海原甘盐池地震观测井水位动态特征分析

朱鹏涛, 丁风和, 沈 宁, 贺嘉伟, 李新艳, 王晨曦

(宁夏回族自治区地震局, 宁夏 银川 750001)

0 引言

地壳中普遍存在和活跃着地下水,其动态变化能较灵敏地反映构造活动和地震孕育的信息[1]。地震地下水位观测是以捕捉地震活动信息为目的的浅层地壳流体观测手段,但连续观测水位不仅仅观测到地震活动信息,还夹杂着其他影响水位变化的因素,如气压、降雨、固体潮、抽水及注水等[2]。故而在利用地下水动态研究地震信息的过程中,必须先研究地下水的正常动态,以此判别异常。如若不进行影响因素的分析研究,就无法提取正确的地震前兆信息[3]。

另外由于用于地震前兆观测的地下水观测井大都是20世纪60年代以来相继建造和改建的,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了类型上的区分。这些井经过几十年的观测,井孔条件发生了很多变化,如井孔坍塌、井管变形与破裂、滤水管渗水孔被堵塞及井底泥沙沉积等,改变了井孔原始的承压性。这种情况不仅影响了井水位对地壳动力作用的响应能力,而且严重影响了观测数据分析与对微动态特征的认识,特别是影响了地震前兆信息的识别与提取。因此,研究井水位各类影响因素与水位的动态变化,还可以直接或间接地反映井孔水位观测资料的质量和可信度。利用不同方法对地下水类型进行深入分析,能更严谨地判别地下水位观测的质量和可信度,提升水位观测的有效性和科学性,为地下水位观测井的准入(退出)机制提供可靠依据[4]。因此,本文选取运行稳定、干扰较少的海原甘盐池井和甘盐池新井(以下简称GYC井和GYCN井)做对比分析。GYC井成井时间较长,而GYCN井由宁夏地震局于2020年建造,通过对比分析为多年的地震观测井、新建观测井如何在进行地下水埋藏类型综合评价、观测质量评价等方面提供方法和途径。

本文主要收集这两口井的水位资料,并结合气压以及区域降雨量进行影响因素分析,同时基于滞后时间与阶跃响应函数(卷积回归法)、潮汐波分量的预期响应(频谱分析法)、潮汐波群相位超前或滞后(调和分析法)等三种方法来诊断和判别这两口井含水层的地下水埋藏类型,分析井水位动态特征的差异性。

1 区域地震地质与观测井概况

本文研究的两口井均处在海原左旋走滑断裂内部的甘盐池拉分盆地中,地处1920年海原大地震的极震区,两井之间相距200 m。其东面约1 km处有一盐湖,现已干涸,北面约500 m处有一村庄,观测井周围地势开阔。甘盐池盆地属中带大陆性季风气候类型,年降雨量在240 mm左右,年蒸发量达2 000 mm左右,年均气温在5～8 ℃。区域地下水的补给主要受控制甘盐池拉分盆地边界的西华山和黄家洼山山体基岩裂隙水潜流补给。西华山山体由前寒武系的大理岩、石英片岩、片麻岩构成主体,局部有泥盆系砂砾岩。由于长期构造运动和风化剥蚀,基岩片理节理发育,裂隙相通,有利于大气降水的渗入和运移赋存,富含地下水,地下水埋深20 m左右。区域地表径流量小,且季节变化大,暴雨季节有洪水,雨后流量骤减,旱季断流。

GYC井是1979年由宁夏地质局第二水文工程地质队建设,井深165.64 m,GYCN井是2020年由宁夏地震局建设,井深209 m。两口井均有三个含水层,GYC井的三个含水层上布设了三个滤水管,而GYCN井只在最底部的含水层上布设了滤水管。井孔详细信息见表1和图1。

表1 GYC井和GYCN井井孔信息

图1 GYC井和GYCN井井孔柱状图Fig.1 Borehole histogram of GYC and GYCN wells

成井时根据剖面图得到两口井为裂隙水。本文用数字化资料,利用阶跃响应函数(卷积回归法)、频谱分析法、潮汐波群相位超前或滞后法综合分析判定地下水埋藏类型,探讨其与成井时不一致的原因。经过分析认为,由于我国地震地下水观测井多从地质、石油、水利、矿产等其他行业提供的勘探井中筛选得到,井水的承压性资料层次不齐,并且已经有四五十年的历史,井孔条件发生了很多变化,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,改变了井孔原始的承压性。

