皖14井地下水觀測(cè)資料變化的原因剖析

李 華，楊林根

(1.廬江縣國(guó)土局，安徽 廬江 231500 2.巢湖市地震辦公室，安徽 巢湖 238000）

0 前言

皖14井，位于安徽省巢湖市北郊的皖維集團(tuán)東生活區(qū)。地理位置北緯31°38′，東經(jīng)117°51′。井口標(biāo)高34.892 m，井區(qū)為江淮剝蝕丘陵，地勢(shì)北高南低，山嶺多由泥盆紀(jì)沙巖組成，斜坡為灰?guī)r，巖溶較發(fā)育，有水溶洞和溶井。地表水僅有山間小河，河寬有1～3 m，水深0.2～0.5 m，常年有水，流量一般為20.8 m3/h，以降雨補(bǔ)給為主，在構(gòu)造上，處在滁河大斷裂與合肥—東關(guān)大斷裂交匯處，其西側(cè)是郯廬斷裂。

井孔落于向斜谷地第四紀(jì)粘土層，成井于1971年11月，井深331 m，系孔隙裂隙承壓水，涌水量1.243×10-3m3/s，單位涌水量0.031×10-3m3/s，270.73～301.00 m觀測(cè)含水層，該層為泥盆紀(jì)，系砂巖。2004年4月20日，在皖14井安裝數(shù)字化儀器手段前，對(duì)觀測(cè)井井深進(jìn)行了人工實(shí)測(cè)，實(shí)測(cè)井孔深度為240 m。該井目前觀測(cè)手段主要有水位和水溫，這兩個(gè)手段均有兩臺(tái)儀器進(jìn)行平行觀測(cè)。

1 觀測(cè)資料變化情況

皖14井觀測(cè)點(diǎn)1985年1月1日開始觀測(cè)，1986年6月納入國(guó)家地震局地下水觀測(cè)網(wǎng)，當(dāng)時(shí)主要進(jìn)行水位，氣壓，氣溫，降雨四個(gè)項(xiàng)目的觀測(cè)。

2006年12月9日，該點(diǎn)開始安裝中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所研制的LN-3A型高精度數(shù)字水位儀、中國(guó)地震局地殼所研制的SZW-1A V2004數(shù)字式溫度計(jì)，并配有網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備，進(jìn)行數(shù)字化觀測(cè)。

該井28年來，資料連續(xù)完整，時(shí)間服務(wù)好，資料精度高，曾獲得全國(guó)地下水資料評(píng)比第二名和第三名好成績(jī)。至今，觀測(cè)到的最高水位為1.122 m，出現(xiàn)在2012年7月14日；最低水位為3.012 m，出現(xiàn)在1995年元月。

由于井區(qū)第四紀(jì)粘土層只有1.36 m，且有山間小斷裂從井區(qū)通過，所以井水位受降水影響較為明顯。

2011年3月11日皖14井在日本發(fā)生9.0級(jí)大地震時(shí)，因同震效應(yīng)出現(xiàn)了水位陡降，陡降幅度達(dá)32 cm，然后，除降水影響外開始逐漸恢復(fù)，至2011年7月份前后，基本穩(wěn)定，后來水位一直在1.740～1.1 m間高位運(yùn)行（圖1）。

圖1 皖14井2008年8月份后水位整時(shí)值曲線圖Fig.1 The graph of the water level of the whole time of August 2008 of 14 wells inAnhui

2013年7月14日因降水影響，漲至1.122 m，打破了1988年以來創(chuàng)下的1.143 m的歷史最高水位記錄。7月14日后水位正?；芈洌▓D2）。7月25日15時(shí)22分開始，水位開始不穩(wěn)定，至16時(shí)40分突然向下陡降了13.8 cm（圖3）。

然后在低位平直運(yùn)行，上下變化僅有1 cm，曲線形態(tài)似同英文字母 “L”，因此，我們把這類異常命名為 “L”型地下水異常。大約在23時(shí)30分開始正常波動(dòng)到現(xiàn)在。另外，在水位發(fā)生異常變化的同時(shí)，兩臺(tái)水溫儀器也發(fā)生了同步的變化，165 m處的水溫升高約0.004 2℃，195 m處的水溫升高約0.004 7℃（圖4）。

