梁 慧，張 映，趙德楊，魏婭玲，王 迪，胡俊明，劉華姣，王 斌，賴康建

（1.四川省地震局成都地震監(jiān)測(cè)中心站，四川 成都 611730；2.四川省地震局，四川 成都 610059；3.四川省地震局阿壩地震監(jiān)測(cè)中心站，四川 阿壩 623300；4.四川省綿陽(yáng)市北川羌族自治縣應(yīng)急管理局地震監(jiān)測(cè)中心，四川 北川 622750）

地下流體在地球動(dòng)力活動(dòng)中具有舉足輕重的作用，對(duì)地震活動(dòng)也不例外，地震的孕育與發(fā)生過程離不開流體的作用（車用太等，1997）；當(dāng)?shù)卣鹪杏倪^程使含水層受力狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，有可能引起井孔水位記震能力的顯著變化（車用太等，1989）；大地震的發(fā)生伴隨著區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的調(diào)整，引起深部承壓含水層體應(yīng)變的變化（張昭棟等，1994），導(dǎo)致空隙壓力發(fā)生改變。地下水動(dòng)態(tài)特征能較為靈敏地反映地震與構(gòu)造活動(dòng)的信息。研究者分析發(fā)現(xiàn)，中強(qiáng)地震與地下水異常存在較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系（范雪芳等，2010），地下水異常既可能是最直接的宏觀短臨前兆，也可能是影響地殼形變異常的主要控制因素（陸明勇等，2005）。地震往往孕育在地表10 km 以下的地殼中，而目前對(duì)地震前兆的監(jiān)測(cè)往往還基于地殼淺層，因此會(huì)受到降雨滲入補(bǔ)給、地下水開采、儀器故障、人為操作不當(dāng)?shù)鹊母蓴_；各類干擾因素的作用機(jī)制各異，相互影響，會(huì)降低地球物理場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)內(nèi)在質(zhì)量與可靠度，增加了數(shù)據(jù)處理難度和異常識(shí)別的精確度（徐甫坤等，2014）。地震井水位觀測(cè)作為地震流體觀測(cè)最有效的手段之一，不僅可觀測(cè)到地震異常信息，還可觀測(cè)到一些與地震無(wú)關(guān)的干擾信息（丁風(fēng)和等，2021）。川41 井位于龍門山斷裂中段的灌縣—安縣斷裂，距離“5·12”汶川地震（MS8.0）震中約113 km，是災(zāi)后新建液體觀測(cè)井。分析研究該井水位的干擾因素和動(dòng)態(tài)特征，可為數(shù)據(jù)跟蹤分析和地震異常識(shí)別提供支撐。

1 川41 井基本情況

1.1 川41井地質(zhì)構(gòu)造

川41 井地處四川盆地的邊緣地帶，位于龍門山斷裂中段的灌縣—安縣斷裂，周邊為一系列走向?yàn)楸睎|東—東西向、軸線向北彎突的平緩開闊弧形褶皺。區(qū)域內(nèi)地下水類型主要為松散土類上層滯水和孔隙潛水，該區(qū)所處位置的區(qū)域地震動(dòng)峰值加速度為0.15 g，少量基巖裂隙水和巖溶地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.40 s，地震基本烈度為Ⅶ度（北川縣防震減災(zāi)局提供資料）。2008 年“5·12”汶川MS8.0 地震造成映秀—北川斷裂帶和灌縣—安縣斷裂同時(shí)破裂，形成映秀—北川破裂帶和灌縣—安縣破裂帶（李海兵等，2008），川41 井成為監(jiān)測(cè)這些破裂帶地震活動(dòng)的重要組成部分。

