崇明地震臺(tái)新井水位干擾成因分析與改進(jìn)措施＊

潘國(guó)勇，王 軍

（上海市地震局，上海 200062；上海佘山地球物理國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，上海 201602）

地下水位的異常變化包含很重要的地震前兆異常信息，但亦有可能是由環(huán)境干擾所致，所以正確識(shí)別與排除異常，對(duì)科學(xué)判定震情至關(guān)重要。經(jīng)過(guò)50 多年的發(fā)展，地下水位觀測(cè)技術(shù)已日臻成熟，并且在地震監(jiān)測(cè)中起到了至關(guān)重要的作用。在已有理論知識(shí)的指導(dǎo)下，隨著研究的不斷深入，在異常核實(shí)方面也逐漸建立了一套完整的方法[1]，在這些理論和方法指導(dǎo)下，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)地下水的震前異常進(jìn)行廣泛研究并且取得了一系列的優(yōu)秀成果[2-5]。

崇明地震臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱“崇明臺(tái)”）新井水位自投入觀測(cè)以來(lái)每天都有一個(gè)較大幅度的下降型臺(tái)階，最大下降幅度達(dá)0.95 m。為了弄清下降型水位異常是環(huán)境干擾所致還是地震前兆異常，本文按照地下水異常核實(shí)方法，對(duì)引起下降型臺(tái)階的各種因素進(jìn)行分析，并在查明原因的基礎(chǔ)上提出改進(jìn)措施。

1 崇明臺(tái)新井水位觀測(cè)概況

崇明臺(tái)位于崇明島的中南部，地勢(shì)平坦，水系發(fā)達(dá)，隸屬崇明縣豎新鎮(zhèn)行政區(qū)，建于1974 年，1976 年投入觀測(cè)，屬國(guó)家級(jí)基本臺(tái)，有電磁和流體兩大前兆觀測(cè)學(xué)科，共13個(gè)觀測(cè)項(xiàng)目，在地震監(jiān)測(cè)中發(fā)揮著重要作用。

崇明臺(tái)新井地址為崇明島豎新鎮(zhèn)新烈南路206 號(hào)。始建于2014-09-18，終孔于2014-12-29，歷時(shí)三個(gè)半月?；鶐r井孔深416.13 m，其中0～367 m 為第四系泥夾砂型的松散沉積物，367～388.2 m 為全風(fēng)化至中等風(fēng)化花崗巖，388.2～416.13 m 為微風(fēng)化花崗巖。成井時(shí)，上部0～27.41 m 為ф168×6.5 mm 的不銹鋼套管，同時(shí)包有長(zhǎng)24 m 的ф273 mm螺旋鋼外套管，中部27.41～386.8 m 為ф168×6.5 mm 的地質(zhì)無(wú)縫鋼套管，下部386.8～416.13 m 為ф150 mm 的基巖裸孔。2016-11 開(kāi)始水位觀測(cè)，使用的儀器是ZKGD3000-N 型地下流體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其既可單獨(dú)監(jiān)測(cè)地震觀測(cè)井的水位或水溫，也能同時(shí)監(jiān)測(cè)水位、氣壓和水溫等多個(gè)測(cè)項(xiàng)，具有運(yùn)行穩(wěn)定、可靠、安裝維護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。

2 異常調(diào)查及成因分析

2016-11-26 該井投入水位觀測(cè)以來(lái)，該井每日都有一個(gè)較大幅度的下降型臺(tái)階。本文按照地下水異常核實(shí)方法對(duì)引起水位變化的原因，進(jìn)行了詳細(xì)的核實(shí)。

2.1 地質(zhì)構(gòu)造分析

地質(zhì)構(gòu)造上，崇明新井位于揚(yáng)子地塊東南邊緣的上海斷塊隆起區(qū)，喜山運(yùn)動(dòng)后下沉接受堆積，之下為燕山晚期花崗巖，構(gòu)造穩(wěn)定，周圍無(wú)大型水庫(kù)、礦山采空區(qū)、降雨聚水區(qū)、大型抽水站且10 km 以內(nèi)未見(jiàn)較大斷裂。水位觀測(cè)期間在崇明區(qū)發(fā)生過(guò)兩次地震，即2017-01-26 的ML0.8 地震和2017-05-25 的ML1.3 地震，地震當(dāng)天水位數(shù)據(jù)沒(méi)有記錄到地震前兆信息，記錄到的信息仍為日常下降型臺(tái)階水位異常。由此可知，并不是地震活動(dòng)引起，也并非受地質(zhì)構(gòu)造的影響。

