云南紅河地區(qū)地下流體井-含水層系統(tǒng)特征研究*

胡小靜，付 虹，卞躍躍，李燕玲，李 瓊，張 翔

(1.云南省地震局，云南 昆明 650224；2.中國地質(zhì)博物館，北京 100034)

0 引言

地震孕育和發(fā)生過程中產(chǎn)生的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)應(yīng)力作用有時(shí)會引起斷裂帶含水層狀態(tài)的變化(Wang，Manga，2010；Wang，2013；Kinoshita，2015；Zhou，2020)，而含水層狀態(tài)信息包括很多方面，如對外部各類動(dòng)力加載作用的響應(yīng)，滲透性、導(dǎo)水性等各類介質(zhì)參數(shù)，深部地下流體作用程度等(史浙明，王廣才，2013；Yan，2016；孫小龍等，2018，2020；Zhou，2021)。多年的觀測實(shí)踐表明，當(dāng)從觀測井中瞬間移除或增加一定體積的水體后，井水位會突然下降或升高，之后慢慢恢復(fù)。許多專家學(xué)者經(jīng)過理論計(jì)算和野外試驗(yàn)后認(rèn)為，可利用水位恢復(fù)與時(shí)間的對應(yīng)關(guān)系估算含水層滲透系數(shù)(Bouwer，1989；Matsumoto，Shigematsu，2018；Sun，2019)，該方法的引進(jìn)使得獲取含水層參數(shù)較之前傳統(tǒng)的抽水試驗(yàn)更易操作；另外，為了更系統(tǒng)地識別井-含水層系統(tǒng)的承壓性和對外界加載作用的靈敏性，Rojstaczer(1988)提出了基于傳遞函數(shù)得到目標(biāo)井-含水層系統(tǒng)的響應(yīng)特征曲線，并與地下水位實(shí)際觀測所記錄到的固體潮汐、氣壓等周期性動(dòng)力加載作用的信息進(jìn)行對比擬合的方法，經(jīng)過多年的實(shí)踐操作，在國內(nèi)也得到了一定程度的推廣應(yīng)用。

云南紅河地區(qū)流體觀測井分布集中，但對每口觀測井-含水層自身的性能、參數(shù)等的研究相對匱乏，為了盡可能捕捉斷裂帶深部的變化信息，本文以上述研究結(jié)果為基礎(chǔ)，基于該地區(qū)5口地下流體觀測井對降水、氣壓和潮汐的響應(yīng)過程和地下流體井-含水層系統(tǒng)的特征開展了相關(guān)的研究。

1 地質(zhì)概況及地下流體觀測井概況

1.1 地質(zhì)概況

本文選取的地下流體觀測井主要分布在云南紅河地區(qū)，構(gòu)造上地處川滇菱形塊體東南角，該區(qū)域內(nèi)斷裂帶較為發(fā)育，曲江斷裂、石屏—建水?dāng)嗔选⑿〗瓟嗔褞?南段)、蒙自—開遠(yuǎn)斷裂等交匯于此處(圖1)。其中石屏—建水?dāng)嗔验L約400 km，帶寬2～10 km，由一系列斜列或近于平行展布的斷裂組成，總體走向315°，傾向NE，以右旋走滑為主；小江斷裂南段長約250 km，帶寬約30 km，由近SN向、NE向、WN向等多組方向的斷裂相互交織穿插共同組成，結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，總體走向0～10°；曲江斷裂長約110 km，總體沿曲江河谷延伸，走向310°～320°，沿?cái)嗔褦D壓強(qiáng)烈，發(fā)育寬幾十米至數(shù)百米的斷層擠壓破碎帶，總體表現(xiàn)為以右旋走滑錯(cuò)動(dòng)為主兼逆沖的壓扭性斷裂。