3 異常調(diào)查核實(shí)過程

本著地下水動(dòng)態(tài)干擾異常識(shí)別原則是把握4個(gè)“相關(guān)性”，即成因上的相關(guān)性，空間上的相關(guān)性，時(shí)間上的相關(guān)性與強(qiáng)度上的相關(guān)性。

圖2 皖14井2012年7月份水位整時(shí)值曲線圖Fig 2 The graph of the water level of the whole time of July 2012 of 14 wells in Anhui

圖3 皖14井2012年7月25日水位實(shí)測(cè)曲線圖Fig 3 The graph of the water level of the whole time of July 25th,2012 of 14 wells in Anhui

圖4 皖14井同井不同測(cè)項(xiàng)水溫對(duì)比圖Fig 4 Comparison map of water temperature of different test item for different wells of the 14 wells

異常核實(shí)的第一步，檢查儀器，實(shí)測(cè)水位，調(diào)查井區(qū)周圍環(huán)境。雖然，皖14井水位是采用兩套原理不同的儀器同時(shí)觀測(cè)，一套是LN3A數(shù)字水位儀，它的傳感器在水下約4 m處，另一套是對(duì)SW 40型儀器進(jìn)行改裝的數(shù)字化觀測(cè)設(shè)備，它的傳感裝置是位于水面上的浮筒。儀器記錄狀況如圖1，這兩套儀器都同時(shí)記錄到水位的突降，應(yīng)該說觀測(cè)資料的變化是真實(shí)可靠，但為了可靠起見，核實(shí)時(shí)還是使用了測(cè)繩進(jìn)行了人工實(shí)測(cè)，確定水位的突降現(xiàn)象基本成立。

異常核實(shí)的第二步，是對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行調(diào)查。由于皖14井地下水位發(fā)生了水位陡降現(xiàn)象，所以核查的重點(diǎn)放在調(diào)查周圍地區(qū)有沒有開采地下水行為，有沒有發(fā)生山體滑坡等地質(zhì)現(xiàn)象等，經(jīng)調(diào)查沒有發(fā)現(xiàn)周邊地區(qū)有抽取地下水和山體滑坡等地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)生。

異常核實(shí)的第三步，查該井歷史水位變化情況。皖14井，1985年開始觀測(cè)，水位出現(xiàn)陡降的異?，F(xiàn)象有多起（圖5）。

圖5 皖14井歷年水位變化圖Fig.5 Map of water level variation over the years of 14 wells in Anhui

這些異常中除1994-08-20～1995-01-15的長(zhǎng)趨勢(shì)下降，沒有找到原因外，其余的幾次水位的陡降多見于強(qiáng)震之后，屬大震的同震效應(yīng)，不是水位的異常現(xiàn)象。

此外，1999年12月28日和29日兩天，皖14井出現(xiàn)過一次上升，幾小時(shí)后又出現(xiàn)一次下降的異常，它較好地對(duì)應(yīng)了1999年12月30日07時(shí)17分在安徽省利辛縣張村鎮(zhèn)發(fā)生MS4.1級(jí)地震。但形態(tài)上與這次異常顯著不同。

它是水位在無降水的情況下，于28日19時(shí)27分左右陡升約23 cm，大約在21時(shí)20分至29日7時(shí)10分間，水位幾乎為正常狀態(tài)，29日7時(shí)10分后水位開始下降，8時(shí)50分前后開始陡降約20 cm，完成了一次水位異常的完整形態(tài)（圖6）。

異常核實(shí)的第四步，同井不同測(cè)項(xiàng)的對(duì)比。皖14井觀測(cè)井在同一井孔中還裝有兩臺(tái)DRSW-1數(shù)字水溫儀，一套水溫探頭投放深度為165 m，另一套水溫探頭投放深度為195 m，水位出現(xiàn)異常時(shí)，兩臺(tái)水溫儀器水溫都呈上升狀態(tài)（圖4）。

