內蒙古通遼市庫倫CK3井水位、水溫數(shù)據(jù)異常特征研究

金小溪，吳 哲，李澤胤

（1.通遼市地震局，內蒙古 通遼028000；2.通遼市地震監(jiān)測中心，內蒙古 通遼028000）

0 引言

地下靜水位、深井水溫（地熱）觀測是地震預測、預報的重要觀測手段。地下流體觀測中所獲得的觀測數(shù)據(jù)，除包含用于地震分析預報和地震科學研究的有關信息外，還含有誤差和干擾。因此，異常的調查和落實以及干擾異常的排除和地震異常的提取是進行地震分析預報的前提［1］。庫倫CK3井是通遼地區(qū)地震前兆觀測項目之一，1990 年正式投入地震前兆觀測。庫倫CK3井水位在1998年張北6.2 級地震、2003年赤峰5.9級地震和2004年錫盟5.9級地震前均表現(xiàn)出明顯的震兆異常①金小溪，白領利，劉宏偉，等.2008年通遼市及鄰近地區(qū)地震造勢研究報告.通遼：通遼市地震局，2007.。2013年8月份該井遷址新建，2014 年9月份投入觀測。自2015年4 月11日水位開始出現(xiàn)大幅度下降，后每年的4月中旬至11 月上旬均會出現(xiàn)多次類似的大幅度下降變化，下降幅度達0.2～2.5m，同井觀測的水溫數(shù)據(jù)同步下降，水溫下降幅度為0.05℃左右，對觀測數(shù)據(jù)造成了嚴重的干擾（圖1）。為有效排除異常，提高前兆數(shù)據(jù)質量，更好地捕捉地震信息，通過對觀測系統(tǒng)檢查，氣象因素對比分析，觀測環(huán)境調查等方面進行研究分析，同時核實了觀測井附近干擾源。

圖1 庫倫CK3井水位、水溫分鐘值變化曲線Fig.1Water level， water temperatureminutevalue change curveof Kulun CK3Well

1 區(qū)域地質構造及水文地質概況

庫倫CK3井位于內蒙古通遼市庫倫旗庫倫鎮(zhèn)。處于華北板塊與東北板塊的交匯處附近，構造形跡復雜，構造運動強烈。區(qū)域地震地質構造上屬于新華夏系松遼盆地北部西南緣，新構造運動分區(qū)可劃分為三個區(qū)：大興安嶺隆起區(qū)，松遼及下遼河沉積降區(qū)，老爺嶺—遼東隆起區(qū)。各新構造分區(qū)均由活動斷裂或構造活動帶所分隔。區(qū)內EW 向構造形成較早，構成主要構造格架，并被后期構造切割和改造，由南到北主要分布有赤峰—開原斷裂、養(yǎng)畜牧河斷裂、西拉木倫河斷裂、烏力吉木仁斷裂等。NE—NNE向斷裂較為發(fā)育，為本區(qū)主要活動構造。NE向斷裂主要分布有嫩江斷裂、老哈河斷裂、雙泡子斷裂、醫(yī)巫閭山西側斷裂、朝陽—北票斷裂及郯廬斷裂等。NW 向斷裂形成時代最新，切割EW 向和NE—NNE向斷裂，區(qū)內分布有胡虎爾河斷裂。由于區(qū)內第四系地層覆蓋較厚，多數(shù)斷裂只在盆地周邊有出露，而在盆地內部主要依據(jù)航磁、重力和衛(wèi)片等地球物理異常推斷其大致走向。近年來的小震活動及中強地震均發(fā)生在這些斷裂構造的復合部位附近（圖2）。