圖1 觀測井周邊地質(zhì)構(gòu)造圖

1.2 地下流體觀測井概況

研究區(qū)內(nèi)分布有5口地下流體觀測井，分別為高大、開遠(yuǎn)、建水、石屏、蒙自井。其中高大井深201.4 m，觀測含水層揭露厚度39 m，涌水量6.2 L/s，處于震旦紀(jì)下統(tǒng)，井孔巖性為深灰色、灰綠色石英巖，巖芯破碎呈塊狀和片狀，巖性單一，根據(jù)巖芯結(jié)構(gòu)分析，井孔所在區(qū)域是受控制的強(qiáng)擠壓斷裂破碎帶，隔水層為第四系、第三系粉砂巖、煤層。石屏井深401.29 m，觀測含水層厚度99.98 m，涌水量1.56 L/s，觀測含水層巖性為元古界昆陽群大龍口組灰?guī)r、白云巖夾板巖，巖溶發(fā)育中等，含巖溶水，以管道流為主，富水性中等。建水井深180.21 m，觀測含水層揭露厚度79.2 m，涌水量2.31 L/s，位于井深101.01～180.21 m處，巖性為泥盆紀(jì)曲靖組灰?guī)r，相對隔 水層為第四系紅粘土、礫石層。蒙自井深603.04 m，觀測含水層厚度214.92 m，涌水量2.97～6.01 L/s，地層由第四系殘積相，上第三系強(qiáng)-弱風(fēng)化泥灰?guī)r，下第三系小龍?zhí)督M泥灰?guī)r夾砂、煤段及下第三系木花果組粘土巖組成；按區(qū)域地質(zhì)條件分析、推斷，下第三系以下地層為三迭系個(gè)舊組灰?guī)r、白云巖；觀測含水層在389～604 m，巖溶裂隙較發(fā)育，富水性中等，為弱-中等裂隙水。開遠(yuǎn)井深224 m，井孔觀測的含水層有 兩段，井孔巖芯所揭露厚度分別為4.36、54.62 m，巖性時(shí)代屬三疊系的灰?guī)r，地下水類型為巖溶裂隙承壓水。

從研究區(qū)內(nèi)5口觀測井水位的正常變化動(dòng)態(tài)(表1)來看，大多具有一定的年變規(guī)律，整體表現(xiàn)為雨季(6—9月)有所上升、旱季有所下降，上升和下降的速率有一定差別。

2 地下流體井-含水層系統(tǒng)響應(yīng)特征

2.1 觀測井水位對降水的響應(yīng)特征

高大、建水、石屏3口流體觀測井的水位變化具有一定的年變規(guī)律，整體表現(xiàn)為雨季(6—9月)有所上升、旱季有所下降(圖2、3)。本文收集了這3口井所在地的月降水量資料，利用降雨-水位動(dòng)態(tài)的組合水箱模型(王旭升等，2010；孫小龍等，2013)，通過月降水量變化模擬水位的動(dòng)態(tài)變化，分析模擬水位與實(shí)測水位之間的相關(guān)性，以此來判斷井水位對降水的響應(yīng)特征。模擬計(jì)算過程中，通過正常動(dòng)態(tài)變化時(shí)期的降水與水位資料來求取相關(guān)擬合參數(shù)，同時(shí)利用基于Gamma分布密度函數(shù)(Besbes，De Marsily，1984)建立的單位脈沖響應(yīng)函數(shù)來處理地下水補(bǔ)給的滯后延遲效果。

表1 研究區(qū)內(nèi)5口觀測井水位正常變化動(dòng)態(tài)

圖2顯示，高大井和石屏井模擬水位與實(shí)測水位之間相關(guān)系數(shù)分別為0.714和0.754，均表明目前地下流體井的水位變化過程與降水具有較好的一致性，水位年變形態(tài)基本受控于降水。

圖2 高大井(a)、石屏井(b)模擬水位和實(shí)測水位關(guān)系圖

由于2010—2016年建水井水位無明顯的年變形態(tài)，不能使用降雨-水位動(dòng)態(tài)的組合水箱模型定量模擬降雨引起的水位變化過程。由圖3可以看出，2007—2019年，建水井水位僅在2007、2008、2017和2018年出現(xiàn)過4次明顯的上升下降年變形態(tài)，與其對應(yīng)的降水量年累積都達(dá)到850 mm以上，其它年份降水量累積都小于850 mm(圖3)。為了進(jìn)一步明確水位年變幅度與降水量之間的相關(guān)性，分別作水位變化量與月降水量之間的線性相關(guān)，=0.288 4；作水位年變幅度與年累積降水量之間的相關(guān)性，=0.544 2；作水位集中上升期變化幅度與同一時(shí)段的集中降水量之間的線性相關(guān)，高達(dá)0.814 7(圖4)。以上結(jié)果表明當(dāng)年降水量大于850 mm，水位會出現(xiàn)明顯的上升、下降年變形態(tài)，短期內(nèi)的快速上升幅度與同期集中降水量關(guān)系非常密切，而在年降水量低于850 mm時(shí)，水位基本保持平穩(wěn)的背景狀態(tài)，不呈現(xiàn)出明顯的年變規(guī)律。

