四川北川川41 井動水位動態特征及干擾分析

梁 慧，張 映，趙德楊，魏婭玲，王 迪，胡俊明，劉華姣，王 斌，賴康建

（1.四川省地震局成都地震監測中心站，四川 成都 611730；2.四川省地震局，四川 成都 610059；3.四川省地震局阿壩地震監測中心站，四川 阿壩 623300；4.四川省綿陽市北川羌族自治縣應急管理局地震監測中心，四川 北川 622750）

地下流體在地球動力活動中具有舉足輕重的作用，對地震活動也不例外，地震的孕育與發生過程離不開流體的作用（車用太等，1997）；當地震孕育的過程使含水層受力狀態發生變化時，有可能引起井孔水位記震能力的顯著變化（車用太等，1989）；大地震的發生伴隨著區域應力場的調整，引起深部承壓含水層體應變的變化（張昭棟等，1994），導致空隙壓力發生改變。地下水動態特征能較為靈敏地反映地震與構造活動的信息。研究者分析發現，中強地震與地下水異常存在較好的對應關系（范雪芳等，2010），地下水異常既可能是最直接的宏觀短臨前兆，也可能是影響地殼形變異常的主要控制因素（陸明勇等，2005）。地震往往孕育在地表10 km 以下的地殼中，而目前對地震前兆的監測往往還基于地殼淺層，因此會受到降雨滲入補給、地下水開采、儀器故障、人為操作不當等的干擾；各類干擾因素的作用機制各異，相互影響，會降低地球物理場觀測數據內在質量與可靠度，增加了數據處理難度和異常識別的精確度（徐甫坤等，2014）。地震井水位觀測作為地震流體觀測最有效的手段之一，不僅可觀測到地震異常信息，還可觀測到一些與地震無關的干擾信息（丁風和等，2021）。川41 井位于龍門山斷裂中段的灌縣—安縣斷裂，距離“5·12”汶川地震（MS8.0）震中約113 km，是災后新建液體觀測井。分析研究該井水位的干擾因素和動態特征，可為數據跟蹤分析和地震異常識別提供支撐。

1 川41 井基本情況

1.1 川41井地質構造

川41 井地處四川盆地的邊緣地帶，位于龍門山斷裂中段的灌縣—安縣斷裂，周邊為一系列走向為北東東—東西向、軸線向北彎突的平緩開闊弧形褶皺。區域內地下水類型主要為松散土類上層滯水和孔隙潛水，該區所處位置的區域地震動峰值加速度為0.15 g，少量基巖裂隙水和巖溶地震動反應譜特征周期為0.40 s，地震基本烈度為Ⅶ度（北川縣防震減災局提供資料）。2008 年“5·12”汶川MS8.0 地震造成映秀—北川斷裂帶和灌縣—安縣斷裂同時破裂，形成映秀—北川破裂帶和灌縣—安縣破裂帶（李海兵等，2008），川41 井成為監測這些破裂帶地震活動的重要組成部分。

1.2 川41井鉆孔及儀器布設情況

川41 井位于北川縣防震減災局辦公大樓旁，觀測點所處位置屬四川盆地平丘至高原的過渡帶。完鉆井深300.4 m，該井屬“兩徑成孔”，其孔徑在31.05 m 處由直徑170 mm 變徑為130 mm，130 mm 的孔徑段為269.35 m。多個含水層段有多個φ127 mm 濾水管，濾水管總長為88.2 m。0.0～6.4 m 含水層為松散含水層，屬孔隙水；31.05～36.70 m 為砂巖含水層，含水層巖性為膠結狀硅質砂巖等，呈灰白色；60.4～289.9 m 為砂巖含水層，含水層巖性一般為石英、長石及硅質砂巖等，呈灰白色，結構密實。該鉆孔類型為直孔，終孔后測量孔斜不大于1°。巖性結構由第四系全新統洪坡積、侏羅系上統蓬萊鎮組（J3p）泥巖和二迭系上統龍潭組（P2l）組成。川41 井安裝有3 套儀器，分別是：ZKGD3000-N 型地下流體監測儀、SZW-Ⅰ水溫儀、RTP-Ⅱ氣象三要素儀。其中，ZKGD3000-N 型地下流體監測儀2011 年11 月9 日正式運行，動水位探頭投放深度為10.05 m、水溫探頭投放深度為170.00 m。2018 年11 月14—16 日新增RTP-Ⅱ氣象三要素儀和SZW-Ⅱ水溫儀，水溫探頭投放深度為150.00 m。

