固体潮与水位变化.pdf

第 卷第期 年月华北地震科学 ，：收稿日期：基金项目：年度河北省地震科研青年基金项目：沧州地区深井水位气压效率和固体潮效应分析作者简介：呼晶磊（），男（汉族），河北海兴人，工程师，主要从事地震地下流体研究工作 ：年以来马 井水位、气压观测资料分析呼晶磊，张子广，盛艳蕊（沧州市地震局监测预报科，河北 沧州 ；河北省地震局，河北 石家庄 ）摘要：整理和分析 年以后马 井的水位、气压观测资料，采用日极差法分析影响该井水体的能量变化；分别采用按时间分段数据的散点图和全时段滑动分析的方法，定性和定量地研究该井的固体潮效应及其特点；采用滑动的一阶线性回归的方法分析长时间段内水位与气压的关系，解释该井的气压效应特征；最后结合淮镇地震、文安地震、汶川地震前后该井水位观测数据变化现象，讨论该井水位的变化机理和变化特征，揭示其变化发展趋势，使马 井在今后的地震预测工作中发挥更大的作用。关键词：水位；气压；固体潮；滑动；日极差法中图分类号：文献标志码：文章编号：（）引言马 井是河北平原带中部重要的动水位观测井，自 年投入观测以来，对邻近地区的级以上地震有较好的对应关系，尤其是 年以前，映震率达到 以上，年底修复改造后映震能力有所下降。资料显示 年之后共有次地震活动对马 井所在区域的观测活动可能造成了比较大的影响，分别为：献县淮镇地震（年月 日，）；文安地震（年月日 时 分，）；汶 川 地 震（年月 日，）。除淮镇地震外，马 井的观测结果直观上不存在特别明显的对应反应，尤其震中距井址距离较近的文安地震，因此有必要对马 井 年后的观测资料进行深入分析，探讨该井现阶段各观测手段尤其是水位的反应特征和反应机理。图马 井观测井地理位置示意图华北地震科学 卷基本情况马 井位于河北省河间市张天宫村西约 ，处于冀中拗陷南马庄断裂带东侧河东古潜山凸起部位，大城断裂端点附近。井深 ，观测层埋深 ，为震旦亚界雾迷山组灰岩岩溶裂隙承压水。含水层上覆巨厚的第三系及第四系地层，封闭性好，是冀中岩溶裂隙水的高矿化排泄区，属大气成因的深循环水。目前的模拟观测手段是动水位、气压。综合之前收集的马 井的各项观测资料，结合实际观测研究结果和经验，对影响该井地下水位干扰因素进行综合判断（表）。表观测井的观测环境干扰因素评价干扰因素分类主要干扰因素对观测结果的影响程度分析佐证引起含水层水量变化的因素降水入渗不明显大量降雨后，水位无特殊变化地表水入渗不明显灌溉水入渗不明显人工注水不明显附近无大型油田开采设备引起含水层应力应变状态改变的因素气压存在固体潮存在邻层抽水不明显经调查不明显存在这种情况机械振动不存在附近公路、铁路、大型机械厂矿且与村庄存在一定距离其他浴池营业不存在经调查分析，浴池的营业活动不对该井的观测活动造成影响观测资料分析从观测项的实际观测结果来看，该井观测资料总体连续性好，其中水位观测数据日变化量相对较小，呈窄幅震荡状态，长趋势存在年变，在某些时段气压反应较为明显。年 月上旬为了解决泄水管内壁结垢与井口装置锈蚀等问题，对原有的井口结构进行了改造，因此选取 年之后的数据，从以下方面进行分析：水位原始曲线图以 记录的模拟日观测数据来看，每日水位基本处于窄幅震荡状态，近几年该井出现了个值 得注意的变化：一是水 位有 所 下降，二 是 在 年前后观测人员开始反映水位观测数据存在短时段（几小时至十几小时）振幅变小的情况（图箭头指向），而且这种现象近期出现频率较高。日极差法日极差值是以每日逐时值为样本，求取最大值与最小值之间的差值，作为日变特征量。