寧夏海原紅羊井水位、水溫同步變化特征分析

王曉濤，丁風(fēng)和，賀嘉偉，馬云舉，馬治寧

（寧夏回族自治區(qū)地震局，寧夏 銀川 750001）

0 引言

地下流體是影響地震孕育與發(fā)生的重要因素，可靈敏反映重要前兆信息，是地震預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)的有效手段之一[1-2]。但其受多種自然環(huán)境的影響也較大，因此如何識(shí)別和排除各種干擾異常，是地震分析預(yù)報(bào)工作中的重要任務(wù)[3]。影響地下水位變化的因素很多，普遍存在的有開(kāi)采、降雨、氣壓及固體潮等，多位學(xué)者曾對(duì)地下水位與各干擾因素的關(guān)系開(kāi)展了研究[4]。地下流體水溫觀測(cè)中微小的變化可能反映地震孕育、發(fā)展和發(fā)生過(guò)程或地殼構(gòu)造活動(dòng)引起熱狀態(tài)的改變，在地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)研究中發(fā)揮著重要的作用，因此水溫異常識(shí)別和提取是地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的一種有效手段。另外有學(xué)者就水位、水溫的同步性變化特征進(jìn)行了討論，根據(jù)同步尺度的不同，對(duì)同步協(xié)調(diào)的機(jī)理進(jìn)行解釋[5]。

海原紅羊井水位于2020年2月20日出現(xiàn)快速下降，下降幅度達(dá)0.013m，同一時(shí)段該井水溫也出現(xiàn)下降，下降幅度達(dá)0.016℃，兩者出現(xiàn)了同步協(xié)調(diào)變化（圖1）。根據(jù)觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，2015年中旬以來(lái)，水位、水溫多次出現(xiàn)瞬時(shí)同步變化現(xiàn)象，其中水位最大變化幅度達(dá)0.068m，水溫最大變化幅度達(dá)0.032℃。2015年5月1日至2020年3月24日，紅羊井水位、水溫出現(xiàn)的同步協(xié)調(diào)變化現(xiàn)象共計(jì)28次，其中同步上升共25次，同步下降共3次。該異常變化是區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)造成的，還是由其他干擾因素所致？針對(duì)這一問(wèn)題筆者分別從干擾因素調(diào)查分析、井下電視檢查、水化學(xué)分析、滯后時(shí)間與階躍響應(yīng)函數(shù)分析、頻譜分析、潮汐參數(shù)分析計(jì)算及區(qū)域其他前兆異常對(duì)比分析等多種方法對(duì)該井出現(xiàn)的水位、水溫同步變化進(jìn)行了綜合分析。

圖1 海原紅羊水位、水溫整點(diǎn)值曲線圖（2019年10月—2020年3月）Fig.1 Curves of water level and water temperature in Haiyuan Hongyang Well from October 2019 to March 2020

1 區(qū)域背景資料

海原紅羊井是寧夏地質(zhì)局第一水文地質(zhì)隊(duì)1976年8月建成，成井深度416.50m，套管直徑127mm，孔口標(biāo)高2095.63m，觀測(cè)段位于12.88～416.50m，水位降深44.20m。開(kāi)始觀測(cè)時(shí)間為1980年。觀測(cè)含水層為K1砂巖、砂礫巖，成井時(shí)涌水量為0.625L/s，水溫9℃，pH值7.2，地下水類(lèi)型為承壓水。

紅羊井位于寧夏海原縣紅羊鄉(xiāng)東約1.5km，下紅羊村北。地處南華山南麓與月亮山北麓之間的中低山丘陵地帶。海拔高度2083m。該測(cè)點(diǎn)屬無(wú)人職守，距海原縣城53km，有鄉(xiāng)間柏油路，交通便利，供電、通訊條件好，維護(hù)看管安全可靠。紅羊流體觀測(cè)臺(tái)位于海原斷裂帶南側(cè)，月亮山北麓，場(chǎng)區(qū)地貌類(lèi)型以黃土丘陵及土石山區(qū)為主。場(chǎng)區(qū)所屬海原—六盤(pán)山弧形構(gòu)造帶內(nèi)，區(qū)內(nèi)地震活動(dòng)強(qiáng)烈，如1920年海原8.5級(jí)特大地震就發(fā)生在測(cè)點(diǎn)以北的海原斷裂帶上。