1.2 川41井鉆孔及儀器布設(shè)情況

川41 井位于北川縣防震減災(zāi)局辦公大樓旁，觀測(cè)點(diǎn)所處位置屬四川盆地平丘至高原的過渡帶。完鉆井深300.4 m，該井屬“兩徑成孔”，其孔徑在31.05 m 處由直徑170 mm 變徑為130 mm，130 mm 的孔徑段為269.35 m。多個(gè)含水層段有多個(gè)φ127 mm 濾水管，濾水管總長(zhǎng)為88.2 m。0.0～6.4 m 含水層為松散含水層，屬孔隙水；31.05～36.70 m 為砂巖含水層，含水層巖性為膠結(jié)狀硅質(zhì)砂巖等，呈灰白色；60.4～289.9 m 為砂巖含水層，含水層巖性一般為石英、長(zhǎng)石及硅質(zhì)砂巖等，呈灰白色，結(jié)構(gòu)密實(shí)。該鉆孔類型為直孔，終孔后測(cè)量孔斜不大于1°。巖性結(jié)構(gòu)由第四系全新統(tǒng)洪坡積、侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組（J3p）泥巖和二迭系上統(tǒng)龍?zhí)督M（P2l）組成。川41 井安裝有3 套儀器，分別是：ZKGD3000-N 型地下流體監(jiān)測(cè)儀、SZW-Ⅰ水溫儀、RTP-Ⅱ氣象三要素儀。其中，ZKGD3000-N 型地下流體監(jiān)測(cè)儀2011 年11 月9 日正式運(yùn)行，動(dòng)水位探頭投放深度為10.05 m、水溫探頭投放深度為170.00 m。2018 年11 月14—16 日新增RTP-Ⅱ氣象三要素儀和SZW-Ⅱ水溫儀，水溫探頭投放深度為150.00 m。

2 川41 井動(dòng)水位年變動(dòng)態(tài)特征及干擾因素分析

川41 井動(dòng)水位多年年變形態(tài)在1—6 月表現(xiàn)為趨勢(shì)向下，在7—9 月表現(xiàn)為急劇上升，在10—12 月表現(xiàn)為趨于下降（圖1），并在7—9 月年變急劇上升期間出現(xiàn)大幅臺(tái)階，故需要從觀測(cè)環(huán)境、背景、氣象因素方面分析影響動(dòng)水位年變干擾因素。

圖1 川41 井2017—2020 年動(dòng)水位日值曲線

2.1 觀測(cè)環(huán)境調(diào)查

調(diào)查發(fā)現(xiàn)川41 井近旁無(wú)村莊、農(nóng)田及耕地，排除農(nóng)用灌溉影響；附近300 m 內(nèi)有行政單位和一所學(xué)校，因?qū)W校寒暑假放假時(shí)間在1—2 月和7—8 月，這段時(shí)間水位無(wú)明顯下降（圖1），這樣就排除行政單位和學(xué)校用水影響；春秋季節(jié)降雨少，含水層中地下水儲(chǔ)量減少以及地表水的蒸發(fā)等因素，引起川41 井動(dòng)水位季節(jié)性趨勢(shì)緩慢下降（圖1）；井點(diǎn)山前2 km 為涪江支流（安昌河），年平均地表徑流總量為13.47 億立方米，地下徑流為3.19 億立方米，地下水位變化不大。北川縣屬亞熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū)，四季分明，氣候溫和，多年平均氣溫為15.6 ℃；該區(qū)雨量充沛，年均降雨量為1 399.1 mm，年最大降雨量為279 mm，時(shí)最大降雨量為32 mm；降雨多集中在6—9 月，占全年降雨量的71%～76%，最大占比約為90%，歷年降雨量分布不均。井點(diǎn)山前2 km 的安昌河與該井同時(shí)受降雨量的補(bǔ)給，兩者水位同步變化。

2.2 背景分析

井點(diǎn)位置較好，無(wú)人為干擾，動(dòng)水位有季度校測(cè)，校測(cè)人員每季度嚴(yán)格按照流體學(xué)科要求操作，排除檢查、校測(cè)干擾；水溫、氣壓不存在流體學(xué)科檢查、標(biāo)定工作的影響。梳理2017—2020 年觀測(cè)日值，未查到因儀器影響動(dòng)水位觀測(cè)數(shù)據(jù)的資料，說(shuō)明儀器工作穩(wěn)定性較好，連續(xù)率較高，數(shù)據(jù)可靠性強(qiáng)。

2.3 氣象因素分析

2.3.1 動(dòng)水位與降雨量對(duì)比分析

大氣降水的直接補(bǔ)給作用對(duì)一些觀測(cè)含水層較淺的觀測(cè)井影響較大，這些觀測(cè)井一般是位于垂直裂隙比較發(fā)育、地下水補(bǔ)給區(qū)與觀測(cè)井間的距離較近等山前基巖裂隙觀測(cè)井（劉耀煒，2009）。當(dāng)降雨量增大時(shí)，川41 井井點(diǎn)前山上大量積水涌入井點(diǎn)周圍，周圍的松散土層、基巖裂隙受壓應(yīng)力的作用，導(dǎo)致含水層地層壓力增強(qiáng)引起局部水位上升。井動(dòng)水位動(dòng)態(tài)趨勢(shì)表現(xiàn)為隨降雨的增多而上升，隨降雨量的減少而下降，說(shuō)明川41 井動(dòng)水位主要受降雨補(bǔ)給影響（圖2）。因該井2017、2018 年動(dòng)水位變化形態(tài)與2019、2020 年的相似，但無(wú)降雨量資料，變化關(guān)系無(wú)法分析。2021、2022 年動(dòng)水位形態(tài)發(fā)生變化，這可能與2021 年9 月16 日四川瀘縣MS6.0 地震和2022 年9 月5 日四川瀘定MS6.8 地震有關(guān)（圖2）。2022 年資料顯示，動(dòng)水位在10 月份以后的形態(tài)和2019、2020 年的相似。