2.2 觀測(cè)系統(tǒng)檢查

觀測(cè)儀器運(yùn)行狀況、線路、電壓等因素可以引起異常變化。通過(guò)總結(jié)以往經(jīng)驗(yàn)，崇明臺(tái)存在以下干擾：儀器故障、傳感器故障、外線路故障、數(shù)采故障、電源故障以及停電等。而這些故障造成的影響往往是單點(diǎn)突跳、毛刺、數(shù)據(jù)格式錯(cuò)誤以及斷記等，不會(huì)出現(xiàn)上文中有規(guī)律的臺(tái)階狀干擾?，F(xiàn)場(chǎng)校測(cè)水位埋深為13.63 m，而監(jiān)測(cè)系統(tǒng)記錄的水位分量為13.61 m，誤差在允許范圍之內(nèi)，符合技術(shù)規(guī)范要求；其他技術(shù)指標(biāo)也均符合要求。此外，同井抽水時(shí)水泵的開(kāi)啟與關(guān)閉的瞬間可能會(huì)由于電壓不穩(wěn)導(dǎo)致水位突變。但是經(jīng)仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)，這種情況下水位會(huì)在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)至與原水位相似的高度，而不會(huì)出現(xiàn)本文中“下降—幾個(gè)小時(shí)的平衡階段—恢復(fù)到原始高度”的情況，所以排除水泵閉合瞬間電壓不穩(wěn)造成的影響，從而排除觀測(cè)系統(tǒng)的影響。

2.3 地下水開(kāi)采與補(bǔ)給情況分析

地下水的開(kāi)采是影響地下水位變化的重要因素。本文對(duì)2016 年以來(lái)新井周圍5 km 內(nèi)的開(kāi)采井進(jìn)行了調(diào)查。發(fā)現(xiàn)距崇明新井約300 m 處的三烈中學(xué)內(nèi)有一個(gè)575.25 m 深的井，該井原為測(cè)震專用井，成井后，由于技術(shù)指標(biāo)不達(dá)標(biāo)等問(wèn)題而廢棄，現(xiàn)作為水位、水溫觀測(cè)點(diǎn)。除此之外周圍無(wú)開(kāi)采井。當(dāng)?shù)鼐用竦娘嬘盟F(xiàn)為長(zhǎng)江原水，農(nóng)田灌溉用水為地表水，新井周圍無(wú)同層開(kāi)采井。

地下水的補(bǔ)給是影響地下水位變化的另一個(gè)重要因素，當(dāng)?shù)氐叵滤难a(bǔ)給主要來(lái)自降雨。收集2017-06-01—2017-07-31 該區(qū)降雨資料。崇明新井水位和降雨量變化關(guān)系曲線如圖1 所示。從時(shí)間上來(lái)說(shuō)，降雨與水位變化并非一一對(duì)應(yīng)。從降雨的量來(lái)分析，也不足以因此這么大幅度的水位變化。加之，該井是深水井本身受地表降水影響也不大，可排除降雨因素的影響。

圖1 崇明新井水位與降雨量變化曲線

2.4 水位異常與抽水

崇明新井在用于觀測(cè)水位的同時(shí)也作為水氡觀測(cè)井，所以每天都會(huì)進(jìn)行抽水操作。從成因上分析臺(tái)階的下降和恢復(fù)過(guò)程符合抽水過(guò)程造成的影響，且抽水的起止時(shí)間和臺(tái)階出現(xiàn)的時(shí)間大體相符合。為了進(jìn)一步驗(yàn)證臺(tái)階的產(chǎn)生是不是由于抽水造成的，又做了如下實(shí)驗(yàn)。臺(tái)階型水位隨水泵開(kāi)閉時(shí)間的變化情況如圖2 所示。

開(kāi)泵時(shí)間不變：在開(kāi)泵時(shí)間不變的情況下，觀察臺(tái)階出現(xiàn)的情況。將2017-06-01—2017-06-15 每天開(kāi)泵的時(shí)間都設(shè)置為5：21：00—8：51：00。研究發(fā)現(xiàn)臺(tái)階出現(xiàn)的時(shí)間與開(kāi)泵時(shí)間同步，如圖2（a）所示。

