陇06井水位动态特征及影响因素分析

张飞丽 张远富 苗在鹏 张旭燕

1）中国甘肃 730000 兰州地球物理野外科学观测研究站

2）中国甘肃 744000 甘肃省地震局平凉地震监测中心站

0 引言

我国地震地下流体观测经过多年的发展，已建立比较完善的地震水动态观测网，其中大部分观测井具有承压性，能清晰记录固体潮汐现象。这些观测资料不仅可以用来研究地下水的动力学特征，也可以用来研究地壳的微形变动态特征（唐九安等，2012）。不少学者利用相关资料开展了大量研究工作，包括水位动态变化与地震活动的关系，水位、潮汐、水温和水化学成分变化与地震短临异常的关系等（陆明勇等，2005；车用太等，2006；冯琼花等，2020；苏鹤军等，2020）。大量震例表明，地震前可以观测到井水位异常变化。因此，井水位观测一直被看作是用于地震预测、预报的有效手段之一（付虹等，2014）。但是影响水位观测的因素较多，如高频干扰、地下水开采、仪器故障、降雨、人为干扰、同震、气压等（王建国等，2007；穆慧敏等，2013；杨斐等，2013），在资料使用前需要剔除干扰。井水位动态观测结果展示了较宽的频带，呈现出复杂的多谱结构，具有多年、单年、多日和单日周期。通过对高质量水位数据的动态特征分析，可以了解孕震过程中介质变化特征（巩浩波等，2014）。

平凉地处贺兰褶带的南段与陇西系六盘山旋回褶带的复合部位，地质构造复杂，属南北地震带北段、鄂尔多斯块体的西南缘（缪淑君等，2017）。陇06 井是平凉地区重要的水位观测井，观测资料连续可靠，井水位潮汐响应灵敏，对中强地震有一定指示意义，具有一定的应用与研究价值（唐九安等，1993）。多年来，该井的观测仪器及环境均发生了较大变化。因此，有必要对该井近期观测资料的动态特征及内在质量进行分析和评估。

1 观测井概况

陇06 井位于甘肃省平凉市静宁县威戎镇新胜村（图1）。观测井周围地质构造较发育，主要分布海原断裂、六盘山断裂、罗山—云雾山断裂、会宁—义岗断裂，地形为河谷川地，距六盘山断裂最近，约40 km。井水为志留系砂岩裂隙承压水。上覆地层为不良透水性的第三系砂质泥岩，厚度为33 m。该井于1983 年建成，井深400 m，井孔平均直径109 mm，井段0—54 m 孔径为130 mm，55—314 m 孔径为110 mm，315—400 m 孔径为90 mm。1985—2011 年，观测仪器为SW40-1 型水位仪，沉放深度15 m。2011 年6 月更换为LN-3A 型数字水位仪，沉放深度13 m，并增设SZW-1A 型数字式温度计，沉放深度170 m。2013 年9月新增SWY-Ⅱ型水位仪和SZW-Ⅱ型水温仪各1 套，其沉放深度分别为16 m 和120 m，进行不同深度的对比观测。2018 年4 月安装RTP-Ⅱ型气温气压雨量综合观测仪，进行气象三要素辅助观测。

图1 陇06 井位置Fig.1 The geographical sketch map of Long No.06 well

2 水位动态特征分析

2.1 变化形态特征

陇06 井数字化水位观测始于2011 年6 月。选取2012 年以来该井水位观测资料进行日均值分析，并与同期降水量变化进行对比，并将2012—2020 年水位变化进行周期对比，结果见图2。图2（a）给出该井水位2012—2020 年日均值曲线，可以看出9 年的数据曲线形态变化趋势总体可分为2 个阶段：①第1 阶段：2012—2017 年，曲线整体呈下降趋势，水位从9.383 m 下降至10.445 m，年均降低0.177 m；②第2 阶段：2017—2020 年，曲线整体呈现转折上升的趋势，水位从10.445 m 上升至9.426 m，年均上升0.255 m。值得关注的是，2013 年7 月8 日—17 日数据曲线出现阶跃式上升变化，变化幅度0.53 m，7 月22 日在甘肃岷县、漳县交界发生MS6.6 地震，震中距217 km。2017 年7 月21 日数据曲线开始转折上升，8 月8 日在九寨沟发生MS7.0 地震，震中距278 km。由此可见，该井水位资料对中强地震有一定指示意义。九寨沟MS7.0 地震发生后，陇06 井水位停止下降，开始转折上升，目前仍在持续上升。对比该区多年降雨曲线可知，补给水引起该变化的可能性不大，应为地下应力状态改变引起含水层变化所致。从这个角度来看，该井对地球内部应力变化比较敏感，是较为理想的地球物理观测井，观测资料可信度较高。从该井多年水位日均值曲线变化形态来看，水位存在规则的年变形态，即夏高冬低。

