利用宁波水文地质监测井网建设地下流体前兆台阵的试验研究

来源：SCI期刊网 分类：农业论文 时间：2021-11-17 08:15 热度：

　　摘要：从宁波水文地质监测井网中遴选了北仑井和慈溪井进行水位和水温试验性观测，分析计算水位的气压效率、降雨载荷效应和潮汐因子，并与同处于宁波盆地映震效果较好的庄市井的相应参数进行对比。结果表明：(1)3口水井的水位变化在时间上和空间上均有很好的相关性，水位异常动态与其影响因素之间存在很好的成因上的关联;(2)慈溪井的降雨载荷系数比庄市井和北仑井的大约小一个量级，这可能与慈溪井位于1960年代围海造田的滩涂地有关;(3)水井网均位于含有多个含水层的宁波盆地，为在同一构造中开展不同含水层观测和基础研究提供了可能，可以从井网中遴选出合格的地震前兆监测井，用于建设宁波盆地地震前兆流体台阵。

　　关键词：宁波盆地;地震监测;地下流体;台阵

　　0引言

　　作为地震前兆监测的重要学科之一，地下流体观测能够获取丰富的地球动力作用信息，如潮汐现象、构造活动、地震波、地震前兆及其他地球内外动力作用等信息，同时还能够得到环境(例如温度、气体循环)和资源(例如水资源储量与质量)变化信息，为相关的灾害、环境、资源问题的分析和研究提供重要的科学数据[1-3]。由于流体具有很强的信息传递能力，地下流体观测在地震短临预测预报中占有比较重要的地位。因此，地下流体观测基础研究和实用技术研究是地震预测预报业务发展的重要方向之一[4]。

　　地下水动态在地震预测中的作用与有效性已经得到了越来越多地震工作者的认可[5-7]，然而，要在地震发生之前确认地下水前兆异常是一件非常困难的事情，即使是在地震发生之后也往往很难给出科学的确认结果，这主要是由于地下水动态受多种因素的干扰。面对众多的干扰异常，如何对出现的干扰异常进行识别与排除，如何从复杂的干扰背景下提取出地震前兆异常，无疑是当前提高地下水动态监测与地震预测效能十分突出的问题。几十年的监测实践表明，及时识别与排除干扰异常，震前确认地下水异常的前兆性，对于正确把握震情与成功识别前兆异常和预测至关重要，因此地下水异常性质的判别是地震预报工作中非常重要的问题。监测预报人员开展地震前兆异常识别的相关研究，试图建立有效的识别与排除干扰的理论与方法的努力一直没有停止过。车用太等[8]认为，地下水动态干扰异常识别需要把握成因、空间、时间和强度等4个方面的相关性，这一研究结果为地下流体观测资料处理和观测站网设计提供了一种思考的方向。要提高异常识别的科学性，除了针对不同特征的干扰信息建立相应的数学模型外，还应布设科学目标清晰、观测条件清楚的观测站网。然而，我国目前地下流体监测台网的布设思路是原则性的，网的结构也较为粗糙，在操作上有较大的随意性[9]。建设中存在“因简就陋”的被动建网(台)思想，缺乏科学标准的主动布网(台)勇气[10]。刘耀炜[10]认为发展地震地下流体前兆观测台阵是地震地下流体科学优先发展的内容。前兆台阵建设的目的是使地震前兆观测进一步科学化，为地震预测提供具有更加明确科学内涵的前兆资料[11]。台阵建设区的选择是台阵建设的关键环节，应该优先选择地质与水文地质条件较为清楚并具有较强的前兆观测基础与有条件扩展新前兆观测条件的地区[8]。有专家提出[12]，可以在现有地震地下流体台网的基础上，与地质、石油、煤炭、冶金、水利等非地震行业部门合作，利用其现成的资源井孔井，经改造成为地震地下流体观测井，这样既能够节约投入资金，又能较快建设一批新的地震地下流体观测井。2018年宁波地震中心站开始对宁波市水文地质监测井网进行评估和筛选，并对其中的2口水井进行了改造，安装了地下水位水温观测仪器，并依据地震地下流体观测规范进行了并网，开展观测实验研究。

　　1地下水监测概况

　　1.1宁波盆地水文地质特征

　　宁波盆地第四纪沉积层厚度50～110m，最厚达120m，第四系中约有6个风化剥蚀面和高海平面形成的三个海浸层位，成因类型复杂，地层从中更新世至全新世均有发育，主要有河流相、河湖相及海相、滨海相等。平原区地下水类型有松散岩类孔隙水、孔隙裂隙水、基岩裂隙水三大类，其中松散岩类孔隙水又可分为孔隙潜水及孔隙承压水两个亚类;基岩裂隙水可分为风化网状裂隙水、构造裂隙水和孔洞裂隙水三个亚类[13]。

