地震觀測井地下水埋藏類型判定方法及依據*

丁風和，車用太，劉耀煒，賀嘉偉

(1.寧夏回族自治區地震局，寧夏 銀川 750001；2.中國地震局地質研究所，北京 100029；3.應急管理部國家自然災害防治研究院，北京 100085)

0 引言

在地殼動力作用信息(又稱為地下水微動態)的觀測與研究中，觀測井地下水的承壓性是至關重要的條件，因此觀測井建設的相關規范與標準都明確要求地震地下水觀測井必須是承壓井。然而，由于我國地震地下水觀測井多為由地質、石油、水利、礦產等行業提供的勘探井經篩選而成，且在成井時也僅是定性的從地下水種類、成因、補給區與分布區的關系和動態特征等方面進行區分，觀測井地下水類型主要有潛水、承壓水以及二者的混合型(混合水或半承壓水)；另一方面，由于這些井已有四五十年的歷史，井孔條件發生了很大變化，如井孔坍塌、井管變形與破裂、濾水管滲水孔被堵塞、井底泥沙沉積等，井孔原始的承壓性已經改變，這種狀況不僅影響了井水位對地殼動力作用的響應能力，還嚴重影響觀測數據分析與微動態特征的識別，特別是地震前兆信息的識別與提取，因此，對觀測井地下水埋藏類型的研究與評價迫在眉睫。

對于嚴格按照相關規范與標準新建的觀測井，其地下水承壓性的判定與研究在鉆井施工時即可進行，在成井報告中也會給出明確的說明，但對于觀測了幾十年的觀測井而言，這就成了值得研究的問題。本文提出了基于井水位微動態數據分析及井水化學特性分析來判定觀測井現今承壓性的4種方法，詳述其判定原理與具體操作過程，以期對地下水觀測井映震能力的評估、觀測井質量的評價與觀測條件的改造與改善、提升地震地下水監測的有效性和科學性、認識和理解地下水運移和動態變化提供一定地理論基礎和技術支撐。

1 地下水埋藏類型綜合評價過程

圖1 地下水埋藏類型綜合評價示意圖

2 資料處理

將觀測井的水位和氣壓數據整理成數據文本文件，按年逐月檢查、整理，要求每天必須有24個數據，缺數的地方按照要求用“99999”進行標記，并改變為統一格式備用。水位單位為m，氣壓單位為hPa。

結合3次樣條插值和一般多項式分段擬合值對數據進行替換。并對數據進行粗差檢查，目的是檢查整個數據段內的基線值是否統一，數據是否有明顯的錯誤甚至非法。

準備一個各井點的excel文件，包括：日期、水位、氣壓和理論固體潮，且是等間隔的整點值。水位須由埋深值換算成水頭高度值，單位為m；氣壓單位為hPa；理論固體潮單位為nm/s。

3 判定原理與方法

3.1 卷積回歸法

Rasmussen和Crawford(1997)提出了利用井水位對氣壓的階躍響應函數進行地下水類型的定量診斷方法，國內外學者利用該方法開展了相關研究(Toll，Rasmussen，2007；Darner，Sheets，2012；王麗亞等，2012；楊柳等，2014；丁風和等，2017；Shih，2018)。利用井水位、氣壓和理論固體潮數據，通過卷積回歸方法來擬合各井階躍響應函數的最佳值，并根據井水位對氣壓的滯后時間與階躍響應函數間的關系，來判斷井含水層系統的地下水類型，即判斷其是承壓水還是非承壓或半承壓水(圖2)。

圖2 階躍響應函數與滯后時間的關系(據Camp和Paul，2005)

若不考慮其它因素，如補給和排泄等，井水位的變化量可表示為：

(1)

式中：為滯后時間；是選擇的最大滯后時間；Δ()為時刻的水位變化量；()為滯后時刻的氣壓單位脈沖響應函數； Δ(-)為 (-)時刻的氣壓變化量；()為固體潮響應系數； Δ(-)為 (-)時刻的固體潮變化量。

井水位對氣壓的階躍響應函數可表示為：

(2)

式中：()為井水位對氣壓的階躍響應函數，可由氣壓單位脈沖響應函數()累加求和得到。

結合式(1)、(2)，建立水位對氣壓的滯后時間的階躍響應函數關系式：

()=e+

(3)

式中：()為井水位對氣壓的階躍響應函數，值為0～1；(定義域)代表滯后時間，值為0～12 h。系數的正負決定著井-含水層系統的地下水類型。當<0時，水位對氣壓的階躍響應函數隨著水位對氣壓的滯后時間的增大而增大，井-含水層系統的地下水類型為承壓水；當>0時，水位對氣壓的階躍響應函數隨著水位對氣壓的滯后時間的增大而減小，井-含水層系統地下水類型為非承壓水或半承壓水。定義域之前的系數<0，的大小與井孔的形狀、尺寸(結構)和含水層的水力特性有關。

