地震观测井地下水埋藏类型判定方法及依据*

丁风和，车用太，刘耀炜，贺嘉伟

(1.宁夏回族自治区地震局，宁夏 银川 750001；2.中国地震局地质研究所，北京 100029；3.应急管理部国家自然灾害防治研究院，北京 100085)

0 引言

在地壳动力作用信息(又称为地下水微动态)的观测与研究中，观测井地下水的承压性是至关重要的条件，因此观测井建设的相关规范与标准都明确要求地震地下水观测井必须是承压井。然而，由于我国地震地下水观测井多为由地质、石油、水利、矿产等行业提供的勘探井经筛选而成，且在成井时也仅是定性的从地下水种类、成因、补给区与分布区的关系和动态特征等方面进行区分，观测井地下水类型主要有潜水、承压水以及二者的混合型(混合水或半承压水)；另一方面，由于这些井已有四五十年的历史，井孔条件发生了很大变化，如井孔坍塌、井管变形与破裂、滤水管渗水孔被堵塞、井底泥沙沉积等，井孔原始的承压性已经改变，这种状况不仅影响了井水位对地壳动力作用的响应能力，还严重影响观测数据分析与微动态特征的识别，特别是地震前兆信息的识别与提取，因此，对观测井地下水埋藏类型的研究与评价迫在眉睫。

对于严格按照相关规范与标准新建的观测井，其地下水承压性的判定与研究在钻井施工时即可进行，在成井报告中也会给出明确的说明，但对于观测了几十年的观测井而言，这就成了值得研究的问题。本文提出了基于井水位微动态数据分析及井水化学特性分析来判定观测井现今承压性的4种方法，详述其判定原理与具体操作过程，以期对地下水观测井映震能力的评估、观测井质量的评价与观测条件的改造与改善、提升地震地下水监测的有效性和科学性、认识和理解地下水运移和动态变化提供一定地理论基础和技术支撑。

1 地下水埋藏类型综合评价过程

图1 地下水埋藏类型综合评价示意图

2 资料处理

将观测井的水位和气压数据整理成数据文本文件，按年逐月检查、整理，要求每天必须有24个数据，缺数的地方按照要求用“99999”进行标记，并改变为统一格式备用。水位单位为m，气压单位为hPa。

结合3次样条插值和一般多项式分段拟合值对数据进行替换。并对数据进行粗差检查，目的是检查整个数据段内的基线值是否统一，数据是否有明显的错误甚至非法。

准备一个各井点的excel文件，包括：日期、水位、气压和理论固体潮，且是等间隔的整点值。水位须由埋深值换算成水头高度值，单位为m；气压单位为hPa；理论固体潮单位为nm/s。

3 判定原理与方法

3.1 卷积回归法

Rasmussen和Crawford(1997)提出了利用井水位对气压的阶跃响应函数进行地下水类型的定量诊断方法，国内外学者利用该方法开展了相关研究(Toll，Rasmussen，2007；Darner，Sheets，2012；王丽亚等，2012；杨柳等，2014；丁风和等，2017；Shih，2018)。利用井水位、气压和理论固体潮数据，通过卷积回归方法来拟合各井阶跃响应函数的最佳值，并根据井水位对气压的滞后时间与阶跃响应函数间的关系，来判断井含水层系统的地下水类型，即判断其是承压水还是非承压或半承压水(图2)。

图2 阶跃响应函数与滞后时间的关系(据Camp和Paul，2005)

若不考虑其它因素，如补给和排泄等，井水位的变化量可表示为：

(1)

式中：为滞后时间；是选择的最大滞后时间；Δ()为时刻的水位变化量；()为滞后时刻的气压单位脉冲响应函数； Δ(-)为 (-)时刻的气压变化量；()为固体潮响应系数； Δ(-)为 (-)时刻的固体潮变化量。

井水位对气压的阶跃响应函数可表示为：

(2)

式中：()为井水位对气压的阶跃响应函数，可由气压单位脉冲响应函数()累加求和得到。

结合式(1)、(2)，建立水位对气压的滞后时间的阶跃响应函数关系式：

()=e+

(3)

式中：()为井水位对气压的阶跃响应函数，值为0～1；(定义域)代表滞后时间，值为0～12 h。系数的正负决定着井-含水层系统的地下水类型。当<0时，水位对气压的阶跃响应函数随着水位对气压的滞后时间的增大而增大，井-含水层系统的地下水类型为承压水；当>0时，水位对气压的阶跃响应函数随着水位对气压的滞后时间的增大而减小，井-含水层系统地下水类型为非承压水或半承压水。定义域之前的系数<0，的大小与井孔的形状、尺寸(结构)和含水层的水力特性有关。