　　地下水由山边向盆地、由西南向东海有极缓慢的渗流，根据水文地质勘探资料可分出四个含水层(组)，Ⅰ含水层由上更新统中部砂砾石组成，厚度5～15m，Ⅱ含水层由上更新统底部砂砾石组成，厚度1～15m，原始水深1～3m略高于Ⅰ层水位(图1)。Ⅰ、Ⅱ两层在山前合成一层含淡水并与山边淡水带连成一体，在盆地内两层水被黏性土隔开。Ⅰ层水以咸水为主，局部见淡水，咸水形成于早期海侵时期，无明显的现代水补给。Ⅱ含水层中四周被微咸水所围，淡水体可能是海侵时封闭在含水层中的古淡水，也可能由相邻含水层垂向越流补给形成[14-15]。

　　1.2水文地质观测井网

　　宁波盆地水文地质监测工作开始于二十世纪七十年代，经过多年的建设与发展已成规模，纳入观测的地下水监测井共146孔，近几年又扩建到161孔，其中现有深层承压水井36孔。承压水井包括Ⅰ含水组的16口井，Ⅱ含水组的20口井。水井间的距离为数千米至二十多千米不等，水井网主要用于宁波市水文地质环境监测。

　　相关期刊推荐：《地震工程学报》(季刊)创刊于1979年，由中国地震局兰州地震研究所;中国地震学会主办。本刊以报道和交流西北地区及全国地震科学领域内的新科研成果和技术进步为宗旨。主要内容有：地震基础理论(地球物理学、地震学、地震地质学、流体地球化学、地震工程学、灾害学等)，地震观测技术与预报方法，工程项目的地地震安全性评价与工程探测、工程抗震、防震减灾规划措施，以及相关交叉学科。适合广大地震工作者、防灾减灾部门管理人员及相关地球科学工作者阅读。

　　除早期少量井孔外，井网井孔成井均为500mm大孔径钻探，不变径，井管止水层采用200mm球墨铸铁井壁，观测水层采用球墨铸铁过滤管、积沙层采用球墨铸铁沉淀管。止水层以黏土及发泡黏土球护壁止水，观测水层以1～3mm砾径砾石水井护壁。建井内容详细，地层柱状清楚并有详细成井报告，包括：开工日期时间、竣工日期时间、钻孔深度、生产井深度、地面高程、大地坐标、生产井下入管材说明、抽水试验说明、水质分析说明等。作为示例，图2给出了部分的含水组成井位置分布图。

　　2、地下水台阵式观测设想

　　为加强地震前兆监测能力，计划利用宁波盆地水文地质观测井网建设宁波地下流体前兆台阵，并于2019年申请了中国地震局三结合课题(3JH-20190214)———《宁波盆地地震地下流体监测网建设调研与优选方案》，开展了相关研究。首先，从宁波水文地质监测井网中遴选了慈溪生态农庄井(以下简称慈溪井)和北仑天主教堂井(以下简称北仑井)等2口水井架设水位水温仪器对比庄市21号井(以下简称庄市井)进行试验观测。

　　2.1观测井孔水文地质背景

　　2.1.1庄市井

　　宁波镇海庄市21井于1986年开始进行地震观测，后列入国家局区域地震水位观测基本台网。该井在宁波市镇海区职业教育学校内，观测井坐标29°56′N，121°36′E(图2)。该观测井1972年成井，终孔606.14m，后回填至孔深170m建井保留，其水文地质条件是宁波盆地的构造裂隙水。2009年该井进行洗井改造，抽水试验显示，水位降深15.39m，涌水量6.71L/s。2014年12月，在该井安装LN-3型数字水位仪和SZW-1A水温仪，水温梯度100m降深开始测试，结果为分段短时间温度变幅相差不大，最终水温探头投放深度为160m。图3(a)为庄市井地层柱状及管井安装结构图。

　　从该井多年的观测资料表明，该井水位观测映震效果较好，1994年9月宁波晈口4.2级、1996年11月长江口6.1级和1998年8月嵊州4.0级等地震前均出现了趋势性变化异常和水位幅度降低等短临异常[16-17]。

