四川北川川41 井动水位动态特征及干扰分析

梁 慧，张 映，赵德杨，魏娅玲，王 迪，胡俊明，刘华姣，王 斌，赖康建

（1.四川省地震局成都地震监测中心站，四川 成都 611730；2.四川省地震局，四川 成都 610059；3.四川省地震局阿坝地震监测中心站，四川 阿坝 623300；4.四川省绵阳市北川羌族自治县应急管理局地震监测中心，四川 北川 622750）

地下流体在地球动力活动中具有举足轻重的作用，对地震活动也不例外，地震的孕育与发生过程离不开流体的作用（车用太等，1997）；当地震孕育的过程使含水层受力状态发生变化时，有可能引起井孔水位记震能力的显著变化（车用太等，1989）；大地震的发生伴随着区域应力场的调整，引起深部承压含水层体应变的变化（张昭栋等，1994），导致空隙压力发生改变。地下水动态特征能较为灵敏地反映地震与构造活动的信息。研究者分析发现，中强地震与地下水异常存在较好的对应关系（范雪芳等，2010），地下水异常既可能是最直接的宏观短临前兆，也可能是影响地壳形变异常的主要控制因素（陆明勇等，2005）。地震往往孕育在地表10 km 以下的地壳中，而目前对地震前兆的监测往往还基于地壳浅层，因此会受到降雨渗入补给、地下水开采、仪器故障、人为操作不当等的干扰；各类干扰因素的作用机制各异，相互影响，会降低地球物理场观测数据内在质量与可靠度，增加了数据处理难度和异常识别的精确度（徐甫坤等，2014）。地震井水位观测作为地震流体观测最有效的手段之一，不仅可观测到地震异常信息，还可观测到一些与地震无关的干扰信息（丁风和等，2021）。川41 井位于龙门山断裂中段的灌县—安县断裂，距离“5·12”汶川地震（MS8.0）震中约113 km，是灾后新建液体观测井。分析研究该井水位的干扰因素和动态特征，可为数据跟踪分析和地震异常识别提供支撑。

1 川41 井基本情况

1.1 川41井地质构造

川41 井地处四川盆地的边缘地带，位于龙门山断裂中段的灌县—安县断裂，周边为一系列走向为北东东—东西向、轴线向北弯突的平缓开阔弧形褶皱。区域内地下水类型主要为松散土类上层滞水和孔隙潜水，该区所处位置的区域地震动峰值加速度为0.15 g，少量基岩裂隙水和岩溶地震动反应谱特征周期为0.40 s，地震基本烈度为Ⅶ度（北川县防震减灾局提供资料）。2008 年“5·12”汶川MS8.0 地震造成映秀—北川断裂带和灌县—安县断裂同时破裂，形成映秀—北川破裂带和灌县—安县破裂带（李海兵等，2008），川41 井成为监测这些破裂带地震活动的重要组成部分。

1.2 川41井钻孔及仪器布设情况

川41 井位于北川县防震减灾局办公大楼旁，观测点所处位置属四川盆地平丘至高原的过渡带。完钻井深300.4 m，该井属“两径成孔”，其孔径在31.05 m 处由直径170 mm 变径为130 mm，130 mm 的孔径段为269.35 m。多个含水层段有多个φ127 mm 滤水管，滤水管总长为88.2 m。0.0～6.4 m 含水层为松散含水层，属孔隙水；31.05～36.70 m 为砂岩含水层，含水层岩性为胶结状硅质砂岩等，呈灰白色；60.4～289.9 m 为砂岩含水层，含水层岩性一般为石英、长石及硅质砂岩等，呈灰白色，结构密实。该钻孔类型为直孔，终孔后测量孔斜不大于1°。岩性结构由第四系全新统洪坡积、侏罗系上统蓬莱镇组（J3p）泥岩和二迭系上统龙潭组（P2l）组成。川41 井安装有3 套仪器，分别是：ZKGD3000-N 型地下流体监测仪、SZW-Ⅰ水温仪、RTP-Ⅱ气象三要素仪。其中，ZKGD3000-N 型地下流体监测仪2011 年11 月9 日正式运行，动水位探头投放深度为10.05 m、水温探头投放深度为170.00 m。2018 年11 月14—16 日新增RTP-Ⅱ气象三要素仪和SZW-Ⅱ水温仪，水温探头投放深度为150.00 m。

