利用宁波水文地质监测井网建设地下流体前兆台阵的试验研究

李慧峰, 钟羽云, 李志海, 袁宝珠, 李 蒙

(1. 宁波地震监测中心站, 浙江 宁波 315029; 2. 浙江地震台, 浙江 杭州 310013;3. 宁波市应急管理局, 浙江 宁波 315066)

0 引言

作为地震前兆监测的重要学科之一,地下流体观测能够获取丰富的地球动力作用信息,如潮汐现象、构造活动、地震波、地震前兆及其他地球内外动力作用等信息,同时还能够得到环境(例如温度、气体循环)和资源(例如水资源储量与质量)变化信息,为相关的灾害、环境、资源问题的分析和研究提供重要的科学数据[1-3]。由于流体具有很强的信息传递能力,地下流体观测在地震短临预测预报中占有比较重要的地位。因此,地下流体观测基础研究和实用技术研究是地震预测预报业务发展的重要方向之一[4]。

地下水动态在地震预测中的作用与有效性已经得到了越来越多地震工作者的认可[5-7],然而,要在地震发生之前确认地下水前兆异常是一件非常困难的事情,即使是在地震发生之后也往往很难给出科学的确认结果,这主要是由于地下水动态受多种因素的干扰。面对众多的干扰异常,如何对出现的干扰异常进行识别与排除,如何从复杂的干扰背景下提取出地震前兆异常,无疑是当前提高地下水动态监测与地震预测效能十分突出的问题。几十年的监测实践表明,及时识别与排除干扰异常,震前确认地下水异常的前兆性,对于正确把握震情与成功识别前兆异常和预测至关重要,因此地下水异常性质的判别是地震预报工作中非常重要的问题。监测预报人员开展地震前兆异常识别的相关研究,试图建立有效的识别与排除干扰的理论与方法的努力一直没有停止过。车用太等[8]认为,地下水动态干扰异常识别需要把握成因、空间、时间和强度等4个方面的相关性,这一研究结果为地下流体观测资料处理和观测站网设计提供了一种思考的方向。要提高异常识别的科学性,除了针对不同特征的干扰信息建立相应的数学模型外,还应布设科学目标清晰、观测条件清楚的观测站网。然而,我国目前地下流体监测台网的布设思路是原则性的,网的结构也较为粗糙,在操作上有较大的随意性[9]。建设中存在“因简就陋”的被动建网(台)思想,缺乏科学标准的主动布网(台)勇气[10]。刘耀炜[10]认为发展地震地下流体前兆观测台阵是地震地下流体科学优先发展的内容。前兆台阵建设的目的是使地震前兆观测进一步科学化,为地震预测提供具有更加明确科学内涵的前兆资料[11]。台阵建设区的选择是台阵建设的关键环节,应该优先选择地质与水文地质条件较为清楚并具有较强的前兆观测基础与有条件扩展新前兆观测条件的地区[8]。有专家提出[12],可以在现有地震地下流体台网的基础上,与地质、石油、煤炭、冶金、水利等非地震行业部门合作,利用其现成的资源井孔井,经改造成为地震地下流体观测井,这样既能够节约投入资金,又能较快建设一批新的地震地下流体观测井。2018年宁波地震中心站开始对宁波市水文地质监测井网进行评估和筛选,并对其中的2口水井进行了改造,安装了地下水位水温观测仪器,并依据地震地下流体观测规范进行了并网,开展观测实验研究。

1 地下水监测概况

1.1 宁波盆地水文地质特征

宁波盆地第四纪沉积层厚度50～110 m,最厚达120 m,第四系中约有6个风化剥蚀面和高海平面形成的三个海浸层位,成因类型复杂,地层从中更新世至全新世均有发育,主要有河流相、河湖相及海相、滨海相等。平原区地下水类型有松散岩类孔隙水、孔隙裂隙水、基岩裂隙水三大类,其中松散岩类孔隙水又可分为孔隙潜水及孔隙承压水两个亚类;基岩裂隙水可分为风化网状裂隙水、构造裂隙水和孔洞裂隙水三个亚类[13]。