　　2.1.2试验井

　　北仑井位于宁波市北仑区天主教堂院内，观测井位于29°54′N，121°49′E(图2)。该观测井2010年成井，钻孔84.1m，球墨铸铁套管至81.5m，其中74.0～79.5m为过滤管，79.5～81.5m为沉淀管。其水文地质条件特点是：封止地表浅部含层水、38.7～42.5m卵砾岩性晚更新统中期冲击层、53.0～60.2m砾砂夹黏土岩性晚更新统中期冲击—洪积层;该井观测含水层上层为74.0～79.5m晚更新统早期冲击—湖积层，其岩性为砾石夹黏土，其特征为灰褐色，松散;观测含水层下层为79.5～84.7m中更新统，其岩性为黏土夹砾石，其特征为棕黄色，较密实;底部为全风化凝灰质熔岩[图3(b)]。该井抽水试验显示，水位降深1.55m，涌水量8.89L/s，水温梯度50m降深开始测试，结果为分段短时间温度变幅相差不大，最终水温探头投放深度为80m。

　　慈溪井位于慈溪市长河镇，观测井位于30°18′N，121°10′E(图2)。该观测井2010年成井，钻孔113.0m，球墨铸铁套管至112.0m，其中99.0～108.0m为过滤管，108.5～112.0m为沉淀管。其水文地质条件特点是：封止地表浅部含层水、73.8～83.6m松散粉细砂岩性中更新统中期冲击层;该井观测含水层为98.3～109.7m中更新统早期冲击层，其岩性为中细砂夹黏土，其特征为灰白色、松散、饱和、上部细、下部颗粒粗，局部夹薄层黏土、可塑，厚度约3mm;底部灰褐色硬塑黏土[图3(c)]。该井抽水试验显示，水位降深2.19m，涌水量1.56L/s。水温梯度60m降深开始测试，结果为分段短时间温度变幅相差不大，最终水温探头投放深度为105m。

　　庄市、北仑、慈溪等3孔井水文地质学基础资料齐全，周边无矿区，所在盆地为地下水禁采区，环境良好，观测条件基本符合《地震台站观测环境技术要求第4部分：地下流体观测(GB/T19531.4—2004)》的要求(表1)。3孔观测井内均安装有套管并封闭了非观测层，水管下端设置有沉砂孔，成井后进行了抽水试验和水质简分析。井孔建设基本符合《地震台站建设规范地下流体台站第1部分：水位和水温(DB/T20.1—2006)》的要求。

　　2.2试验井观测结果

　　遴选的北仑井、慈溪井与庄市井(地震观测井)同为宁波盆地静水位承压井孔，观测项目均为水位、水温观测，与庄市井相同。仪器选择为中国地震局行业主流观测仪器：水温仪采用SZW-lA型系列数字式地热(水温)观测石英温度计，仪器分辨率为0.0001℃[18];水位仪采用SWY-II及型LN-3型数字式水位仪，分辨率为1mm(表2)。

　　为了分析地质环境监测井是否可以用于地震前兆观测，将两孔井4个测项数据与庄市21号井的资料进行对比分析。2019年9月3孔井6套设备运行稳定，在气象条件上有降雨和气压变化明显等自然现象，采用此时间段内数据有助分析试验井监测能力。

　　2.2.1水温数据对比

　　图4为2019年9月北仑、慈溪和庄市3孔井水温数据分钟值曲线。从图中可知，3孔井的水温数值离散度相近，观测数据动态波动幅度相近。由于水温观测非常复杂，不仅与观测井有关，即使同一口井不同层位观测，观测数据差异性很大。另外该型号还存在仪器本身的系统误差，有同井孔同埋深两套仪器存在数值较大差异的现象[19]，因此背景数值上存在差异。

　　2.2.2水位数据对比

　　图5为2019年9月庄市、北仑、慈溪等3孔井水位数据分钟值曲线及其傅里叶频谱。图中显示3孔井水位分钟值曲线均含有低频和半日波频率2个优势频率成分。半日波频率反映了3孔水井均能记录到清晰的半日周期固体潮，但固体潮幅度有差异，庄市井幅度最大，北仑井次之，慈溪井最小。低频成分可能反映了2次降雨引起的水位变化，3孔井水位变化趋势相近但局部存在差异，特别是在21日降雨载荷变化上尤为明显，可能是雨量载荷在地质覆盖层介质差异性的体现。此外，庄市井水位分钟值曲线还包含有较为明显的日波频率成分，说明该井水位能够较好地记录到日波固体潮汐，其他2口井则记录不明显。

　　2.3试验井评价

　　计算北仑井和慈溪井水位的气压效率、降雨载荷效应及潮汐因子，并与庄市井的相应参数进行对比，分析水位气压与含水层覆盖层压缩系数的差异性，并对观测精度进行评价[20]——论文作者：李慧峰1，钟羽云2，李志海3，袁宝珠2，李蒙1

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