2 资料整理与处理

由于GYCN井水位仪于2021年4月架设,考虑时间的一致性,故选取这两口井2021年4月至2022年1月水位、气压整点值。为了确保数据质量,需对这两项数据逐个检查,要求每天必须有24个数据,缺数的地方用“999999”标记,水位单位为m,气压单位为hPa,并利用三次样条插值和一般多项式拟合值进行替换。由于观测井附近没有气象部门的定点观测气象站,因此收集了其最近的海原气象观测站的降雨量日值资料。

另外,整理一个excle文件,包括水位列、气压列、理论固体潮列和日期列,且为等间隔的整点值,水位值需由埋深值换算成水头高度值,单位为m;气压单位为Pa;理论固体潮单位为nm/s2。

3 地下水埋藏类型判别方法及原理

3.1 卷积回归法

前人已提出利用井水位对气压的阶跃响应函数进行地下水埋藏类型的定量诊断方法,并给出了井水位与气压的阶跃响应函数和滞后时间之间变化规律的关系式,定量区分了承压水、非承压水和半承压水[5-10]。

卷积回归法是利用相对应的水位、气压和理论固体潮数据来拟合阶跃响应函数最佳值的有效方法,从而判断各井含水层系统的地下水埋藏类型。在不考虑补给、排泄等外部影响因素的前提下,井水位的变化量可表示为:

(1)

式中:i为滞后时间;m是选择的最大滞后时间;ΔW(t)为t时刻的水位变化量;α(i)为滞后i时刻的气压单位脉冲响应函数;ΔB(t-i)为t-i时刻的气压变化量;β(i)为固体潮响应系数;ΔET(t-i)为t-i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:A(i)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α(j)累加求和得到。

3.2 频谱分析法

在处理时间函数或序列时,如地下水位观测数据中的提取信号和压制干扰,首先应分析它们的频率成份,弄清两者之间的异同,这就需要从时域转到频域上来考虑问题。通常从时域上考虑信号出现的时间和强度并不能将它们区分开,但从频域上考虑信号和干扰所占有的频带往往容易将它们分开。

一般情况下,地下水埋藏类型和潮汐波预期响应存在一定的对应关系[11]。地球固体潮是很多潮汐的分波,但主要成分是5个日波(O1、P1、K1、Q1、J1)和5个半日波(M2、N2、L2、S2、K2)。由固体潮引起的井水位潮汐现象也具有相同的分波,但在5个日波和5个半日波中占全部起潮力95%以上的主要是M2波、O1波、K1波、S2波和N2波。(1)如果这5个分波都比较明显,且M2波最显著,则表明是承压水。(2)如果M2波、K1波和S2波振幅比较明显,且S2波振幅最显著,则表明是半承压水。除此之外,O1波和N2波不一定有。(3)如果M2波、O1波和N2波都不显现,而K1波和S2波可能显现,则表明是非承压水(表2)。

表2 地下水类型和潮汐波预期响应的关系

3.3 潮汐波群相位超前或滞后法

地球潮汐波是太阳和月球对地球两种起潮力的合力作用产生的能够预测和测量的一种自然现象。

目前国际上比较通用的分析方法是维尼迪柯夫调和法,主要算法是最小二乘法,所用到的模型为[12]:

理论固体潮:

(3)

式中:s(t)是固体潮理论值;ω是角频率(弧度);hω和φω(t)分别表示t刻的理论振幅(10-9)和相位(°)。

固体潮观测值:

(4)

式中:S(t)是固体潮观测值;,Hω和Φω(t)分别表示t时刻的观测振幅(mm)和相位(°)。

而观测振幅与理论振幅之比即为潮汐因子δω:

(5)

观测相位与理论相位之差即为相位滞后dφ:

dφ=Φω(t)-φω(t)

(6)

式(5)中的潮汐因子指的是实际固体潮观测值与理论固体潮观测值之比,对井-含水层系统而言,反映的是受周期固体潮应力影响的水位波动振幅与理论固体潮振幅之比。

在此基础上,可利用井水位观测中的相位的变化,即相位为正(0°～45°)的超前垂直流和相位为负(-90°～0°)的滞后水平流判断各井的地下水埋藏类型是承压水还是非承压水[13-14]。