该方法直观地反映了地下水位异常动态的变化，减少了地下水位动态随机变化的影响。结合极差的数学含义，笔者认为日极差值在水位日常观测中体现的是单位时间段内井孔水位在垂直方向的绝对变化，同图水位原始曲线图（）时由于水的不可压缩性和观测井的封闭性，日极差值也进一步体现了井孔水体在单位时间内所受能量影响的大小。选取 年水位的有效数据进行日极差分析，日极差值平均为 对该井日极差值进行均值处理得到月均值曲线和半年均值直方图（图），可以发现淮镇地震前后日极差值均出现高值异常，文安地震前的 个月，日极值存在一个上升过程，另外汶川地震之后日极差值数据总体上处于下降状态，说明影响该井水体的能量在较长时间段内处于衰减状态。期呼晶磊等：年以来马 井水位、气压观测资料分析图日极差值均值分析图 固体潮数据分析计算由于地下水观测井孔深度，最深莫过几千米，这个深度仍是地球表层，所以地球表层的潮汐应力分布势必影响井水位变化。因地球表层潮汐应力大小随地球与天体在运动中相对位置的变化而有规律的变化，当潮汐应力增大时，含水岩层发生体膨胀，含水层的孔隙水压降低，井水位下降；当潮汐应力变小时，含水岩层发生体压缩，含水层的孔隙水压升高，井水位上升。该井为动水位观测井，且在与主孔连接的副管上观测水位，这些条件可能对固体潮汐观测灵敏度造成一定影响。该井观测水位某些时段存在固体潮效应，而有些时间段不明显，但是 年之后该井观测水位固体潮效应实际处在明显加强状态。因此有必要对该井的固体潮效应进行定量分析，采用别尔采夫线性滤波分离的潮汐因子与理论固体潮进行数据对比分析。（）数据时间分段计算由于井水位观测是一个长期的持续的过程，因此在选择观测样本时原则上尽量选择数据观测效果较好且时间跨度较长的数据段。对水位整点值数据进行别尔采夫线性滤波计算，将得到的潮汐分量和理论固体潮整点值进行散点图分析（图）。数据点大部分分布在、象限，图形呈倾斜的纺锤状，样本时间越靠后图形越扁平化，综合来看点列分布具有线性趋势分布特征，应能采用线性回归分析方法。进行一阶线性回归得到实际潮汐分量和理论固体潮的相关系数、截距和系数，共选取组样本，信度 ，所有的样本残差自由度均 大于 个。最终得到的结果显示其相关系数在 之间，平均达到 （表），根据相关系数检验临界值表，个样本结果均大于 （，），说明该井水位受到固体潮效应的影响，且水位与固体潮效应的关系为正相关。图潮汐分量和理论固体潮整点值的散点图华北地震科学 卷表潮汐分量和理论固体潮一阶线性回归结果时间段截距相关系数斜率残差自由度标准误差 平均值 （）数据滑动计算在日常工作中部分地震观测井的观测数据存在以下特点：有序，不管是分钟值、整点值、日均值观测数据都是按时间有序产生的；不可再现，一个观测点一个观测手段在某一时间点上只会存在唯一一个观测结果；高速，观测数据时时刻刻都在发生着变化，只要技术和条件允许，理论上一个观测手段每天可以获得高速产生的大量数据；无限，只要观测手段存在，随着时间的推移，可以获得无限多个观测数据；高维，观测数据包含大量信息量，以静水位观测为例，观测结果可能包含气压、固体潮、降水、区域地下水变化、临层抽水、年变、人工干扰等大量因素；动态和不可预知，由于井水位观测影响因素的复杂性，观测数据的概率分布模型是时刻变化的，且变化的速率不可控制，所以造成其后续变化也是不可预知的。