2 川41 井動水位年變動態特征及干擾因素分析

川41 井動水位多年年變形態在1—6 月表現為趨勢向下，在7—9 月表現為急劇上升，在10—12 月表現為趨于下降（圖1），并在7—9 月年變急劇上升期間出現大幅臺階，故需要從觀測環境、背景、氣象因素方面分析影響動水位年變干擾因素。

圖1 川41 井2017—2020 年動水位日值曲線

2.1 觀測環境調查

調查發現川41 井近旁無村莊、農田及耕地，排除農用灌溉影響；附近300 m 內有行政單位和一所學校，因學校寒暑假放假時間在1—2 月和7—8 月，這段時間水位無明顯下降（圖1），這樣就排除行政單位和學校用水影響；春秋季節降雨少，含水層中地下水儲量減少以及地表水的蒸發等因素，引起川41 井動水位季節性趨勢緩慢下降（圖1）；井點山前2 km 為涪江支流（安昌河），年平均地表徑流總量為13.47 億立方米，地下徑流為3.19 億立方米，地下水位變化不大。北川縣屬亞熱帶濕潤氣候區，四季分明，氣候溫和，多年平均氣溫為15.6 ℃；該區雨量充沛，年均降雨量為1 399.1 mm，年最大降雨量為279 mm，時最大降雨量為32 mm；降雨多集中在6—9 月，占全年降雨量的71%～76%，最大占比約為90%，歷年降雨量分布不均。井點山前2 km 的安昌河與該井同時受降雨量的補給，兩者水位同步變化。

2.2 背景分析

井點位置較好，無人為干擾，動水位有季度校測，校測人員每季度嚴格按照流體學科要求操作，排除檢查、校測干擾；水溫、氣壓不存在流體學科檢查、標定工作的影響。梳理2017—2020 年觀測日值，未查到因儀器影響動水位觀測數據的資料，說明儀器工作穩定性較好，連續率較高，數據可靠性強。

2.3 氣象因素分析

2.3.1 動水位與降雨量對比分析

大氣降水的直接補給作用對一些觀測含水層較淺的觀測井影響較大，這些觀測井一般是位于垂直裂隙比較發育、地下水補給區與觀測井間的距離較近等山前基巖裂隙觀測井（劉耀煒，2009）。當降雨量增大時，川41 井井點前山上大量積水涌入井點周圍，周圍的松散土層、基巖裂隙受壓應力的作用，導致含水層地層壓力增強引起局部水位上升。井動水位動態趨勢表現為隨降雨的增多而上升，隨降雨量的減少而下降，說明川41 井動水位主要受降雨補給影響（圖2）。因該井2017、2018 年動水位變化形態與2019、2020 年的相似，但無降雨量資料，變化關系無法分析。2021、2022 年動水位形態發生變化，這可能與2021 年9 月16 日四川瀘縣MS6.0 地震和2022 年9 月5 日四川瀘定MS6.8 地震有關（圖2）。2022 年資料顯示，動水位在10 月份以后的形態和2019、2020 年的相似。

圖2 川41 井2019—2022 年動水位、降雨量日均值曲線

2.3.2 動水位與氣壓效應對比分析

井水位氣壓效應可表現在不同的時間尺度上，除在年尺度上的月均值有所表現之外，在月尺度上的日均值與日尺度上的整點值也可以表現出動態特征。我國觀測井中，約55%的觀測井能記錄到這種效應（車用太等，2006）。川41 井所處環境特殊，旱季為枯水期，井斷流（數值上表現為負值）；雨季為補水期，能補到泄流口以上而自流，該井可能嚴重受降雨影響。動水位、氣壓在月尺度上的日均值氣壓效應表現不明顯（圖3），在日尺度上的整點值氣壓效應表現明顯，互為負相關性關系（圖4）。