圖2 紅羊井水溫隨深度變化曲線Fig.2 Curve of water temperature with depth in Hongyang Well

2 異常調(diào)查分析

2.1 干擾因素分析

針對(duì)紅羊井自2015年中旬以來(lái)多次出現(xiàn)水位、水溫同步變化現(xiàn)象，筆者聯(lián)合流體學(xué)科組專(zhuān)家及臺(tái)站工作人員成立異常核實(shí)小組，對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行了核實(shí)，檢查的項(xiàng)目包括：觀測(cè)系統(tǒng)檢查、氣象因素調(diào)查、周邊地下水使用調(diào)查、周邊地下水補(bǔ)給與排泄干擾調(diào)查。最終調(diào)查結(jié)果表明：紅羊井觀測(cè)儀器工作正常，數(shù)據(jù)采集、供電系統(tǒng)、避雷系統(tǒng)工作正常，水位、水溫探頭電纜固定裝置均正常。觀測(cè)點(diǎn)東北側(cè)有一工地抽水井，井深17m，該井的抽水可能對(duì)紅羊井水位、水溫產(chǎn)生影響。

2.2 水溫梯度實(shí)驗(yàn)

臺(tái)站工作人員按照規(guī)范要求對(duì)紅羊井進(jìn)行了每3m間隔的水溫梯度測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖2、圖3所示。結(jié)果表明，隨著觀測(cè)井深度增加，水溫逐步增加。井下0～12m段，隨井深增加，水溫增加速率較為明顯，水溫梯度變化也大。在井下12m處，水溫梯度曲線斜率發(fā)生變化，結(jié)合井孔柱狀圖分析，井下12m段含水層巖性發(fā)生變化，由砂礫巖變?yōu)楹[粗砂巖。井下12～51m段，隨深度增加，水溫增大幅度變化不大，梯度曲線較為光滑，表明該段井下套管封閉性較好。在井下51m處，溫度梯度曲線斜率發(fā)生明顯變化，該處往下隨深度增加，水溫變化幅度也較大，由此推測(cè)井下51～54m段井孔可能與外界有很強(qiáng)的水力聯(lián)系，初步判斷該段護(hù)壁的套管可能由于長(zhǎng)年受井水腐蝕導(dǎo)致封閉性變差。

圖3 紅羊井水溫梯度隨深度變化曲線Fig.3 Curve of water temperature gradient with depth in HongyangWell

2.3 井下電視檢查

異常核實(shí)小組利用深圳嘉怡豐便攜式井下監(jiān)視系統(tǒng)對(duì)井孔進(jìn)行了檢查。下放過(guò)程中首先發(fā)現(xiàn)水面處漂浮一些懸浮雜質(zhì)，入水后水質(zhì)清澈無(wú)雜質(zhì)。井下12.0m左右處懸浮大量雜質(zhì)且擾動(dòng)速率較快，結(jié)合井孔剖面資料、前述溫度梯度測(cè)量結(jié)果和環(huán)境干擾情況調(diào)查結(jié)果，紅羊井在該段存在透水現(xiàn)象，井孔可能與外界有較強(qiáng)的水力聯(lián)系。井下12.0～51.0m左右懸浮雜質(zhì)少且擾動(dòng)速率較慢。在井下51m處，發(fā)現(xiàn)井水從井壁外側(cè)向內(nèi)間歇性快速流動(dòng)，水流間隔約30秒，推測(cè)該段井壁套管可能由于長(zhǎng)年受井水腐蝕，封閉性有所變差，與外界有一定的水力聯(lián)系。探頭下放至55m無(wú)法繼續(xù)，從井下電視觀察該處已被淤泥堵塞。