經(jīng)過對(duì)儀器、環(huán)境等方面的核查，未發(fā)現(xiàn)人為因素和儀器因素的干擾。至此分析認(rèn)為：皖14井這起觀測(cè)資料的變化屬于井下流體環(huán)境變化所引起。

圖6 安徽利辛地震皖14井水位變化情況圖Fig.6 Map of water level variation of 14 wells of Anhui in the Lixin earthquak,Anhui

4 異常分析與結(jié)論

在排除人為干擾后，分析重點(diǎn)放在這次水位陡降是不是井孔-含水層系統(tǒng)的環(huán)境出現(xiàn)了地質(zhì)活動(dòng)，如井下空隆出現(xiàn)塌方、裂隙是否有“張合”運(yùn)動(dòng)等。因?yàn)榱严吨械陌乃疁匾哂诰字兴臏囟?，它的“張合”可以使井腔中的水溫升高。但是?jīng)過討論和仔細(xì)分析，這兩種機(jī)理都不能解釋這次水位異常的曲線形態(tài)。

如果井下出現(xiàn)塌方，水位可能出現(xiàn)陡降，但陡降后，對(duì)于承壓井來說，水位應(yīng)該呈“水位恢復(fù)曲線”狀態(tài)恢復(fù)[2]。但本次異常出現(xiàn)后，水位平直運(yùn)行，象是水位在運(yùn)動(dòng)的過程中找到了新的平衡點(diǎn)。

如果井下裂隙出現(xiàn)“張合運(yùn)動(dòng)”的話，水位和水溫的異常形態(tài)，都應(yīng)該是呈“尖波”狀，至少應(yīng)是“幾”字型，不應(yīng)該是像目前的“L”型。

為了進(jìn)一步地深入分析，筆者對(duì)數(shù)字化水溫觀測(cè)的分鐘值數(shù)據(jù)進(jìn)行了60點(diǎn)平滑處理。公式如下：

（1）式中的i是分析數(shù)據(jù)的序列號(hào)，使用效果見圖4。

通過水溫?cái)?shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，195 m和165 m處的水溫幾乎同時(shí)同步發(fā)生升溫變化的，時(shí)間約在15時(shí)32分左右，與水位出現(xiàn)陡降時(shí)間一致；同時(shí)當(dāng)天上午08時(shí)27分48秒在蘇門答臘北部發(fā)生 6.7級(jí)地震，皖14井水位記錄到了水震波，振幅約4 mm，也就是說井區(qū)含水層受到地震波的沖擊，此時(shí)，水位正處在高位下行之中，可能含水層中的污垢（如懸浮物、沙粒、礦物質(zhì)、微生物等物質(zhì)）在運(yùn)動(dòng)中改變了排泄?fàn)顟B(tài)，在井孔-含水層系統(tǒng)應(yīng)力不變的情況下，孔裂隙變小，流速增大，產(chǎn)生了伯努利效應(yīng)，上部水頭調(diào)整壓力而下降，下部水體向上流動(dòng)產(chǎn)生了溫度的上升。在調(diào)整的過程中，形成了新的動(dòng)態(tài)平衡。因此，分析認(rèn)為，這次水位的異常陡降，不應(yīng)該是一次地質(zhì)活動(dòng)，也不是地震的前兆（圖7），應(yīng)該是含水層孔裂隙環(huán)境在水震波的觸發(fā)下發(fā)生改變后，水體流速增大產(chǎn)生了伯努利效應(yīng)。

圖7 對(duì)水位下降水溫升高異常的解釋圖Fig.7 Explanatory diagram for the abnormal of drawdown of water level and elevation of water temperature

[1]車用太，魚金子，劉成龍，等.判別地下水異常的干擾性與前兆性的原則及其應(yīng)用實(shí)例[J].地震學(xué)報(bào).2011,(06)：800-808.

[2]張清秀，鄭小箐，林檢，等.永春井水位對(duì)遠(yuǎn)大地震的記震能力及同震效應(yīng)特征分析 [J].華南地震，2011， 31 （03）： 33-39.

[3]林云存.廣東信宜1、2號(hào)井水溫的同震響應(yīng)及機(jī)理初步探討 [J].華南地震，2012，32（2）：133-137.