圖3 川41 井2020 年動水位、氣壓日均值曲線

圖4 川41 井動水位、氣壓整點值曲線

通過對川41 井2020 年的氣壓、動水位日均值數據的相關性進行對比分析，發現二者的相關性不明顯。氣壓的高值出現在2 月和12 月，而動水位低值出現在6 月；1—2 月氣壓趨勢向上，2 月出現一個低值，1 月動水位趨勢向下，2 月出現向上拐點，出現一個高值，兩者的時間不對應，3—6 月氣壓、動水位均趨勢下降，形態一致，未出現負相關性關系；7—8 月氣壓趨勢下降到最低，出現一個最低值，動水位趨勢上升到最高，出現兩個最高值，兩者的時間不對應。多年的資料顯示，氣壓每年均在7 月出現最低值，而動水位每年出現高值的時間卻不一致（圖3）。計算出2017—2020 年動水位、氣壓二者的相關系數分別是：0.310 5、0.127 7、0.729 3、0.437 4。為進一步驗證兩者的相關性，選取2020 年1 月1—5 日井斷流5 天的整點值和2020 年8月25—29 日井自流5 天的整點值進行分析，發現：無論是旱季，還是雨季，動水位、氣壓相關性顯著，表現為氣壓上升，同時動水位下降；氣壓下降，同時動水位上升的特性，即動水位、氣壓負相關性顯著（圖4）。

2.3.3 動水位固體潮汐效應分析

井水位的固體潮效應是指在日、月引力作用下含水層體積的壓縮與膨脹變形引起的井水位有規律變化，因此井水位日潮差值小且呈單峰單谷型形態變化（劉耀煒，2009）。我國地下水觀測井網中，約有 75%的井可觀測到井水位的潮汐效應。

用中國地震前兆臺網處理系統軟件提供的“水位調和分析（M2波計算）”，對北川川41 井2020 年1—12月動水位資料進行調和分析，得到潮汐因子分別為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。對該井2017—2020 年的動水位資料進行分析，得到的潮汐因子分別為0.000 13、0.000 13、0.000 13 和0.000 22。再次驗證了川41 井動水位受潮汐效應影響不明顯。

從川41 井周圍環境、人為干擾、儀器運行、氣象因素、固體潮汐情況綜合分析，認為影響川41 井動水位年變形態趨勢變化的可能因素主要是大氣降水，且動水位多年年變形態相似，受季節影響，冬春枯水期斷流，夏季雨量充沛而自流。多年來，該動水位的年變趨勢既有動水位的趨勢特征，也有靜水位的趨勢特征。水位年變趨勢形態為：緩慢下降-急劇上升-穩中稍有下降。每次上升的趨勢具有大幅臺階急劇上升的特點。

3 川41 井動水位、水溫對比分析

3.1 動水位與相同記錄儀中層水溫對比分析

井孔水溫與觀測層水位的趨勢變化有一定相關關系，但也有許多觀測井水溫的長期動態與水位長期動態變化不一致（劉耀煒，2009）。川41 井動水位、中層水溫年變趨勢略有不同（圖5）：1—6 月動水位趨勢向下，中層水溫趨勢平穩；7—8 月動水位、中層水溫均表現為緩慢上升-急劇上升-轉平趨勢變化，9 月稍有下降；10—12 月動水位變化趨勢為略有上升-稍有下降-轉平，中層水溫變化趨表現為勢緩慢上升-緩慢下降。

圖5 2020 年川41 井動水位與相同儀器記錄水溫整點值曲線

3.2 不同記錄儀中層水溫對比分析

圖6 顯示，川41 井不同儀器記錄的中層水溫年變趨勢形態一致，其中ZKGD3000-N 型儀器水溫探頭投放深度為170.00 m，記錄中層水溫數據曲線毛刺多，SZW-Ⅱ水溫儀水溫探頭投放深度為150.00 m，水溫數據曲線毛刺相對較少，出現這種現象可能與儀器本身觀測精度有關。ZKGD3000-N 型儀器水溫精度達0.001℃，SZW-Ⅱ水溫儀水溫精度為每天小于0.000 1℃。SZW-Ⅱ水溫儀中層水溫在3—6 月有小幅間斷臺階變化，估計與少量降雨有關。從圖2、圖6 可以看出，不同記錄儀記錄的中層水溫均受降雨影響，與記錄儀關系不大。

4 結論

川41 井受周圍環境、人為干擾、儀器運行、氣壓、潮汐效應等的影響較小，主要受降雨影響；該井動水位、中層水溫年變趨勢略有不同。動水位年變趨勢形態為：緩慢下降-急劇上升-穩中稍有下降；中層水溫年變趨勢形態為：趨于平穩-急劇上升-轉平-緩慢下降。該井位于龍門山斷裂帶中段灌縣—安縣斷裂，含水層能捕捉到應力場的微小變化，多年動水位資料多次記錄到近遠場兆同震響應，值得繼續深入研究。