茅山斷裂帶周邊地區(qū)流體井水位觀測(cè)特征及機(jī)理分析

胡米東，毛華鋒，陳啟林，王皓，張杰，霍雨佳，黃群

(江蘇省溧陽(yáng)地震臺(tái)，江蘇 溧陽(yáng) 213332)

0 引 言

大量地下流體以多種形態(tài)存在各種地殼介質(zhì)中，在一定條件下亦能完成位置和形態(tài)變化。同時(shí)地下流體具有不可壓縮性和易流動(dòng)性，當(dāng)它賦存于一定封閉條件的承壓環(huán)境中時(shí)，井—含水層系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能夠客觀、靈敏地反映地殼介質(zhì)所受的應(yīng)力應(yīng)變信息[1-2]。地下流體觀測(cè)是以捕捉地震信息為目的的淺層地殼流體觀測(cè)手段[3]，但它能間接獲得地球深部信息，有效揭示地殼介質(zhì)對(duì)應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)，因此地下流體觀測(cè)成為研究地震科學(xué)問(wèn)題的重要手段，地下流體觀測(cè)特征的研究多年來(lái)也一直是研究熱點(diǎn)。車用太等介紹了我國(guó)地下流體井觀測(cè)中水溫固體潮、水溫同震效應(yīng)、水溫前兆異常等特征,并對(duì)機(jī)理做了理論分析[4]。孫小龍等利用不同的水力響應(yīng)模型分析了井水位對(duì)地震波、固體潮和氣壓的響應(yīng)特征，并基于相關(guān)水力響應(yīng)模型反演估算了含水層的水力參數(shù)[5]。劉耀煒等利用云南流體井網(wǎng)水溫觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究了2007年寧洱6.4級(jí)地震前云南流體井網(wǎng)水溫觀測(cè)數(shù)據(jù)的異常特征[6]。馮瓊花等利用海口向榮村ZK46井多年水位觀測(cè)資料，總結(jié)井水位正常動(dòng)態(tài)變化規(guī)律、典型干擾因素及同震響應(yīng)特征[7]。史凱介紹蘇15井的地質(zhì)構(gòu)造情況和地下水位等數(shù)字化觀測(cè)資料的特征，對(duì)水位的氣壓效應(yīng)和潮汐效應(yīng)進(jìn)行初步探討，并計(jì)算出數(shù)字化水位日均值條件下的氣壓系數(shù)[8]。

自然界中有一些明確力源的加載作用，例如地震波、氣壓和降水等，可引起井水位動(dòng)態(tài)變化。本文擬收集茅山斷裂帶和茅山斷裂帶周邊地區(qū)六口觀測(cè)井的參數(shù)資料、水位觀測(cè)數(shù)據(jù)、部分地震數(shù)據(jù)、氣象三要素等資料，對(duì)比分析各井水位對(duì)地震波、氣壓、降水的響應(yīng)特征，并結(jié)合前人研究成果，對(duì)各響應(yīng)特征進(jìn)行機(jī)理分析，以期對(duì)茅山斷裂帶周邊地區(qū)各觀測(cè)井水位觀測(cè)特征取得一些新看法。

