2000年以來馬17井水位、氣壓觀測資料分析

呼晶磊，張子廣，盛艷蕊

（1.滄州市地震局監(jiān)測預(yù)報科，河北 滄州 061001；2.河北省地震局，河北 石家莊 050022）

0 引言

馬17井是河北平原帶中部重要的動水位觀測井，自1981年投入觀測以來，對鄰近地區(qū)的4級以上地震有較好的對應(yīng)關(guān)系，尤其是1992年以前，映震率達(dá)到70%以上，1993年底修復(fù)改造后映震能力有所下降。資料顯示2000年之后共有3次地震活動對馬17井所在區(qū)域的觀測活動可能造成了比較大的影響，分別為：①獻(xiàn)縣淮鎮(zhèn)地震（2001年7月16日，116.7°E，38.2°N，ML＝4.4）；②文安地震（2006年7月4日11 時56 分，16.3°E，38.9°N，ML＝5.5）；③汶川地震（2008年5月12日，103.4°E，31.0°N，MS＝8.0）。除淮鎮(zhèn)地震外，馬17井的觀測結(jié)果直觀上不存在特別明顯的對應(yīng)反應(yīng)，尤其震中距井址距離較近的文安地震，因此有必要對馬17井2000年后的觀測資料進(jìn)行深入分析，探討該井現(xiàn)階段各觀測手段尤其是水位的反應(yīng)特征和反應(yīng)機理。

圖1 馬17井觀測井地理位置示意圖

1 基本情況

馬17井位于河北省河間市張?zhí)鞂m村西約500 m，處于冀中拗陷南馬莊斷裂帶東側(cè)河?xùn)|古潛山凸起部位，大城斷裂端點附近。井深2 694.25 m，觀測層埋深2 571.63m，為震旦亞界霧迷山組灰?guī)r巖溶裂隙承壓水。含水層上覆巨厚的第三系及第四系地層，封閉性好，是冀中巖溶裂隙水的高礦化排泄區(qū)，屬大氣成因的深循環(huán)水。目前的模擬觀測手段是動水位、氣壓。綜合之前收集的馬17井的各項觀測資料，結(jié)合實際觀測研究結(jié)果和經(jīng)驗，對影響該井地下水位干擾因素進(jìn)行綜合判斷［1］（表1）。

表1 觀測井的觀測環(huán)境干擾因素評價

2 觀測資料分析

從觀測項的實際觀測結(jié)果來看，該井觀測資料總體連續(xù)性好，其中水位觀測數(shù)據(jù)日變化量相對較小，呈窄幅震蕩狀態(tài)，長趨勢存在年變，在某些時段氣壓反應(yīng)較為明顯。2000年11月上旬為了解決泄水管內(nèi)壁結(jié)垢與井口裝置銹蝕等問題，對原有的井口結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造，因此選取2000年之后的數(shù)據(jù)，從以下方面進(jìn)行分析：

2.1 水位原始曲線圖

以SW－40－1記錄的模擬日觀測數(shù)據(jù)來看，每日水位基本處于窄幅震蕩狀態(tài)，近幾年該井出現(xiàn)了2個值得注意的變化：一是水位有所下降，二是在2010年前后觀測人員開始反映水位觀測數(shù)據(jù)存在短時段（幾小時至十幾小時）振幅變小的情況（圖2箭頭指向），而且這種現(xiàn)象近期出現(xiàn)頻率較高。

2.2 日極差法

日極差值是以每日逐時值為樣本，求取最大值與最小值之間的差值，作為日變特征量。該方法直觀地反映了地下水位異常動態(tài)的變化，減少了地下水位動態(tài)隨機變化的影響［3］。結(jié)合極差的數(shù)學(xué)含義，筆者認(rèn)為日極差值在水位日常觀測中體現(xiàn)的是單位時間段內(nèi)井孔水位在垂直方向的絕對變化，同時由于水的不可壓縮性和觀測井的封閉性，日極差值也進(jìn)一步體現(xiàn)了井孔水體在單位時間內(nèi)所受能量影響的大小。

圖2 水位原始曲線圖（2010.2.10.20—14）

選取2000—2011年水位的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行日極差分析，日極差值平均為0.009 04 m.對該井日極差值進(jìn)行均值處理得到月均值曲線和半年均值直方圖（圖3），可以發(fā)現(xiàn)淮鎮(zhèn)地震前后日極差值均出現(xiàn)高值異常，文安地震前的18個月，日極值存在一個上升過程，另外汶川地震之后日極差值數(shù)據(jù)總體上處于下降狀態(tài)，說明影響該井水體的能量在較長時間段內(nèi)處于衰減狀態(tài)。

