利用寧波水文地質監測井網建設地下流體前兆臺陣的試驗研究

李慧峰, 鐘羽云, 李志海, 袁寶珠, 李 蒙

(1. 寧波地震監測中心站, 浙江 寧波 315029; 2. 浙江地震臺, 浙江 杭州 310013;3. 寧波市應急管理局, 浙江 寧波 315066)

0 引言

作為地震前兆監測的重要學科之一,地下流體觀測能夠獲取豐富的地球動力作用信息,如潮汐現象、構造活動、地震波、地震前兆及其他地球內外動力作用等信息,同時還能夠得到環境(例如溫度、氣體循環)和資源(例如水資源儲量與質量)變化信息,為相關的災害、環境、資源問題的分析和研究提供重要的科學數據[1-3]。由于流體具有很強的信息傳遞能力,地下流體觀測在地震短臨預測預報中占有比較重要的地位。因此,地下流體觀測基礎研究和實用技術研究是地震預測預報業務發展的重要方向之一[4]。

地下水動態在地震預測中的作用與有效性已經得到了越來越多地震工作者的認可[5-7],然而,要在地震發生之前確認地下水前兆異常是一件非常困難的事情,即使是在地震發生之后也往往很難給出科學的確認結果,這主要是由于地下水動態受多種因素的干擾。面對眾多的干擾異常,如何對出現的干擾異常進行識別與排除,如何從復雜的干擾背景下提取出地震前兆異常,無疑是當前提高地下水動態監測與地震預測效能十分突出的問題。幾十年的監測實踐表明,及時識別與排除干擾異常,震前確認地下水異常的前兆性,對于正確把握震情與成功識別前兆異常和預測至關重要,因此地下水異常性質的判別是地震預報工作中非常重要的問題。監測預報人員開展地震前兆異常識別的相關研究,試圖建立有效的識別與排除干擾的理論與方法的努力一直沒有停止過。車用太等[8]認為,地下水動態干擾異常識別需要把握成因、空間、時間和強度等4個方面的相關性,這一研究結果為地下流體觀測資料處理和觀測站網設計提供了一種思考的方向。要提高異常識別的科學性,除了針對不同特征的干擾信息建立相應的數學模型外,還應布設科學目標清晰、觀測條件清楚的觀測站網。然而,我國目前地下流體監測臺網的布設思路是原則性的,網的結構也較為粗糙,在操作上有較大的隨意性[9]。建設中存在“因簡就陋”的被動建網(臺)思想,缺乏科學標準的主動布網(臺)勇氣[10]。劉耀煒[10]認為發展地震地下流體前兆觀測臺陣是地震地下流體科學優先發展的內容。前兆臺陣建設的目的是使地震前兆觀測進一步科學化,為地震預測提供具有更加明確科學內涵的前兆資料[11]。臺陣建設區的選擇是臺陣建設的關鍵環節,應該優先選擇地質與水文地質條件較為清楚并具有較強的前兆觀測基礎與有條件擴展新前兆觀測條件的地區[8]。有專家提出[12],可以在現有地震地下流體臺網的基礎上,與地質、石油、煤炭、冶金、水利等非地震行業部門合作,利用其現成的資源井孔井,經改造成為地震地下流體觀測井,這樣既能夠節約投入資金,又能較快建設一批新的地震地下流體觀測井。2018年寧波地震中心站開始對寧波市水文地質監測井網進行評估和篩選,并對其中的2口水井進行了改造,安裝了地下水位水溫觀測儀器,并依據地震地下流體觀測規范進行了并網,開展觀測實驗研究。

1 地下水監測概況

1.1 寧波盆地水文地質特征

寧波盆地第四紀沉積層厚度50～110 m,最厚達120 m,第四系中約有6個風化剝蝕面和高海平面形成的三個海浸層位,成因類型復雜,地層從中更新世至全新世均有發育,主要有河流相、河湖相及海相、濱海相等。平原區地下水類型有松散巖類孔隙水、孔隙裂隙水、基巖裂隙水三大類,其中松散巖類孔隙水又可分為孔隙潛水及孔隙承壓水兩個亞類;基巖裂隙水可分為風化網狀裂隙水、構造裂隙水和孔洞裂隙水三個亞類[13]。