地下水由山边向盆地、由西南向东海有极缓慢的渗流,根据水文地质勘探资料可分出四个含水层(组),Ⅰ含水层由上更新统中部砂砾石组成,厚度5～15 m,Ⅱ含水层由上更新统底部砂砾石组成,厚度1～15 m,原始水深 1～3 m略高于Ⅰ层水位(图1)。Ⅰ、Ⅱ两层在山前合成一层含淡水并与山边淡水带连成一体,在盆地内两层水被黏性土隔开。Ⅰ层水以咸水为主,局部见淡水,咸水形成于早期海侵时期,无明显的现代水补给。Ⅱ含水层中四周被微咸水所围,淡水体可能是海侵时封闭在含水层中的古淡水,也可能由相邻含水层垂向越流补给形成[14-15]。

图1 宁波盆地含水层剖面图Fig.1 Profile of aquifer in Ningbo Basin

1.2 水文地质观测井网

宁波盆地水文地质监测工作开始于二十世纪七十年代,经过多年的建设与发展已成规模,纳入观测的地下水监测井共146孔,近几年又扩建到161孔,其中现有深层承压水井36孔。承压水井包括Ⅰ含水组的16口井,Ⅱ含水组的20口井。水井间的距离为数千米至二十多千米不等,水井网主要用于宁波市水文地质环境监测。

除早期少量井孔外,井网井孔成井均为500 mm大孔径钻探,不变径,井管止水层采用200 mm球墨铸铁井壁,观测水层采用球墨铸铁过滤管、积沙层采用球墨铸铁沉淀管。止水层以黏土及发泡黏土球护壁止水,观测水层以1～3 mm砾径砾石水井护壁。建井内容详细,地层柱状清楚并有详细成井报告,包括:开工日期时间、竣工日期时间、钻孔深度、生产井深度、地面高程、大地坐标、生产井下入管材说明、抽水试验说明、水质分析说明等。作为示例,图2给出了部分的含水组成井位置分布图。

图2 宁波市水文地质观测井网分布图[底图数据、图模板来源于《浙江省区域地质志》(地质出版社出版)]Fig.2 Distribution map of hydrogeological observation network in Ningbo

2 地下水台阵式观测设想

为加强地震前兆监测能力,计划利用宁波盆地水文地质观测井网建设宁波地下流体前兆台阵,并于2019年申请了中国地震局三结合课题(3JH-20190214)——《宁波盆地地震地下流体监测网建设调研与优选方案》,开展了相关研究。首先,从宁波水文地质监测井网中遴选了慈溪生态农庄井(以下简称慈溪井)和北仑天主教堂井(以下简称北仑井)等2口水井架设水位水温仪器对比庄市21号井(以下简称庄市井)进行试验观测。

2.1 观测井孔水文地质背景

2.1.1 庄市井

宁波镇海庄市21井于1986年开始进行地震观测,后列入国家局区域地震水位观测基本台网。该井在宁波市镇海区职业教育学校内,观测井坐标29°56′N,121°36′E(图2)。该观测井1972年成井,终孔606.14 m,后回填至孔深170 m建井保留,其水文地质条件是宁波盆地的构造裂隙水。2009年该井进行洗井改造,抽水试验显示,水位降深15.39 m,涌水量6.71 L/s。2014年12月,在该井安装LN-3型数字水位仪和SZW-1A水温仪,水温梯度100 m降深开始测试,结果为分段短时间温度变幅相差不大,最终水温探头投放深度为160 m。图3(a)为庄市井地层柱状及管井安装结构图。

图3 观测井孔柱状剖面图Fig.3 Columnar section of three observation wells

从该井多年的观测资料表明,该井水位观测映震效果较好,1994年9月宁波晈口4.2级、1996年11月长江口6.1级和1998年8月嵊州4.0级等地震前均出现了趋势性变化异常和水位幅度降低等短临异常[16-17]。