2.2 年动态分析

陇06 井水位观测资料存在规则的年变化形态。通过对近6 年的观测资料进行同期对比分析，年动态曲线为日均值曲线，并被消除趋势变化，对比结果如图2（b）所示，不难看出，该井水位资料年变规律显著，其动态特征表现为夏高冬低，每年5 月中旬至9 月下旬处于高值波动，其余时段处于低值波动，年变幅约0.6 m，其中低值多出现在2、3 月，高值多出现在7、8、9 月。波峰时段变化幅度较大且每年不尽相同。波谷时段变化幅度相对较小且每年基本趋于一致。说明该井水位资料受季节性气候变化影响较明显，在夏季汛期补给水充沛时水位测值升高，冬季补给水相对少时测值也趋于平稳。

图2 陇06 井水位日均值曲线动态(a)原始数据曲线；(b)6 年同期对比Fig.2 The dynamic curve of the daily mean of Long No.06 well water level

2.3 月动态分析

水位月动态分析采用小时值，主要分析1 个月时间尺度上水位测值的变化规律。为突显水位测值的正常月动态变化，需要剔除无规律的起伏、阶变、脉冲等干扰。根据上述年动态分析结果，选择井水位测值变化相对平稳的月份作为研究对象。选择2020 年1 月陇06井水位观测数据进行分析，如图3 所示，可以看出，水位随日、月潮汐引力的变化明显，水位测值和固体潮理论值相位基本一致。陇06 井水位对地壳应力应变的响应具有较高的灵敏度。从整月水位数据曲线形态来看，水位测值整体变化比较平稳，存在相对整齐的日变周期和半月周期。固体潮月变幅相对较小，基本由日变幅所决定，朔望前后固体潮日变化幅度约0.15 m。

图3 陇06 井水位与固体潮理论值曲线对比(a)水位小时值曲线；(b)固体潮理论值曲线Fig.3 Comparison between water level and theoretical value of solid tide in Long No.06 well

2.4 日动态分析

在月动态分析的基础上认识到水位测值固体潮效应显著，存在明显的日变化特征且在朔望前后潮汐起伏较大。因此，在做日动态分析时，截取朔望前后的分钟值数据进行分析。如图4（a）—（b）所示，不难看出，在望（农历十五）时段潮汐起伏最为显著，可达0.162 m；在朔（农历二十一）时段潮汐起伏较小，仅为0.045 m。将该时段数据进行快速傅里叶变换（FFT）得到的频谱分析结果如图4（c）—（d）所示，朔、望时段均存在12 h 和24 h 的显著周期成分，望前后的显著周期成分振幅更大。陇06 井水位日动态曲线具有明显的半日波和全日波。该变化特征是识别短临异常的可靠动态背景。

图4 陇06 井水位分钟值及频谱分析曲线(a)望时段原始曲线；(b)朔时段原始曲线；(c)望时段频谱；(d)朔时段频谱Fig.4 Water level minute value and frequency spectrum analysis curve of Long No.06 well

3 影响因素分析

水位观测作为一种地球物理常规测项，目的在于捕捉浅层地壳流体异常信息。观测资料除了包含地球物理信息外，还含有如固体潮、同震、气压、抽水、降雨、河流以及人为等干扰。因此，在进行异常分析时，有必要及时准确地剔除非震异常信息。

3.1 固体潮

地下水观测井深度一般在几十到几百米，最深几千米，均属于地球表层，因此地球表层的应力分布必然会影响井水位变化。潮汐应力的大小随地球与天体之间的相对位置变化而变化。当潮汐引力增大时，含水岩层发生体膨胀，含水层的孔隙水压降低，井水位下降；当潮汐引力变小时，含水岩层发生体压缩，含水层的孔隙水压升高，井水位上升。陇06井水位固体潮效应已经体现在日、月动态数据资料中。实际上，根据太阳和月球与地球的相对位置关系，不难解释陇06 井水位存在朔望前后潮汐日变差异的现象，也不难解释观测值曲线存在显著的全日波、半日波、半月波等周期成分的现象。据2012—2020 年陇06 井水位计算，所得资料潮汐因子均值为2.5 左右，变化相对稳定，表明该井水位存在明显的固体潮效应。

3.2 同震效应

2013 年7 月22 日7 时45 分在甘肃岷县、章县交界发生MS6.6 地震，震中距217 km。陇06 井水位于8:06—8:26 出现同步式阶跃下降，如图5（a）所示，持续时间20 min，下降幅度0.049 m。2017 年8 月8 日21 时19 分在四川阿坝州九寨沟县发生MS7.0 地震，震中距278 km。该井水位于21:21—21:56 出现同步式阶跃下降，如图5（b）所示，持续时间35 min，下降幅度0.053 m。从2 次地震同震响应可见，水位值均无大幅升降或突跳变化，但固体潮正常变化形态受到影响。可见，该井水位对中强地震的同震效应相对明显，表现形式为阶跃式下降和固体潮形态畸变。

图5 陇06 井水位同震效应及人为干扰(a)岷县—漳县地震同震曲线；(b)九寨沟地震同震曲线；(c)取水干扰；(d)安装仪器干扰Fig.5 The co-seismic effect and human disturbance of Long No.06 well

