宁夏海原红羊井水位、水温同步变化特征分析

王晓涛，丁风和，贺嘉伟，马云举，马治宁

（宁夏回族自治区地震局，宁夏 银川 750001）

0 引言

地下流体是影响地震孕育与发生的重要因素，可灵敏反映重要前兆信息，是地震预测、预报的有效手段之一[1-2]。但其受多种自然环境的影响也较大，因此如何识别和排除各种干扰异常，是地震分析预报工作中的重要任务[3]。影响地下水位变化的因素很多，普遍存在的有开采、降雨、气压及固体潮等，多位学者曾对地下水位与各干扰因素的关系开展了研究[4]。地下流体水温观测中微小的变化可能反映地震孕育、发展和发生过程或地壳构造活动引起热状态的改变，在地震监测预报研究中发挥着重要的作用，因此水温异常识别和提取是地震预测预报的一种有效手段。另外有学者就水位、水温的同步性变化特征进行了讨论，根据同步尺度的不同，对同步协调的机理进行解释[5]。

海原红羊井水位于2020年2月20日出现快速下降，下降幅度达0.013m，同一时段该井水温也出现下降，下降幅度达0.016℃，两者出现了同步协调变化（图1）。根据观测资料统计，2015年中旬以来，水位、水温多次出现瞬时同步变化现象，其中水位最大变化幅度达0.068m，水温最大变化幅度达0.032℃。2015年5月1日至2020年3月24日，红羊井水位、水温出现的同步协调变化现象共计28次，其中同步上升共25次，同步下降共3次。该异常变化是区域构造活动造成的，还是由其他干扰因素所致？针对这一问题笔者分别从干扰因素调查分析、井下电视检查、水化学分析、滞后时间与阶跃响应函数分析、频谱分析、潮汐参数分析计算及区域其他前兆异常对比分析等多种方法对该井出现的水位、水温同步变化进行了综合分析。

图1 海原红羊水位、水温整点值曲线图（2019年10月—2020年3月）Fig.1 Curves of water level and water temperature in Haiyuan Hongyang Well from October 2019 to March 2020

1 区域背景资料

海原红羊井是宁夏地质局第一水文地质队1976年8月建成，成井深度416.50m，套管直径127mm，孔口标高2095.63m，观测段位于12.88～416.50m，水位降深44.20m。开始观测时间为1980年。观测含水层为K1砂岩、砂砾岩，成井时涌水量为0.625L/s，水温9℃，pH值7.2，地下水类型为承压水。

红羊井位于宁夏海原县红羊乡东约1.5km，下红羊村北。地处南华山南麓与月亮山北麓之间的中低山丘陵地带。海拔高度2083m。该测点属无人职守，距海原县城53km，有乡间柏油路，交通便利，供电、通讯条件好，维护看管安全可靠。红羊流体观测台位于海原断裂带南侧，月亮山北麓，场区地貌类型以黄土丘陵及土石山区为主。场区所属海原—六盘山弧形构造带内，区内地震活动强烈，如1920年海原8.5级特大地震就发生在测点以北的海原断裂带上。

图2 红羊井水温随深度变化曲线Fig.2 Curve of water temperature with depth in Hongyang Well

2 异常调查分析

2.1 干扰因素分析

针对红羊井自2015年中旬以来多次出现水位、水温同步变化现象，笔者联合流体学科组专家及台站工作人员成立异常核实小组，对该现象进行了核实，检查的项目包括：观测系统检查、气象因素调查、周边地下水使用调查、周边地下水补给与排泄干扰调查。最终调查结果表明：红羊井观测仪器工作正常，数据采集、供电系统、避雷系统工作正常，水位、水温探头电缆固定装置均正常。观测点东北侧有一工地抽水井，井深17m，该井的抽水可能对红羊井水位、水温产生影响。

2.2 水温梯度实验

台站工作人员按照规范要求对红羊井进行了每3m间隔的水温梯度测量，测量结果如图2、图3所示。结果表明，随着观测井深度增加，水温逐步增加。井下0～12m段，随井深增加，水温增加速率较为明显，水温梯度变化也大。在井下12m处，水温梯度曲线斜率发生变化，结合井孔柱状图分析，井下12m段含水层岩性发生变化，由砂砾岩变为含砾粗砂岩。井下12～51m段，随深度增加，水温增大幅度变化不大，梯度曲线较为光滑，表明该段井下套管封闭性较好。在井下51m处，温度梯度曲线斜率发生明显变化，该处往下随深度增加，水温变化幅度也较大，由此推测井下51～54m段井孔可能与外界有很强的水力联系，初步判断该段护壁的套管可能由于长年受井水腐蚀导致封闭性变差。

图3 红羊井水温梯度随深度变化曲线Fig.3 Curve of water temperature gradient with depth in HongyangWell

