茅山断裂带周边地区流体井水位观测特征及机理分析

胡米东，毛华锋，陈启林，王皓，张杰，霍雨佳，黄群

(江苏省溧阳地震台，江苏 溧阳 213332)

0 引 言

大量地下流体以多种形态存在各种地壳介质中，在一定条件下亦能完成位置和形态变化。同时地下流体具有不可压缩性和易流动性，当它赋存于一定封闭条件的承压环境中时，井—含水层系统的动态响应能够客观、灵敏地反映地壳介质所受的应力应变信息[1-2]。地下流体观测是以捕捉地震信息为目的的浅层地壳流体观测手段[3]，但它能间接获得地球深部信息，有效揭示地壳介质对应力应变响应，因此地下流体观测成为研究地震科学问题的重要手段，地下流体观测特征的研究多年来也一直是研究热点。车用太等介绍了我国地下流体井观测中水温固体潮、水温同震效应、水温前兆异常等特征,并对机理做了理论分析[4]。孙小龙等利用不同的水力响应模型分析了井水位对地震波、固体潮和气压的响应特征，并基于相关水力响应模型反演估算了含水层的水力参数[5]。刘耀炜等利用云南流体井网水温观测数据，研究了2007年宁洱6.4级地震前云南流体井网水温观测数据的异常特征[6]。冯琼花等利用海口向荣村ZK46井多年水位观测资料，总结井水位正常动态变化规律、典型干扰因素及同震响应特征[7]。史凯介绍苏15井的地质构造情况和地下水位等数字化观测资料的特征，对水位的气压效应和潮汐效应进行初步探讨，并计算出数字化水位日均值条件下的气压系数[8]。

自然界中有一些明确力源的加载作用，例如地震波、气压和降水等，可引起井水位动态变化。本文拟收集茅山断裂带和茅山断裂带周边地区六口观测井的参数资料、水位观测数据、部分地震数据、气象三要素等资料，对比分析各井水位对地震波、气压、降水的响应特征，并结合前人研究成果，对各响应特征进行机理分析，以期对茅山断裂带周边地区各观测井水位观测特征取得一些新看法。

1 茅山断裂带及周边流体井概况

茅山断裂带由茅山西侧断裂带和茅山东侧断裂带以及两者所挟持的茅山断块组成。茅山断裂带沿茅山山脉碾转曲折向北北东方向延展，在镇江以东丹徒横山与谏壁之间穿过宁镇反射弧，跨过长江经江都宜陵延至兴化，长约200km。有记载以来江苏陆地发生5.0以上地震19次，其中茅山断裂带及周边地区达12次，包括2次6.0级地震，且2次6.0级地震是江苏陆地所发生的最大地震。可见茅山断裂带及其周边地区是江苏陆地中强地震最为活跃的区域，对茅山断裂带周边地区流体井水位观测特征研究是必要的。构造地震孕育和发生是活动断裂活动引起的，把流体观测井选在活动断裂带上，最有可能捕捉到地震活动异常信息。目前茅山断裂带周边共有苏22井、上兴井、上沛井、苏16井、苏18井和苏19井6口观测井(图1表1)。观测井除水位和水温测项外，还配备气象三要素辅助观测。江苏地下流体井网构建已近四十年，受经济和技术条件制约，最初江苏地下流体井大多利用石油等外系统探测井改造后进行观测。随着近年来数字化改造、监测环境改造和抗干扰项目的建设，江苏地下流体井观测环境、观测设备质量和数量已初步满足地震监测预报需求。

表1 各井基本参数

图1 茅山带周边流体井分布

2 各流体井水位动态特征

2.1 同震响应特征

水位同震响应是地震波经过含水层时引起含水层内交替发生弹性压缩和拉张变形，井水位交替出现上升与下降的振荡变化或阶变现象，是观测井水位重要特征之一。上沛井2021年1月开始观测，同时考虑震中距和地震方位等因素(样本地震尽量位于观测井不同方位)，因此选择2021年5月22日青海玛多M7.4、2021年12月22日江苏天宁M4.2和2022年3月16日日本本州东岸近海M7.4级地震作为样本地震。统计发现茅山带周边六口井水位对该三次地震同震响应8次，同震响应比44%；同震响应形态不尽相同，简单可分为振荡型和阶跃型(阶跃上升型和阶跃下降型)；对不同样本地震各井响应情况差异较大，5口井水位对玛多M7.4级地震出现同震响应，2口井对日本近海M7.4级地震出现同震响应，仅1口井对江苏天宁M4.2级地震出现同震响应；不同井对样本地震响应情况差异也较大，苏22井对三次地震均出现同震响应，苏19井对三次地震均未出现同震响应。青海玛多M7.4级地震发生后，苏22井水位响应振幅达143 mm,是所有响应振幅中最大的，而上沛井在日本近海M7.4级地震后水位响应振幅仅2 mm(表2)。