圖2 川41 井2019—2022 年動(dòng)水位、降雨量日均值曲線

2.3.2 動(dòng)水位與氣壓效應(yīng)對(duì)比分析

井水位氣壓效應(yīng)可表現(xiàn)在不同的時(shí)間尺度上，除在年尺度上的月均值有所表現(xiàn)之外，在月尺度上的日均值與日尺度上的整點(diǎn)值也可以表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)特征。我國(guó)觀測(cè)井中，約55%的觀測(cè)井能記錄到這種效應(yīng)（車用太等，2006）。川41 井所處環(huán)境特殊，旱季為枯水期，井?dāng)嗔鳎〝?shù)值上表現(xiàn)為負(fù)值）；雨季為補(bǔ)水期，能補(bǔ)到泄流口以上而自流，該井可能嚴(yán)重受降雨影響。動(dòng)水位、氣壓在月尺度上的日均值氣壓效應(yīng)表現(xiàn)不明顯（圖3），在日尺度上的整點(diǎn)值氣壓效應(yīng)表現(xiàn)明顯，互為負(fù)相關(guān)性關(guān)系（圖4）。

圖3 川41 井2020 年動(dòng)水位、氣壓日均值曲線

圖4 川41 井動(dòng)水位、氣壓整點(diǎn)值曲線

通過對(duì)川41 井2020 年的氣壓、動(dòng)水位日均值數(shù)據(jù)的相關(guān)性進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)二者的相關(guān)性不明顯。氣壓的高值出現(xiàn)在2 月和12 月，而動(dòng)水位低值出現(xiàn)在6 月；1—2 月氣壓趨勢(shì)向上，2 月出現(xiàn)一個(gè)低值，1 月動(dòng)水位趨勢(shì)向下，2 月出現(xiàn)向上拐點(diǎn)，出現(xiàn)一個(gè)高值，兩者的時(shí)間不對(duì)應(yīng)，3—6 月氣壓、動(dòng)水位均趨勢(shì)下降，形態(tài)一致，未出現(xiàn)負(fù)相關(guān)性關(guān)系；7—8 月氣壓趨勢(shì)下降到最低，出現(xiàn)一個(gè)最低值，動(dòng)水位趨勢(shì)上升到最高，出現(xiàn)兩個(gè)最高值，兩者的時(shí)間不對(duì)應(yīng)。多年的資料顯示，氣壓每年均在7 月出現(xiàn)最低值，而動(dòng)水位每年出現(xiàn)高值的時(shí)間卻不一致（圖3）。計(jì)算出2017—2020 年動(dòng)水位、氣壓二者的相關(guān)系數(shù)分別是：0.310 5、0.127 7、0.729 3、0.437 4。為進(jìn)一步驗(yàn)證兩者的相關(guān)性，選取2020 年1 月1—5 日井?dāng)嗔? 天的整點(diǎn)值和2020 年8月25—29 日井自流5 天的整點(diǎn)值進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)：無(wú)論是旱季，還是雨季，動(dòng)水位、氣壓相關(guān)性顯著，表現(xiàn)為氣壓上升，同時(shí)動(dòng)水位下降；氣壓下降，同時(shí)動(dòng)水位上升的特性，即動(dòng)水位、氣壓負(fù)相關(guān)性顯著（圖4）。

2.3.3 動(dòng)水位固體潮汐效應(yīng)分析

井水位的固體潮效應(yīng)是指在日、月引力作用下含水層體積的壓縮與膨脹變形引起的井水位有規(guī)律變化，因此井水位日潮差值小且呈單峰單谷型形態(tài)變化（劉耀煒，2009）。我國(guó)地下水觀測(cè)井網(wǎng)中，約有 75%的井可觀測(cè)到井水位的潮汐效應(yīng)。