具有以上特点的观测数据可以看作是数据流，对于数据流而言，静态的数据分析效能略显不足，很难完全反映数据的动态变化，所以要分析潮汐分量和理论固体潮相关性的变化和发展趋势，采用动态的分析方法不失为一个有效的补充，因此本文采用滑动窗口的计算方法进行数据变化趋势分析作为时间分段分析的补充。对 年月至 年 月的水位整点值数据进行别尔采夫线性滤波计算，将得到的潮汐分量和理论固体潮整点值以 值（平均一月数据量，小时 天）步长进行一阶线性回归滑动计算，其计算方法可以表示为：（）（）（）（）槡其中为第组样本的相关系数，信度，残差自由度 ，数据样本损失数 （尾部）。最终得到一组相关系数的滑动计算结果，对该结果进行均值分析（图），月均值曲线显示相关系数的平均值为 。分析结果显示：淮镇地震之前个月存在一个低值异常；文安地震前个月存在低值异常；年之后相关系数的数值有明显变大的趋势，并在 年月形成一个大于 的高值区，显示该时间区域内潮汐分量与理论固体潮相关度较高。形成这种现象的原因一种可能是由于该井为震旦亚界雾迷山组灰岩岩溶裂隙承压水，而岩图相关系数滑动均值分析图期呼晶磊等：年以来马 井水位、气压观测资料分析溶又是一种极不均匀的含水介质。岩溶在形成过程中的岩溶化程度的差异，导致其富水性和导水性在空间分布上很不均匀，马 井的岩溶介质由于地下断层的断层蠕动可能使其岩溶化程度发生了改变，使灰岩受到潮汐应力作用产生形变时，其贮存在内的地下水流入井的能力有所增强。第二种可能是含水岩层发生体膨胀，含水层的孔隙水压降低，井水位下降（近几年该井水位有所下降），表明水体受到的潮汐应力增大。气压效应分析井孔水位的气压系数（或气压效率），是指单位气压变化量引起的井水位变化量。可表示为。式中：为气压系数，为气压变化量，为气压引起的井水位变化量。气压系数是表征井孔水位气压效应以及井孔水位对含水层应力应变反映灵敏程度的重要指标。这就是说，井孔水位气压系数愈大，其气压效应愈大，对含水层应力应变也反映得愈灵敏；井孔水位气压系数愈小，其气压效应愈小，对含水层应力应变的反映也愈不灵敏。假定水位、气压在某一计算时段内受其他因素影响为一定值，水位、气压之间有线性关系，可用直线拟合它们之间的变化。根据最小二乘法原理，计算气压系数以及气压、水位相关系数。（）（）从原始曲线图分析，该井水位与气压存在一定的对应关系，尤其在 年 月，本地区气压出现大幅度突变时，该井水位出现明显对应变化。选取日均值作为分析基数，分别选取模拟水位观测数据和模拟气压观测数据的个样本，进行一阶线性回归分析（表）。进行趋势补充分析时，将水位和气压整点值以 值（平均一月数据量，小时 天）步长进行一阶线性回归滑动计算，对该结果进行均值分析得到图，结果显示：样本分析气压系数为 ，相关系数为 ；滑动分析显示气压系数以负值为主，文安地震前后变化不明显；滑动分析显示水位气压相关系数以负值为主，在大部分时间段内水位、气压存在负相关关系，年下半年开始相关系数处于加强趋势，笔者认为某些时间段出现的水位气压呈正相关状态可能与其他因素对该井水位的影响远远超出了气压因素的影响有关。表水位、气压日均值一阶线性回归结果水位曲线形态气压曲线形态时间段截距相关系数气压系数（）上升、峰部为主、拐点谷部上升 中部平台上升峰部 底部平台下降中段，变化较大 突出峰部变化较大 峰部平台谷部上升 模拟观测平均值 图相关系数滑动日均值分析图华北地震科学 卷资料综合综合以上资料和计算结果进行梳理分析：观测水位存在固体潮效应，尤其在水位的潮汐周期部分与理论固体潮存在相关性；观测水位受到了气压的影响，某些时段表现得尤为明显。