2.3 井下电视检查

异常核实小组利用深圳嘉怡丰便携式井下监视系统对井孔进行了检查。下放过程中首先发现水面处漂浮一些悬浮杂质，入水后水质清澈无杂质。井下12.0m左右处悬浮大量杂质且扰动速率较快，结合井孔剖面资料、前述温度梯度测量结果和环境干扰情况调查结果，红羊井在该段存在透水现象，井孔可能与外界有较强的水力联系。井下12.0～51.0m左右悬浮杂质少且扰动速率较慢。在井下51m处，发现井水从井壁外侧向内间歇性快速流动，水流间隔约30秒，推测该段井壁套管可能由于长年受井水腐蚀，封闭性有所变差，与外界有一定的水力联系。探头下放至55m无法继续，从井下电视观察该处已被淤泥堵塞。

2.4 多方法综合判定红羊井的地下水类型

2.4.1 基于滞后时间与阶跃响应函数确定的地下水类型

利用井水位对气压的滞后时间与阶跃响应函数可定量诊断井孔的地下水类型[6]，即是否为承压水还是非承压和半承压水。从红羊井2015—2018年水位对气压的滞后时间（12h）和水位对气压的阶跃响应函数的关系可以看出（图4）：二者间存在明显的以e为底的指数函数形式，即A（i）=aebi+c。在第一象限内，其滞后时间i（定义域） 的范围为0～12h，值域阶跃响应函数A（i）的范围为0～1。随着水位对气压的滞后时间的增大，该井水位对气压的阶跃响应函数则呈递减趋势。这表明底数e前的系数a＞0时，水位对气压的阶跃响应函数，随着水位对气压的滞后时间的增大而减小，由此表明该井含水层系统的地下水类型为承压水。

2.4.2 基于频谱分析（潮汐波分量的预期响应）确定的地下水类型

选取红羊井2019年10月至2020年3月的水位整点值数据，得到水位频谱结果（图5）。通过频谱分析发现，引起红羊井水位变化的主要潮汐分波有S2和M2波。其中，S2波由气压引起，M2波由日月引潮力引起，更真实更稳定。另外，从地下水类型和潮汐波预期响应的关系及红羊井原始水位的频谱结果判定来看（表1），该井含水层系统地下水类型为承压水或半承压水的混合水。

图4 2015—2018年红羊水位对气压的阶跃响应函数与滞后时间的关系Fig.4 Relation between step response function of water level and air pressure and lag time of Hongyang Well from 2015 to 2018

图5 红羊井原始水位的主要潮汐分波振幅谱Fig.5 Amplitude spectrum of main tidal partial wave at original water level of Hongyang Well

表1 地下水类型和潮汐波预期响应的关系及红羊井判定结果

2.4.3 基于潮汐波群相位滞后确定的地下水类型

利用维尼迪科夫调和分析程序，分别计算了红羊井水位2019年10月—2020年3月时段M2波和S2波的相位滞后，结果表明：（a） 该时段内M2波相位滞后均值为-2.69°，M2波相位滞后误差为2.57°；（b） 该时段内S2波相位滞后均值为31.31°，S2波相位滞后误差为2.4°。考虑到S2波振幅最大，因此选定S2波相位滞后来判定该井的地下水类型，即基于潮汐波群相位滞后确定的该井地下水类型为半承压水和非承压水的混合水。

2.4.4 基于地下水平衡状态确定的地下水类型

根据Na-K-Mg三角图可评价水-岩平衡状态和区分不同类型的水样，能把未成熟水（浅表水）、混合水和平衡水（深层水）很好地分开。结合地震科技星火计划（XH16040Y）对甘盐池井近几年水化学离子样品测试结果分析发现，除了甘盐池井成井时地下水平衡状态为部分平衡水外，近几年该井都以浅表水为主，且靠近Mg端元。

表2 红羊池井多方法综合判定的地下水类型统计结果

2.5 水化学组分分析

结合地震科技星火计划（XH16040Y），对红羊井近几年水化学离子样品测试结果进行分析发现：

（1） Na-K-Mg三角图用于将水分为完全平衡，部分平衡和未成熟水三种类型，可以较好地用于解释水的起源。将样品数据点投到Na-K-Mg三角图中，结果表明，红羊井全部处于“未成熟水”范围内（图6），表明其为浅层地下水，主要接受大气降水的补给，循环周期相对较快，水-岩之间尚未达到离子平衡状态，水岩作用仍在进行。

（2）根据舒卡列夫分类，红羊井2016年以来3期水化测试结果都表明，红羊井属于Ca-Mg-SO4型水（图 7）， 溶解性总固体 （TDS）高达3618.245mg/L，说明水岩作用较强，井孔内水质矿化度高。另外无论是丰水期还是枯水期井水的阴阳离子差异不大。

图6 红羊井井水水化离子测试三角图Fig.6 Na-k-Mg triangular diagram of Hongyang Well water

图7 红羊井井水水化离子三线图Fig.7 Piper trilinear diagram of Hongyang Well water

（3） 氢氧稳定同位素的变化特征能表明地下深部热流活动状态。以2017年7月同位素测试结果来看（图8），井水同位素靠近全国大气降水线且偏正上方，表明该井除受区域降雨影响外，还受碳氢化合物交换的影响。大气降雨成因，即主要接受大气降雨补给。红羊井水氢氧同位素测值偏大气降水线左侧，呈δ18H正向漂移，表明地下水与围岩介质发生了水-岩反应。