3.2 频谱分析法

从时间域上考虑信号出现的时间和强度，并不能将信号和干扰区分开，但是在频率域上考虑信号和干扰所占有的频带，就很容易区分。将观测到的时间序列信号，用傅立叶分析方法分解成为许多不同频率的分量，这就是频谱分析要解决的问题。

函数()在区间[0，2π]上的傅立叶级数为：

(4)

取其前(2+1)项，则有近似方程组：

(=0,1,…,2)

(5)

式中：、、(=1,2,…,)是此方程组的解。=cos,=-sin，由此可求得各周期波的振幅以及初始相位：

(6)

(7)

因此，对具有各种周期成分的某一样本序列作傅立叶谱分析，就是由各波振幅的大小分析此样本序列的主要周期成分，基于此，进一步从机理上分析研究该样本序列的特征。

地球固体潮是很多潮汐分波的总和，但主要成分是5个日波(O、K、P、Q、J)和5个半日波(M、N、L、S、K)。由固体潮引起的井水位潮汐现象也具有相同的分波，但在这5个日波和5个半日波中，占全部起潮力95%以上的主要是M、O、K、S和N波。因此，通过选取观测井数字化水位和气压整点值数据，利用地下水类型和潮汐波预期响应存在的对应关系(表1)，就可判断观测井含水层的地下水埋藏类型：①对于承压水，占全部起潮力95%以上的5个分波的振幅都比较明显，其中M波振幅最显著。②对于半承压水，M、K和S波振幅较为明显，且S波振幅最显著；O和N波振幅在频率域中可能显现也可能没有。③对于非承压水，M、O和N波在整个频率域中不会显现；K和S波可能显现也可能没有。

表1 含水层埋藏类型和潮汐波预期响应的对应关系(据Rahi 和 Halihan，2013)

3.3 相位超前或滞后法

保加利亚学者维尼迪柯夫提出了一种采用数字频率滤波器对观测数据进行滤波的方法，以取得日波或半日波中的波群观测振幅与理论振幅之比(振幅比或潮汐因子)以及观测相位与理论相位之差(相位超前或滞后)。在对井水位固体潮的分析研究中，通常利用维尼迪柯夫设计的偶数字滤波器和奇数字滤波器进行连续48 h的固体潮观测，取整点值经过数学变换后，可按最小二乘法原理求得各波群的潮汐因子、相位滞后、残差矢量等参数，提取所需的日波、半日波的固体潮信息。

根据水平流模型和垂直流模型下，井水位观测相位变化的范围不同(Xue，2016)，也即相位为正(超前，垂直流)或相位为负(滞后，水平流)，来判断各井地下水埋藏类型是承压水还是非承压水(Roeloffs，1996；Shi，Wang，2016)。

3.4 水-岩平衡状态(Piper三角图)法

在地下水循环过程中，水化学成分可以有效地揭示流域内地表水和地下水之间的转化关系。Na-K-Mg三角图常用来评价水-岩平衡状态和区分不同类型的水样，能很好地区分混合水和平衡水，样品落在不同的范围内，其意义也不一样。若落在“未成熟水”范围内，表明其为浅层的地下水，主要接受大气降水的补给，循环周期相对较快，水-岩之间尚未达到离子平衡状态，水-岩作用仍在进行。若落在“部分平衡水”范围内，表明其补给来源中除了大气降水外，还有较深层地下水的混入，水-岩反应相对较弱，水流系统相对较为稳定，不易受到干扰。若落在“完全平衡水”范围内，说明水-岩反应较为充分，补给来源主要来自于深层地下水，大气降水补给少。