淮镇地震前后日极差值均存在明显的高值异常变化，震前固体潮相关性滑动分析存在明显的低值异常。资料计算结果显示日极差值在文安地震前的一年半时间内存在一个上升过程，固体潮相关性滑动分析显示震前个月存在低值异常。固体潮效应滑动分析显示在 年月存在一个高值区，年之后水位的固体潮相关性一直处于加强状态，水位的潮汐因子与理论固体潮的相关程度越来越高。讨论表列举了近几年来该井存在一系列变化，根据变化初步探讨造成这些变化的原因。表分析项目结果汇总表项目分析结果或表现形式可能造成该结果的原因水位近几年来水位呈下降趋势常年开采影响；含水岩层发生体膨胀，含水层的孔隙水压降低水位原始记录曲线近期频繁出现的非震荡曲线状态逸出气体减少、常年开采造成流量减少所致日极差值汶川地震之后日极差值数据总体趋势上处于下降状态在垂直方向上水体所受能量之和有所减小水位 潮 汐 因 子 与 理论固体潮相关程度文安地震 后 总体趋 势 上 处 于 上 升 状 态，在 年月形成一个高值区断层活动可能使出水层岩溶化程度发生了改变，贮存在内的地下水流入井的能力有所增强；含水岩层发生体膨胀，含水层的孔隙水压降低水位和气压相关性汶川地震之后总体趋势上处于上升状态；气压大幅改变时水位与气压明显负相关影响水位变化的其他能量因素减弱了（影响气压效应显现的其他因素变小了）异常情况 年月 日曾出现喷黑水的情况常年开采造成自流井衰减这些结果显示该井在多年开采的大背景下，文安地震尤其是汶川地震后该井所处地区的区域地质构造可能存在一定改变，结合该井属自流热水井的特征，含水岩体发生微破裂的可能性较高，因此笔者试图结合相关资料对分析结果进行讨论。淮镇地震按照扩容（）模式进行讨论：震前阶段，岩体原有裂隙趋于闭合，水位含水层受压，孔隙压增大，水位上升，影响该井水体的能量加强，日极值慢慢变大，固体潮效应减弱，水位变化与固体潮相关性减弱。震前阶段，岩体微破裂，岩体体积增大，发生扩容，孔隙压减小，水位下降，影响该井水体的能量减弱，日极值变小，水位变化与固体潮相关性加 强（年月 日，分 钟 水 位 突 降）。震前阶段，扩容区外围地下水补水，孔隙压力回升，水位上升（年月日，分钟突升 ，天后发震），影响该井水体的能量加强，日极值变大，固体潮效应减弱，水位变化与固体潮相关性减弱，直至发震。从分析结果来看，水位的潮汐因子与理论固体潮相关性较好，因其为滑动数据所以存在一定前瞻性；日极值对水位的较大变化反应极其灵敏，但受到异常能量的影响，在这种较短时间段分析上指向性意义不强（图）。文 安 地 震 发 生 前 天 后 存 在 明 显 异 常（年 月 日，水位上升），异常时间跨度较长（个多月），但从较长时间段的日极值和水位的潮汐因子与理论固体潮相关性分析结果来看，文安地震与淮镇地震之前的分析结果存在一定的相似性，结合文安地震的地震动持续时间短，强度小等一系列特殊特征，是否表明这个异常时间跨度存在一定的合理性？这个问题需要进一步研究。期呼晶磊等：年以来马 井水位、气压观测资料分析图淮镇地震前数据分析图 文安地震和汶川地震有可能使该地区的区域应力场发生了改变，杨国华在 汶川地震对华北地区水平形变场影响及其含义的讨论 一文中提到的华北地区在汶川地震后相对于 年形成了南部地区右旋形变、北部地区东西拉张的变形格局，笔者认为汶川地震后马 井含水层岩体裂隙应趋于扩张状态，孔隙压变小，水位的潮汐因子与理论固体潮相关性加强，进而造成该井水体的能量持续减弱，日极值变小，气压效应有所加强。