圖3 建水井水位與年降水量

上述結(jié)果表明，流體觀測井水位與降水量之間有較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)均高于0.7，但不同的流體觀測井水位對降水的響應(yīng)過程有一定的差別，其中高大井和蒙自井年動(dòng)態(tài)基本受控于年降水量；建水井只有當(dāng)年降水量高于850 mm后，水位才會出現(xiàn)明顯的上升、下降年變形態(tài)，年降水量較小時(shí)，不足以引起水位出現(xiàn)明顯的年變形態(tài)。

2.2 井-含水層對地殼應(yīng)變響應(yīng)的靈敏性特征

基于實(shí)測數(shù)據(jù)，利用傳遞函數(shù)法得到目標(biāo)井-含水層系統(tǒng)的氣壓響應(yīng)特征曲線-，與理論計(jì)算所得的特征曲線進(jìn)行對比擬合，可識別出觀測含水層的承壓性和井-含水層系統(tǒng)對動(dòng)力加載作用的靈敏性。因此，可以利用井水位對氣壓和固體潮的傳遞函數(shù)，分析觀測井含水層對不同周期加載的全頻率響應(yīng)特征，確定各觀測井水位對地殼應(yīng)變的靈敏性。

基于井水位對周期性動(dòng)力加載作用的響應(yīng)特征，Rojstaczer(1988)將井水位對氣壓的整體響應(yīng)描述如下：

(1)

()=arg(g)

(2)

式中：和分別為與頻率有關(guān)的氣壓效應(yīng)系數(shù)和相位；和分別為氣壓和水位的變化幅度；和分別為孔隙壓和水位降深；為水的密度；為重力加速度。

Rojstaczer(1988)將淺層垂向的氣流擴(kuò)散系數(shù)、潛水層垂向的水流擴(kuò)散系數(shù)和承壓層水平向的滲透系數(shù)分別歸算為與頻率相依的無綱量參數(shù)、和，不同的或值對應(yīng)不同的理論-特征曲線。為了和理論曲線進(jìn)行對比，可用井水位對氣壓和固體潮的傳遞函數(shù)方法來計(jì)算實(shí)測水位數(shù)據(jù)的-特征曲線：

(3)

式中：和分別表示氣壓和體應(yīng)變固體潮的功率譜密度；和分別表示氣壓和理論體應(yīng)變固體潮的互功率譜密度及其復(fù)共軛；和分別表示氣壓和水位、體應(yīng)變固體潮和水位的互功率譜密度；和分別表示水位、氣壓和體應(yīng)變固體潮之間的傳遞函數(shù)。

利用2017至2019年8月的井水位分鐘值，筆者分別計(jì)算了高大、建水和蒙自3口觀測井水位對氣壓和應(yīng)變固體潮的傳遞函數(shù)(圖5)。從圖5可以看出，蒙自井的氣壓傳遞數(shù)值和相位值都很離散，無明顯的規(guī)律性，表明其對氣壓和固體潮的響應(yīng)靈敏性很弱，表現(xiàn)為半承壓性。而高大井、建水井的氣壓傳遞函數(shù)則明顯收斂，高頻段(大于100 cpd)與低頻段有明顯差異，表明這兩口井對水位微動(dòng)態(tài)信息的反應(yīng)較為靈敏。從這3口井的觀測歷史來看，高大井和建水井均已觀測10 a以上，整個(gè)含水層已經(jīng)處在一種相對平衡穩(wěn)定的狀態(tài)，而蒙自井為2017年新打井孔，含水層水體之間的交換活動(dòng)仍在發(fā)生，而這些水體的宏觀交換無論在水質(zhì)成分方面，還是在水位本身上升下降的波動(dòng)幅度方面，變化都是很明顯的，而地殼應(yīng)變作為微觀變化量，其幅值和量級本身都非常小，這些大幅度的宏觀變化使得極小量級的地殼應(yīng)變信息幾乎被掩蓋或者很難記錄到，從而在很大程度上減弱了該井水位對地殼應(yīng)變的響應(yīng)靈敏度。