本區(qū)新構造運動表現(xiàn)為南升北降的差異性和不均一的特點。井點北側直線距離約5km 左右，分布有近東西向展布的養(yǎng)畜牧河斷裂，并有河流分布。晚第四紀以來，該斷裂以北緩慢沉陷，其南部相對抬升，形成南部山區(qū)與松遼平原的分界線。地貌上特征明顯，河流南側為低山丘陵，而北側是松遼平原南部的沙坨沼澤間布地帶。區(qū)域內地下水的分布主要受地質構造、地層、巖性結構和氣象水文條件的控制，而盆地構造為地下水的賦存提供了良好的環(huán)境。在這些因素的綜合作用下，形成了本區(qū)各種不同的含水層，其中賦存有各種不同類型的地下水。由于含水層結構和補給條件的不同，各種不同類型的地下水其水量差異甚大。以養(yǎng)畜牧河斷裂為界，形成了截然不同的兩個水文地質單元。北側為斷陷盆地，主要以碎屑巖類裂隙水和松散巖類孔隙水為主；養(yǎng)畜牧河斷裂以南，自侏羅紀以來長期隆起為陸地，遭受風化剝蝕，風化裂隙發(fā)育，第四紀以來堆積了較厚的風成黃土狀亞砂土，賦存著黃土裂隙孔隙潛水和基巖裂隙水。裂隙的富水性主要受斷裂的力學性質、破碎的程度以及后期膠結、充填程度的控制，其富水性差異極大，水量懸殊。本區(qū)地下水的主要補給來源為大氣降水、凝結水、灌水回滲和側向徑流補給，另外融凍水、融雪水、各含水層間的相互補給等也是十分重要的。地下水的排泄，主要消耗于蒸發(fā)、補給地表水、人工開采和向下游區(qū)徑流，但其最主要的排泄方式則是蒸發(fā)消耗和人工開采。由于區(qū)內地表水貧乏，地下水成為本區(qū)主要的生活、灌溉用水水源。

2 研究對象基本情況

2.1 庫倫CK3 井基本情況

庫倫CK3井隸屬于庫倫旗科技局（地震辦），1990 年1月投入觀測。初期為人工使用測繩測鐘手動觀測，1990 年8月安裝SW40型水位自記儀進行水位模擬觀測。觀測項目于1995年通過內蒙古自治區(qū)地震局驗收，觀測資料自1996年開始參加自治區(qū)級評比，曾多次獲得自治區(qū)地下水位觀測第一名及優(yōu)秀名次（圖3）。

2013年8月因城市規(guī)劃，原觀測井所處地段被開發(fā)征用進行了搬遷。新建井位于庫倫旗政府院內。新建觀測井井深102 m，井孔主要出露地層為第四系粘土與侏羅紀火山碎屑巖，觀測水為基巖裂隙水（圖4）。2014年1月安裝LN-3A型數(shù)字式靜水位記錄儀，開始靜水位觀測，2015年1月23日，安裝了SZW-1AV2004型數(shù)字式溫度計，進行同井水溫（地熱）觀測。

圖4 庫倫CK3井井孔柱狀圖Fig.4Boreholecolumnar diagram of Kulun CK3Well

2.2 水位、水溫異常特征

庫倫CK3井水位儀器安裝初期，由于電源原因，數(shù)據(jù)時斷時續(xù)。2014 年9月21日解決了電源問題，水位數(shù)據(jù)及后期安裝的水溫數(shù)據(jù)均變化平穩(wěn)。但自2015年4 月11日水位開始出現(xiàn)大幅度下降，后每年的4 月中旬至11月上旬均會出現(xiàn)多次類似的大幅度下降變化，下降幅度達0.2～2.5m，同井水溫數(shù)據(jù)出現(xiàn)同步下降，水溫下降幅度在0.05℃左右。經分析，在水位下降期間，每日出現(xiàn)下降的時間段具有一定的規(guī)律性，即每日上午6：00 左右開始下降，下降臺階約持續(xù)3個小時后數(shù)據(jù)上升至原水平；下午17：00 左右開始下降，下降臺階約持續(xù)3個小時后數(shù)據(jù)上升至原水平。同日內下降現(xiàn)象一至兩次不定。20：00 至次日6：00無下降現(xiàn)象（圖5）。

圖5 庫倫CK3井水位分鐘值曲線圖Fig.5Minute mean valae curve of Kulun CK3 Well water level

在《地震臺站觀測環(huán)境技術要求》（GBT 19531.4-2004）中地震地下流體觀測中，允許干擾引起的動態(tài)變化的相對幅度稱為允許干擾度。同時明確規(guī)定水位觀測的允許干擾度為10%，水溫觀測的允許干擾度為50%。為進一步量化觀測井干擾程度，下面給出庫倫CK3井水位、水溫實際干擾度。