3.2 頻譜分析法

從時間域上考慮信號出現的時間和強度，并不能將信號和干擾區分開，但是在頻率域上考慮信號和干擾所占有的頻帶，就很容易區分。將觀測到的時間序列信號，用傅立葉分析方法分解成為許多不同頻率的分量，這就是頻譜分析要解決的問題。

函數()在區間[0，2π]上的傅立葉級數為：

(4)

取其前(2+1)項，則有近似方程組：

(=0,1,…,2)

(5)

式中：、、(=1,2,…,)是此方程組的解。=cos,=-sin，由此可求得各周期波的振幅以及初始相位：

(6)

(7)

因此，對具有各種周期成分的某一樣本序列作傅立葉譜分析，就是由各波振幅的大小分析此樣本序列的主要周期成分，基于此，進一步從機理上分析研究該樣本序列的特征。

地球固體潮是很多潮汐分波的總和，但主要成分是5個日波(O、K、P、Q、J)和5個半日波(M、N、L、S、K)。由固體潮引起的井水位潮汐現象也具有相同的分波，但在這5個日波和5個半日波中，占全部起潮力95%以上的主要是M、O、K、S和N波。因此，通過選取觀測井數字化水位和氣壓整點值數據，利用地下水類型和潮汐波預期響應存在的對應關系(表1)，就可判斷觀測井含水層的地下水埋藏類型：①對于承壓水，占全部起潮力95%以上的5個分波的振幅都比較明顯，其中M波振幅最顯著。②對于半承壓水，M、K和S波振幅較為明顯，且S波振幅最顯著；O和N波振幅在頻率域中可能顯現也可能沒有。③對于非承壓水，M、O和N波在整個頻率域中不會顯現；K和S波可能顯現也可能沒有。

表1 含水層埋藏類型和潮汐波預期響應的對應關系(據Rahi 和 Halihan，2013)

3.3 相位超前或滯后法

保加利亞學者維尼迪柯夫提出了一種采用數字頻率濾波器對觀測數據進行濾波的方法，以取得日波或半日波中的波群觀測振幅與理論振幅之比(振幅比或潮汐因子)以及觀測相位與理論相位之差(相位超前或滯后)。在對井水位固體潮的分析研究中，通常利用維尼迪柯夫設計的偶數字濾波器和奇數字濾波器進行連續48 h的固體潮觀測，取整點值經過數學變換后，可按最小二乘法原理求得各波群的潮汐因子、相位滯后、殘差矢量等參數，提取所需的日波、半日波的固體潮信息。

根據水平流模型和垂直流模型下，井水位觀測相位變化的范圍不同(Xue，2016)，也即相位為正(超前，垂直流)或相位為負(滯后，水平流)，來判斷各井地下水埋藏類型是承壓水還是非承壓水(Roeloffs，1996；Shi，Wang，2016)。

3.4 水-巖平衡狀態(Piper三角圖)法

在地下水循環過程中，水化學成分可以有效地揭示流域內地表水和地下水之間的轉化關系。Na-K-Mg三角圖常用來評價水-巖平衡狀態和區分不同類型的水樣，能很好地區分混合水和平衡水，樣品落在不同的范圍內，其意義也不一樣。若落在“未成熟水”范圍內，表明其為淺層的地下水，主要接受大氣降水的補給，循環周期相對較快，水-巖之間尚未達到離子平衡狀態，水-巖作用仍在進行。若落在“部分平衡水”范圍內，表明其補給來源中除了大氣降水外，還有較深層地下水的混入，水-巖反應相對較弱，水流系統相對較為穩定，不易受到干擾。若落在“完全平衡水”范圍內，說明水-巖反應較為充分，補給來源主要來自于深層地下水，大氣降水補給少。