上述結(jié)果表明，在相對承壓和平衡的狀態(tài)下，觀測井含水層對水位微動(dòng)態(tài)信息完全受控于氣壓和固體潮的加載，對地殼應(yīng)變的響應(yīng)較為靈敏，但由于不同井-含水層系統(tǒng)自身的差異，對周期性的加載響應(yīng)特征會有所差別。

2.3 井-含水層系統(tǒng)水力參數(shù)特征

當(dāng)從觀測井中瞬間移除或增加一定體積的水體后，井水位隨會突然下降或升高，之后慢慢恢復(fù)，利用水位恢復(fù)與時(shí)間的對應(yīng)關(guān)系可估算含水層滲透系數(shù)，微水試驗(yàn)正是基于這種模型下的一種簡便且相對快速獲取水力參數(shù)的野外試驗(yàn)方法(Bouwer，1989；Matsumoto，Shigematsu，2018；Sun，2019)。具體計(jì)算過程如下：

一個(gè)有限井徑的承壓性井-含水層系統(tǒng)，當(dāng)從觀測井中瞬間移除或增加一定體積的水體后，其水位的恢復(fù)服從如下規(guī)律(Cooper，1967)：

(4)

Δ()=[()-2()]+ [()-2()]

(5)

(6)

式中：是套管半徑；是裸孔半徑；是儲水系數(shù)；是導(dǎo)水系數(shù)；為初始水位值；為時(shí)刻的水位值；是0階的第一類貝塞爾函數(shù)；是1階的第一類貝塞爾函數(shù)；是0階的第二類貝塞爾函數(shù)；是1階的第二類貝塞爾函數(shù)。

本文分別對高大井和蒙自井進(jìn)行了微水試驗(yàn)，從井內(nèi)瞬間移走約1 L的水體，然后依據(jù)非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)?zāi)Ｊ剑瑢?shí)測井水位的恢復(fù)過程擬合求取含水層導(dǎo)水系數(shù)。計(jì)算過程中依據(jù)兩口井的井孔柱狀圖，選取高大井和分別為97 mm和10 0mm，選取蒙自井和分別為84 mm和155.5 mm；由于儲水系數(shù)在量級確定的情況下，對微水試驗(yàn)中水位恢復(fù)的影響不是很大，根據(jù)云南地區(qū)大多數(shù)井孔在成井之初做的抽水實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)，觀測井的含水層儲水系數(shù)的量級均為10。對微水試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果顯示(圖6)，依據(jù)非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)實(shí)測水位恢復(fù)值擬合求得高大井、蒙自井含水層導(dǎo)水系數(shù)分別約為8、2.0 m/d，二者之間具有明顯的差別。同時(shí)也可以看出，同樣是移走1 L水，兩口井水位恢復(fù)的過程在時(shí)間尺度上具有非常大的差異。

圖5 高大(a)、建水(b)、蒙自(c)井水位對氣壓(HT)、固體潮(HB)的傳遞函數(shù)

圖6 利用微水試驗(yàn)得到高大(a)、蒙自井(b)含水層導(dǎo)水系數(shù)

2.4 井-含水層系統(tǒng)的水-巖平衡特征

筆者分別于2017年5月和2019年7月對研究區(qū)的地下流體井水進(jìn)行了采樣測試。結(jié)果顯示，高大井、開遠(yuǎn)井和建水井水化學(xué)類型和水巖平衡程度均未發(fā)生改變(圖7)，其中高大井水化學(xué)類型表現(xiàn)為HCO-Na型水，水平衡狀態(tài)處在未成熟水趨近于半成熟水狀態(tài)，發(fā)生了一定的水-巖作用，但并不強(qiáng)烈；建水井水化學(xué)類型表現(xiàn)為HCO-Ca型水，水平衡狀態(tài)處在一直屬于未成熟水，且處在Mg端元附近，表明該井的補(bǔ)給一直來源于淺層地表水，水-巖作用較弱；開遠(yuǎn)井水化學(xué)類型表現(xiàn)為HCO-Ca-Na型水，其中Ca、Mg與Na、K之間有少量的陽離子置換過程，水平衡狀態(tài)一直處在未成熟水狀態(tài)，深部水-巖作用弱。

