孔隙潜水和基岩裂隙水。裂隙的富水性主要受断裂的力学性质、破碎的程度以及后期胶结、充填程度的控制，其富水性差异极大，水量悬殊。本区地下水的主要补给来源为大气降水、凝结水、灌水回渗和侧向径流补给，另外融冻水、融雪水、各含水层间的相互补给等也是十分重要的。地下水的排泄，主要消耗于蒸发、补给地表水、人工开采和向下游区径流，但其最主要的排泄方式则是蒸发消耗和人工开采。由于区内地表水贫乏，地下水成为本区主要的生活、灌溉用水水源。

2 研究对象基本情况

2.1 库伦CK3 井基本情况

库伦CK3井隶属于库伦旗科技局（地震办），1990 年1月投入观测。初期为人工使用测绳测钟手动观测，1990 年8月安装SW40型水位自记仪进行水位模拟观测。观测项目于1995年通过内蒙古自治区地震局验收，观测资料自1996年开始参加自治区级评比，曾多次获得自治区地下水位观测第一名及优秀名次（图3）。

2013年8月因城市规划，原观测井所处地段被开发征用进行了搬迁。新建井位于库伦旗政府院内。新建观测井井深102 m，井孔主要出露地层为第四系粘土与侏罗纪火山碎屑岩，观测水为基岩裂隙水（图4）。2014年1月安装LN-3A型数字式静水位记录仪，开始静水位观测，2015年1月23日，安装了SZW-1AV2004型数字式温度计，进行同井水温（地热）观测。

图4 库伦CK3井井孔柱状图Fig.4Boreholecolumnar diagram of Kulun CK3Well

2.2 水位、水温异常特征

库伦CK3井水位仪器安装初期，由于电源原因，数据时断时续。2014 年9月21日解决了电源问题，水位数据及后期安装的水温数据均变化平稳。但自2015年4 月11日水位开始出现大幅度下降，后每年的4 月中旬至11月上旬均会出现多次类似的大幅度下降变化，下降幅度达0.2～2.5m，同井水温数据出现同步下降，水温下降幅度在0.05℃左右。经分析，在水位下降期间，每日出现下降的时间段具有一定的规律性，即每日上午6：00 左右开始下降，下降台阶约持续3个小时后数据上升至原水平；下午17：00 左右开始下降，下降台阶约持续3个小时后数据上升至原水平。同日内下降现象一至两次不定。20：00 至次日6：00无下降现象（图5）。

图5 库伦CK3井水位分钟值曲线图Fig.5Minute mean valae curve of Kulun CK3 Well water level

在《地震台站观测环境技术要求》（GBT 19531.4-2004）中地震地下流体观测中，允许干扰引起的动态变化的相对幅度称为允许干扰度。同时明确规定水位观测的允许干扰度为10%，水温观测的允许干扰度为50%。为进一步量化观测井干扰程度，下面给出库伦CK3井水位、水温实际干扰度。

为计算水位、水温日动态中的实际干扰度，选取2018年2月23日至3月23日整点值（干扰前1个月正常时段），将相关数据代入下列干扰度计算公式：

Imax为干扰引起的最大值；

Nmax为正常时段最大值；

NDmax为正常时段最大变化幅度值；

计算得出水位实际干扰度n水位=1453%，水温实际干扰度n水温=199%。

库伦CK3井水位实际干扰度远超出了允许干扰范围，水温实际干扰也超出了允许干扰范围。

3 异常成因分析

地下流体异常是相对于正常动态而言的。当观测到的动态与已有的各项动态正常规律有很大的不同时，把其称为异常动态。这些异常变化，有时是构造过程和地震活动引起的，但也有观测环境的改变引起的，甚至还可能是观测技术系统的故障与观测人员操作不当引起的［1］。地震前兆观测数据的异常判定和落实是地震分析预报和地震科学研究的一项重要基础工作。根据近年来井区附近地震活动情况，同时结合多年来流体观测经验，初步分析认为库伦CK3井水位、水温大幅度低值异常不属于震兆异常，应属于干扰动态。通过对观测系统、气象因素及观测环境等多方面因素进行分析，进一步核实异常原因。

库伦CK3井水位、水温观测数据呈正相关，异常变化完全同步，因此在现场实验中重点监测水位数据变化。

3.1 观测系统检查

数字化水位观测具有采集数据信息量大，传输数据速度快，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提供了更加有利的条件。但是，数字化水位观测也更易受到干扰，导致非震兆异常［2］。数字化水温观测也具有同样性质。由于数字式水位仪的观测原理是压力传感，仪器自身的工作状态、供电系统的稳定性、数据传输的连续性等均有可能引起数据的异常变化。因此，我们首先对观测仪器进行检查。仪器主机工作正常，外接220V电源、稳压器电源、仪器供电UPS不间断电源、仪器电源板输出的±15V、±5V直流电源均正常，仪器接地良好，传感器灵敏度符合要求，数据传输系统及机房线路未发现异常，观测系统整体运行正常。