1 茅山斷裂帶及周邊流體井概況

茅山斷裂帶由茅山西側(cè)斷裂帶和茅山東側(cè)斷裂帶以及兩者所挾持的茅山斷塊組成。茅山斷裂帶沿茅山山脈碾轉(zhuǎn)曲折向北北東方向延展，在鎮(zhèn)江以東丹徒橫山與諫壁之間穿過(guò)寧鎮(zhèn)反射弧，跨過(guò)長(zhǎng)江經(jīng)江都宜陵延至興化，長(zhǎng)約200km。有記載以來(lái)江蘇陸地發(fā)生5.0以上地震19次，其中茅山斷裂帶及周邊地區(qū)達(dá)12次，包括2次6.0級(jí)地震，且2次6.0級(jí)地震是江蘇陸地所發(fā)生的最大地震?？梢?jiàn)茅山斷裂帶及其周邊地區(qū)是江蘇陸地中強(qiáng)地震最為活躍的區(qū)域，對(duì)茅山斷裂帶周邊地區(qū)流體井水位觀測(cè)特征研究是必要的。構(gòu)造地震孕育和發(fā)生是活動(dòng)斷裂活動(dòng)引起的，把流體觀測(cè)井選在活動(dòng)斷裂帶上，最有可能捕捉到地震活動(dòng)異常信息。目前茅山斷裂帶周邊共有蘇22井、上興井、上沛井、蘇16井、蘇18井和蘇19井6口觀測(cè)井(圖1表1)。觀測(cè)井除水位和水溫測(cè)項(xiàng)外，還配備氣象三要素輔助觀測(cè)。江蘇地下流體井網(wǎng)構(gòu)建已近四十年，受經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件制約，最初江蘇地下流體井大多利用石油等外系統(tǒng)探測(cè)井改造后進(jìn)行觀測(cè)。隨著近年來(lái)數(shù)字化改造、監(jiān)測(cè)環(huán)境改造和抗干擾項(xiàng)目的建設(shè)，江蘇地下流體井觀測(cè)環(huán)境、觀測(cè)設(shè)備質(zhì)量和數(shù)量已初步滿足地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)需求。

表1 各井基本參數(shù)

圖1 茅山帶周邊流體井分布

2 各流體井水位動(dòng)態(tài)特征

2.1 同震響應(yīng)特征

水位同震響應(yīng)是地震波經(jīng)過(guò)含水層時(shí)引起含水層內(nèi)交替發(fā)生彈性壓縮和拉張變形，井水位交替出現(xiàn)上升與下降的振蕩變化或階變現(xiàn)象，是觀測(cè)井水位重要特征之一。上沛井2021年1月開(kāi)始觀測(cè)，同時(shí)考慮震中距和地震方位等因素(樣本地震盡量位于觀測(cè)井不同方位)，因此選擇2021年5月22日青?，敹郙7.4、2021年12月22日江蘇天寧M4.2和2022年3月16日日本本州東岸近海M7.4級(jí)地震作為樣本地震。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)茅山帶周邊六口井水位對(duì)該三次地震同震響應(yīng)8次，同震響應(yīng)比44%；同震響應(yīng)形態(tài)不盡相同，簡(jiǎn)單可分為振蕩型和階躍型(階躍上升型和階躍下降型)；對(duì)不同樣本地震各井響應(yīng)情況差異較大，5口井水位對(duì)瑪多M7.4級(jí)地震出現(xiàn)同震響應(yīng)，2口井對(duì)日本近海M7.4級(jí)地震出現(xiàn)同震響應(yīng)，僅1口井對(duì)江蘇天寧M4.2級(jí)地震出現(xiàn)同震響應(yīng)；不同井對(duì)樣本地震響應(yīng)情況差異也較大，蘇22井對(duì)三次地震均出現(xiàn)同震響應(yīng)，蘇19井對(duì)三次地震均未出現(xiàn)同震響應(yīng)。青海瑪多M7.4級(jí)地震發(fā)生后，蘇22井水位響應(yīng)振幅達(dá)143 mm,是所有響應(yīng)振幅中最大的，而上沛井在日本近海M7.4級(jí)地震后水位響應(yīng)振幅僅2 mm(表2)。

表2 各井水位同震響應(yīng)基本參數(shù)

2.2 降雨荷載效應(yīng)特征

影響觀測(cè)井水位的因素較多，其中降雨量是重要因素之一。不同的觀測(cè)井對(duì)降雨的荷載效應(yīng)不盡相同。為了更好反應(yīng)茅山斷裂帶周邊各井水位的降雨荷載效應(yīng)，選擇降雨量較大的2021 年7月各井水位和降雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。期間茅山斷裂帶周邊地區(qū)出現(xiàn)三次持續(xù)性降雨和多次短時(shí)強(qiáng)降雨,其中7月25日～28日持續(xù)性降雨量最大，且各井附近均出現(xiàn)持續(xù)性降雨，各井點(diǎn)記錄的降雨量相差較小。7月17日短時(shí)強(qiáng)降雨量較大，同時(shí)兩次降雨前后均出現(xiàn)連續(xù)多日的無(wú)降雨天氣，利于分析各井水位對(duì)持續(xù)性降雨和短時(shí)強(qiáng)降雨荷載效應(yīng)。

