西昌川-03井水位异常核实与分析

芮雪莲，官致君，杨 耀，杨 鹏

(四川省地震局，四川 成都 610041)

地下流体观测是众多地震地球物理场观测手段之一，多年观测实践及研究证明，中强地震发生前震区部分观测井会出现明显的地下水异常变化，这主要是由于在区域应力作用下，地壳介质受到力的作用发生形变破坏时，介质中的流体在动力作用、热力作用、化学作用下发生动态变化(孙小龙，2016)。我国地震地球物理场观测系统经历“九五”“十五”项目改造后水位观测已大部分实现数字化，有信息量大、传输快等优点，为捕捉地震短临异常信息提供了有利条件(张素欣等，2002)，但是由于数字化水位观测容易受到环境、气候及观测仪器等综合影响，如何在各种因素共同作用下识别和排除干扰，获取有效的地震异常信息是目前地震监测预报亟需解决的重要问题。本文对西昌川-03井在动水位观测中出现的异常通过现场核实及综合分析该地区其他台站地球物理场观测资料，对异常性质做出判定，对该区域内今后的异常核实及干扰信息的排除具有参考意义。

1 台站和观测概况

西昌川-03井构造上处于则木河断裂带北段，该断裂带为一条左旋走滑断裂带，全长120 km(杜平山，2000a)，自北向南分为李金堡断层、大箐断层、扯扯街断层松新断层、大同断层5个次级断裂，其中距离观测井最近的李金堡断层全新世以来的平均滑动速率为6.20 mm/a，至今仍具有一定活动性(杜平山，2000b)。川-03井属于深层基岩承压自流井，2014年12月16日成井，井深708.84 m，设计井身结构为：井深 0～20 m钻孔直径为171 mm，井深 20～50 m钻孔直径为150 mm，井深50～300 m钻孔直径为130 mm，井深300～550 m钻孔直径为110 mm，井深550～700 m钻孔直径为94 mm。井口水体温度33℃，井口最大出水量约为420 m3/d。观测含水层位于井下548.71～683.13 m，采用筛管结构，其它井段采用标准地质套管封闭浅层地下水。观测含水层岩性为白垩系泥岩及砂岩。西昌川-03井目前台站共部署地下流体观测设备4套共10个观测项目，其中水位、水温观测采用的是中科光大数字化地下流体监测设备(ZKGD3000-N)，气氡、测氦仪器型号为郑州晶微DDL-1、WGK-1型数字化仪器。

2 水位下降异常概述

2019年3月26日该井水位缓慢波动上升，在3月30日和4月3日分别出现了小幅的台阶上升，幅度分别为1.9 cm和4.5 cm。4月8日动水位转折呈下降趋势，至4月12日水位下降至0.420 m，下降幅度约为5.3 cm。4月8～18日水位基本维持在0.420 m，4月19～21日水位又出现上升，自3月26日到4月21日，水位累计上升约14.8 cm。4月22日数据变化为下降趋势，4月30日动水位数据已低于近年来最低值，至5月2日，水位累计下降幅度约为20 cm，下降幅度较大(见图1)，之前并未出现过此类大幅下降的异常。为明确本次异常变化的真实性及成因，按照异常识别成因、空间、时间及强度相关性的原则进行异常现场调查和分析。

图1 西昌川-03井水位分钟值曲线

3 异常调查及分析

3.1台站自然环境及人为干扰调查

自然环境对水位观测的影响主要表现在降雨及气压方面，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(龚永俭等，2016)。春季为西昌地区少雨季节，且03井观测段埋藏较深，降雨难以直接引起大幅水位变化，同时，降雨作为地下水补给方式的一种，应该会导致水位上升而不是下降，故可认为此次水位变化与降雨无关。西昌川-03井位于兴川镇的兴川中学旁，其东侧为林地，台站外围均为葡萄田，经现场调查农田灌溉采用农业用水，与03井的观测水层无水力联系。观测房外侧为宏观观测池，宏观观测池用水与观测井相通(见图2)。根据本次调查访问，台站看守人员近期并没有打开过水阀，且若是人为开关水阀，水位应为快速下降然后恢复，近期水位下降几乎为匀速且持续下降，由此可见本次水位下降非环境因素或人为开关水阀等因素造成。

图2 西昌川-03井周边观测环境

3.2 观测系统检查及水位校测

(1)观测系统检查。川-03井观测点数字化地下流体监测设备(ZKGD3000-N)采用直流电供电，经检查人员核查，该井电压符合观测系统供电要求，供电系统工作正常。此外，数采、通信指示灯信号状态、探头插孔、主板和网络接口等部件工作状态良好。由此可判定，仪器记录及数据传输系统工作正常，但水位探头是否处于正常工作状态仍无法确定，故需要进一步对水位校测进行判定。

(2)水位校测及结果分析。2019年5月2日现场核实人员利用钢卷尺对该井的动水位值进行人工校测，校测值误差为 0.000 8 m，小于0.01m，人工校测结果合格，经计算分析，初步认为仪器不符合水位观测技术要求，需送厂家重新标定。此外，核实人员现场将此次水位数据与4月18日测量动水位值进行对比分析，发现二者水位差约为3 cm，而仪器在该时间段内的动水位差为17.1 cm，二者水位降存在较大差异，具体数据见表1。