4 地下水埋藏類型綜合判定依據

井水位對氣壓的階躍響應函數方法能區分2種類型的地下水，即承壓水和非承壓水(或半承壓水)；頻譜分析方法可區分3種類型，即承壓水、半承壓水和非承壓水；潮汐波群相位超前或滯后方法也只能區分兩種類型，即承壓水和非承壓水或半承壓水；水-巖平衡狀態分析方法能區分3種類型，即未成熟水、部分平衡水和完全平衡水。因此，可通過上述4種方法的組合來綜合判定觀測井的地下水埋藏類型，其依據是：①若使用3種定量方法——井水位對氣壓的階躍響應函數、井水位潮汐波的頻譜分析、井水位潮汐波群的相位超前或滯后都判定為承壓水，且不管水-巖平衡狀態方法判定結果如何，則綜合判定為承壓水。②當使用水-巖平衡狀態方法判定為完全平衡水時，直接判定為承壓水。③當使用3種定量方法——井水位對氣壓的階躍響應函數、井水位潮汐波的頻譜分析、井水位潮汐波群的相位超前或滯后，其中有1～2種方法都判定為承壓水，且水-巖平衡狀態方法判定結果為未成熟水或部分平衡水，則綜合判定為混合水。④當使用井水位對氣壓的階躍響應函數方法和井水位潮汐波群的相位超前或滯后方法判定為非承壓水或半承壓水、使用頻譜分析方法判定為非承壓水，且水-巖平衡狀態方法表明是部分平衡水，則該井綜合判定為混合水。⑤當使用井水位對氣壓的階躍響應函數方法和井水位潮汐波群的相位超前或滯后方法判定為非承壓水或半承壓水，同時，使用頻譜分析方法判定為非承壓水，且水-巖平衡狀態方法表明是未成熟水，則綜合判定為非承壓水。

以上可見，除了上述①、②和⑤條外，其余都可將觀測井水綜合判定為混合水。

5 方法應用與討論

以川滇地區的瀘州13井、南溪井、川32井、紅河開遠井、騰沖井、麗江井、通海高大井、德陽井、姚安井、永勝井、保山井和德宏法帕井等12口井為例，利用上述4種方法對地下水埋藏類型進行了綜合判定(表2)，結果表明：①通海高大井、永勝井、姚安井基于井水位對氣壓的階躍響應函數方法、頻譜分析方法、潮汐波群相位超前或滯后方法診斷和判別的地下水埋藏類型都為承壓水，且與3口井依據成井時的貯存埋藏條件定性判別的結果(裂隙承壓水和孔隙承壓水)一致。從水-巖平衡狀態來看，雖然3口井都具有承壓性，但受控于區域地形地貌、構造特征以及裂隙發育程度等，使得井孔中的地下水與外界有著一定的水力聯系，受大氣降水的地表徑流、側向徑流和越層補給影響較大。②德陽川08井基于3種方法雖然沒有診斷和判別為承壓水，但水-巖平衡狀態顯示，該井水-巖反應較為充分，補給來源主要為深層地下水。③其余8口井不同程度地表現出承壓水的特征，但與外界水力聯系關系密切，受大氣降水的地表徑流、側向徑流和越層補給影響較顯著。因此，綜合判定通海高大井、永勝井、姚安井和德陽川08井為承壓水；騰沖井、德宏法帕井、川32井、開遠井、保山井、麗江井、瀘州川13井、南溪川12井為混合水。

表2 多方法綜合判定川滇地區12口井地下水埋藏類型結果

運用本文提出的多種方法綜合判定的地震觀測井的地下水埋藏類型，與依據成井時的貯存埋藏條件定性判別的地下水埋藏類型有很多不一致。究其原因是：①有些井點雖然在承壓區(具有承壓性)內，但由于比較靠近補給區或排泄區，受控于區域地形地貌、構造特征以及裂隙發育程度等，使得井孔中的地下水與外界有著一定的水力聯系。②有些井點雖然在承壓區內，但井管年久失修，存在腐蝕破損現象，地表水和淺層水很容易進入井管內，與外界的水力聯系也很密切。③遠離補給區或排泄區，且井況良好的井點受地表水和淺層水的干擾較少，水-巖反應相對較弱和充分，補給來源主要為深層地下水，Na-K-Mg三角圖反映的水-巖平衡狀態能提供很好的佐證。

6 結論

地震觀測井水位觀測作為地震流體觀測最有效的手段之一，過去的幾十年里在地震監測預報方面發揮了重要的作用。但受觀測環境干擾日益加劇、井點年久失修等因素的綜合影響，其產出資料的質量和信度不盡如人意。本文基于井水位微動態數據及井水化學特性分析，參考井水位對氣壓的階躍響應函數方法、頻譜分析方法、潮汐波群相位超前或滯后方法、水-巖平衡狀態分析方法，提出了地震觀測井地下水埋藏類型判定方法及綜合判定依據，并以川滇地區的12口地震觀測井為例，分析了多方法綜合判定結果與依據成井時的貯存埋藏條件定性判別的地下水埋藏類型結果之間有很多不一致的原因。

因此，應用本文提出的4種方法對地震觀測井地下水埋藏類型判定進行研究，是井孔觀測質量和可信度評價、水位異常的甄別、觀測井(點)的勘選等的一種有效途徑。