表2 各井水位同震响应基本参数

2.2 降雨荷载效应特征

影响观测井水位的因素较多，其中降雨量是重要因素之一。不同的观测井对降雨的荷载效应不尽相同。为了更好反应茅山断裂带周边各井水位的降雨荷载效应，选择降雨量较大的2021 年7月各井水位和降雨量数据进行分析研究。期间茅山断裂带周边地区出现三次持续性降雨和多次短时强降雨,其中7月25日～28日持续性降雨量最大，且各井附近均出现持续性降雨，各井点记录的降雨量相差较小。7月17日短时强降雨量较大，同时两次降雨前后均出现连续多日的无降雨天气，利于分析各井水位对持续性降雨和短时强降雨荷载效应。

图2 各井降雨与水位对应曲线

表3 各井降雨荷载效应基本参数

计算发现(表3)，上兴井水位是6口井中对短时强降雨和持续性降雨响应最敏感的，水位变化量与两种不同类型降雨量比值均在2.0以上，远远高于其它5口井；上沛井水位对短时强降雨和持续性强降雨的响应敏感度是6口井中最低的，水位变化量与降雨量比值分别为0.26和0.21。苏22井两种不同类型降雨的水位变化量与降雨量比值差值最大，水位对短时强降雨响应敏感度远远高于持续性降雨；同时上沛井水位对长时间降雨的响应持续时间较短，7月25日～28日长时间降雨后，7月29日水位即恢复至降雨前水平。苏22井对持续性降雨的响应持续时间最长，8月4日水位恢复至降雨前水平。

2.3 气压系数特征

井水位的气压效应是指水位随气压的波动而表现出的起伏现象[9]。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。水位的动态变化是多种因素叠加引发的综合活动。从井水位这个复合信息参量中剥离出大气压力因素，通过特有机制找出井水位与大气压力的特定关系，难度往往大于获取复合信息参量本身。车用太、汪成民等人针对水位与气压回归模型提出了一元回归、二元回归与一阶差分等方法[10]。

表4 各井气压系数基本参数

为获取气压系数的正常背景值,本文在样本数据选取过程中尽量避免降雨及地震活动频发时段，避开降雨和同震响应对水位的影响，这样水位数据中主要包含气压和潮汐两种干扰成分。选水位与气压整点值利用别尔采夫滤波分析方法滤去潮汐的影响；对滤波后气压与水位整点值进行一元线性回归,计算气压系数。对所取得计算结果进行合理性检验，水位与气压呈正相关关系、两者相关系数低于0.6、气压系数超出10mm/hPa的结果均被认为不合理。选取2021年10～12月各井水位和气压整点值资料，对6口井进行水位与气压的一元相关分析，结果见表4，各井气压与水位相关曲线见图3计算结果显示，上沛井是所有井中气压系数最高的，达到7.367 5 mm/hPa、苏16井和苏18井的气压系数也较高，超过5mm/hPa；同时上沛井和苏16井气压系数变化幅差较低，表示井的气压系数较稳定，变化不大。图3显示，上沛井、苏16井和苏18井水位与气压存在较好的负相关性，而苏19井、上兴井和苏22井水位与气压负相关性较差。

图3 各井气压与水位对应曲线

3 各流体井水位动态特征机理分析

3.1 同震响应特征机理分析

研究表明，地震产生的地震波与含水层发生相互作用，从而引起含水层渗透性出现短时或者永久变化，进而导致井水位发生变化[11]。井—含水层渗透性变化是解释地震同震水位变化的一个可能机制，并且渗透性的变化可能出现在井的上水力梯度或者下水力梯度方向，从而出现井水位上升或者下降变化[12]。苏22井在三次地震后均出现同震响应，但苏22井的三次震中距均不是所有井中最小的；苏19井对三次地震均未出现同震响应，苏19井的三次震中距均不是所有井中最大的。研究表明对于同一口观测井，一定时期之内震级与震中距是影响水位同震响应灵敏度的主要原因，但对于不同观测井，震级与震中距往往不是主要影响因素，井孔所在位置的构造环境、水文地质条件和成井工艺水平均有影响。苏22井周边区域内断裂构造较为发育，小断裂非常丰富，同时该井观测含水层是12 m以下混合水，是所有井中观测含水层埋深最浅的。苏22井水位对玛多M7.4级地震同震响应幅度远大于日本近海M7.4级地震，分析认为该现象不仅与两次地震的震中距有关，同时也与地震波在液体中传播能量衰减更快有关。总之,地下流体的同震响应是一个复杂的现象，具有极强的个体特征[13]。