4 井水位的影响因素分析

地下水位变化受多种因素影响,最常见的有气压、固体潮、降雨、抽水及海潮等,故在分析前应先对水位进行处理。前人研究得出,主要固体潮分波的周期为12～25 h,地震波的周期为0.1～100 s,气压波动周期为1 min～1 a,降雨入渗一般为几天以上,海潮周期为12～25 h[15]。由于海原甘盐池拉分盆地位于内陆,可以忽略海潮的影响,并且研究的两口井周围没有抽水源,不存在抽水影响,因此本文主要研究降雨和气压的影响。

井水位对降雨和气压的响应是复杂的,都存在一定时间的滞后效应。利用到近年来井水位对降雨和气压滞后响应研究较多的的褶积算法(或称卷积回归方法)[16]对GYC井与GYCN井水位进行气压校正,水位与气压之间的相关系数分别是0.773和0.656(表3)。结合两口井原始水位与气压的对比(图2)表明海原甘盐池拉分盆地内井水位受气压影响显著,且水位显示有半月潮和日潮,反映出一定的潮汐变化。降雨的影响更为复杂,将两口井的水位进行气压校正并做归一化处理后再与降雨作对比,结果显示降雨量增大时水位都呈现上升趋势(图3)。另外,从两口井水位气压校正前、后对比曲线可以看出,校正后的水位波动变小,说明受气压影响比较显著(图4)。

表3 GYC井和GYCN井水位与气压间的线性回归计算结果

图2 GYC井和GYCN井原始水位与气压关系图Fig.2 Relationship between original water level and air pressure of GYC and GYCN wells

图3 GYC井和GYCN井气压校正后水位与降雨量关系图Fig.3 Relationship between water level and rainfall of GYC and GYCN wells after pressure correction

图4 井水位气压校正前后对比Fig.4 Comparison between well water levels before and after pressure correction

综上研究结果表明,海原甘盐池两口地震观测井水位的趋势变化和周期变化受区域降雨和气压的影响较大。

5 各井地下水埋藏类型分析

5.1 卷积回归法分析

丁风和等[17]利用卷积回归法给出了水位对气压的滞后时间与阶跃响应函数的关系式,即:

A(i)=aebi+c

(7)

式中:A(i)为井水位对气压的阶跃响应函数,范围为0～1;i代表滞后时间,范围为0～12 h;a为系数,其正、负决定井-含水层的地下水埋藏类型;定义域b值一般小于零,期值大小与井孔的形状、尺寸(结构)和含水层的水力特性有关。

(1) 当a<0时,水位对气压的阶跃响应函数随着水位对气压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;

(2) 当a>0时,水位对气压的阶跃响应函数随着水位对气压滞后时间的增大而减小,井-含水层系统地下水类型为潜水和半承压水。

利用卷积回归法分析了GYC井和GYCN井水位对气压滞后时间与阶跃响应函数的关系。结果表明,随着水位对气压阶跃响应时间的增大,(1)GYC井水位对气压的阶跃响应函数整体增大,实际为承压水,但是实际值与理论值拟合效果不佳,可能与其时间较长、长年失修、存在破损现象有关,或受地表水影响较大;(2)GYCN井水位对气压的阶跃响应函数增大,该井的井-含水层系统的地下水埋藏类型为承压水(图5)。

图5 GYC井和GYCN井水位对气压的阶跃响应函数Fig.5 Step response function of water levels of GYC and GYCN wells to air pressure

5.2 频谱分析法分析

选取两口井的原始水位以及气压校正后的水位整点值数据,得到的频谱分析结果如图6所示。由图可知:(1)经气压校正后两口井潮汐分波中的S2波均消失[图6(b)],则说明S2波是由气压引起的;(2)引起GYC井水位变化的主要潮汐分波有S2波、M2波、N2波、K1波和O1波,其中S2波振幅最大[图6(a)中的GYC井],从前述表2中地下水类型和潮汐波预期响应的关系判定来看,该井含水层系统地下水类型为半承压水;(3)引起GYCN井水位变化占起潮力95%的5个波都有,其中M2波最稳定,且振幅较大、较显著[图6(a)中的GYCN井],综合地下水类型和潮汐波预期响应关系判定,该井含水层地下水埋藏类型为承压水。

图6 井水位气压校正前、后频谱分析结果Fig.6 Comparison between spectrum analysis results of well water levels before and after pressure correction