2 川41 井动水位年变动态特征及干扰因素分析

川41 井动水位多年年变形态在1—6 月表现为趋势向下，在7—9 月表现为急剧上升，在10—12 月表现为趋于下降（图1），并在7—9 月年变急剧上升期间出现大幅台阶，故需要从观测环境、背景、气象因素方面分析影响动水位年变干扰因素。

图1 川41 井2017—2020 年动水位日值曲线

2.1 观测环境调查

调查发现川41 井近旁无村庄、农田及耕地，排除农用灌溉影响；附近300 m 内有行政单位和一所学校，因学校寒暑假放假时间在1—2 月和7—8 月，这段时间水位无明显下降（图1），这样就排除行政单位和学校用水影响；春秋季节降雨少，含水层中地下水储量减少以及地表水的蒸发等因素，引起川41 井动水位季节性趋势缓慢下降（图1）；井点山前2 km 为涪江支流（安昌河），年平均地表径流总量为13.47 亿立方米，地下径流为3.19 亿立方米，地下水位变化不大。北川县属亚热带湿润气候区，四季分明，气候温和，多年平均气温为15.6 ℃；该区雨量充沛，年均降雨量为1 399.1 mm，年最大降雨量为279 mm，时最大降雨量为32 mm；降雨多集中在6—9 月，占全年降雨量的71%～76%，最大占比约为90%，历年降雨量分布不均。井点山前2 km 的安昌河与该井同时受降雨量的补给，两者水位同步变化。

2.2 背景分析

井点位置较好，无人为干扰，动水位有季度校测，校测人员每季度严格按照流体学科要求操作，排除检查、校测干扰；水温、气压不存在流体学科检查、标定工作的影响。梳理2017—2020 年观测日值，未查到因仪器影响动水位观测数据的资料，说明仪器工作稳定性较好，连续率较高，数据可靠性强。

2.3 气象因素分析

2.3.1 动水位与降雨量对比分析

大气降水的直接补给作用对一些观测含水层较浅的观测井影响较大，这些观测井一般是位于垂直裂隙比较发育、地下水补给区与观测井间的距离较近等山前基岩裂隙观测井（刘耀炜，2009）。当降雨量增大时，川41 井井点前山上大量积水涌入井点周围，周围的松散土层、基岩裂隙受压应力的作用，导致含水层地层压力增强引起局部水位上升。井动水位动态趋势表现为随降雨的增多而上升，随降雨量的减少而下降，说明川41 井动水位主要受降雨补给影响（图2）。因该井2017、2018 年动水位变化形态与2019、2020 年的相似，但无降雨量资料，变化关系无法分析。2021、2022 年动水位形态发生变化，这可能与2021 年9 月16 日四川泸县MS6.0 地震和2022 年9 月5 日四川泸定MS6.8 地震有关（图2）。2022 年资料显示，动水位在10 月份以后的形态和2019、2020 年的相似。

图2 川41 井2019—2022 年动水位、降雨量日均值曲线

2.3.2 动水位与气压效应对比分析

井水位气压效应可表现在不同的时间尺度上，除在年尺度上的月均值有所表现之外，在月尺度上的日均值与日尺度上的整点值也可以表现出动态特征。我国观测井中，约55%的观测井能记录到这种效应（车用太等，2006）。川41 井所处环境特殊，旱季为枯水期，井断流（数值上表现为负值）；雨季为补水期，能补到泄流口以上而自流，该井可能严重受降雨影响。动水位、气压在月尺度上的日均值气压效应表现不明显（图3），在日尺度上的整点值气压效应表现明显，互为负相关性关系（图4）。