圖3 日極差值均值分析圖

2.3 固體潮數(shù)據(jù)分析計算

由于地下水觀測井孔深度，最深莫過幾千米，這個深度仍是地球表層，所以地球表層的潮汐應(yīng)力分布勢必影響井水位變化。因地球表層潮汐應(yīng)力大小隨地球與天體在運動中相對位置的變化而有規(guī)律的變化，當(dāng)潮汐應(yīng)力增大時，含水巖層發(fā)生體膨脹，含水層的孔隙水壓降低，井水位下降；當(dāng)潮汐應(yīng)力變小時，含水巖層發(fā)生體壓縮，含水層的孔隙水壓升高，井水位上升。該井為動水位觀測井，且在與主孔連接的副管上觀測水位，這些條件可能對固體潮汐觀測靈敏度造成一定影響。該井觀測水位某些時段存在固體潮效應(yīng)，而有些時間段不明顯，但是2010年之后該井觀測水位固體潮效應(yīng)實際處在明顯加強狀態(tài)。因此有必要對該井的固體潮效應(yīng)進(jìn)行定量分析，采用別爾采夫線性濾波分離的潮汐因子與理論固體潮進(jìn)行數(shù)據(jù)對比分析。

（1）數(shù)據(jù)時間分段計算

由于井水位觀測是一個長期的持續(xù)的過程，因此在選擇觀測樣本時原則上盡量選擇數(shù)據(jù)觀測效果較好且時間跨度較長的數(shù)據(jù)段。對水位整點值數(shù)據(jù)進(jìn)行別爾采夫線性濾波計算，將得到的潮汐分量t和理論固體潮整點值T 進(jìn)行散點圖分析（圖4）。數(shù)據(jù)點大部分分布在I、III象限，圖形呈傾斜的紡錘狀，樣本時間越靠后圖形越扁平化，綜合來看點列分布具有線性趨勢分布特征，應(yīng)能采用線性回歸分析方法。進(jìn)行一階線性回歸得到實際潮汐分量和理論固體潮的相關(guān)系數(shù)R、截距b和系數(shù)a，共選取7組樣本，信度95%，所有的樣本殘差自由度均大于3 500個。最終得到的結(jié)果顯示其相關(guān)系數(shù)在0.525～0.737之間，平均達(dá)到0.588 63（表2），根據(jù)相關(guān)系數(shù)檢驗臨界值表，7個樣本結(jié)果均大于0.097 35（n－m－1＝400，α＝0.05），說明該井水位受到固體潮效應(yīng)的影響，且水位與固體潮效應(yīng)的關(guān)系為正相關(guān)。

圖4 潮汐分量t和理論固體潮整點值T 的散點圖

表2 潮汐分量和理論固體潮一階線性回歸結(jié)果

（2）數(shù)據(jù)滑動計算

在日常工作中部分地震觀測井的觀測數(shù)據(jù)存在以下特點：①有序，不管是分鐘值、整點值、日均值觀測數(shù)據(jù)都是按時間有序產(chǎn)生的；②不可再現(xiàn)，一個觀測點一個觀測手段在某一時間點上只會存在唯一一個觀測結(jié)果；③高速，觀測數(shù)據(jù)時時刻刻都在發(fā)生著變化，只要技術(shù)和條件允許，理論上一個觀測手段每天可以獲得高速產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)；④無限，只要觀測手段存在，隨著時間的推移，可以獲得無限多個觀測數(shù)據(jù)；⑤高維，觀測數(shù)據(jù)包含大量信息量，以靜水位觀測為例，觀測結(jié)果可能包含氣壓、固體潮、降水、區(qū)域地下水變化、臨層抽水、年變、人工干擾等大量因素；⑥動態(tài)和不可預(yù)知，由于井水位觀測影響因素的復(fù)雜性，觀測數(shù)據(jù)的概率分布模型是時刻變化的，且變化的速率不可控制，所以造成其后續(xù)變化也是不可預(yù)知的［4］。具有以上特點的觀測數(shù)據(jù)可以看作是數(shù)據(jù)流，對于數(shù)據(jù)流而言，靜態(tài)的數(shù)據(jù)分析效能略顯不足，很難完全反映數(shù)據(jù)的動態(tài)變化，所以要分析潮汐分量和理論固體潮相關(guān)性的變化和發(fā)展趨勢，采用動態(tài)的分析方法不失為一個有效的補充，因此本文采用滑動窗口的計算方法進(jìn)行數(shù)據(jù)變化趨勢分析作為時間分段分析的補充。

