西昌川-03井水位異常核實(shí)與分析

芮雪蓮，官致君，楊 耀，楊 鵬

(四川省地震局，四川 成都 610041)

地下流體觀測是眾多地震地球物理場觀測手段之一，多年觀測實(shí)踐及研究證明，中強(qiáng)地震發(fā)生前震區(qū)部分觀測井會出現(xiàn)明顯的地下水異常變化，這主要是由于在區(qū)域應(yīng)力作用下，地殼介質(zhì)受到力的作用發(fā)生形變破壞時，介質(zhì)中的流體在動力作用、熱力作用、化學(xué)作用下發(fā)生動態(tài)變化(孫小龍，2016)。我國地震地球物理場觀測系統(tǒng)經(jīng)歷“九五”“十五”項(xiàng)目改造后水位觀測已大部分實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，有信息量大、傳輸快等優(yōu)點(diǎn)，為捕捉地震短臨異常信息提供了有利條件(張素欣等，2002)，但是由于數(shù)字化水位觀測容易受到環(huán)境、氣候及觀測儀器等綜合影響，如何在各種因素共同作用下識別和排除干擾，獲取有效的地震異常信息是目前地震監(jiān)測預(yù)報亟需解決的重要問題。本文對西昌川-03井在動水位觀測中出現(xiàn)的異常通過現(xiàn)場核實(shí)及綜合分析該地區(qū)其他臺站地球物理場觀測資料，對異常性質(zhì)做出判定，對該區(qū)域內(nèi)今后的異常核實(shí)及干擾信息的排除具有參考意義。

1 臺站和觀測概況

西昌川-03井構(gòu)造上處于則木河斷裂帶北段，該斷裂帶為一條左旋走滑斷裂帶，全長120 km(杜平山，2000a)，自北向南分為李金堡斷層、大箐斷層、扯扯街?jǐn)鄬铀尚聰鄬?、大同斷?個次級斷裂，其中距離觀測井最近的李金堡斷層全新世以來的平均滑動速率為6.20 mm/a，至今仍具有一定活動性(杜平山，2000b)。川-03井屬于深層基巖承壓自流井，2014年12月16日成井，井深708.84 m，設(shè)計井身結(jié)構(gòu)為：井深 0～20 m鉆孔直徑為171 mm，井深 20～50 m鉆孔直徑為150 mm，井深50～300 m鉆孔直徑為130 mm，井深300～550 m鉆孔直徑為110 mm，井深550～700 m鉆孔直徑為94 mm。井口水體溫度33℃，井口最大出水量約為420 m3/d。觀測含水層位于井下548.71～683.13 m，采用篩管結(jié)構(gòu)，其它井段采用標(biāo)準(zhǔn)地質(zhì)套管封閉淺層地下水。觀測含水層巖性為白堊系泥巖及砂巖。西昌川-03井目前臺站共部署地下流體觀測設(shè)備4套共10個觀測項(xiàng)目，其中水位、水溫觀測采用的是中科光大數(shù)字化地下流體監(jiān)測設(shè)備(ZKGD3000-N)，氣氡、測氦儀器型號為鄭州晶微DDL-1、WGK-1型數(shù)字化儀器。

2 水位下降異常概述

2019年3月26日該井水位緩慢波動上升，在3月30日和4月3日分別出現(xiàn)了小幅的臺階上升，幅度分別為1.9 cm和4.5 cm。4月8日動水位轉(zhuǎn)折呈下降趨勢，至4月12日水位下降至0.420 m，下降幅度約為5.3 cm。4月8～18日水位基本維持在0.420 m，4月19～21日水位又出現(xiàn)上升，自3月26日到4月21日，水位累計上升約14.8 cm。4月22日數(shù)據(jù)變化為下降趨勢，4月30日動水位數(shù)據(jù)已低于近年來最低值，至5月2日，水位累計下降幅度約為20 cm，下降幅度較大(見圖1)，之前并未出現(xiàn)過此類大幅下降的異常。為明確本次異常變化的真實(shí)性及成因，按照異常識別成因、空間、時間及強(qiáng)度相關(guān)性的原則進(jìn)行異?，F(xiàn)場調(diào)查和分析。