2.4 多方法綜合判定紅羊井的地下水類(lèi)型

2.4.1 基于滯后時(shí)間與階躍響應(yīng)函數(shù)確定的地下水類(lèi)型

利用井水位對(duì)氣壓的滯后時(shí)間與階躍響應(yīng)函數(shù)可定量診斷井孔的地下水類(lèi)型[6]，即是否為承壓水還是非承壓和半承壓水。從紅羊井2015—2018年水位對(duì)氣壓的滯后時(shí)間（12h）和水位對(duì)氣壓的階躍響應(yīng)函數(shù)的關(guān)系可以看出（圖4）：二者間存在明顯的以e為底的指數(shù)函數(shù)形式，即A（i）=aebi+c。在第一象限內(nèi)，其滯后時(shí)間i（定義域） 的范圍為0～12h，值域階躍響應(yīng)函數(shù)A（i）的范圍為0～1。隨著水位對(duì)氣壓的滯后時(shí)間的增大，該井水位對(duì)氣壓的階躍響應(yīng)函數(shù)則呈遞減趨勢(shì)。這表明底數(shù)e前的系數(shù)a＞0時(shí)，水位對(duì)氣壓的階躍響應(yīng)函數(shù)，隨著水位對(duì)氣壓的滯后時(shí)間的增大而減小，由此表明該井含水層系統(tǒng)的地下水類(lèi)型為承壓水。

2.4.2 基于頻譜分析（潮汐波分量的預(yù)期響應(yīng)）確定的地下水類(lèi)型

選取紅羊井2019年10月至2020年3月的水位整點(diǎn)值數(shù)據(jù)，得到水位頻譜結(jié)果（圖5）。通過(guò)頻譜分析發(fā)現(xiàn)，引起紅羊井水位變化的主要潮汐分波有S2和M2波。其中，S2波由氣壓引起，M2波由日月引潮力引起，更真實(shí)更穩(wěn)定。另外，從地下水類(lèi)型和潮汐波預(yù)期響應(yīng)的關(guān)系及紅羊井原始水位的頻譜結(jié)果判定來(lái)看（表1），該井含水層系統(tǒng)地下水類(lèi)型為承壓水或半承壓水的混合水。

圖4 2015—2018年紅羊水位對(duì)氣壓的階躍響應(yīng)函數(shù)與滯后時(shí)間的關(guān)系Fig.4 Relation between step response function of water level and air pressure and lag time of Hongyang Well from 2015 to 2018

圖5 紅羊井原始水位的主要潮汐分波振幅譜Fig.5 Amplitude spectrum of main tidal partial wave at original water level of Hongyang Well

表1 地下水類(lèi)型和潮汐波預(yù)期響應(yīng)的關(guān)系及紅羊井判定結(jié)果

2.4.3 基于潮汐波群相位滯后確定的地下水類(lèi)型

利用維尼迪科夫調(diào)和分析程序，分別計(jì)算了紅羊井水位2019年10月—2020年3月時(shí)段M2波和S2波的相位滯后，結(jié)果表明：（a） 該時(shí)段內(nèi)M2波相位滯后均值為-2.69°，M2波相位滯后誤差為2.57°；（b） 該時(shí)段內(nèi)S2波相位滯后均值為31.31°，S2波相位滯后誤差為2.4°。考慮到S2波振幅最大，因此選定S2波相位滯后來(lái)判定該井的地下水類(lèi)型，即基于潮汐波群相位滯后確定的該井地下水類(lèi)型為半承壓水和非承壓水的混合水。

2.4.4 基于地下水平衡狀態(tài)確定的地下水類(lèi)型

根據(jù)Na-K-Mg三角圖可評(píng)價(jià)水-巖平衡狀態(tài)和區(qū)分不同類(lèi)型的水樣，能把未成熟水（淺表水）、混合水和平衡水（深層水）很好地分開(kāi)。結(jié)合地震科技星火計(jì)劃（XH16040Y）對(duì)甘鹽池井近幾年水化學(xué)離子樣品測(cè)試結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，除了甘鹽池井成井時(shí)地下水平衡狀態(tài)為部分平衡水外，近幾年該井都以淺表水為主，且靠近Mg端元。

表2 紅羊池井多方法綜合判定的地下水類(lèi)型統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.5 水化學(xué)組分分析

結(jié)合地震科技星火計(jì)劃（XH16040Y），對(duì)紅羊井近幾年水化學(xué)離子樣品測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：

（1） Na-K-Mg三角圖用于將水分為完全平衡，部分平衡和未成熟水三種類(lèi)型，可以較好地用于解釋水的起源。將樣品數(shù)據(jù)點(diǎn)投到Na-K-Mg三角圖中，結(jié)果表明，紅羊井全部處于“未成熟水”范圍內(nèi)（圖6），表明其為淺層地下水，主要接受大氣降水的補(bǔ)給，循環(huán)周期相對(duì)較快，水-巖之間尚未達(dá)到離子平衡狀態(tài)，水巖作用仍在進(jìn)行。