圖2 各井降雨與水位對(duì)應(yīng)曲線

表3 各井降雨荷載效應(yīng)基本參數(shù)

計(jì)算發(fā)現(xiàn)(表3)，上興井水位是6口井中對(duì)短時(shí)強(qiáng)降雨和持續(xù)性降雨響應(yīng)最敏感的，水位變化量與兩種不同類型降雨量比值均在2.0以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它5口井；上沛井水位對(duì)短時(shí)強(qiáng)降雨和持續(xù)性強(qiáng)降雨的響應(yīng)敏感度是6口井中最低的，水位變化量與降雨量比值分別為0.26和0.21。蘇22井兩種不同類型降雨的水位變化量與降雨量比值差值最大，水位對(duì)短時(shí)強(qiáng)降雨響應(yīng)敏感度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于持續(xù)性降雨；同時(shí)上沛井水位對(duì)長(zhǎng)時(shí)間降雨的響應(yīng)持續(xù)時(shí)間較短，7月25日～28日長(zhǎng)時(shí)間降雨后，7月29日水位即恢復(fù)至降雨前水平。蘇22井對(duì)持續(xù)性降雨的響應(yīng)持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，8月4日水位恢復(fù)至降雨前水平。

2.3 氣壓系數(shù)特征

井水位的氣壓效應(yīng)是指水位隨氣壓的波動(dòng)而表現(xiàn)出的起伏現(xiàn)象[9]。氣壓系數(shù)是表征井孔水位氣壓效應(yīng)以及井孔水位對(duì)含水層應(yīng)力應(yīng)變反映靈敏程度的重要指標(biāo)。水位的動(dòng)態(tài)變化是多種因素疊加引發(fā)的綜合活動(dòng)。從井水位這個(gè)復(fù)合信息參量中剝離出大氣壓力因素，通過(guò)特有機(jī)制找出井水位與大氣壓力的特定關(guān)系，難度往往大于獲取復(fù)合信息參量本身。車用太、汪成民等人針對(duì)水位與氣壓回歸模型提出了一元回歸、二元回歸與一階差分等方法[10]。

表4 各井氣壓系數(shù)基本參數(shù)

為獲取氣壓系數(shù)的正常背景值,本文在樣本數(shù)據(jù)選取過(guò)程中盡量避免降雨及地震活動(dòng)頻發(fā)時(shí)段，避開(kāi)降雨和同震響應(yīng)對(duì)水位的影響，這樣水位數(shù)據(jù)中主要包含氣壓和潮汐兩種干擾成分。選水位與氣壓整點(diǎn)值利用別爾采夫?yàn)V波分析方法濾去潮汐的影響；對(duì)濾波后氣壓與水位整點(diǎn)值進(jìn)行一元線性回歸,計(jì)算氣壓系數(shù)。對(duì)所取得計(jì)算結(jié)果進(jìn)行合理性檢驗(yàn)，水位與氣壓呈正相關(guān)關(guān)系、兩者相關(guān)系數(shù)低于0.6、氣壓系數(shù)超出10mm/hPa的結(jié)果均被認(rèn)為不合理。選取2021年10～12月各井水位和氣壓整點(diǎn)值資料，對(duì)6口井進(jìn)行水位與氣壓的一元相關(guān)分析，結(jié)果見(jiàn)表4，各井氣壓與水位相關(guān)曲線見(jiàn)圖3計(jì)算結(jié)果顯示，上沛井是所有井中氣壓系數(shù)最高的，達(dá)到7.367 5 mm/hPa、蘇16井和蘇18井的氣壓系數(shù)也較高，超過(guò)5mm/hPa；同時(shí)上沛井和蘇16井氣壓系數(shù)變化幅差較低，表示井的氣壓系數(shù)較穩(wěn)定，變化不大。圖3顯示，上沛井、蘇16井和蘇18井水位與氣壓存在較好的負(fù)相關(guān)性，而蘇19井、上興井和蘇22井水位與氣壓負(fù)相關(guān)性較差。