图3 川41 井2020 年动水位、气压日均值曲线

图4 川41 井动水位、气压整点值曲线

通过对川41 井2020 年的气压、动水位日均值数据的相关性进行对比分析，发现二者的相关性不明显。气压的高值出现在2 月和12 月，而动水位低值出现在6 月；1—2 月气压趋势向上，2 月出现一个低值，1 月动水位趋势向下，2 月出现向上拐点，出现一个高值，两者的时间不对应，3—6 月气压、动水位均趋势下降，形态一致，未出现负相关性关系；7—8 月气压趋势下降到最低，出现一个最低值，动水位趋势上升到最高，出现两个最高值，两者的时间不对应。多年的资料显示，气压每年均在7 月出现最低值，而动水位每年出现高值的时间却不一致（图3）。计算出2017—2020 年动水位、气压二者的相关系数分别是：0.310 5、0.127 7、0.729 3、0.437 4。为进一步验证两者的相关性，选取2020 年1 月1—5 日井断流5 天的整点值和2020 年8月25—29 日井自流5 天的整点值进行分析，发现：无论是旱季，还是雨季，动水位、气压相关性显著，表现为气压上升，同时动水位下降；气压下降，同时动水位上升的特性，即动水位、气压负相关性显著（图4）。

2.3.3 动水位固体潮汐效应分析

井水位的固体潮效应是指在日、月引力作用下含水层体积的压缩与膨胀变形引起的井水位有规律变化，因此井水位日潮差值小且呈单峰单谷型形态变化（刘耀炜，2009）。我国地下水观测井网中，约有 75%的井可观测到井水位的潮汐效应。

用中国地震前兆台网处理系统软件提供的“水位调和分析（M2波计算）”，对北川川41 井2020 年1—12月动水位资料进行调和分析，得到潮汐因子分别为0.000 11、0.001 96、0.002 07、0.002 83、0.004 34、0.000 10、0.001 79、0.000 29、0.000 15、0.000 55、0.000 05 和0.000 04。对该井2017—2020 年的动水位资料进行分析，得到的潮汐因子分别为0.000 13、0.000 13、0.000 13 和0.000 22。再次验证了川41 井动水位受潮汐效应影响不明显。

从川41 井周围环境、人为干扰、仪器运行、气象因素、固体潮汐情况综合分析，认为影响川41 井动水位年变形态趋势变化的可能因素主要是大气降水，且动水位多年年变形态相似，受季节影响，冬春枯水期断流，夏季雨量充沛而自流。多年来，该动水位的年变趋势既有动水位的趋势特征，也有静水位的趋势特征。水位年变趋势形态为：缓慢下降-急剧上升-稳中稍有下降。每次上升的趋势具有大幅台阶急剧上升的特点。

3 川41 井动水位、水温对比分析

3.1 动水位与相同记录仪中层水温对比分析

井孔水温与观测层水位的趋势变化有一定相关关系，但也有许多观测井水温的长期动态与水位长期动态变化不一致（刘耀炜，2009）。川41 井动水位、中层水温年变趋势略有不同（图5）：1—6 月动水位趋势向下，中层水温趋势平稳；7—8 月动水位、中层水温均表现为缓慢上升-急剧上升-转平趋势变化，9 月稍有下降；10—12 月动水位变化趋势为略有上升-稍有下降-转平，中层水温变化趋表现为势缓慢上升-缓慢下降。

图5 2020 年川41 井动水位与相同仪器记录水温整点值曲线

3.2 不同记录仪中层水温对比分析

图6 显示，川41 井不同仪器记录的中层水温年变趋势形态一致，其中ZKGD3000-N 型仪器水温探头投放深度为170.00 m，记录中层水温数据曲线毛刺多，SZW-Ⅱ水温仪水温探头投放深度为150.00 m，水温数据曲线毛刺相对较少，出现这种现象可能与仪器本身观测精度有关。ZKGD3000-N 型仪器水温精度达0.001℃，SZW-Ⅱ水温仪水温精度为每天小于0.000 1℃。SZW-Ⅱ水温仪中层水温在3—6 月有小幅间断台阶变化，估计与少量降雨有关。从图2、图6 可以看出，不同记录仪记录的中层水温均受降雨影响，与记录仪关系不大。

4 结论

川41 井受周围环境、人为干扰、仪器运行、气压、潮汐效应等的影响较小，主要受降雨影响；该井动水位、中层水温年变趋势略有不同。动水位年变趋势形态为：缓慢下降-急剧上升-稳中稍有下降；中层水温年变趋势形态为：趋于平稳-急剧上升-转平-缓慢下降。该井位于龙门山断裂带中段灌县—安县断裂，含水层能捕捉到应力场的微小变化，多年动水位资料多次记录到近远场兆同震响应，值得继续深入研究。