對2000年1月至2011年12月的水位整點值數(shù)據(jù)進(jìn)行別爾采夫線性濾波計算，將得到的潮汐分量t和理論固體潮整點值T 以720值（平均一月數(shù)據(jù)量，24小時×30天）步長進(jìn)行一階線性回歸滑動計算，其計算方法可以表示為：

其中Ri為第i組樣本的相關(guān)系數(shù)，信度95%，殘差自由度718，數(shù)據(jù)樣本損失數(shù)720（尾部）。最終得到一組相關(guān)系數(shù)的滑動計算結(jié)果，對該結(jié)果進(jìn)行均值分析（圖5），月均值曲線顯示相關(guān)系數(shù)的平均值為0.513。分析結(jié)果顯示：淮鎮(zhèn)地震之前3 個月存在一個低值異常；文安地震前9個月存在低值異常；2005年之后相關(guān)系數(shù)Ri的數(shù)值有明顯變大的趨勢，并在2011年6—8月形成一個大于0.78的高值區(qū)，顯示該時間區(qū)域內(nèi)潮汐分量與理論固體潮相關(guān)度較高。形成這種現(xiàn)象的原因一種可能是由于該井為震旦亞界霧迷山組灰?guī)r巖溶裂隙承壓水，而巖溶又是一種極不均勻的含水介質(zhì)。巖溶在形成過程中的巖溶化程度的差異，導(dǎo)致其富水性和導(dǎo)水性在空間分布上很不均勻［5］，馬17井的巖溶介質(zhì)由于地下斷層的斷層蠕動可能使其巖溶化程度發(fā)生了改變，使灰?guī)r受到潮汐應(yīng)力作用產(chǎn)生形變時，其貯存在內(nèi)的地下水流入井的能力有所增強。第二種可能是含水巖層發(fā)生體膨脹，含水層的孔隙水壓降低，井水位下降（近幾年該井水位有所下降），表明水體受到的潮汐應(yīng)力增大。

圖5 相關(guān)系數(shù)滑動均值分析圖

2.4 氣壓效應(yīng)分析

井孔水位的氣壓系數(shù)（或氣壓效率），是指單位氣壓變化量引起的井水位變化量。

從原始曲線圖分析，該井水位與氣壓存在一定的對應(yīng)關(guān)系，尤其在2009年10—11月，本地區(qū)氣壓出現(xiàn)大幅度突變時，該井水位出現(xiàn)明顯對應(yīng)變化。選取日均值作為分析基數(shù)，分別選取模擬水位觀測數(shù)據(jù)和模擬氣壓觀測數(shù)據(jù)的6個樣本，進(jìn)行一階線性回歸分析（表3）。進(jìn)行趨勢補充分析時，將水位和氣壓整點值以720值（平均一月數(shù)據(jù)量，24 小時×30天）步長進(jìn)行一階線性回歸滑動計算，對該結(jié)果進(jìn)行均值分析得到圖6，結(jié)果顯示：①樣本分析氣壓系數(shù)為0.406 4 mm／hpa，相關(guān)系數(shù)為0.418 6；②滑動分析顯示氣壓系數(shù)以負(fù)值為主，文安地震前后變化不明顯；③滑動分析顯示水位氣壓相關(guān)系數(shù)以負(fù)值為主，在大部分時間段內(nèi)水位、氣壓存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，2008年下半年開始相關(guān)系數(shù)處于加強趨勢，筆者認(rèn)為某些時間段出現(xiàn)的水位氣壓呈正相關(guān)狀態(tài)可能與其他因素對該井水位的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了氣壓因素的影響有關(guān)。

表3 水位、氣壓日均值一階線性回歸結(jié)果

圖6 相關(guān)系數(shù)滑動日均值分析圖

3 資料綜合

綜合以上資料和計算結(jié)果進(jìn)行梳理分析：

①觀測水位存在固體潮效應(yīng)，尤其在水位的潮汐周期部分與理論固體潮存在相關(guān)性；觀測水位受到了氣壓的影響，某些時段表現(xiàn)得尤為明顯。

②淮鎮(zhèn)地震前后日極差值均存在明顯的高值異常變化，震前固體潮相關(guān)性滑動分析存在明顯的低值異常。

③資料計算結(jié)果顯示日極差值在文安地震前的一年半時間內(nèi)存在一個上升過程，固體潮相關(guān)性滑動分析顯示震前9個月存在低值異常。

④固體潮效應(yīng)滑動分析顯示在2011年6—8月存在一個高值區(qū)，2005年之后水位的固體潮相關(guān)性一直處于加強狀態(tài)，水位的潮汐因子與理論固體潮的相關(guān)程度越來越高。