地下水由山邊向盆地、由西南向東海有極緩慢的滲流,根據水文地質勘探資料可分出四個含水層(組),Ⅰ含水層由上更新統中部砂礫石組成,厚度5～15 m,Ⅱ含水層由上更新統底部砂礫石組成,厚度1～15 m,原始水深 1～3 m略高于Ⅰ層水位(圖1)。Ⅰ、Ⅱ兩層在山前合成一層含淡水并與山邊淡水帶連成一體,在盆地內兩層水被黏性土隔開。Ⅰ層水以咸水為主,局部見淡水,咸水形成于早期海侵時期,無明顯的現代水補給。Ⅱ含水層中四周被微咸水所圍,淡水體可能是海侵時封閉在含水層中的古淡水,也可能由相鄰含水層垂向越流補給形成[14-15]。

圖1 寧波盆地含水層剖面圖Fig.1 Profile of aquifer in Ningbo Basin

1.2 水文地質觀測井網

寧波盆地水文地質監測工作開始于二十世紀七十年代,經過多年的建設與發展已成規模,納入觀測的地下水監測井共146孔,近幾年又擴建到161孔,其中現有深層承壓水井36孔。承壓水井包括Ⅰ含水組的16口井,Ⅱ含水組的20口井。水井間的距離為數千米至二十多千米不等,水井網主要用于寧波市水文地質環境監測。

除早期少量井孔外,井網井孔成井均為500 mm大孔徑鉆探,不變徑,井管止水層采用200 mm球墨鑄鐵井壁,觀測水層采用球墨鑄鐵過濾管、積沙層采用球墨鑄鐵沉淀管。止水層以黏土及發泡黏土球護壁止水,觀測水層以1～3 mm礫徑礫石水井護壁。建井內容詳細,地層柱狀清楚并有詳細成井報告,包括:開工日期時間、竣工日期時間、鉆孔深度、生產井深度、地面高程、大地坐標、生產井下入管材說明、抽水試驗說明、水質分析說明等。作為示例,圖2給出了部分的含水組成井位置分布圖。

圖2 寧波市水文地質觀測井網分布圖[底圖數據、圖模板來源于《浙江省區域地質志》(地質出版社出版)]Fig.2 Distribution map of hydrogeological observation network in Ningbo

2 地下水臺陣式觀測設想

為加強地震前兆監測能力,計劃利用寧波盆地水文地質觀測井網建設寧波地下流體前兆臺陣,并于2019年申請了中國地震局三結合課題(3JH-20190214)——《寧波盆地地震地下流體監測網建設調研與優選方案》,開展了相關研究。首先,從寧波水文地質監測井網中遴選了慈溪生態農莊井(以下簡稱慈溪井)和北侖天主教堂井(以下簡稱北侖井)等2口水井架設水位水溫儀器對比莊市21號井(以下簡稱莊市井)進行試驗觀測。

2.1 觀測井孔水文地質背景

2.1.1 莊市井

寧波鎮海莊市21井于1986年開始進行地震觀測,后列入國家局區域地震水位觀測基本臺網。該井在寧波市鎮海區職業教育學校內,觀測井坐標29°56′N,121°36′E(圖2)。該觀測井1972年成井,終孔606.14 m,后回填至孔深170 m建井保留,其水文地質條件是寧波盆地的構造裂隙水。2009年該井進行洗井改造,抽水試驗顯示,水位降深15.39 m,涌水量6.71 L/s。2014年12月,在該井安裝LN-3型數字水位儀和SZW-1A水溫儀,水溫梯度100 m降深開始測試,結果為分段短時間溫度變幅相差不大,最終水溫探頭投放深度為160 m。圖3(a)為莊市井地層柱狀及管井安裝結構圖。

圖3 觀測井孔柱狀剖面圖Fig.3 Columnar section of three observation wells

從該井多年的觀測資料表明,該井水位觀測映震效果較好,1994年9月寧波晈口4.2級、1996年11月長江口6.1級和1998年8月嵊州4.0級等地震前均出現了趨勢性變化異常和水位幅度降低等短臨異常[16-17]。