（2）根據(jù)舒卡列夫分類(lèi)，紅羊井2016年以來(lái)3期水化測(cè)試結(jié)果都表明，紅羊井屬于Ca-Mg-SO4型水（圖 7）， 溶解性總固體 （TDS）高達(dá)3618.245mg/L，說(shuō)明水巖作用較強(qiáng)，井孔內(nèi)水質(zhì)礦化度高。另外無(wú)論是豐水期還是枯水期井水的陰陽(yáng)離子差異不大。

圖6 紅羊井井水水化離子測(cè)試三角圖Fig.6 Na-k-Mg triangular diagram of Hongyang Well water

圖7 紅羊井井水水化離子三線圖Fig.7 Piper trilinear diagram of Hongyang Well water

（3） 氫氧穩(wěn)定同位素的變化特征能表明地下深部熱流活動(dòng)狀態(tài)。以2017年7月同位素測(cè)試結(jié)果來(lái)看（圖8），井水同位素靠近全國(guó)大氣降水線且偏正上方，表明該井除受區(qū)域降雨影響外，還受碳?xì)浠衔锝粨Q的影響。大氣降雨成因，即主要接受大氣降雨補(bǔ)給。紅羊井水氫氧同位素測(cè)值偏大氣降水線左側(cè)，呈δ18H正向漂移，表明地下水與圍巖介質(zhì)發(fā)生了水-巖反應(yīng)。

（4） 利用地下水水溫（T），依據(jù)

可推算井水的大致循環(huán)深度（H）。式中t為海原的年平均氣溫，這里取7.0℃；h為年常溫帶深度，取30m；地?zé)崽荻萺的平均值取3℃/100m[7]；地下水溫度取10℃。依據(jù)上述公式推算出地下水的大致循環(huán)深度約H=130m。

2.6 水位潮汐參數(shù)計(jì)算分析

依據(jù)前述頻譜分析可知，紅羊井水位的半日波中S2波的振幅最大，但考慮到M2波由日月引潮力引起，更真實(shí)更穩(wěn)定。為此，我們利用維尼迪柯夫調(diào)和分析程序可獲得紅羊井水位S2波和M2波潮汐因子和相位滯后等參數(shù)。結(jié)果表明：（1） 由于S2波主要有氣壓引起，其潮汐因子、相位滯后時(shí)序曲線呈明顯的周期變化，除個(gè)別時(shí)段誤差較大外，S2波的潮汐因子和相位滯后整體變化平穩(wěn)（圖12）；（2） 從紅羊井水位M2波潮汐因子、相位滯后時(shí)序曲線看出（圖10），M2波的潮汐因子和相位滯后整體變化平穩(wěn)。

圖9 2019年10月以來(lái)，紅羊井原始水位的S2波潮汐因子（上）和相位滯后（下）時(shí)序曲線Fig.9 The timing curves of S2 wave tidal factor(upper)and phase lag（lower） of Hongyang Well water since October，2019

圖10 2019年10月以來(lái)，紅羊井水位的M2波潮汐因子（上）和相位滯后（下）時(shí)序曲線Fig.10 The timing curves of M2 wave tidal factor（upper）and phase lag （lower） of Hongyang Well water since October，2019

2.7 區(qū)域其他前兆資料分析

寧夏南部的流體、磁電和形變中，共有15個(gè)測(cè)項(xiàng)。其中，流體8項(xiàng)，磁電3項(xiàng)，形變4項(xiàng)。2020年度以來(lái)，被確定為異常的有（表3）：（1） 海原地電阻率NS向2018年2月以來(lái)出現(xiàn)低值下降變化，下降幅度明顯大于年變幅度；（2）固原磁測(cè)深視電阻率2018年1月以來(lái)NS向和EW向10min、20min和40min周期變化不同步；（3）涇源伸縮儀EW向2018年6月以來(lái)持續(xù)上升，與2011年之后極度類(lèi)似，存在趨勢(shì)上升異常。且這些既有異常與紅羊井水位、水溫多次出現(xiàn)的同步異常變化不存在時(shí)間上的同步性和內(nèi)在聯(lián)系，且不具備地震前兆異常群體性特征。