3.2 降雨荷载效应机理分析

贾化周认为观测井水位往往会在数小时强降雨之后急剧上升,雨后缓慢下降，该现象与补给区和排泄区降雨没有关系,只与观测井当地降雨量及降雨面积有关，它既不是补给区抬高水头,水压传递，导致井水位上升；也不是排泄区水位抬高,地下水排泄受阻，导致井水位上升；更不是雨水入渗的结果,而是降雨造成的附加应力向下传递的结果[14]。承压含水层——井孔系统中地下水大部分处于围限状态，水量一般情况下不会发生改变。降雨荷载效应主要使含水层应力应变状态发生变化,致使含水层孔隙度和孔隙水压发生相应的变化,从而导致水位的相应变化。茅山带周边6口观测井水位均对不同类型的降雨产生变化，但变化不尽相同。其中上沛井水位对短时强降雨和持续性降雨敏感度均不高，分析原因与上沛井周边地形及上沛井观测含水层顶板埋深有关。上沛井位于山坡之上，地势相对较高，周边降雨不易汇集；同时上沛井观测含水层埋深864～876 m和1 017～1 025 m、套管深度862 m，在降雨量和荷载面积一定的情况下，含水层埋深越大降雨造成的附加应力向下传递效能将逐渐减弱，含水层的孔隙度和孔隙水压变化越小,水位变化也越小。苏22井水位对短时强降雨敏感度远高于持续性降雨，分析原因与苏22井周边的地形有较大关系。苏22井位于两山山坳之间，周边呈低洼漏斗形状，强降雨容易导致雨水汇集排泄受阻，从而导致附加应力迅速向含水层传导。持续性降雨时，由于短时内雨水汇集量不大排泄通畅，附加应力也较小。上兴井是所有井中对强降雨和持续性降雨敏感度最高的，水位变化量与降雨量比值均在2.0以上，分析原因与上兴井周边的地形及少量地表水渗入有关。上兴井位于两山山脚处，两山呈环绕形态，山脚地势低洼，雨水容易汇集而不易排泄；查看上兴井水温数据发现，降雨后水温往往出现下降，怀疑存在少量地表水或地下水渗入的情况。

3.3 气压效应机理分析

研究发现井孔水位的气压系数与含水层岩性关系十分密切。在相同气压作用下，不同含水层岩石受力后产生的形变量亦不同。松散的第四纪砂砾石受气压作用后形变量较大，导致水体承担的气压作用力较大，含水层孔隙水压的增量较大，井水与含水层间形成压差就小，井孔气压系数就小；反之含水层岩性较硬，井孔气压系数就大。苏18井含水层岩性是硬度较大的灰岩，导致苏18井气压系数较大。另外气压系数与含水层顶板埋深表现出正相关关系。由于气压附加应力作用地面向地下深部传递过程中，深度愈深，应力衰减愈大，导致井孔与含水层之间压差愈大，井孔气压系数也愈大。上沛井含水层顶板埋深864 m，是各井中最大的,因此上沛井气压系数较大。

4 结 论

通过对茅山断裂带周边地区6口流体井水位同震响应、降雨荷载效应、气压系数等观测特征计算分析可知：

(1)茅山断裂带周边地区6口流体井水位同震响应、降雨荷载效应、气压系数等观测特征指标差异性较大，各井孔的观测特征具有较强的个体特征。

(2)苏22井水位对各类型地震同震响应灵敏度最高，苏19井水位对各类地震均无同震响应。分析认为对于同一口观测井，一定时期内震级与震中距是影响水位同震响应灵敏度的主要原因。但对于不同观测井，震级与震中距往往不是水位同震响应灵敏度的主要影响因素，井孔所在位置的构造环境、水文地质条件和成井工艺水平对观测井水位同震响应灵敏度有较大影响。

(3)6口流体井对持续性降雨和短时强降雨的荷载效应有较大差别。分析认为井孔降雨荷载效应是降雨造成的附加应力向下传递的结果。井孔周边的降雨量、降雨强度、井孔周边的地形、观测含水层顶板埋深对观测井降雨荷载效应有影响。

(4)苏18井含水层岩性是硬度较大的灰岩，上沛井含水层顶板埋深较大，两口井水位气压系数均较大。分析认为井孔水位的气压系数与含水层岩性和含水层顶板埋深关系密切，含水层岩性越易形变，井水位气压系数越小；含水层顶板埋深与井孔水位气压系数呈正相关关系。