2.1.2 試驗井

北侖井位于寧波市北侖區天主教堂院內,觀測井位于29°54′N,121°49′E(圖2)。該觀測井2010年成井,鉆孔84.1 m,球墨鑄鐵套管至81.5 m,其中74.0～79.5 m為過濾管,79.5～81.5 m為沉淀管。其水文地質條件特點是:封止地表淺部含層水、38.7～42.5 m卵礫巖性晚更新統中期沖擊層、53.0～60.2 m礫砂夾黏土巖性晚更新統中期沖擊—洪積層;該井觀測含水層上層為74.0～79.5 m晚更新統早期沖擊—湖積層,其巖性為礫石夾黏土,其特征為灰褐色,松散;觀測含水層下層為79.5～84.7 m中更新統,其巖性為黏土夾礫石,其特征為棕黃色,較密實;底部為全風化凝灰質熔巖[圖3(b)]。該井抽水試驗顯示,水位降深1.55 m,涌水量8.89 L/s,水溫梯度50 m降深開始測試,結果為分段短時間溫度變幅相差不大,最終水溫探頭投放深度為80 m。

慈溪井位于慈溪市長河鎮,觀測井位于30°18′N,121°10′E(圖2)。該觀測井2010年成井,鉆孔113.0 m,球墨鑄鐵套管至112.0 m,其中99.0～108.0 m為過濾管,108.5～112.0 m為沉淀管。其水文地質條件特點是:封止地表淺部含層水、73.8～83.6 m松散粉細砂巖性中更新統中期沖擊層;該井觀測含水層為98.3～109.7 m中更新統早期沖擊層,其巖性為中細砂夾黏土,其特征為灰白色、松散、飽和、上部細、下部顆粒粗,局部夾薄層黏土、可塑,厚度約3 mm;底部灰褐色硬塑黏土[圖3(c)]。該井抽水試驗顯示,水位降深2.19 m,涌水量1.56 L/s。水溫梯度60 m降深開始測試,結果為分段短時間溫度變幅相差不大,最終水溫探頭投放深度為105 m。

莊市、北侖、慈溪等3孔井水文地質學基礎資料齊全,周邊無礦區,所在盆地為地下水禁采區,環境良好,觀測條件基本符合《地震臺站觀測環境技術要求第4部分:地下流體觀測(GB/T 19531.4—2004)》的要求(表1)。3孔觀測井內均安裝有套管并封閉了非觀測層,水管下端設置有沉砂孔,成井后進行了抽水試驗和水質簡分析。井孔建設基本符合《地震臺站建設規范 地下流體臺站第1部分:水位和水溫(DB/T 20.1—2006)》的要求。

表1 觀測井孔水文地質環境條件一覽表

2.2 試驗井觀測結果

遴選的北侖井、慈溪井與莊市井(地震觀測井)同為寧波盆地靜水位承壓井孔,觀測項目均為水位、水溫觀測,與莊市井相同。儀器選擇為中國地震局行業主流觀測儀器:水溫儀采用SZW-lA型系列數字式地熱(水溫)觀測石英溫度計,儀器分辨率為0.000 1 ℃[18];水位儀采用SWY-II及型LN-3型數字式水位儀,分辨率為1 mm(表2)。

表2 井孔觀測儀器一覽表

為了分析地質環境監測井是否可以用于地震前兆觀測,將兩孔井4個測項數據與莊市21號井的資料進行對比分析。2019年9月3孔井6套設備運行穩定,在氣象條件上有降雨和氣壓變化明顯等自然現象,采用此時間段內數據有助分析試驗井監測能力。

2.2.1 水溫數據對比

圖4為2019年9月北侖、慈溪和莊市3孔井水溫數據分鐘值曲線。從圖中可知,3孔井的水溫數值離散度相近,觀測數據動態波動幅度相近。由于水溫觀測非常復雜,不僅與觀測井有關,即使同一口井不同層位觀測,觀測數據差異性很大。另外該型號還存在儀器本身的系統誤差,有同井孔同埋深兩套儀器存在數值較大差異的現象[19],因此背景數值上存在差異。

圖4 寧波盆地3孔井水溫分鐘值記錄曲線Fig.4 Minute value curve of water temperature of three wells in Ningbo Basin

2.2.2 水位數據對比

圖5為2019年9月莊市、北侖、慈溪等3孔井水位數據分鐘值曲線及其傅里葉頻譜。圖中顯示3孔井水位分鐘值曲線均含有低頻和半日波頻率2個優勢頻率成分。半日波頻率反映了3孔水井均能記錄到清晰的半日周期固體潮,但固體潮幅度有差異,莊市井幅度最大,北侖井次之,慈溪井最小。低頻成分可能反映了2次降雨引起的水位變化,3孔井水位變化趨勢相近但局部存在差異,特別是在21日降雨載荷變化上尤為明顯,可能是雨量載荷在地質覆蓋層介質差異性的體現。此外,莊市井水位分鐘值曲線還包含有較為明顯的日波頻率成分,說明該井水位能夠較好地記錄到日波固體潮汐,其他2口井則記錄不明顯。