表3 2020年度寧夏南部前兆觀測(cè)趨勢(shì)異常情況

3 異常機(jī)理探討

在實(shí)際工作中常會(huì)遇到地震觀測(cè)井水位異常上升的現(xiàn)象，從機(jī)理分析，導(dǎo)致該類(lèi)異常的原因主要有：（1）區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)作用導(dǎo)致含水層孔隙壓增加，地下水從含水層流向井內(nèi)致水位、水溫變化；（2）地下水補(bǔ)給量增加；（3）地下水開(kāi)采量減少。而影響井水溫度動(dòng)態(tài)的主要因素是井與含水層間及井筒內(nèi)的水流運(yùn)動(dòng)，其次是井水與井筒外巖石間存在的溫度差異，導(dǎo)致井與含水層間與井筒內(nèi)的水流運(yùn)動(dòng)，此時(shí)在水溫梯度作用下會(huì)產(chǎn)生井筒內(nèi)不同深度上的水溫異常變化。根據(jù)冷熱水混合機(jī)理，假定某一井的井水是深層熱水與淺層冷水混合而成的，井水中原有的冷熱水混合比發(fā)生變化，冷水所占比例變小，熱水所占比例相對(duì)變大，導(dǎo)致井水溫上升，水位下降[8-10]。根據(jù)前文的論述，基本排除紅羊井水位、水溫協(xié)調(diào)同步變化現(xiàn)象是由區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)作用導(dǎo)致。

從觀測(cè)資料分析，自2015年以來(lái)，紅羊井水位、水溫一直呈下降趨勢(shì)。該井成井深度為416.5m，但55m以下的井筒已被泥沙堵死，實(shí)際深井僅55m，觀測(cè)含水層為12.88m以下的全井段，井水為上層冷水和下層熱水的混合水。依據(jù)地下水循環(huán)深度估算公式，推算出紅羊井水的大致循環(huán)深度約為130m，意味著該井有來(lái)自深部熱水的補(bǔ)給。結(jié)合水溫梯度測(cè)量結(jié)果，55m放置水溫探頭處的水溫高于上層井筒水溫，由于該井在51m處存在與井筒外較強(qiáng)的水利聯(lián)系，當(dāng)來(lái)自井筒外的深部熱水加入到水溫較低的井筒中，就會(huì)引起溫度探頭放置處水溫的上升及井筒內(nèi)水位的上升，這也就解釋了紅羊井自2015年多次的水溫、水位同步瞬時(shí)上升現(xiàn)象，機(jī)理解釋圖如圖11所示。2020年2月20日的水位、水溫同步下降異常，可能由于觀測(cè)井房西北側(cè)的實(shí)驗(yàn)工地井抽水，使井筒內(nèi)的冷水從井壁破裂處（51m處位置）回流至井筒外，導(dǎo)致水位、水溫瞬時(shí)同步下降。綜合分析認(rèn)為紅羊水位、水溫同步協(xié)調(diào)變化符合水-熱動(dòng)力學(xué)機(jī)制，而非地震前兆異常。

圖11 紅羊井水位、水溫異常機(jī)理解釋圖Fig.11 Diagram of abnormal mechanism of water level and temperature in Hongyang Well

4 結(jié)論

井水位、水溫異常的變化機(jī)理較為復(fù)雜，既與區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)有關(guān)，也與井孔自身的水文條件密切相關(guān)。通過(guò)井點(diǎn)歷史資料、以及現(xiàn)場(chǎng)對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)工作狀態(tài)檢查、水溫梯度分析、環(huán)境干擾情況調(diào)查（降雨和氣壓等）、井下電視探查、同位素與水化學(xué)組分分析、多方法綜合判定井的地下水類(lèi)型、氣壓系數(shù)和潮汐參數(shù)分析和區(qū)域其他前兆資料分析等，2015年中旬以來(lái)，紅羊井水位、水溫多次出現(xiàn)的同步協(xié)調(diào)變化真實(shí)可信，引起這一現(xiàn)象的原因可能與井下51m處井壁受腐蝕破裂，使得破裂處含水層的地下水與井筒內(nèi)井水快速交換所致，并非地震構(gòu)造活動(dòng)引起的前兆異常，后續(xù)需密切跟蹤和做更深入的分析。