圖3 各井氣壓與水位對(duì)應(yīng)曲線

3 各流體井水位動(dòng)態(tài)特征機(jī)理分析

3.1 同震響應(yīng)特征機(jī)理分析

研究表明，地震產(chǎn)生的地震波與含水層發(fā)生相互作用，從而引起含水層滲透性出現(xiàn)短時(shí)或者永久變化，進(jìn)而導(dǎo)致井水位發(fā)生變化[11]。井—含水層滲透性變化是解釋地震同震水位變化的一個(gè)可能機(jī)制，并且滲透性的變化可能出現(xiàn)在井的上水力梯度或者下水力梯度方向，從而出現(xiàn)井水位上升或者下降變化[12]。蘇22井在三次地震后均出現(xiàn)同震響應(yīng)，但蘇22井的三次震中距均不是所有井中最小的；蘇19井對(duì)三次地震均未出現(xiàn)同震響應(yīng)，蘇19井的三次震中距均不是所有井中最大的。研究表明對(duì)于同一口觀測(cè)井，一定時(shí)期之內(nèi)震級(jí)與震中距是影響水位同震響應(yīng)靈敏度的主要原因，但對(duì)于不同觀測(cè)井，震級(jí)與震中距往往不是主要影響因素，井孔所在位置的構(gòu)造環(huán)境、水文地質(zhì)條件和成井工藝水平均有影響。蘇22井周邊區(qū)域內(nèi)斷裂構(gòu)造較為發(fā)育，小斷裂非常豐富，同時(shí)該井觀測(cè)含水層是12 m以下混合水，是所有井中觀測(cè)含水層埋深最淺的。蘇22井水位對(duì)瑪多M7.4級(jí)地震同震響應(yīng)幅度遠(yuǎn)大于日本近海M7.4級(jí)地震，分析認(rèn)為該現(xiàn)象不僅與兩次地震的震中距有關(guān)，同時(shí)也與地震波在液體中傳播能量衰減更快有關(guān)?？傊?地下流體的同震響應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的現(xiàn)象，具有極強(qiáng)的個(gè)體特征[13]。

3.2 降雨荷載效應(yīng)機(jī)理分析

賈化周認(rèn)為觀測(cè)井水位往往會(huì)在數(shù)小時(shí)強(qiáng)降雨之后急劇上升,雨后緩慢下降，該現(xiàn)象與補(bǔ)給區(qū)和排泄區(qū)降雨沒(méi)有關(guān)系,只與觀測(cè)井當(dāng)?shù)亟涤炅考敖涤昝娣e有關(guān)，它既不是補(bǔ)給區(qū)抬高水頭,水壓傳遞，導(dǎo)致井水位上升；也不是排泄區(qū)水位抬高,地下水排泄受阻，導(dǎo)致井水位上升；更不是雨水入滲的結(jié)果,而是降雨造成的附加應(yīng)力向下傳遞的結(jié)果[14]。承壓含水層——井孔系統(tǒng)中地下水大部分處于圍限狀態(tài)，水量一般情況下不會(huì)發(fā)生改變。降雨荷載效應(yīng)主要使含水層應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)發(fā)生變化,致使含水層孔隙度和孔隙水壓發(fā)生相應(yīng)的變化,從而導(dǎo)致水位的相應(yīng)變化。茅山帶周邊6口觀測(cè)井水位均對(duì)不同類型的降雨產(chǎn)生變化，但變化不盡相同。其中上沛井水位對(duì)短時(shí)強(qiáng)降雨和持續(xù)性降雨敏感度均不高，分析原因與上沛井周邊地形及上沛井觀測(cè)含水層頂板埋深有關(guān)。上沛井位于山坡之上，地勢(shì)相對(duì)較高，周邊降雨不易匯集；同時(shí)上沛井觀測(cè)含水層埋深864～876 m和1 017～1 025 m、套管深度862 m，在降雨量和荷載面積一定的情況下，含水層埋深越大降雨造成的附加應(yīng)力向下傳遞效能將逐漸減弱，含水層的孔隙度和孔隙水壓變化越小,水位變化也越小。蘇22井水位對(duì)短時(shí)強(qiáng)降雨敏感度遠(yuǎn)高于持續(xù)性降雨，分析原因與蘇22井周邊的地形有較大關(guān)系。蘇22井位于兩山山坳之間，周邊呈低洼漏斗形狀，強(qiáng)降雨容易導(dǎo)致雨水匯集排泄受阻，從而導(dǎo)致附加應(yīng)力迅速向含水層傳導(dǎo)。持續(xù)性降雨時(shí)，由于短時(shí)內(nèi)雨水匯集量不大排泄通暢，附加應(yīng)力也較小。上興井是所有井中對(duì)強(qiáng)降雨和持續(xù)性降雨敏感度最高的，水位變化量與降雨量比值均在2.0以上，分析原因與上興井周邊的地形及少量地表水滲入有關(guān)。上興井位于兩山山腳處，兩山呈環(huán)繞形態(tài)，山腳地勢(shì)低洼，雨水容易匯集而不易排泄；查看上興井水溫?cái)?shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，降雨后水溫往往出現(xiàn)下降，懷疑存在少量地表水或地下水滲入的情況。