為計算水位、水溫日動態(tài)中的實際干擾度，選取2018年2月23日至3月23日整點值（干擾前1個月正常時段），將相關數(shù)據(jù)代入下列干擾度計算公式：

Imax為干擾引起的最大值；

Nmax為正常時段最大值；

NDmax為正常時段最大變化幅度值；

計算得出水位實際干擾度n水位=1453%，水溫實際干擾度n水溫=199%。

庫倫CK3井水位實際干擾度遠超出了允許干擾范圍，水溫實際干擾也超出了允許干擾范圍。

3 異常成因分析

地下流體異常是相對于正常動態(tài)而言的。當觀測到的動態(tài)與已有的各項動態(tài)正常規(guī)律有很大的不同時，把其稱為異常動態(tài)。這些異常變化，有時是構造過程和地震活動引起的，但也有觀測環(huán)境的改變引起的，甚至還可能是觀測技術系統(tǒng)的故障與觀測人員操作不當引起的［1］。地震前兆觀測數(shù)據(jù)的異常判定和落實是地震分析預報和地震科學研究的一項重要基礎工作。根據(jù)近年來井區(qū)附近地震活動情況，同時結合多年來流體觀測經驗，初步分析認為庫倫CK3井水位、水溫大幅度低值異常不屬于震兆異常，應屬于干擾動態(tài)。通過對觀測系統(tǒng)、氣象因素及觀測環(huán)境等多方面因素進行分析，進一步核實異常原因。

庫倫CK3井水位、水溫觀測數(shù)據(jù)呈正相關，異常變化完全同步，因此在現(xiàn)場實驗中重點監(jiān)測水位數(shù)據(jù)變化。

3.1 觀測系統(tǒng)檢查

數(shù)字化水位觀測具有采集數(shù)據(jù)信息量大，傳輸數(shù)據(jù)速度快，人為誤差小等諸多優(yōu)點，從而增加了水位高頻、短周期的信息量，為捕捉地震短臨異常提供了更加有利的條件。但是，數(shù)字化水位觀測也更易受到干擾，導致非震兆異常［2］。數(shù)字化水溫觀測也具有同樣性質。由于數(shù)字式水位儀的觀測原理是壓力傳感，儀器自身的工作狀態(tài)、供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性等均有可能引起數(shù)據(jù)的異常變化。因此，我們首先對觀測儀器進行檢查。儀器主機工作正常，外接220V電源、穩(wěn)壓器電源、儀器供電UPS不間斷電源、儀器電源板輸出的±15V、±5V直流電源均正常，儀器接地良好，傳感器靈敏度符合要求，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)及機房線路未發(fā)現(xiàn)異常，觀測系統(tǒng)整體運行正常。

3.2 水位校測對比試驗

為了進一步明確儀器觀測數(shù)據(jù)是否真實反映地下水位變化，在觀測數(shù)據(jù)正常變化時段和數(shù)據(jù)明顯下降時段，通過人工實測進行了多次現(xiàn)場校測，實測數(shù)據(jù)誤差均在允許范圍之內，符合規(guī)范要求。通過現(xiàn)場實測證實了儀器觀測數(shù)據(jù)的真實性。

3.3 氣象因素分析

通過庫倫旗氣象局收集到2015年至今該區(qū)的降水資料，并將降水日值與水位日均值進行對比分析，發(fā)現(xiàn)一年中水位出現(xiàn)大幅度下降變化的起止時間與降雨季節(jié)準同步。但隨機選取2017年度的數(shù)據(jù)，通過詳細地對比分析，發(fā)現(xiàn)水位出現(xiàn)下降異常的具體時間不在降雨當日，即水位下降與降雨基本不會出現(xiàn)在同一天內。降水是該地區(qū)的主要地下水補給源之一，降水導致區(qū)域水位下降的可能性不大，因此可以排除降水等氣象因素對CK3井的影響（圖6）。