圖1 西昌川-03井水位分鐘值曲線

3 異常調(diào)查及分析

3.1臺站自然環(huán)境及人為干擾調(diào)查

自然環(huán)境對水位觀測的影響主要表現(xiàn)在降雨及氣壓方面，實(shí)踐表明，降雨前后的氣壓急劇波動、強(qiáng)降雨等氣象因素對水位觀測有一定的影響(龔永儉等，2016)。春季為西昌地區(qū)少雨季節(jié)，且03井觀測段埋藏較深，降雨難以直接引起大幅水位變化，同時，降雨作為地下水補(bǔ)給方式的一種，應(yīng)該會導(dǎo)致水位上升而不是下降，故可認(rèn)為此次水位變化與降雨無關(guān)。西昌川-03井位于興川鎮(zhèn)的興川中學(xué)旁，其東側(cè)為林地，臺站外圍均為葡萄田，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查農(nóng)田灌溉采用農(nóng)業(yè)用水，與03井的觀測水層無水力聯(lián)系。觀測房外側(cè)為宏觀觀測池，宏觀觀測池用水與觀測井相通(見圖2)。根據(jù)本次調(diào)查訪問，臺站看守人員近期并沒有打開過水閥，且若是人為開關(guān)水閥，水位應(yīng)為快速下降然后恢復(fù)，近期水位下降幾乎為勻速且持續(xù)下降，由此可見本次水位下降非環(huán)境因素或人為開關(guān)水閥等因素造成。

圖2 西昌川-03井周邊觀測環(huán)境

3.2 觀測系統(tǒng)檢查及水位校測

(1)觀測系統(tǒng)檢查。川-03井觀測點(diǎn)數(shù)字化地下流體監(jiān)測設(shè)備(ZKGD3000-N)采用直流電供電，經(jīng)檢查人員核查，該井電壓符合觀測系統(tǒng)供電要求，供電系統(tǒng)工作正常。此外，數(shù)采、通信指示燈信號狀態(tài)、探頭插孔、主板和網(wǎng)絡(luò)接口等部件工作狀態(tài)良好。由此可判定，儀器記錄及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)工作正常，但水位探頭是否處于正常工作狀態(tài)仍無法確定，故需要進(jìn)一步對水位校測進(jìn)行判定。

(2)水位校測及結(jié)果分析。2019年5月2日現(xiàn)場核實(shí)人員利用鋼卷尺對該井的動水位值進(jìn)行人工校測，校測值誤差為 0.000 8 m，小于0.01m，人工校測結(jié)果合格，經(jīng)計算分析，初步認(rèn)為儀器不符合水位觀測技術(shù)要求，需送廠家重新標(biāo)定。此外，核實(shí)人員現(xiàn)場將此次水位數(shù)據(jù)與4月18日測量動水位值進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)二者水位差約為3 cm，而儀器在該時間段內(nèi)的動水位差為17.1 cm，二者水位降存在較大差異，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 現(xiàn)場校測水位數(shù)據(jù)對比表 單位: m

基于前期及本次人工與儀器水位測量數(shù)據(jù)對比分析發(fā)現(xiàn)，在14天的時間里，兩差值應(yīng)為零，但儀器讀數(shù)與人工讀數(shù)相減后的差值為0.1398 m，儀器采集數(shù)據(jù)計算得水位降約為人工測量水位降的6倍，為保證人工量測的準(zhǔn)確性，現(xiàn)場校測人員三人重復(fù)測量，經(jīng)復(fù)核計算，人工測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤且校測誤差符合要求?；谝陨戏治隹烧J(rèn)為觀測儀器觀測數(shù)據(jù)存在問題，可能是儀器偏差較大。為進(jìn)一步確認(rèn)儀器測值大幅偏差原因，決定在觀測井副管中安裝對比觀測儀器，以驗(yàn)證現(xiàn)有觀測系統(tǒng)穩(wěn)定性。

3.3 異常分析

川-03井水溫探頭在此次異常出現(xiàn)之前已存在故障，故在此不再進(jìn)行對比分析。氣氡、氣氦及川-32井的各個測項(xiàng)均無異常，本節(jié)主要就對比觀測與原有儀器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析討論。對比觀測采用儀器與原有儀器為同型號水位觀測儀器(中科光大ZKGD3000-N型)，放置深度為井口以下3.5 m。根據(jù)近5天的對比觀測數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，原有儀器水位在5天內(nèi)水位累計下降約10.6 cm(見圖3)，對比觀測儀器動水位變化平穩(wěn)，日變明顯，幅度約為1.8 cm，水位在0.22 m附近周期性波動，動水位變化平穩(wěn)，無趨勢下降現(xiàn)象。從圖4分析可知，原始儀器觀測數(shù)據(jù)與對比觀測數(shù)據(jù)變化曲線可以看出二者均有明顯的日變形態(tài)，不同的是，原始儀器數(shù)據(jù)曲線在日變形態(tài)上同時疊加了趨勢下降，為進(jìn)一步定量分析原始儀器觀測數(shù)據(jù)趨勢，利用5月4日儀器穩(wěn)定參數(shù)后的分鐘值進(jìn)行一階線性擬合，并去趨勢(見圖4)，趨勢一階線性擬合方程為y=0.000012782x+0.5605，即根據(jù)計算4月22日后原始儀器趨勢下降速率為1.8 cm/d。原始觀測數(shù)據(jù)經(jīng)去趨勢后與對比觀測的曲線變化動態(tài)一致，但由于原始儀器與對比觀測儀器測量基準(zhǔn)面不一致，故二者在水位數(shù)值上存在差異。