2.1.2 试验井

北仑井位于宁波市北仑区天主教堂院内,观测井位于29°54′N,121°49′E(图2)。该观测井2010年成井,钻孔84.1 m,球墨铸铁套管至81.5 m,其中74.0～79.5 m为过滤管,79.5～81.5 m为沉淀管。其水文地质条件特点是:封止地表浅部含层水、38.7～42.5 m卵砾岩性晚更新统中期冲击层、53.0～60.2 m砾砂夹黏土岩性晚更新统中期冲击—洪积层;该井观测含水层上层为74.0～79.5 m晚更新统早期冲击—湖积层,其岩性为砾石夹黏土,其特征为灰褐色,松散;观测含水层下层为79.5～84.7 m中更新统,其岩性为黏土夹砾石,其特征为棕黄色,较密实;底部为全风化凝灰质熔岩[图3(b)]。该井抽水试验显示,水位降深1.55 m,涌水量8.89 L/s,水温梯度50 m降深开始测试,结果为分段短时间温度变幅相差不大,最终水温探头投放深度为80 m。

慈溪井位于慈溪市长河镇,观测井位于30°18′N,121°10′E(图2)。该观测井2010年成井,钻孔113.0 m,球墨铸铁套管至112.0 m,其中99.0～108.0 m为过滤管,108.5～112.0 m为沉淀管。其水文地质条件特点是:封止地表浅部含层水、73.8～83.6 m松散粉细砂岩性中更新统中期冲击层;该井观测含水层为98.3～109.7 m中更新统早期冲击层,其岩性为中细砂夹黏土,其特征为灰白色、松散、饱和、上部细、下部颗粒粗,局部夹薄层黏土、可塑,厚度约3 mm;底部灰褐色硬塑黏土[图3(c)]。该井抽水试验显示,水位降深2.19 m,涌水量1.56 L/s。水温梯度60 m降深开始测试,结果为分段短时间温度变幅相差不大,最终水温探头投放深度为105 m。

庄市、北仑、慈溪等3孔井水文地质学基础资料齐全,周边无矿区,所在盆地为地下水禁采区,环境良好,观测条件基本符合《地震台站观测环境技术要求第4部分:地下流体观测(GB/T 19531.4—2004)》的要求(表1)。3孔观测井内均安装有套管并封闭了非观测层,水管下端设置有沉砂孔,成井后进行了抽水试验和水质简分析。井孔建设基本符合《地震台站建设规范 地下流体台站第1部分:水位和水温(DB/T 20.1—2006)》的要求。

表1 观测井孔水文地质环境条件一览表

2.2 试验井观测结果

遴选的北仑井、慈溪井与庄市井(地震观测井)同为宁波盆地静水位承压井孔,观测项目均为水位、水温观测,与庄市井相同。仪器选择为中国地震局行业主流观测仪器:水温仪采用SZW-lA型系列数字式地热(水温)观测石英温度计,仪器分辨率为0.000 1 ℃[18];水位仪采用SWY-II及型LN-3型数字式水位仪,分辨率为1 mm(表2)。

表2 井孔观测仪器一览表

为了分析地质环境监测井是否可以用于地震前兆观测,将两孔井4个测项数据与庄市21号井的资料进行对比分析。2019年9月3孔井6套设备运行稳定,在气象条件上有降雨和气压变化明显等自然现象,采用此时间段内数据有助分析试验井监测能力。

2.2.1 水温数据对比

图4为2019年9月北仑、慈溪和庄市3孔井水温数据分钟值曲线。从图中可知,3孔井的水温数值离散度相近,观测数据动态波动幅度相近。由于水温观测非常复杂,不仅与观测井有关,即使同一口井不同层位观测,观测数据差异性很大。另外该型号还存在仪器本身的系统误差,有同井孔同埋深两套仪器存在数值较大差异的现象[19],因此背景数值上存在差异。

图4 宁波盆地3孔井水温分钟值记录曲线Fig.4 Minute value curve of water temperature of three wells in Ningbo Basin

2.2.2 水位数据对比

图5为2019年9月庄市、北仑、慈溪等3孔井水位数据分钟值曲线及其傅里叶频谱。图中显示3孔井水位分钟值曲线均含有低频和半日波频率2个优势频率成分。半日波频率反映了3孔水井均能记录到清晰的半日周期固体潮,但固体潮幅度有差异,庄市井幅度最大,北仑井次之,慈溪井最小。低频成分可能反映了2次降雨引起的水位变化,3孔井水位变化趋势相近但局部存在差异,特别是在21日降雨载荷变化上尤为明显,可能是雨量载荷在地质覆盖层介质差异性的体现。此外,庄市井水位分钟值曲线还包含有较为明显的日波频率成分,说明该井水位能够较好地记录到日波固体潮汐,其他2口井则记录不明显。