3.3 人为干扰

陇06 井观测环境相对较好，附近无明显干扰源，2012—2020 年水位观测数据连续率达99.82%。除电源故障、主机死机造成的短时间缺测外，基本无观测系统干扰。需要说明的是人为干扰，如取水样、调试仪器、安装设备等对水位观测造成的影响。2018 年6 月15 日13 时33 分—14 时26 分，地下流体学科组进行地球化学背景场数据采样，对水位观测数据造成人为干扰，数据出现大幅尖峰突跳，如图5（c）所示，最大变化幅度为0.207 m。2018 年11 月13 日13 分47 秒—14 分25 秒，安装ZKGD3000-NL 型水位仪监测设备，对观测数据造成人为干扰，数据曲线同样出现尖峰突跳，如图5（d）所示，最大变化幅度为0.022 m。可见，人为干扰与同震响应相比变化幅度更大，表现形式为尖峰突跳。

3.4 气象因素

井水位的升降变化主要反映了地下水储量的变化，而气候变化又是影响地下水储量的主要自然因素，降雨作为地下水补给的主要来源，当地表水的渗入补给增加时井水位表现为上升，反之则下降。该井水位观测点2018 年4 月新增气象三要素辅助观测。考虑到数据的完整性，选取2019—2020 年井水位资料进行分析，如图6 所示。从图6（a）可以看出，井水位与降雨的同轴曲线形态相似，同步性较好，说明该井水位与降雨的相关性显著。从图6（b）可以看出，井水位与气温的同轴曲线年动态趋势基本相同，但局部同步性不明显，例如，2020 年3—5 月水位曲线出现折拐，但温度曲线变化相对平稳，说明该井水位与气温存在相似的年变动态，但相关性并不显著。从图6（c）可以看出，井水位与气压的同轴曲线形态存在一定相位差，表现出反向变化的关系，说明该井水位与气压存在一定相关性。图6（d）为该井水位与各气象因素的月相关系数曲线，可以看出，水位与降雨的相关系数较低，平均值仅为0.5，而气温、气压的平均相关系数均达到0.7。显然该结果和上述分析并不吻合，可能与以下因素有关：①降雨分析采用日累计降雨量数据，其他测项采用日均值数据，计算结果为月相关系数，较大程度上反映了长趋势的相关性（如年动态）；②降雨量对水位的影响是短期的，无降雨时则不相关，因此相关系数偏小。需要说明的是，上述相关系数采用绝对则不相关值表示，气压与水位的相关系数实际为负数，说明气压与水位存在负相关。

图6 陇06 井水位与气象因素的关系(a)与降雨的关系；(b)与气温的关系；(c)与气压的关系；(d)相关系数曲线Fig.6 Relationship between water level and meteorological factors of Long No.06 well

为了进一步说明气象因素与水位变化的关系，选取2020 年2 次典型降雨前后的资料进行量化分析，结果参见表1。显然，降雨过程中井水位的涨幅几乎是降雨前、后的10 倍，气温、气压的变化幅度并不明显。从该时段的相关系数计算结果来看，降雨与水位的相关系数达0.948，气温与水位的相关系数仅为0.483，气压与水位的相关系数为-0.734。该结果进一步说明，陇06 井水位与降雨的相关性显著，但影响是短期的；与气压的相关性次之，表现为负相关；与气温的相关性不明显。

表1 2020 年陇06 井水位与气象因素关系的统计Table 1 Statistics of relationship between water level and meteorological factors of Long No.06 well,2020

4 结论及讨论

通过上述分析研究，对陇06 井水位变化特征有以下认识：①该井水位观测资料受季节性气候变化影响较明显，存在“夏高冬低”的年动态特征，每年5 月中旬至9 月下旬处于高值波动，其余时段处于低值波动，年变幅约0.6 m；②该井水位对地壳应力、应变的响应灵敏度较高，固体潮形态清晰，潮汐因子均值约2.5，具有明显的半日波、全日波、半月波等周期成分。该井水位月动态变化相对平稳，月变幅基本由固体潮日变幅所决定，朔望前后固体潮日变化幅度可达0.15 m；③影响该井水位观测的主要因素有固体潮效应、同震效应、人为干扰、气象因素等。其中同震效应表现为井水位曲线的阶跃式下降和固体潮形态畸变。人为干扰与同震效应相比变化幅度更大，表现为尖峰突跳。在气象因素中，降雨与水位的相关性显著，其影响是短期的；气压与水位的相关性次之，表现为负相关；气温与水位存在相似的年变动态，但二者相关性并不显著。

本文讨论分析了陇06 井水位观测资料的正常动态及各种影响因素。希望通过对非震异常的积累，为今后震兆异常分析提供判据。该井早期观测资料显示，在共和、景泰等地震前存在中期异常（唐九安等，1993）。从近期水位观测资料来看，在岷县—漳县地震前15 天左右出现阶跃式上升变化，九寨沟地震前16 天左右曲线出现转折上升。该类变化与前述的非震异常变化不尽相同，是否可以判别为震兆异常？由于数字化观测以来陇06 井水位观测站点周边震例较少，需要积累更多震例才能给出明确结论，但至少说明，该井水位资料对中强地震有一定指示意义，具有一定应用与研究价值。