表1 现场校测水位数据对比表 单位: m

基于前期及本次人工与仪器水位测量数据对比分析发现，在14天的时间里，两差值应为零，但仪器读数与人工读数相减后的差值为0.1398 m，仪器采集数据计算得水位降约为人工测量水位降的6倍，为保证人工量测的准确性，现场校测人员三人重复测量，经复核计算，人工测量数据准确无误且校测误差符合要求。基于以上分析可认为观测仪器观测数据存在问题，可能是仪器偏差较大。为进一步确认仪器测值大幅偏差原因，决定在观测井副管中安装对比观测仪器，以验证现有观测系统稳定性。

3.3 异常分析

川-03井水温探头在此次异常出现之前已存在故障，故在此不再进行对比分析。气氡、气氦及川-32井的各个测项均无异常，本节主要就对比观测与原有仪器数据进行分析讨论。对比观测采用仪器与原有仪器为同型号水位观测仪器(中科光大ZKGD3000-N型)，放置深度为井口以下3.5 m。根据近5天的对比观测数据分析发现，原有仪器水位在5天内水位累计下降约10.6 cm(见图3)，对比观测仪器动水位变化平稳，日变明显，幅度约为1.8 cm，水位在0.22 m附近周期性波动，动水位变化平稳，无趋势下降现象。从图4分析可知，原始仪器观测数据与对比观测数据变化曲线可以看出二者均有明显的日变形态，不同的是，原始仪器数据曲线在日变形态上同时叠加了趋势下降，为进一步定量分析原始仪器观测数据趋势，利用5月4日仪器稳定参数后的分钟值进行一阶线性拟合，并去趋势(见图4)，趋势一阶线性拟合方程为y=0.000012782x+0.5605，即根据计算4月22日后原始仪器趋势下降速率为1.8 cm/d。原始观测数据经去趋势后与对比观测的曲线变化动态一致，但由于原始仪器与对比观测仪器测量基准面不一致，故二者在水位数值上存在差异。

图3 川-03井水位分钟值观测对比曲线

图4 川-03井水位对比观测曲线(分钟值)

西昌川-03井地下流体监测设备采用中科光大ZKGD3000-N型，其原理为将传感器置于井水面以下一定深度，当水柱高度变化时，压力传感器上的压力敏感元件受压而产生微弱的电压变化，通过电路放大，把随井水位变化引起的电信号传输到主机中采用绝压式压力传感器，仪器采取气压测值参与计算的方式进行气压补偿，测出水柱高度(穆慧敏等，2018)。该仪器最佳工作深度为0～10 m，川-03井动水位探头放置深度为15 m，虽然在仪器工作量程范围(0～30 m)之内，但是有研究结果证明在其他观测条件不变的条件下，井水位的零漂大小与传感器埋深呈正相关，即传感器埋深越大，零漂幅度趋势越大(杨鼎鸿等，2013)，由此可能造成仪器零漂累计，故放置深度超出仪器最佳工作深度可能是导致该井观测仪器出现问题的原因之一。

西昌川-03井与川-32井同属则木河断裂带观测井，二者直线距离约为7 km，川-32井近期水位、水温变化正常，无明显波动。2019年以来该井动水位维持在1.620 m，水温维持在24.30 ℃左右，二者变化同步，且日变幅均较明显，分别为4.5 cm、0.026 ℃。钙、镁、重碳酸跟离子浓度及电导率和PH值均处于正常状态，无明显异常。

4 结论与讨论

(1)经对台站周边自然环境、人为干扰情况的调查，台站观测环境没有受到干扰，可排除西昌川-03井水位受周围环境或人为调节水位的干扰。(2)西昌川-03井3个正常观测的测项(水位、气氡、气氦)，在5月仅有动水位一项出现了持续性下降的变化，根据调查，同一断裂观测井川-32井水位、水温及水质等测项无明显变化，可认为该地区近期无明显构造活动。(3)经过分析人工校测、对比观测数据与原有观测仪器记录数据的差距，发现原有仪器记录的数据与前二者存在较大差异，通过对原有仪器记录数据去趋势，认为原有仪器记录数据已不真实，不能客观反映该井动水位变化，此次水位异常为非震兆异常。(4)西昌川-03井水位探头放置深度超过最佳工作深度，水压过大可能是导致仪器工作不稳定的原因之一。(5)水位传感器零漂较大。(6)在2018年10月31日西昌5.1级地震之前，该台站水位、水温及气氡、气氦均无异常现象，但是在西昌地震之后，气氡观测数据波动范围较大，直到2018年12月才恢复震前水平，故该井地下流体观测测项异常暂无震例，后期需继续关注。

致谢：本次异常核实现场工作得到了西昌地震中心站胡德军站长、王登伟科长、杨洪刚老师的指导和四川省地震监测中心赵德杨、廖峰，凉山州防震减灾局戴放科长、李瑞瑞、王娟的帮助，评审专家对本文提出了修改建议，在此一并表示衷心感谢。