图5 宁波盆地3孔井静水位分钟值曲线及其傅里叶频谱Fig.5 Minute value curve and Fourier spectrum of static water level of three wells in Ningbo Basin

2.3 试验井评价

计算北仑井和慈溪井水位的气压效率、降雨载荷效应及潮汐因子,并与庄市井的相应参数进行对比,分析水位气压与含水层覆盖层压缩系数的差异性,并对观测精度进行评价[20]

2.3.1 气压效应

2019年9月10—20日水位无降水影响,使用别尔采夫滤波方法将水位、气压小时值观测序列的趋势项和高频部分分离出来,计算该时间段内3孔井的气压校正值,即

yt-5+yt+8+yt-8+yt+0+yt-10+yt+13+

yt-13+yt+18+yt-18)

(1)

yi=yt-Bp(Pt-Pc)

(2)

式中:yt为水位日值或小时值,单位为m;Pt为气压日值或小时值,单位为hPa;Bp为井的气压系数,单位为m/hPa;Pc为气压基值常数,选择为1 000 hPa。计算结果列于表3。承压井水位变化与气压呈负相关,从分钟值采样率计算数据显示,庄市井气压与水位相关性明显大于北仑、慈溪井,这可能是由于庄市井为盆地更深层的白垩纪基岩构造裂隙水层,与北仑、慈溪井含水层不同。

表3 3孔井水位的气压系数(单位:m/hPa)

2.3.2 降雨荷载效应

2019年9月1—7日宁波盆地有持续降雨过程,8—20日天气放晴,21日3时21分起该区域又开始降雨,24小时内雨量达到67 mm,22日17时31分雨止转晴,累计降雨73.5 mm,为暴雨级。从北仑井、庄市井、宁波站三处降雨量记录分析在宁波盆地范围内降雨时间与降水量差异性不大。21日暴雨事件对北仑井、慈溪井和庄市井3口井均造成了水位上升,而影响水位上升的主要因素包括地表水渗透补给和地表荷载等。由于3孔井观测的第Ⅱ含水层无明显的现代水补给,加上在成井时均使用了套管封井,大大减少了含水层与地表水之间的直接水力联系。因此本文假设3口井的水位上升是由于降雨形成了地表荷载,通过力的传递,影响到含水层,致使含水孔隙水压加大,引起井水位相应地上升,井孔水位上升是降雨荷载效应作用的结果[22]。为分析3口孔井21—23日地表降雨荷载对地下水变化的影响,计算没有降雨时段的固体潮和气压系数,以及气压为1 000 mbar,固体潮为0 μgal的水位基值。假设降雨前某小时水位的实测值为Y1,相应的气压、固体潮为Q1和G1,则气压 1 000 mbar,固体潮为0 μgal的水位基值为

Y0=Y1-BQ×Q1-BG×G1

(3)

式中:BQ为气压系数(由水位埋深求得的BQ为正值);BG为固体潮系数(为负值)。

水位的预测值Y(t)和W2(t)分别为

Y(t)=Y0+BQ×Q(t)+BG×G(t)

(4)

W2(t)=W(t)-Y(t)

(5)

式中:Q(t)、G(t)分别为t时刻的气压、固体潮值;W(t)为实测水位;W2(t)为受降雨附加应力影响产生的水位变化。

通过对实测水位与预测水位的差W2(t)与降雨量的相关分析,得到相关系数R和系数B,其中B表示当降雨量为1 mm时相应水位上升的米数,通过分钟采样率计算结果列于表4。

表4 3孔井水位的降雨载荷系数

结果表明,庄市井和北仑井的降雨载荷系数数值比较接近,即这2口井的载荷作用相近。慈溪井的降雨载荷系数较小,小于庄市井和北仑井,这可能与慈溪井位于1960年代围海造田的滩涂地有关。事实上,表4的结果很好地反映了载荷系数承压是不同地质覆盖层介质差异性的表现[23]

