宮靜芝，呂永青，張亞敏，宋志英，王振江

(1.山西省地震局昔陽地震臺(tái)，山西 昔陽 045300；2.山西省地震局五臺(tái)地震科技中心，山西 五臺(tái) 035515；3.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，山西 太原 030025)

0 引言

引起井水位變化的主要因素包括構(gòu)造應(yīng)力和非構(gòu)造應(yīng)力。構(gòu)造應(yīng)力因素是由于大地構(gòu)造應(yīng)力產(chǎn)生巖體體積的應(yīng)變使孔隙水壓變化，進(jìn)而反映在含水層地下水位的變化。非構(gòu)造應(yīng)力視為干擾因素，有氣壓、潮汐應(yīng)力、補(bǔ)給等[1]。構(gòu)造應(yīng)力因素可提取與地震活動(dòng)有關(guān)的異常信息，非構(gòu)造應(yīng)力因素往往掩蓋了由構(gòu)造應(yīng)力引起的水位異常變化。為準(zhǔn)確捕捉榆社紅崖頭水位因構(gòu)造應(yīng)力引起的前兆異常，先對(duì)非構(gòu)造應(yīng)力對(duì)水位的影響情況進(jìn)行分析，從氣壓效應(yīng)、引潮力、降雨影響、記震能力等方面開展討論研究。

1 井點(diǎn)概況

1.1 地質(zhì)構(gòu)造

榆社紅崖頭觀測(cè)站位于榆社縣與左權(quán)縣即濁漳河北源支流與清漳河西源支流的分水嶺，含水層埋藏淺，流量相對(duì)穩(wěn)定。構(gòu)造上位于沁水盆地東坡構(gòu)造帶東北部紅崖頭NNE向背斜南高點(diǎn)頂部附近，該區(qū)域以中等構(gòu)造剝蝕侵蝕山地為主，兼有黃土覆蓋的高原與陷落盆地。區(qū)域出露的主要地層有古生界二疊系—三疊系及新生界第三系—第四系。

1.2 井孔結(jié)構(gòu)

榆社紅崖頭流體井井深1 412.04 m，井管內(nèi)徑273 mm，在43.68 m以上采用水泥止水，以下為裸孔。觀測(cè)段為43.68 m～1 412.04 m，揭示二疊系、石炭系砂巖與奧陶系灰?guī)r地層(見第28頁圖1)，含水層類型為裂隙承壓水。1974年成井，2014年2月以來用于地

震地下流體觀測(cè)，觀測(cè)類型為動(dòng)水位。

2 井水位對(duì)非構(gòu)造應(yīng)力響應(yīng)情況分析

2.1 氣壓效應(yīng)

井水位的氣壓效應(yīng)指井水位隨氣壓的波動(dòng)而表現(xiàn)的起伏現(xiàn)象。通常情況下，水位與氣壓呈負(fù)相關(guān)，氣壓作用下的水位動(dòng)態(tài)變化主要有顯著型、隱蔽型和中間型。顯著型水位動(dòng)態(tài)受氣壓影響比較明顯，較易剔除；隱蔽型水位動(dòng)態(tài)受氣壓影響不明顯，可將水位和氣壓數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、差分處理，再構(gòu)建一元回歸模型，獲取相對(duì)可靠的氣壓系數(shù)[2]。

計(jì)算時(shí)采用水位和氣壓的日均值數(shù)據(jù)，起到低頻濾波的作用，將潮汐、氣壓的周期成分和非周期成分、以及降雨等因素引起的隨機(jī)、高頻成分抑制到最低水平，也可以忽略水位變化對(duì)氣壓的滯后效應(yīng)[3]。按照上述方法，對(duì)紅崖頭水位數(shù)據(jù)和氣壓日值數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算得出月氣壓系數(shù)在0.035 8～1.008 2，氣壓系數(shù)較小，無明顯的年變規(guī)律(見第28頁圖2)。

2.2 引潮力對(duì)井水位的影響

引潮力是由天體與地球的相對(duì)運(yùn)動(dòng)決定的，具有周期性。當(dāng)日、月引力變大時(shí)，含水層發(fā)生相對(duì)膨脹變形，孔隙度增大，井水回流到含水層中，井水位下降；反之，井水位上升。由第28頁圖3榆社紅崖頭井動(dòng)水位農(nóng)歷一個(gè)月的時(shí)值曲線看出，水位變化可記錄到清晰的固體潮效應(yīng)。一個(gè)月的朔望日時(shí)，日、月引力變化較大，井水位日潮差值大且日變曲線呈雙峰雙谷型；上、下弦日前后，日、月引力變化較小，井水位日潮差小且日變曲線呈單峰單谷型。

