榆社紅崖頭水位對非構造應力的響應分析

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，山西 昔陽 045300；2.山西省地震局五臺地震科技中心，山西 五臺 035515；3.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

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

1 井點概況

1.1 地質構造

榆社紅崖頭觀測站位于榆社縣與左權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，流量相對穩定。構造上位于沁水盆地東坡構造帶東北部紅崖頭NNE向背斜南高點頂部附近，該區域以中等構造剝蝕侵蝕山地為主，兼有黃土覆蓋的高原與陷落盆地。區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 井孔結構

榆社紅崖頭流體井井深1 412.04 m，井管內徑273 mm，在43.68 m以上采用水泥止水，以下為裸孔。觀測段為43.68 m～1 412.04 m，揭示二疊系、石炭系砂巖與奧陶系灰巖地層(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，觀測類型為動水位。

2 井水位對非構造應力響應情況分析

2.1 氣壓效應

井水位的氣壓效應指井水位隨氣壓的波動而表現的起伏現象。通常情況下，水位與氣壓呈負相關，氣壓作用下的水位動態變化主要有顯著型、隱蔽型和中間型。顯著型水位動態受氣壓影響比較明顯，較易剔除；隱蔽型水位動態受氣壓影響不明顯，可將水位和氣壓數據進行濾波、差分處理，再構建一元回歸模型，獲取相對可靠的氣壓系數[2]。

計算時采用水位和氣壓的日均值數據，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、高頻成分抑制到最低水平，也可以忽略水位變化對氣壓的滯后效應[3]。按照上述方法，對紅崖頭水位數據和氣壓日值數據進行處理，計算得出月氣壓系數在0.035 8～1.008 2，氣壓系數較小，無明顯的年變規律(見第28頁圖2)。

2.2 引潮力對井水位的影響

引潮力是由天體與地球的相對運動決定的，具有周期性。當日、月引力變大時，含水層發生相對膨脹變形，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榆社紅崖頭井動水位農歷一個月的時值曲線看出，水位變化可記錄到清晰的固體潮效應。一個月的朔望日時，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波進行潮汐調和分析。計算中，利用維尼迪科夫潮汐調和分析原理和方法[4]，對水位整點值進行M2波潮汐調和分析，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，較為穩定(見圖4)。

圖2 榆社紅崖頭井水位氣壓系數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 降水對井水位的影響

降雨會通過補給作用引起含水層儲水量的變化，從而引起井水位的變化[5]。對榆社紅崖頭井水位與降雨量進行對比(見第29頁圖5)，由圖可知，每年水位在雨季結束之后的秋冬季節上升，第二年春夏季節雨季來臨時下降，水位的突升不在強降水時段，但降雨對紅崖頭井水位有一定的補給作用，補給時間滯后2～3個月[6]。

2.4 同震響應

地下流體的同震響應通常受地震、地層介質特性、井孔所處的構造環境、水文地質條件等因素的影響，是多重影響因素作用下的一種綜合體現。對紅崖頭井水位2014年以來全球7級以上地震、中國大陸6級以上地震的同震響應情況進行統計，除2015年4月25日尼泊爾8.1級地震出現同震響應外(見圖6)，其余地震均無同震響應。是由于井—含水層系統的記震能力較弱，還是有其他原因，有待進一步的探討。

圖5 榆社紅崖頭井水位與降雨量對比曲線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曲線Fig.6 Coseismic response curve of Hongyatou well in Yushe

3 結論與討論

氣壓效應、引潮力、降雨對水位的影響及同震響應分析結果顯示，除降雨對水位的補給作用較為明顯外，氣壓效應、潮汐因子、同震響應均較弱。影響氣壓效應、

潮汐因子與同震響應的因素主要有含水層巖性、頂板埋深、水文地質參數、厚度、觀測方式等，紅崖頭井觀測層為砂巖，屬灰巖裂隙水，頂板埋深較淺，觀測層厚度達1 368 m，這些條件有利于井—含水層對非構造應力的響應。井—含水層的水文地質參數由于成井時間較長，相關資料缺失，無法確定其對非構造應力響應的影響。紅崖頭井水位觀測方式為動水位觀測，相對于靜水位觀測，水位對非構造應力的響應要弱。因此，紅崖頭動水位對非構造應力及同震響應較弱的主要原因可能與觀測方式有關，但同時應考慮含水層水文地質參數對其的影響。

井—含水層水文地質參數獲取的方法通常為現場抽水試驗或室內試驗，多在成井時完成，后期較難獲取，目前相關研究認為利用水位資料可獲取含水層介質的部分參數[7]。因此，今后可通過對紅崖頭井井—含水層水文地質參數進行研究，明確其對非構造應力響應的影響。