圖6 庫倫CK3井水位與降水量變化曲線Fig.6Water levelandprecipitationchangecurvesof Kulun CK3Well

3.4 地下水開采的影響

庫倫CK3井位于庫倫旗政府院內，周邊多為機關單位。庫倫地區(qū)為半干旱氣候，城區(qū)綠化灌溉用水量極大?！兜卣鹋_站觀測環(huán)境技術要求》（GBT 19531.4-2004）規(guī)定水位異常排查應對觀測井10km 范圍內的地下水開采情況進行調查。但結合井區(qū)水文地質條件、地形地貌形態(tài)，含水層分布呈塊狀，邊界不清楚等實際，首先對以觀測井為中心的2km 范圍內庫倫旗新城區(qū)25口水井（基本包括新城區(qū)全部抽水井）進行走訪調查。由于該地區(qū)水文地質條件復雜，打井出水情況不確定，試探性打井較多，出水量較少的井基本廢棄不用，此類水井占調查井的三分之一（表1）。

表1 庫倫鎮(zhèn)新城區(qū)開采井統(tǒng)計表

對觀測井周邊常用水井逐一進行抽水實驗。4#、11#兩口井均屬于庫倫旗園林局，井深在90m 以上，取水深度與CK3井觀測水層深度大致相同。春夏季節(jié)常用于城區(qū)綠化灌溉，且取水量較大。對4#連續(xù)進行4個小時抽水實驗，抽出48t水；對11#連續(xù)進行3個小時抽水實驗，抽出36t水。在抽水的同時對庫倫CK3井水位、水溫數(shù)據(jù)變化進行實時觀測。在抽水過程中水位、水溫均未發(fā)生明顯變化?？紤]到抽水對觀測井的影響可能存在滯后效應，停止抽水后對CK3井水位持續(xù)監(jiān)視了近4 小時，但觀測數(shù)據(jù)仍未出現(xiàn)明顯的變化。分別對17#、18#、19#、21#、22#、23#、24#、25# 進行抽水實驗。7月7日21：05對21#進行抽水實驗，經過30 分鐘，CK3井水位觀測數(shù)據(jù)從34.086m快速下降到35.716m，下降幅度達到了1.63m，停止抽水后148分鐘，觀測井水位恢復到原水平。7月19日再次對該井進行抽水實驗，從6：30 ～8：00的90分 鐘，CK3井水位下降了2.183m，影響十分明顯。實驗結果顯示18#、25#對觀測井水位影響不明顯，17#、19#、22#、23#、24#對觀測井有不同程度的影響（表2）。

表2 周邊井抽水實驗情況

基巖裂隙含水量受裂隙發(fā)育控制，具有明顯的不均一性。22#、23# 井位于CK3井東北方向，與21#井取水深度相同，但較21#井與觀測井距離稍遠，兩口井抽水對觀測井的影響不大。19#井雖然距離觀測井最近，但井深小于觀測井及21#，該井抽水對觀測井的影響并不大，應不屬于同一含水層。距離觀測井較近且取消深度相近的21#井抽水對觀測井水位及水溫的變化有明顯的影響；距離較近但取水層不同或距離稍遠取水層相近的其他井對觀測井具有不同程度的影響；距離稍遠的4#、11#、25#井不論深淺均未表現(xiàn)出明顯的影響（圖7）。

圖7 觀測井及抽水井分布圖Fig.7Distribution of observation wellsandpumping wells

4 結論與討論

（1）庫倫CK3井水位、水溫自2015年以來每年4 至11月份出現(xiàn)大幅度下降應不屬于震兆異常，是由于地下水開采引起，對其影響較大、較明顯的是隸屬于庫侖旗財政局的21#，該井開采水層與庫倫CK3井應為同層地下水。分析認為，由于井區(qū)水文地質條件的特殊性，觀測井與21#如從一桶中取水，21#抽水時觀測井會快速下降，通過地下水的補給水位逐漸恢復到原來的水平。此外，17#、19#、22#、23#、24#井抽水對觀測井有不同程度的影響。

（2）我國現(xiàn)有觀測井無論硬件還是軟件質量都亟待提高，其突出的問題是井（泉）點位置不夠理想，觀測井結構不夠合理，觀測含水層質量不高及相關的資料不全，甚至缺少關鍵的技術參數(shù)［3］。庫倫CK3井所受干擾度遠超出了允許干擾度，觀測井受周邊開采井的影響較大，干擾井較多，顯然存在位置不夠理想或含水層質量不高的弊端，建議選址新建或增加觀測井深度，避免淺層地下水開采對觀測井數(shù)據(jù)產生明顯影響。