2.3.3 潮汐因子与相位差

固体潮的力源主要来自月亮、太阳等天体的引潮力,是能够预先准确计算出理论值的地球物理现象。一个好的承压井的地下水位的变化能够反映出地球潮汐体应变的变化。因此,可以用体应变固体潮的理论值来模拟地下水位的变化,对地下水位进行拟合检验,纠正观测中可能存在的错误,检查、衡量和评价固体潮观测资料的质量,提取固体潮和地震前兆的特征信息。

水位的固体潮改正采用小时值Venedikov调和分析法,分析固体潮中占主要成分的主太阴半日波M2和主太阴日波O1波[24]。以固体潮体应变作为基准值,对水位小时值观测序列进行固体潮日波、半日波分析,计算水位固体潮系数Bθ与相位差Δφ。

(6)

式中:h(M2)为M2波的理论振幅;h(O1)为O1波理论振幅。水位固体潮系数的单位为mm/10-8,相位差的单位为度。水位固体潮校正公式:

Hi=Ht-BθΘ(t-Δtθ)

(7)

式中:Ht为水位小时值序列;Bθ为固体潮系数;Θ(t-Δtθ)为较正点提前Δtθ的体应变固体潮。潮汐因子和潮汐相位差通过分钟值采样率计算结果列于表5。结果显示,庄市井潮汐因子大于0.5 mm/10-9,优于北仑井和慈溪井,总体上3孔井在我国地震井水位观测网监测效能评估统计中,水位记录固体潮观测精度属中上水平的井孔[25]。

表5 3孔井水位的潮汐因子及潮汐因子误差与相位差

三孔井的潮汐变化存在相位差。庄市井首先出现峰值和谷值,约在0.2 h、1.0 h后北仑井、慈溪井分别出现峰值和谷值。3孔井的潮汐变化从时间轴上庄市井相位与北仑教堂井相近,早于慈溪井。

3 结论与讨论

从宁波水文地质监测井网中遴选了北仑井和慈溪井进行水位和水温试验观测,分析计算了水位的气压效率、降雨载荷效应和潮汐因子,并与同处于宁波盆地的映震效果较好的庄市井的相应参数进行了对比,总结如下:

(1) 北仑井、慈溪井和庄市井均为承压水井,静水位观测曲线均能记录到清晰的固体潮,且水位变化趋势具有很好的一致性,特别在试验期间同步观测到了2次降雨干扰,反映了3口水井的水位变化在时间上和空间上均有很好的相关性,也反映了3口水井水位异常动态与其影响因素之间存在很好的成因上的关联,这为地下水干扰识别打下了很好的资料基础。

(2) 庄市井的潮汐因子、气压系数和荷载系数等3个参数在3孔井中都是最大的,说明庄市井记录固体潮的灵敏度最高,受气压和降雨荷载的影响最大,这可能是因为庄市井观测的是白垩纪基岩裂隙承压水,而北仑井和慈溪井观测的是宁波盆地上更新统海侵时封闭含水层的Ⅱ含水层。

(3) 慈溪井的降雨载荷系数比庄市井和北仑井的大约小一个量级,气压系数则比庄市井的小2个量级,半日波潮汐相位差最大,说明该井水位受气压和荷载的影响最小,对外因的响应也最慢。这可能与该井底部为灰褐色黏土,其弹性变形能力不如庄市井的白垩纪基岩、北仑井的全风化凝灰质熔岩那么强有关。

井孔的潮汐因子、气压系数和荷载系数很好地反映了地下水类型、井孔岩性等,这3个参数为以后从井网中进一步遴选地震观测井提供了科学依据。宁波地质环境监测水井网161口水井均位于含有多个含水层的宁波盆地,井网为在同一构造中开展不同含水层(组)观测和基础研究提供了可能,为建立地下水干扰剔除理论模型、研发地震前兆异常识别技术、开展区域构造运动研究等提供了很好的条件。宁波水文地质监测井网由宁波市自然资源和规划局建设,井孔资料齐全,监测的含水层组别或层位非常清楚。对北仑井、慈溪井开展的地震流体试验性观测表明,可以从水井网中遴选出合格的地震前兆监测井,在该地区建设地震地下流体台阵是完全可行的。