4 討論

表4列舉了近幾年來該井存在一系列變化，根據(jù)變化初步探討造成這些變化的原因。

表4 分析項目結(jié)果匯總表

這些結(jié)果顯示該井在多年開采的大背景下，文安地震尤其是汶川地震后該井所處地區(qū)的區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造可能存在一定改變，結(jié)合該井屬自流熱水井的特征，含水巖體發(fā)生微破裂的可能性較高［7］，因此筆者試圖結(jié)合相關(guān)資料對分析結(jié)果進(jìn)行討論。

①淮鎮(zhèn)地震按照擴容（DD）模式進(jìn)行討論：震前Ⅰ階段，巖體原有裂隙趨于閉合，水位含水層受壓，孔隙壓增大，水位上升，影響該井水體的能量加強，日極值慢慢變大，固體潮效應(yīng)減弱，水位變化與固體潮相關(guān)性減弱。震前Ⅱ階段，巖體微破裂，巖體體積增大，發(fā)生擴容，孔隙壓減小，水位下降，影響該井水體的能量減弱，日極值變小，水位變化與固體潮相關(guān)性 加 強（2001年4月27日，10 分 鐘 水 位 突 降57mm）。震前Ⅲ階段，擴容區(qū)外圍地下水補水，孔隙壓力回升，水位上升（2001年5月8日，28分鐘突升205mm，69天后發(fā)震），影響該井水體的能量加強，日極值變大，固體潮效應(yīng)減弱，水位變化與固體潮相關(guān)性減弱，直至發(fā)震。從分析結(jié)果來看，水位的潮汐因子與理論固體潮相關(guān)性較好，因其為滑動數(shù)據(jù)所以存在一定前瞻性；日極值對水位的較大變化反應(yīng)極其靈敏，但受到異常能量的影響，在這種較短時間段分析上指向性意義不強（圖7）。

②文安地震發(fā)生前254 天后存在明顯異常（2005年10月23日，90min，水位上升95mm），異常時間跨度較長（8個多月），但從較長時間段的日極值和水位的潮汐因子與理論固體潮相關(guān)性分析結(jié)果來看，文安地震與淮鎮(zhèn)地震之前的分析結(jié)果存在一定的相似性，結(jié)合文安地震的地震動持續(xù)時間短，強度?。?］等一系列特殊特征，是否表明這個異常時間跨度存在一定的合理性？這個問題需要進(jìn)一步研究。

圖7 淮鎮(zhèn)地震前數(shù)據(jù)分析圖

③文安地震和汶川地震有可能使該地區(qū)的區(qū)域應(yīng)力場發(fā)生了改變，楊國華在《汶川地震對華北地區(qū)水平形變場影響及其含義的討論》一文中提到的華北地區(qū)在汶川地震后相對于2003－2007年形成了南部地區(qū)右旋形變、北部地區(qū)東西拉張的變形格局［9］，筆者認(rèn)為汶川地震后馬17井含水層巖體裂隙應(yīng)趨于擴張狀態(tài)，孔隙壓變小，水位的潮汐因子與理論固體潮相關(guān)性加強，進(jìn)而造成該井水體的能量持續(xù)減弱，日極值變小，氣壓效應(yīng)有所加強。

5 結(jié)論

馬17井觀測水位確定存在固體潮效應(yīng)和氣壓效應(yīng)，水位與固體潮存在正相關(guān)關(guān)系，與氣壓存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，但這2種效應(yīng)表現(xiàn)的不是非常顯著。

近年來，該井水位、氣壓數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示一定的趨勢性變化，這種現(xiàn)象可能由于文安地震尤其是汶川地震造成區(qū)域應(yīng)力場有所變化造成的，這種趨勢性改變在無震條件下發(fā)生轉(zhuǎn)折的時候存在斷層活動加劇或者鄰近地區(qū)發(fā)生較強地震的可能。

淮鎮(zhèn)地震和文安地震前數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示一定的異常信息，淮鎮(zhèn)地震前的分析結(jié)果表現(xiàn)得更為明顯和清晰，文安地震前的分析結(jié)果則需要進(jìn)行深入研究。

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