3.3 氣壓效應(yīng)機(jī)理分析

研究發(fā)現(xiàn)井孔水位的氣壓系數(shù)與含水層巖性關(guān)系十分密切。在相同氣壓作用下，不同含水層巖石受力后產(chǎn)生的形變量亦不同。松散的第四紀(jì)砂礫石受氣壓作用后形變量較大，導(dǎo)致水體承擔(dān)的氣壓作用力較大，含水層孔隙水壓的增量較大，井水與含水層間形成壓差就小，井孔氣壓系數(shù)就?。环粗畬訋r性較硬，井孔氣壓系數(shù)就大。蘇18井含水層巖性是硬度較大的灰?guī)r，導(dǎo)致蘇18井氣壓系數(shù)較大。另外氣壓系數(shù)與含水層頂板埋深表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。由于氣壓附加應(yīng)力作用地面向地下深部傳遞過(guò)程中，深度愈深，應(yīng)力衰減愈大，導(dǎo)致井孔與含水層之間壓差愈大，井孔氣壓系數(shù)也愈大。上沛井含水層頂板埋深864 m，是各井中最大的,因此上沛井氣壓系數(shù)較大。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)茅山斷裂帶周邊地區(qū)6口流體井水位同震響應(yīng)、降雨荷載效應(yīng)、氣壓系數(shù)等觀測(cè)特征計(jì)算分析可知：

(1)茅山斷裂帶周邊地區(qū)6口流體井水位同震響應(yīng)、降雨荷載效應(yīng)、氣壓系數(shù)等觀測(cè)特征指標(biāo)差異性較大，各井孔的觀測(cè)特征具有較強(qiáng)的個(gè)體特征。

(2)蘇22井水位對(duì)各類型地震同震響應(yīng)靈敏度最高，蘇19井水位對(duì)各類地震均無(wú)同震響應(yīng)。分析認(rèn)為對(duì)于同一口觀測(cè)井，一定時(shí)期內(nèi)震級(jí)與震中距是影響水位同震響應(yīng)靈敏度的主要原因。但對(duì)于不同觀測(cè)井，震級(jí)與震中距往往不是水位同震響應(yīng)靈敏度的主要影響因素，井孔所在位置的構(gòu)造環(huán)境、水文地質(zhì)條件和成井工藝水平對(duì)觀測(cè)井水位同震響應(yīng)靈敏度有較大影響。

(3)6口流體井對(duì)持續(xù)性降雨和短時(shí)強(qiáng)降雨的荷載效應(yīng)有較大差別。分析認(rèn)為井孔降雨荷載效應(yīng)是降雨造成的附加應(yīng)力向下傳遞的結(jié)果。井孔周邊的降雨量、降雨強(qiáng)度、井孔周邊的地形、觀測(cè)含水層頂板埋深對(duì)觀測(cè)井降雨荷載效應(yīng)有影響。

(4)蘇18井含水層巖性是硬度較大的灰?guī)r，上沛井含水層頂板埋深較大，兩口井水位氣壓系數(shù)均較大。分析認(rèn)為井孔水位的氣壓系數(shù)與含水層巖性和含水層頂板埋深關(guān)系密切，含水層巖性越易形變，井水位氣壓系數(shù)越?。缓畬禹敯迓裆钆c井孔水位氣壓系數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系。