5.3 潮汐波群相位超前或滞后法分析

结合频谱分析法获得的两口井原始水位波群,利用维尼迪科夫调和分析法分别计算两口井潮汐波中振幅最大的两个波(GYC井S2波,GYCN井M2波)相位滞后,结果见图7。

图7 GYC井和GYCN井相位滞后对比Fig.7 Phase lag comparison between GYC well and GYCN well

结果表明,GYC井S2波的相位滞后均值高于0°(为25.929 14°),处于垂直流状态。GYCN井的M2波相位滞后均值低于0°(为-52.015 8°),处于水平流状态,6月份相位滞后大于0°的原因是由于仪器故障缺数8天,利用三次样条插值和一般多项式拟合值替换存在误差。综上 ,基于潮汐波群相位滞后确定的这两口井地下水埋藏类型分别为:GYC井为半承压水,GYCN井为承压水。

5.4 综合评价

利用上述水位对气压的阶跃响应函数方法、频谱分析法、潮汐波群相位超前或滞后法来诊断和判别海原甘盐池两口地震地下水观测井(GYC井和GYCN井)含水层地下水埋藏类型(表4)的结果如下:

(1) GYC井综合判定为混合水,与该井依据成井时的贮存埋藏条件定性判别的结果(承压水)存在不一致性。究其原因为该井是从系统外接收的,虽在承压区,但其成井时间较长且长年失修,存在破损现象,而三个含水层间有过滤管,或受地表水影响较大。

表4 GYC井和GYCN井多种方法综合判定地下水埋藏类型结果

(2) GYCN井综合判定为承压水,与该井依据成井时的贮存埋藏条件定性判别的结果(承压水)一致,可能是该井2020年由宁夏地震局新打的地震观测专用井,虽有三个含水层,但只有一个过滤管,与外界联系弱。

6 结论与讨论

6.1 结论

本文利用海原甘盐池两口井(GYC井和GYCN井)水位、气压、降雨等资料,分析了其影响因素,并对其观测质量和可信度进行了评价。结果表明:

(1) 利用卷积回归法对两口井的水位进行气压校正,并将其与降雨进行对比分析,发现气压和降雨是影响其水位动态变化的主要因素。

(2) 通过水位对气压的阶跃响应函数法、频谱分析法和潮汐波群相位超前和滞后法综合评价两口井地下水埋藏类型,结果表明:①通过水位对气压的阶跃响应函数法得到两口井的井-含水层系统的地下水埋藏类型均为承压水,但GYC井的实际值与理论值拟合效果不佳,可能与其成井时间较长、长年失修、存在破损现象以及受地表水影响较大有关;②基于频谱分析法得到两口井的井-含水层系统的地下水埋藏类型分别是:GYC井为半承压水,GYCN井为承压水;③基于潮汐波群相位超前或滞后法得到两口井的地下水埋藏类型分别是:GYC井为半承压水,GYCN井为承压水;④综合三种方法的结果,得到两口井的地下水埋藏类型是:GYC井为混合水,GYCN井为承压水。

6.2 讨论

(1) 在地震系统内如GYC井这样观测了几十年的井还有很多,它们的井孔结构、与外界的水力联系以及含水层特性都已发生了改变,相应产出的资料质量和可信度如何值得商榷;另一方面,我们从国土、水利等部门移交过来的井,怎样利用这些井才能达到地震观测的要求,通过本文的研究可以得到很好的解决办法:只需提供原有井的水位、气压整点值,利用上述三种方法综合评价井的地下水埋藏类型,为提高观测质量和资料可信度提供科学依据。

(2) 地震地下水位观测是捕捉地震活动信息的有利手段,但是地下水位的动态变化不仅仅有地震活动信息,还掺杂着一些非地震活动信息,比如气压、降水、抽水和注水等,所以研究地下水位动态中存在的各种影响因素,对识别和提取地震前兆信息以及认识井含水层特征都有重要意义,可为进一步认识和理解地下水动态变化提供可靠的理论基础。而面对地震观测井水位影响因素的复杂性,基于多种方法的地下水埋藏类型研究,为地下水位的异常甄别、观测井的质量和可信度评价以及观测井点的勘选是非常重要的。考虑到地下水的运移是一个复杂的动态过程,本文只分析了气压与降水对井的影响以及利用三种方法进行了地下水埋藏类型的判定,若要得到更可靠的结果,今后还需做大量和深入的工作。