(a)水化學(xué)Piper圖

3 討論

針對云南紅河地區(qū)的5口地下流體井，筆者系統(tǒng)梳理了不同井孔的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)，進(jìn)而對不同井-含水層系統(tǒng)響應(yīng)特征的共性和差異性作以下討論：

(1)從含水層巖性來看，高大井為石英巖，富含SiO，內(nèi)部化學(xué)性質(zhì)相對穩(wěn)定；其它井孔均為灰?guī)r，其主要成分為GaCO，容易發(fā)生巖溶作用，使得含水層水質(zhì)成分容易發(fā)生改變。根據(jù)傳遞函數(shù)結(jié)果，高大井的承壓性最好，且水巖平衡狀態(tài)趨于半成熟水，因此認(rèn)為含水層巖性對井孔的相對承壓和水-巖平衡的狀態(tài)有一定的影響。

(2)從井孔成井時(shí)間來看，蒙自井和石屏井均為新打井孔，成井約3 a，其余井孔的觀測時(shí)間均在10 a以上。在觀測初期，這兩口新打井孔的水位變化曲線均存在一定的宏觀趨勢性變化，同時(shí)其水化學(xué)組分在不斷地演化，這個(gè)演變過程與昭通地區(qū)2015年新打的魯?shù)榫脱昌埦?017—2018年的演變過程較為類似(胡小靜，2020)。這種類似的演變過程表明，新打井孔的含水層系統(tǒng)在觀測初期可能均要經(jīng)歷幾年時(shí)間的水體交換方可達(dá)到平衡狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，氣壓、固體潮響應(yīng)函數(shù)結(jié)果也顯示這兩口新打觀測井對各類信號加載的響應(yīng)相對較弱，因此認(rèn)為，新打井孔在觀測初期，可能會由于井-含水層地表水體交換比較明顯，導(dǎo)致對深部地殼應(yīng)變響應(yīng)的靈敏度相對較弱。

(3)上述不同的研究方法顯示，不同井孔對降雨的響應(yīng)過程、含水層承壓性、對地殼應(yīng)變的響應(yīng)靈敏性及水巖平衡狀態(tài)之間均存在一定的差別，其中高大井可認(rèn)為是這幾個(gè)井孔中觀測狀態(tài)最佳的井孔，蒙自井則是各方面條件相對較差的井孔，二者的井-含水層導(dǎo)水系數(shù)也存在非常明顯的差別，可能表明井-含水層參數(shù)在很大程度上影響了井水位對外界擾動(dòng)的響應(yīng)程度和方式。

4 結(jié)論

本文利用云南紅河地區(qū)集中分布的5口地下流體觀測井的水位、氣壓、固體潮等觀測資料，從地下流體觀測井-含水層對降水的響應(yīng)過程，對地殼應(yīng)變信息的靈敏性，部分含水層參數(shù)的計(jì)算對比，以及觀測井水巖作用平衡狀態(tài)等方面，對這5口地下流體觀測井-含水層特征進(jìn)行了研究，主要得出以下結(jié)論：

(1)地下流體觀測井水位與降水量之間有較好的相關(guān)性，但不同的觀測井水位對降水的響應(yīng)過程有所差別。

(2)高大井的井-含水層具有較強(qiáng)的承壓性，水-巖平衡程度趨于半成熟水狀態(tài)，對地殼應(yīng)變響應(yīng)較為靈敏，開遠(yuǎn)井和建水井次之。

(3)蒙自井作為新打井孔，井-含水層與外界地表水體之間的交換比較明顯，在很大程度上減弱了井-含水層對地殼應(yīng)變響應(yīng)的靈敏度。

(4)不同井-含水層系統(tǒng)對降水、氣壓、固體潮等外界擾動(dòng)(影響因素)的響應(yīng)能力有所差別，這主要取決于含水層水力參數(shù)，同時(shí)還受控于井-含水層的承壓性、水-巖平衡狀態(tài)、巖性、成井時(shí)長等因素。