3.2 水位校测对比试验

为了进一步明确仪器观测数据是否真实反映地下水位变化，在观测数据正常变化时段和数据明显下降时段，通过人工实测进行了多次现场校测，实测数据误差均在允许范围之内，符合规范要求。通过现场实测证实了仪器观测数据的真实性。

3.3 气象因素分析

通过库伦旗气象局收集到2015年至今该区的降水资料，并将降水日值与水位日均值进行对比分析，发现一年中水位出现大幅度下降变化的起止时间与降雨季节准同步。但随机选取2017年度的数据，通过详细地对比分析，发现水位出现下降异常的具体时间不在降雨当日，即水位下降与降雨基本不会出现在同一天内。降水是该地区的主要地下水补给源之一，降水导致区域水位下降的可能性不大，因此可以排除降水等气象因素对CK3井的影响（图6）。

图6 库伦CK3井水位与降水量变化曲线Fig.6Water levelandprecipitationchangecurvesof Kulun CK3Well

3.4 地下水开采的影响

库伦CK3井位于库伦旗政府院内，周边多为机关单位。库伦地区为半干旱气候，城区绿化灌溉用水量极大。《地震台站观测环境技术要求》（GBT 19531.4-2004）规定水位异常排查应对观测井10km 范围内的地下水开采情况进行调查。但结合井区水文地质条件、地形地貌形态，含水层分布呈块状，边界不清楚等实际，首先对以观测井为中心的2km 范围内库伦旗新城区25口水井（基本包括新城区全部抽水井）进行走访调查。由于该地区水文地质条件复杂，打井出水情况不确定，试探性打井较多，出水量较少的井基本废弃不用，此类水井占调查井的三分之一（表1）。

表1 库伦镇新城区开采井统计表

对观测井周边常用水井逐一进行抽水实验。4#、11#两口井均属于库伦旗园林局，井深在90m 以上，取水深度与CK3井观测水层深度大致相同。春夏季节常用于城区绿化灌溉，且取水量较大。对4#连续进行4个小时抽水实验，抽出48t水；对11#连续进行3个小时抽水实验，抽出36t水。在抽水的同时对库伦CK3井水位、水温数据变化进行实时观测。在抽水过程中水位、水温均未发生明显变化。考虑到抽水对观测井的影响可能存在滞后效应，停止抽水后对CK3井水位持续监视了近4 小时，但观测数据仍未出现明显的变化。分别对17#、18#、19#、21#、22#、23#、24#、25# 进行抽水实验。7月7日21：05对21#进行抽水实验，经过30 分钟，CK3井水位观测数据从34.086m快速下降到35.716m，下降幅度达到了1.63m，停止抽水后148分钟，观测井水位恢复到原水平。7月19日再次对该井进行抽水实验，从6：30 ～8：00的90分 钟，CK3井水位下降了2.183m，影响十分明显。实验结果显示18#、25#对观测井水位影响不明显，17#、19#、22#、23#、24#对观测井有不同程度的影响（表2）。

表2 周边井抽水实验情况

基岩裂隙含水量受裂隙发育控制，具有明显的不均一性。22#、23# 井位于CK3井东北方向，与21#井取水深度相同，但较21#井与观测井距离稍远，两口井抽水对观测井的影响不大。19#井虽然距离观测井最近，但井深小于观测井及21#，该井抽水对观测井的影响并不大，应不属于同一含水层。距离观测井较近且取消深度相近的21#井抽水对观测井水位及水温的变化有明显的影响；距离较近但取水层不同或距离稍远取水层相近的其他井对观测井具有不同程度的影响；距离稍远的4#、11#、25#井不论深浅均未表现出明显的影响（图7）。

图7 观测井及抽水井分布图Fig.7Distribution of observation wellsandpumping wells

4 结论与讨论

（1）库伦CK3井水位、水温自2015年以来每年4 至11月份出现大幅度下降应不属于震兆异常，是由于地下水开采引起，对其影响较大、较明显的是隶属于库仑旗财政局的21#，该井开采水层与库伦CK3井应为同层地下水。分析认为，由于井区水文地质条件的特殊性，观测井与21#如从一桶中取水，21#抽水时观测井会快速下降，通过地下水的补给水位逐渐恢复到原来的水平。此外，17#、19#、22#、23#、24#井抽水对观测井有不同程度的影响。

（2）我国现有观测井无论硬件还是软件质量都亟待提高，其突出的问题是井（泉）点位置不够理想，观测井结构不够合理，观测含水层质量不高及相关的资料不全，甚至缺少关键的技术参数［3］。库伦CK3井所受干扰度远超出了允许干扰度，观测井受周边开采井的影响较大，干扰井较多，显然存在位置不够理想或含水层质量不高的弊端，建议选址新建或增加观测井深度，避免浅层地下水开采对观测井数据产生明显影响。