開(kāi)泵時(shí)間變化：從2017-06—2017-12，每個(gè)月月初將開(kāi)泵時(shí)間提前1 min，開(kāi)泵時(shí)長(zhǎng)不變，如圖2（b）所示。發(fā)現(xiàn)下降型臺(tái)階出現(xiàn)和終止的時(shí)間也隨著開(kāi)泵時(shí)間發(fā)生相應(yīng)變化（為了使圖形更清晰，所以圖2（b）中只放了2017-06-01、08-01、10-01 和12-01 的，所以在圖上開(kāi)泵時(shí)間顯示的時(shí)差是2 min）。

綜上所述，崇明新井深層水位出現(xiàn)的臺(tái)階變化可判定為干擾異常，干擾是由于水氡觀測(cè)時(shí)抽水所致。抽水造成的下降型臺(tái)階主要分為三個(gè)過(guò)程：第一階段從開(kāi)始抽水到水位穩(wěn)定，此時(shí)抽水一直持續(xù)進(jìn)行；第二階段是整個(gè)過(guò)程中地下水位已經(jīng)達(dá)到并且維持穩(wěn)定的一個(gè)階段，此時(shí)水位曲線中的固體潮開(kāi)始恢復(fù)；第三階段是停止抽水后水位的恢復(fù)階段。

圖2 臺(tái)階型水位隨水泵開(kāi)閉時(shí)間的變化情況

3 改進(jìn)措施

明確原因以后，在盡量不改變現(xiàn)有觀測(cè)條件基礎(chǔ)上，為保證水位觀測(cè)質(zhì)量，提出一個(gè)解決臺(tái)階問(wèn)題的方案——連續(xù)開(kāi)泵，持續(xù)抽水。開(kāi)始抽水時(shí)，抽水量大于補(bǔ)給量所以水位下降得很快。隨著水位的繼續(xù)降低，周圍水的補(bǔ)給量越來(lái)越大也越來(lái)越快，當(dāng)抽水量等于補(bǔ)給量時(shí)，水位達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，水位不再降低，此時(shí)水位記錄的固體潮恢復(fù)。如果再持續(xù)抽水，那么抽水造成的影響就相當(dāng)于在沒(méi)抽水時(shí)水位數(shù)據(jù)減去一個(gè)基線值，在此基礎(chǔ)上記錄的水位就相當(dāng)于靜水位。通過(guò)連續(xù)開(kāi)泵，持續(xù)抽水實(shí)驗(yàn)，可以看出臺(tái)階問(wèn)題得到了解決并且固體潮信息記錄很清晰，如圖3 所示。

圖3 連續(xù)抽水時(shí)的水位變化

為了驗(yàn)證連續(xù)抽水這段時(shí)間記錄的固體潮信息是否可靠。崇明新井水位的觀測(cè)層位與距其300 m 的三烈中學(xué)井距崇明新井的觀測(cè)層位相同且距離較近，把連續(xù)抽水這段時(shí)間的水位變化趨勢(shì)和三烈中學(xué)井水位的變化趨勢(shì)作對(duì)比，如圖4 所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)變化趨勢(shì)一致。這也說(shuō)明了持續(xù)抽水過(guò)程中記錄的固體潮信息是可靠的。

圖4 崇明新井持續(xù)抽水時(shí)水位與三烈中學(xué)井水位記錄的固體潮信息對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

崇明臺(tái)新井水位出現(xiàn)的臺(tái)階可判定為干擾異常，干擾是由水氡觀測(cè)時(shí)抽水所致。抽水造成的下降型臺(tái)階主要分為三個(gè)過(guò)程：第一階段從開(kāi)始抽水到水位穩(wěn)定，此時(shí)抽水一直持續(xù)進(jìn)行；第二階段是整個(gè)過(guò)程中地下水位已經(jīng)達(dá)到并且維持穩(wěn)定的一個(gè)階段，此時(shí)水位曲線中的固體潮開(kāi)始恢復(fù)；第三階段是停止抽水后水位的恢復(fù)階段。明確干擾原因以后，提出一個(gè)解決臺(tái)階問(wèn)題的方案——連續(xù)開(kāi)泵，持續(xù)抽水，在不改變現(xiàn)有觀測(cè)條件的基礎(chǔ)上很好解決了抽水造成干擾，對(duì)日后分析前兆異常具重要的指導(dǎo)意義。