结论马 井观测水位确定存在固体潮效应和气压效应，水位与固体潮存在正相关关系，与气压存在负相关关系，但这种效应表现的不是非常显著。近年来，该井水位、气压数据分析结果显示一定的趋势性变化，这种现象可能由于文安地震尤其是汶川地震造成区域应力场有所变化造成的，这种趋势性改变在无震条件下发生转折的时候存在断层活动加剧或者邻近地区发生较强地震的可能。淮镇地震和文安地震前数据分析结果显示一定的异常信息，淮镇地震前的分析结果表现得更为明显和清晰，文安地震前的分析结果则需要进行深入研究。参考文献：中国地震局科技监测司地震地下水手册北京：地震出版社，尹风春，于书泉，梁浩洁，等 马 井开采对马 井水动态观测的影响华北地震科学，（）：卢静芳，许秋龙，张洪斌，等日极差法在识别地下水异常动态中的应用内陆地震，（）：黄树成，曲亚辉 数据流分类技术研究综述 计算机应用研究，（）：国家地震局地下水影响因素研究组 地震地下水动态及其影响因素分析 北京：地震出版社，董守玉，贾化周，万迪堃，等 井水位气压系数探讨 地震研究，（）：汪成民，车用太，万迪堃，等地下水微动态研究北京：地震出版社，刘爱文，常宝林，李雨生，等 年月日河北省文安 级地震震害分析震灾防御技术，（）：杨国华，杨博，张风霜，等汶川地震对华北地区水平形变场影响及其含义的讨论地震，（）：华北地震科学 卷 ，（，；，）：，：；櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥 华北地震科学 征稿简则一、华北地震科学 是河北省地震局主办的地震科学综合性学术季刊。每季末出版。主要刊登地震学方面具有创新性的研究成果，也登载一些与地震有关的地球物理、地震地质、地震工程等方面的学术论文及与地震科学有关的实验、观测、考察、问题讨论等方面的论文。二、来稿要求及注意事项 来稿要求选题新颖、论点明确、论据可靠、数据准确、文字简练。每篇论文（包括图、表、参考文献和 字以内的摘要）一般要求不超过 字，其中插图以不超过幅为宜；其它短文（含图、表和参考文献）一般不超过 字，其中插图以不超过幅为宜。字号为号字。另附英文题目及英文摘要。来稿包括：摘要、关键词（个）、引言、正文、结语和参考文献，以及何种基金资助、作者简介等项内容。文中外文字母、符号必须分清大小写、正斜体；上下角的字母、数字和符号，其位置高低应区分明显。对易混淆的外文字母、符号及字母的大小写需标清。文中计量单位一律采用中华人民共和国国家标准 量和单位 中颁布的法定计量单位，非许用单位，务请换算成许用单位。文中插图需提供激光打印图，线条要均匀；照片层次、反差要分明。图中内容、文字及符号须清晰，并与正文一致。插图如涉及国界，可尽量避开；如必须保留，则须把图中内容直接绘在地图出版社最新出版的带有国界的地理图上。表格一律采用“三线表”，即每个表基本上由三条组成，去掉竖线（必要时可加少量辅助线）。参考文献应列全，而且应是已公开发表的；未公开发表的资料请勿列入，但可做为脚注处理。文中所引文献必须与文末所列出文献一一对应。文末参考文献的著录格式，每条文献内各项的排序是：专著作者书名出版地：出版者，出版年页码期刊作者文章名称刊物名称，出版年，卷（期）：页码论文集作者文章名称 文集名出版地：出版者，出版年，页码译著作者（或中译姓名）中译书名译者出版地：原著出版者，出版年，页码学位论文作者题名学位授予地：学位授予单位，发表年，页码 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