榆社红崖头水位对非构造应力的响应分析

宫静芝，吕永青，张亚敏，宋志英，王振江

(1.山西省地震局昔阳地震台，山西 昔阳 045300；2.山西省地震局五台地震科技中心，山西 五台 035515；3.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西 太原 030025)

0 引言

引起井水位变化的主要因素包括构造应力和非构造应力。构造应力因素是由于大地构造应力产生岩体体积的应变使孔隙水压变化，进而反映在含水层地下水位的变化。非构造应力视为干扰因素，有气压、潮汐应力、补给等[1]。构造应力因素可提取与地震活动有关的异常信息，非构造应力因素往往掩盖了由构造应力引起的水位异常变化。为准确捕捉榆社红崖头水位因构造应力引起的前兆异常，先对非构造应力对水位的影响情况进行分析，从气压效应、引潮力、降雨影响、记震能力等方面开展讨论研究。

1 井点概况

1.1 地质构造

榆社红崖头观测站位于榆社县与左权县即浊漳河北源支流与清漳河西源支流的分水岭，含水层埋藏浅，流量相对稳定。构造上位于沁水盆地东坡构造带东北部红崖头NNE向背斜南高点顶部附近，该区域以中等构造剥蚀侵蚀山地为主，兼有黄土覆盖的高原与陷落盆地。区域出露的主要地层有古生界二叠系—三叠系及新生界第三系—第四系。

1.2 井孔结构

榆社红崖头流体井井深1 412.04 m，井管内径273 mm，在43.68 m以上采用水泥止水，以下为裸孔。观测段为43.68 m～1 412.04 m，揭示二叠系、石炭系砂岩与奥陶系灰岩地层(见第28页图1)，含水层类型为裂隙承压水。1974年成井，2014年2月以来用于地

震地下流体观测，观测类型为动水位。

2 井水位对非构造应力响应情况分析

2.1 气压效应

井水位的气压效应指井水位随气压的波动而表现的起伏现象。通常情况下，水位与气压呈负相关，气压作用下的水位动态变化主要有显著型、隐蔽型和中间型。显著型水位动态受气压影响比较明显，较易剔除；隐蔽型水位动态受气压影响不明显，可将水位和气压数据进行滤波、差分处理，再构建一元回归模型，获取相对可靠的气压系数[2]。

计算时采用水位和气压的日均值数据，起到低频滤波的作用，将潮汐、气压的周期成分和非周期成分、以及降雨等因素引起的随机、高频成分抑制到最低水平，也可以忽略水位变化对气压的滞后效应[3]。按照上述方法，对红崖头水位数据和气压日值数据进行处理，计算得出月气压系数在0.035 8～1.008 2，气压系数较小，无明显的年变规律(见第28页图2)。

2.2 引潮力对井水位的影响

引潮力是由天体与地球的相对运动决定的，具有周期性。当日、月引力变大时，含水层发生相对膨胀变形，孔隙度增大，井水回流到含水层中，井水位下降；反之，井水位上升。由第28页图3榆社红崖头井动水位农历一个月的时值曲线看出，水位变化可记录到清晰的固体潮效应。一个月的朔望日时，日、月引力变化较大，井水位日潮差值大且日变曲线呈双峰双谷型；上、下弦日前后，日、月引力变化较小，井水位日潮差小且日变曲线呈单峰单谷型。

图1 榆社红崖头流体井井孔柱状图Fig.1 Well-bore columnar diagram of Hongyatoufluid well in Yushe

在地球固体潮最主要的5种日波群和5种半日波群中，M2波振幅最大，具有最大的信噪比，因此选择M2波进行潮汐调和分析。计算中，利用维尼迪科夫潮汐调和分析原理和方法[4]，对水位整点值进行M2波潮汐调和分析，得出红崖头井的潮汐因子月均值为0.143 7～0.223 5，潮汐因子较小，较为稳定(见图4)。

图2 榆社红崖头井水位气压系数Fig.2 Pressure coefficient of Hongyatou-well water level in Yushe

图3 榆社红崖头井水位固体潮效应图Fig.3 Earth-tide effect diagram of Hongyatou-well water level in Yushe

图4 榆社红崖头井水位潮汐因子Fig.4 Tide factor of Hongyatou well water level in Yushe

2.3 降水对井水位的影响

降雨会通过补给作用引起含水层储水量的变化，从而引起井水位的变化[5]。对榆社红崖头井水位与降雨量进行对比(见第29页图5)，由图可知，每年水位在雨季结束之后的秋冬季节上升，第二年春夏季节雨季来临时下降，水位的突升不在强降水时段，但降雨对红崖头井水位有一定的补给作用，补给时间滞后2～3个月[6]。

2.4 同震响应

地下流体的同震响应通常受地震、地层介质特性、井孔所处的构造环境、水文地质条件等因素的影响，是多重影响因素作用下的一种综合体现。对红崖头井水位2014年以来全球7级以上地震、中国大陆6级以上地震的同震响应情况进行统计，除2015年4月25日尼泊尔8.1级地震出现同震响应外(见图6)，其余地震均无同震响应。是由于井—含水层系统的记震能力较弱，还是有其他原因，有待进一步的探讨。

图5 榆社红崖头井水位与降雨量对比曲线Fig.5 Comparison between water level and rainfall in Hongyatou well, Yushe

图6 榆社红崖头井水位同震响应曲线Fig.6 Coseismic response curve of Hongyatou well in Yushe

3 结论与讨论

气压效应、引潮力、降雨对水位的影响及同震响应分析结果显示，除降雨对水位的补给作用较为明显外，气压效应、潮汐因子、同震响应均较弱。影响气压效应、

潮汐因子与同震响应的因素主要有含水层岩性、顶板埋深、水文地质参数、厚度、观测方式等，红崖头井观测层为砂岩，属灰岩裂隙水，顶板埋深较浅，观测层厚度达1 368 m，这些条件有利于井—含水层对非构造应力的响应。井—含水层的水文地质参数由于成井时间较长，相关资料缺失，无法确定其对非构造应力响应的影响。红崖头井水位观测方式为动水位观测，相对于静水位观测，水位对非构造应力的响应要弱。因此，红崖头动水位对非构造应力及同震响应较弱的主要原因可能与观测方式有关，但同时应考虑含水层水文地质参数对其的影响。

井—含水层水文地质参数获取的方法通常为现场抽水试验或室内试验，多在成井时完成，后期较难获取，目前相关研究认为利用水位资料可获取含水层介质的部分参数[7]。因此，今后可通过对红崖头井井—含水层水文地质参数进行研究，明确其对非构造应力响应的影响。