圖5 寧波盆地3孔井靜水位分鐘值曲線及其傅里葉頻譜Fig.5 Minute value curve and Fourier spectrum of static water level of three wells in Ningbo Basin

2.3 試驗井評價

計算北侖井和慈溪井水位的氣壓效率、降雨載荷效應及潮汐因子,并與莊市井的相應參數進行對比,分析水位氣壓與含水層覆蓋層壓縮系數的差異性,并對觀測精度進行評價[20]

2.3.1 氣壓效應

2019年9月10—20日水位無降水影響,使用別爾采夫濾波方法將水位、氣壓小時值觀測序列的趨勢項和高頻部分分離出來,計算該時間段內3孔井的氣壓校正值,即

yt-5+yt+8+yt-8+yt+0+yt-10+yt+13+

yt-13+yt+18+yt-18)

(1)

yi=yt-Bp(Pt-Pc)

(2)

式中:yt為水位日值或小時值,單位為m;Pt為氣壓日值或小時值,單位為hPa;Bp為井的氣壓系數,單位為m/hPa;Pc為氣壓基值常數,選擇為1 000 hPa。計算結果列于表3。承壓井水位變化與氣壓呈負相關,從分鐘值采樣率計算數據顯示,莊市井氣壓與水位相關性明顯大于北侖、慈溪井,這可能是由于莊市井為盆地更深層的白堊紀基巖構造裂隙水層,與北侖、慈溪井含水層不同。

表3 3孔井水位的氣壓系數(單位:m/hPa)

2.3.2 降雨荷載效應

2019年9月1—7日寧波盆地有持續降雨過程,8—20日天氣放晴,21日3時21分起該區域又開始降雨,24小時內雨量達到67 mm,22日17時31分雨止轉晴,累計降雨73.5 mm,為暴雨級。從北侖井、莊市井、寧波站三處降雨量記錄分析在寧波盆地范圍內降雨時間與降水量差異性不大。21日暴雨事件對北侖井、慈溪井和莊市井3口井均造成了水位上升,而影響水位上升的主要因素包括地表水滲透補給和地表荷載等。由于3孔井觀測的第Ⅱ含水層無明顯的現代水補給,加上在成井時均使用了套管封井,大大減少了含水層與地表水之間的直接水力聯系。因此本文假設3口井的水位上升是由于降雨形成了地表荷載,通過力的傳遞,影響到含水層,致使含水孔隙水壓加大,引起井水位相應地上升,井孔水位上升是降雨荷載效應作用的結果[22]。為分析3口孔井21—23日地表降雨荷載對地下水變化的影響,計算沒有降雨時段的固體潮和氣壓系數,以及氣壓為1 000 mbar,固體潮為0 μgal的水位基值。假設降雨前某小時水位的實測值為Y1,相應的氣壓、固體潮為Q1和G1,則氣壓 1 000 mbar,固體潮為0 μgal的水位基值為

Y0=Y1-BQ×Q1-BG×G1

(3)

式中:BQ為氣壓系數(由水位埋深求得的BQ為正值);BG為固體潮系數(為負值)。

水位的預測值Y(t)和W2(t)分別為

Y(t)=Y0+BQ×Q(t)+BG×G(t)

(4)

W2(t)=W(t)-Y(t)

(5)

式中:Q(t)、G(t)分別為t時刻的氣壓、固體潮值;W(t)為實測水位;W2(t)為受降雨附加應力影響產生的水位變化。

通過對實測水位與預測水位的差W2(t)與降雨量的相關分析,得到相關系數R和系數B,其中B表示當降雨量為1 mm時相應水位上升的米數,通過分鐘采樣率計算結果列于表4。

表4 3孔井水位的降雨載荷系數

結果表明,莊市井和北侖井的降雨載荷系數數值比較接近,即這2口井的載荷作用相近。慈溪井的降雨載荷系數較小,小于莊市井和北侖井,這可能與慈溪井位于1960年代圍海造田的灘涂地有關。事實上,表4的結果很好地反映了載荷系數承壓是不同地質覆蓋層介質差異性的表現[23]