圖1 榆社紅崖頭流體井井孔柱狀圖Fig.1 Well-bore columnar diagram of Hongyatoufluid well in Yushe

在地球固體潮最主要的5種日波群和5種半日波群中，M2波振幅最大，具有最大的信噪比，因此選擇M2波進(jìn)行潮汐調(diào)和分析。計(jì)算中，利用維尼迪科夫潮汐調(diào)和分析原理和方法[4]，對(duì)水位整點(diǎn)值進(jìn)行M2波潮汐調(diào)和分析，得出紅崖頭井的潮汐因子月均值為0.143 7～0.223 5，潮汐因子較小，較為穩(wěn)定(見圖4)。

圖2 榆社紅崖頭井水位氣壓系數(shù)Fig.2 Pressure coefficient of Hongyatou-well water level in Yushe

圖3 榆社紅崖頭井水位固體潮效應(yīng)圖Fig.3 Earth-tide effect diagram of Hongyatou-well water level in Yushe

圖4 榆社紅崖頭井水位潮汐因子Fig.4 Tide factor of Hongyatou well water level in Yushe

2.3 降水對(duì)井水位的影響

降雨會(huì)通過補(bǔ)給作用引起含水層儲(chǔ)水量的變化，從而引起井水位的變化[5]。對(duì)榆社紅崖頭井水位與降雨量進(jìn)行對(duì)比(見第29頁圖5)，由圖可知，每年水位在雨季結(jié)束之后的秋冬季節(jié)上升，第二年春夏季節(jié)雨季來臨時(shí)下降，水位的突升不在強(qiáng)降水時(shí)段，但降雨對(duì)紅崖頭井水位有一定的補(bǔ)給作用，補(bǔ)給時(shí)間滯后2～3個(gè)月[6]。

2.4 同震響應(yīng)

地下流體的同震響應(yīng)通常受地震、地層介質(zhì)特性、井孔所處的構(gòu)造環(huán)境、水文地質(zhì)條件等因素的影響，是多重影響因素作用下的一種綜合體現(xiàn)。對(duì)紅崖頭井水位2014年以來全球7級(jí)以上地震、中國(guó)大陸6級(jí)以上地震的同震響應(yīng)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，除2015年4月25日尼泊爾8.1級(jí)地震出現(xiàn)同震響應(yīng)外(見圖6)，其余地震均無同震響應(yīng)。是由于井—含水層系統(tǒng)的記震能力較弱，還是有其他原因，有待進(jìn)一步的探討。

圖5 榆社紅崖頭井水位與降雨量對(duì)比曲線Fig.5 Comparison between water level and rainfall in Hongyatou well, Yushe

圖6 榆社紅崖頭井水位同震響應(yīng)曲線Fig.6 Coseismic response curve of Hongyatou well in Yushe

3 結(jié)論與討論

氣壓效應(yīng)、引潮力、降雨對(duì)水位的影響及同震響應(yīng)分析結(jié)果顯示，除降雨對(duì)水位的補(bǔ)給作用較為明顯外，氣壓效應(yīng)、潮汐因子、同震響應(yīng)均較弱。影響氣壓效應(yīng)、

潮汐因子與同震響應(yīng)的因素主要有含水層巖性、頂板埋深、水文地質(zhì)參數(shù)、厚度、觀測(cè)方式等，紅崖頭井觀測(cè)層為砂巖，屬灰?guī)r裂隙水，頂板埋深較淺，觀測(cè)層厚度達(dá)1 368 m，這些條件有利于井—含水層對(duì)非構(gòu)造應(yīng)力的響應(yīng)。井—含水層的水文地質(zhì)參數(shù)由于成井時(shí)間較長(zhǎng)，相關(guān)資料缺失，無法確定其對(duì)非構(gòu)造應(yīng)力響應(yīng)的影響。紅崖頭井水位觀測(cè)方式為動(dòng)水位觀測(cè)，相對(duì)于靜水位觀測(cè)，水位對(duì)非構(gòu)造應(yīng)力的響應(yīng)要弱。因此，紅崖頭動(dòng)水位對(duì)非構(gòu)造應(yīng)力及同震響應(yīng)較弱的主要原因可能與觀測(cè)方式有關(guān)，但同時(shí)應(yīng)考慮含水層水文地質(zhì)參數(shù)對(duì)其的影響。

井—含水層水文地質(zhì)參數(shù)獲取的方法通常為現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)或室內(nèi)試驗(yàn)，多在成井時(shí)完成，后期較難獲取，目前相關(guān)研究認(rèn)為利用水位資料可獲取含水層介質(zhì)的部分參數(shù)[7]。因此，今后可通過對(duì)紅崖頭井井—含水層水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行研究，明確其對(duì)非構(gòu)造應(yīng)力響應(yīng)的影響。