用中國(guó)地震前兆臺(tái)網(wǎng)處理系統(tǒng)軟件提供的“水位調(diào)和分析（M2波計(jì)算）”，對(duì)北川川41 井2020 年1—12月動(dòng)水位資料進(jìn)行調(diào)和分析，得到潮汐因子分別為0.000 11、0.001 96、0.002 07、0.002 83、0.004 34、0.000 10、0.001 79、0.000 29、0.000 15、0.000 55、0.000 05 和0.000 04。對(duì)該井2017—2020 年的動(dòng)水位資料進(jìn)行分析，得到的潮汐因子分別為0.000 13、0.000 13、0.000 13 和0.000 22。再次驗(yàn)證了川41 井動(dòng)水位受潮汐效應(yīng)影響不明顯。

從川41 井周圍環(huán)境、人為干擾、儀器運(yùn)行、氣象因素、固體潮汐情況綜合分析，認(rèn)為影響川41 井動(dòng)水位年變形態(tài)趨勢(shì)變化的可能因素主要是大氣降水，且動(dòng)水位多年年變形態(tài)相似，受季節(jié)影響，冬春枯水期斷流，夏季雨量充沛而自流。多年來(lái)，該動(dòng)水位的年變趨勢(shì)既有動(dòng)水位的趨勢(shì)特征，也有靜水位的趨勢(shì)特征。水位年變趨勢(shì)形態(tài)為：緩慢下降-急劇上升-穩(wěn)中稍有下降。每次上升的趨勢(shì)具有大幅臺(tái)階急劇上升的特點(diǎn)。

3 川41 井動(dòng)水位、水溫對(duì)比分析

3.1 動(dòng)水位與相同記錄儀中層水溫對(duì)比分析

井孔水溫與觀測(cè)層水位的趨勢(shì)變化有一定相關(guān)關(guān)系，但也有許多觀測(cè)井水溫的長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)與水位長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)變化不一致（劉耀煒，2009）。川41 井動(dòng)水位、中層水溫年變趨勢(shì)略有不同（圖5）：1—6 月動(dòng)水位趨勢(shì)向下，中層水溫趨勢(shì)平穩(wěn)；7—8 月動(dòng)水位、中層水溫均表現(xiàn)為緩慢上升-急劇上升-轉(zhuǎn)平趨勢(shì)變化，9 月稍有下降；10—12 月動(dòng)水位變化趨勢(shì)為略有上升-稍有下降-轉(zhuǎn)平，中層水溫變化趨表現(xiàn)為勢(shì)緩慢上升-緩慢下降。

圖5 2020 年川41 井動(dòng)水位與相同儀器記錄水溫整點(diǎn)值曲線

3.2 不同記錄儀中層水溫對(duì)比分析

圖6 顯示，川41 井不同儀器記錄的中層水溫年變趨勢(shì)形態(tài)一致，其中ZKGD3000-N 型儀器水溫探頭投放深度為170.00 m，記錄中層水溫?cái)?shù)據(jù)曲線毛刺多，SZW-Ⅱ水溫儀水溫探頭投放深度為150.00 m，水溫?cái)?shù)據(jù)曲線毛刺相對(duì)較少，出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能與儀器本身觀測(cè)精度有關(guān)。ZKGD3000-N 型儀器水溫精度達(dá)0.001℃，SZW-Ⅱ水溫儀水溫精度為每天小于0.000 1℃。SZW-Ⅱ水溫儀中層水溫在3—6 月有小幅間斷臺(tái)階變化，估計(jì)與少量降雨有關(guān)。從圖2、圖6 可以看出，不同記錄儀記錄的中層水溫均受降雨影響，與記錄儀關(guān)系不大。

4 結(jié)論

川41 井受周圍環(huán)境、人為干擾、儀器運(yùn)行、氣壓、潮汐效應(yīng)等的影響較小，主要受降雨影響；該井動(dòng)水位、中層水溫年變趨勢(shì)略有不同。動(dòng)水位年變趨勢(shì)形態(tài)為：緩慢下降-急劇上升-穩(wěn)中稍有下降；中層水溫年變趨勢(shì)形態(tài)為：趨于平穩(wěn)-急劇上升-轉(zhuǎn)平-緩慢下降。該井位于龍門山斷裂帶中段灌縣—安縣斷裂，含水層能捕捉到應(yīng)力場(chǎng)的微小變化，多年動(dòng)水位資料多次記錄到近遠(yuǎn)場(chǎng)兆同震響應(yīng)，值得繼續(xù)深入研究。