2.3.3 潮汐因子與相位差

固體潮的力源主要來自月亮、太陽等天體的引潮力,是能夠預先準確計算出理論值的地球物理現象。一個好的承壓井的地下水位的變化能夠反映出地球潮汐體應變的變化。因此,可以用體應變固體潮的理論值來模擬地下水位的變化,對地下水位進行擬合檢驗,糾正觀測中可能存在的錯誤,檢查、衡量和評價固體潮觀測資料的質量,提取固體潮和地震前兆的特征信息。

水位的固體潮改正采用小時值Venedikov調和分析法,分析固體潮中占主要成分的主太陰半日波M2和主太陰日波O1波[24]。以固體潮體應變作為基準值,對水位小時值觀測序列進行固體潮日波、半日波分析,計算水位固體潮系數Bθ與相位差Δφ。

(6)

式中:h(M2)為M2波的理論振幅;h(O1)為O1波理論振幅。水位固體潮系數的單位為mm/10-8,相位差的單位為度。水位固體潮校正公式:

Hi=Ht-BθΘ(t-Δtθ)

(7)

式中:Ht為水位小時值序列;Bθ為固體潮系數;Θ(t-Δtθ)為較正點提前Δtθ的體應變固體潮。潮汐因子和潮汐相位差通過分鐘值采樣率計算結果列于表5。結果顯示,莊市井潮汐因子大于0.5 mm/10-9,優于北侖井和慈溪井,總體上3孔井在我國地震井水位觀測網監測效能評估統計中,水位記錄固體潮觀測精度屬中上水平的井孔[25]。

表5 3孔井水位的潮汐因子及潮汐因子誤差與相位差

三孔井的潮汐變化存在相位差。莊市井首先出現峰值和谷值,約在0.2 h、1.0 h后北侖井、慈溪井分別出現峰值和谷值。3孔井的潮汐變化從時間軸上莊市井相位與北侖教堂井相近,早于慈溪井。

3 結論與討論

從寧波水文地質監測井網中遴選了北侖井和慈溪井進行水位和水溫試驗觀測,分析計算了水位的氣壓效率、降雨載荷效應和潮汐因子,并與同處于寧波盆地的映震效果較好的莊市井的相應參數進行了對比,總結如下:

(1) 北侖井、慈溪井和莊市井均為承壓水井,靜水位觀測曲線均能記錄到清晰的固體潮,且水位變化趨勢具有很好的一致性,特別在試驗期間同步觀測到了2次降雨干擾,反映了3口水井的水位變化在時間上和空間上均有很好的相關性,也反映了3口水井水位異常動態與其影響因素之間存在很好的成因上的關聯,這為地下水干擾識別打下了很好的資料基礎。

(2) 莊市井的潮汐因子、氣壓系數和荷載系數等3個參數在3孔井中都是最大的,說明莊市井記錄固體潮的靈敏度最高,受氣壓和降雨荷載的影響最大,這可能是因為莊市井觀測的是白堊紀基巖裂隙承壓水,而北侖井和慈溪井觀測的是寧波盆地上更新統海侵時封閉含水層的Ⅱ含水層。

(3) 慈溪井的降雨載荷系數比莊市井和北侖井的大約小一個量級,氣壓系數則比莊市井的小2個量級,半日波潮汐相位差最大,說明該井水位受氣壓和荷載的影響最小,對外因的響應也最慢。這可能與該井底部為灰褐色黏土,其彈性變形能力不如莊市井的白堊紀基巖、北侖井的全風化凝灰質熔巖那么強有關。

井孔的潮汐因子、氣壓系數和荷載系數很好地反映了地下水類型、井孔巖性等,這3個參數為以后從井網中進一步遴選地震觀測井提供了科學依據。寧波地質環境監測水井網161口水井均位于含有多個含水層的寧波盆地,井網為在同一構造中開展不同含水層(組)觀測和基礎研究提供了可能,為建立地下水干擾剔除理論模型、研發地震前兆異常識別技術、開展區域構造運動研究等提供了很好的條件。寧波水文地質監測井網由寧波市自然資源和規劃局建設,井孔資料齊全,監測的含水層組別或層位非常清楚。對北侖井、慈溪井開展的地震流體試驗性觀測表明,可以從水井網中遴選出合格的地震前兆監測井,在該地區建設地震地下流體臺陣是完全可行的。