圖3 川-03井水位分鐘值觀測對比曲線

圖4 川-03井水位對比觀測曲線(分鐘值)

西昌川-03井地下流體監(jiān)測設(shè)備采用中科光大ZKGD3000-N型，其原理為將傳感器置于井水面以下一定深度，當(dāng)水柱高度變化時，壓力傳感器上的壓力敏感元件受壓而產(chǎn)生微弱的電壓變化，通過電路放大，把隨井水位變化引起的電信號傳輸?shù)街鳈C(jī)中采用絕壓式壓力傳感器，儀器采取氣壓測值參與計算的方式進(jìn)行氣壓補(bǔ)償，測出水柱高度(穆慧敏等，2018)。該儀器最佳工作深度為0～10 m，川-03井動水位探頭放置深度為15 m，雖然在儀器工作量程范圍(0～30 m)之內(nèi)，但是有研究結(jié)果證明在其他觀測條件不變的條件下，井水位的零漂大小與傳感器埋深呈正相關(guān)，即傳感器埋深越大，零漂幅度趨勢越大(楊鼎鴻等，2013)，由此可能造成儀器零漂累計，故放置深度超出儀器最佳工作深度可能是導(dǎo)致該井觀測儀器出現(xiàn)問題的原因之一。

西昌川-03井與川-32井同屬則木河斷裂帶觀測井，二者直線距離約為7 km，川-32井近期水位、水溫變化正常，無明顯波動。2019年以來該井動水位維持在1.620 m，水溫維持在24.30 ℃左右，二者變化同步，且日變幅均較明顯，分別為4.5 cm、0.026 ℃。鈣、鎂、重碳酸跟離子濃度及電導(dǎo)率和PH值均處于正常狀態(tài)，無明顯異常。

4 結(jié)論與討論

(1)經(jīng)對臺站周邊自然環(huán)境、人為干擾情況的調(diào)查，臺站觀測環(huán)境沒有受到干擾，可排除西昌川-03井水位受周圍環(huán)境或人為調(diào)節(jié)水位的干擾。(2)西昌川-03井3個正常觀測的測項(xiàng)(水位、氣氡、氣氦)，在5月僅有動水位一項(xiàng)出現(xiàn)了持續(xù)性下降的變化，根據(jù)調(diào)查，同一斷裂觀測井川-32井水位、水溫及水質(zhì)等測項(xiàng)無明顯變化，可認(rèn)為該地區(qū)近期無明顯構(gòu)造活動。(3)經(jīng)過分析人工校測、對比觀測數(shù)據(jù)與原有觀測儀器記錄數(shù)據(jù)的差距，發(fā)現(xiàn)原有儀器記錄的數(shù)據(jù)與前二者存在較大差異，通過對原有儀器記錄數(shù)據(jù)去趨勢，認(rèn)為原有儀器記錄數(shù)據(jù)已不真實(shí)，不能客觀反映該井動水位變化，此次水位異常為非震兆異常。(4)西昌川-03井水位探頭放置深度超過最佳工作深度，水壓過大可能是導(dǎo)致儀器工作不穩(wěn)定的原因之一。(5)水位傳感器零漂較大。(6)在2018年10月31日西昌5.1級地震之前，該臺站水位、水溫及氣氡、氣氦均無異常現(xiàn)象，但是在西昌地震之后，氣氡觀測數(shù)據(jù)波動范圍較大，直到2018年12月才恢復(fù)震前水平，故該井地下流體觀測測項(xiàng)異常暫無震例，后期需繼續(xù)關(guān)注。

致謝：本次異常核實(shí)現(xiàn)場工作得到了西昌地震中心站胡德軍站長、王登偉科長、楊洪剛老師的指導(dǎo)和四川省地震監(jiān)測中心趙德楊、廖峰，涼山州防震減災(zāi)局戴放科長、李瑞瑞、王娟的幫助，評審專家對本文提出了修改建議，在此一并表示衷心感謝。