4 地下水埋藏类型综合判定依据

井水位对气压的阶跃响应函数方法能区分2种类型的地下水，即承压水和非承压水(或半承压水)；频谱分析方法可区分3种类型，即承压水、半承压水和非承压水；潮汐波群相位超前或滞后方法也只能区分两种类型，即承压水和非承压水或半承压水；水-岩平衡状态分析方法能区分3种类型，即未成熟水、部分平衡水和完全平衡水。因此，可通过上述4种方法的组合来综合判定观测井的地下水埋藏类型，其依据是：①若使用3种定量方法——井水位对气压的阶跃响应函数、井水位潮汐波的频谱分析、井水位潮汐波群的相位超前或滞后都判定为承压水，且不管水-岩平衡状态方法判定结果如何，则综合判定为承压水。②当使用水-岩平衡状态方法判定为完全平衡水时，直接判定为承压水。③当使用3种定量方法——井水位对气压的阶跃响应函数、井水位潮汐波的频谱分析、井水位潮汐波群的相位超前或滞后，其中有1～2种方法都判定为承压水，且水-岩平衡状态方法判定结果为未成熟水或部分平衡水，则综合判定为混合水。④当使用井水位对气压的阶跃响应函数方法和井水位潮汐波群的相位超前或滞后方法判定为非承压水或半承压水、使用频谱分析方法判定为非承压水，且水-岩平衡状态方法表明是部分平衡水，则该井综合判定为混合水。⑤当使用井水位对气压的阶跃响应函数方法和井水位潮汐波群的相位超前或滞后方法判定为非承压水或半承压水，同时，使用频谱分析方法判定为非承压水，且水-岩平衡状态方法表明是未成熟水，则综合判定为非承压水。

以上可见，除了上述①、②和⑤条外，其余都可将观测井水综合判定为混合水。

5 方法应用与讨论

以川滇地区的泸州13井、南溪井、川32井、红河开远井、腾冲井、丽江井、通海高大井、德阳井、姚安井、永胜井、保山井和德宏法帕井等12口井为例，利用上述4种方法对地下水埋藏类型进行了综合判定(表2)，结果表明：①通海高大井、永胜井、姚安井基于井水位对气压的阶跃响应函数方法、频谱分析方法、潮汐波群相位超前或滞后方法诊断和判别的地下水埋藏类型都为承压水，且与3口井依据成井时的贮存埋藏条件定性判别的结果(裂隙承压水和孔隙承压水)一致。从水-岩平衡状态来看，虽然3口井都具有承压性，但受控于区域地形地貌、构造特征以及裂隙发育程度等，使得井孔中的地下水与外界有着一定的水力联系，受大气降水的地表径流、侧向径流和越层补给影响较大。②德阳川08井基于3种方法虽然没有诊断和判别为承压水，但水-岩平衡状态显示，该井水-岩反应较为充分，补给来源主要为深层地下水。③其余8口井不同程度地表现出承压水的特征，但与外界水力联系关系密切，受大气降水的地表径流、侧向径流和越层补给影响较显著。因此，综合判定通海高大井、永胜井、姚安井和德阳川08井为承压水；腾冲井、德宏法帕井、川32井、开远井、保山井、丽江井、泸州川13井、南溪川12井为混合水。

表2 多方法综合判定川滇地区12口井地下水埋藏类型结果

运用本文提出的多种方法综合判定的地震观测井的地下水埋藏类型，与依据成井时的贮存埋藏条件定性判别的地下水埋藏类型有很多不一致。究其原因是：①有些井点虽然在承压区(具有承压性)内，但由于比较靠近补给区或排泄区，受控于区域地形地貌、构造特征以及裂隙发育程度等，使得井孔中的地下水与外界有着一定的水力联系。②有些井点虽然在承压区内，但井管年久失修，存在腐蚀破损现象，地表水和浅层水很容易进入井管内，与外界的水力联系也很密切。③远离补给区或排泄区，且井况良好的井点受地表水和浅层水的干扰较少，水-岩反应相对较弱和充分，补给来源主要为深层地下水，Na-K-Mg三角图反映的水-岩平衡状态能提供很好的佐证。

6 结论

地震观测井水位观测作为地震流体观测最有效的手段之一，过去的几十年里在地震监测预报方面发挥了重要的作用。但受观测环境干扰日益加剧、井点年久失修等因素的综合影响，其产出资料的质量和信度不尽如人意。本文基于井水位微动态数据及井水化学特性分析，参考井水位对气压的阶跃响应函数方法、频谱分析方法、潮汐波群相位超前或滞后方法、水-岩平衡状态分析方法，提出了地震观测井地下水埋藏类型判定方法及综合判定依据，并以川滇地区的12口地震观测井为例，分析了多方法综合判定结果与依据成井时的贮存埋藏条件定性判别的地下水埋藏类型结果之间有很多不一致的原因。

因此，应用本文提出的4种方法对地震观测井地下水埋藏类型判定进行研究，是井孔观测质量和可信度评价、水位异常的甄别、观测井(点)的勘选等的一种有效途径。