（4） 利用地下水水温（T），依据

可推算井水的大致循环深度（H）。式中t为海原的年平均气温，这里取7.0℃；h为年常温带深度，取30m；地热梯度r的平均值取3℃/100m[7]；地下水温度取10℃。依据上述公式推算出地下水的大致循环深度约H=130m。

2.6 水位潮汐参数计算分析

依据前述频谱分析可知，红羊井水位的半日波中S2波的振幅最大，但考虑到M2波由日月引潮力引起，更真实更稳定。为此，我们利用维尼迪柯夫调和分析程序可获得红羊井水位S2波和M2波潮汐因子和相位滞后等参数。结果表明：（1） 由于S2波主要有气压引起，其潮汐因子、相位滞后时序曲线呈明显的周期变化，除个别时段误差较大外，S2波的潮汐因子和相位滞后整体变化平稳（图12）；（2） 从红羊井水位M2波潮汐因子、相位滞后时序曲线看出（图10），M2波的潮汐因子和相位滞后整体变化平稳。

图9 2019年10月以来，红羊井原始水位的S2波潮汐因子（上）和相位滞后（下）时序曲线Fig.9 The timing curves of S2 wave tidal factor(upper)and phase lag（lower） of Hongyang Well water since October，2019

图10 2019年10月以来，红羊井水位的M2波潮汐因子（上）和相位滞后（下）时序曲线Fig.10 The timing curves of M2 wave tidal factor（upper）and phase lag （lower） of Hongyang Well water since October，2019

2.7 区域其他前兆资料分析

宁夏南部的流体、磁电和形变中，共有15个测项。其中，流体8项，磁电3项，形变4项。2020年度以来，被确定为异常的有（表3）：（1） 海原地电阻率NS向2018年2月以来出现低值下降变化，下降幅度明显大于年变幅度；（2）固原磁测深视电阻率2018年1月以来NS向和EW向10min、20min和40min周期变化不同步；（3）泾源伸缩仪EW向2018年6月以来持续上升，与2011年之后极度类似，存在趋势上升异常。且这些既有异常与红羊井水位、水温多次出现的同步异常变化不存在时间上的同步性和内在联系，且不具备地震前兆异常群体性特征。

表3 2020年度宁夏南部前兆观测趋势异常情况

3 异常机理探讨

在实际工作中常会遇到地震观测井水位异常上升的现象，从机理分析，导致该类异常的原因主要有：（1）区域应力场作用导致含水层孔隙压增加，地下水从含水层流向井内致水位、水温变化；（2）地下水补给量增加；（3）地下水开采量减少。而影响井水温度动态的主要因素是井与含水层间及井筒内的水流运动，其次是井水与井筒外岩石间存在的温度差异，导致井与含水层间与井筒内的水流运动，此时在水温梯度作用下会产生井筒内不同深度上的水温异常变化。根据冷热水混合机理，假定某一井的井水是深层热水与浅层冷水混合而成的，井水中原有的冷热水混合比发生变化，冷水所占比例变小，热水所占比例相对变大，导致井水温上升，水位下降[8-10]。根据前文的论述，基本排除红羊井水位、水温协调同步变化现象是由区域应力场作用导致。

从观测资料分析，自2015年以来，红羊井水位、水温一直呈下降趋势。该井成井深度为416.5m，但55m以下的井筒已被泥沙堵死，实际深井仅55m，观测含水层为12.88m以下的全井段，井水为上层冷水和下层热水的混合水。依据地下水循环深度估算公式，推算出红羊井水的大致循环深度约为130m，意味着该井有来自深部热水的补给。结合水温梯度测量结果，55m放置水温探头处的水温高于上层井筒水温，由于该井在51m处存在与井筒外较强的水利联系，当来自井筒外的深部热水加入到水温较低的井筒中，就会引起温度探头放置处水温的上升及井筒内水位的上升，这也就解释了红羊井自2015年多次的水温、水位同步瞬时上升现象，机理解释图如图11所示。2020年2月20日的水位、水温同步下降异常，可能由于观测井房西北侧的实验工地井抽水，使井筒内的冷水从井壁破裂处（51m处位置）回流至井筒外，导致水位、水温瞬时同步下降。综合分析认为红羊水位、水温同步协调变化符合水-热动力学机制，而非地震前兆异常。

图11 红羊井水位、水温异常机理解释图Fig.11 Diagram of abnormal mechanism of water level and temperature in Hongyang Well

4 结论

井水位、水温异常的变化机理较为复杂，既与区域构造活动有关，也与井孔自身的水文条件密切相关。通过井点历史资料、以及现场对观测系统工作状态检查、水温梯度分析、环境干扰情况调查（降雨和气压等）、井下电视探查、同位素与水化学组分分析、多方法综合判定井的地下水类型、气压系数和潮汐参数分析和区域其他前兆资料分析等，2015年中旬以来，红羊井水位、水温多次出现的同步协调变化真实可信，引起这一现象的原因可能与井下51m处井壁受腐蚀破裂，使得破裂处含水层的地下水与井筒内井水快速交换所致，并非地震构造活动引起的前兆异常，后续需密切跟踪和做更深入的分析。