用于地震前兆观测的地下水观测井大都是从20世纪70年代以来相继改建和新建的,其类型主要有潜水、承压水以及混合水。经过几十年的观测,井孔观测条件、观测状况是否发生变化,值得进一步了解。另外,井水位观测不仅观测到地震异常信息,还观测到一些与地震无关的干扰信息,其动态变化能直接或间接地反映井水位观测的质量和可信度。利用不同的数理模型和方法进行井孔含水层地下水埋藏类型的分析和判别,将为科学严谨地判定水位观测的质量和可信度评价、水位观测的准入(退出)机制、观测井(点)的勘选等提供有效途径,可进一步提升观测井地下水监测的有效性和科学性。

截至目前,利用多方法进行地震观测井地下水埋藏类型的综合分析和研究鲜有报道,但利用不同方法进行地下水埋藏类型的诊断研究,国内外学者进行了不同程度的尝试,主要有:①Rasmussen和Crawford(1997)提出了利用井水位对气压的阶跃响应函数可进行地下水埋藏类型的定量诊断。近年来,国内外学者采用该方法开展了相关研究(Toll,Rasmussen,2007; Darner,Sheets,2012; 杨柳等,2014; 丁风和等,2017; Ching-Fang,2018),并给出了井水位对气压的阶跃响应函数和滞后时间之间变化规律的关系式,定量区分了承压水、非承压水(潜水)和半承压水(丁风和等,2017)。②天文观测已对固体潮分量的频率特性了解得很清楚,一般考虑M₂、O₁、K₁、S₂和N₂波5个主要分量(占全部起潮力的95%以上)。利用频谱分析(潮汐波分量的预期响应)也可以诊断和判别含水层的地下水埋藏类型(Weeks,1979; Rojstaczer,Riley,1990; Rahi,Halihan,2013)。③利用垂直流或水平流状态下的相位为正(超前)或为负(滞后),来判别含水层是承压水还是非承压水(Roeloffs,1996; Shi,Wang,2016)。

本文利用宁夏南部及邻区的6口地震观测井的数字化水位和气压等资料,基于井水位对气压的阶跃响应函数方法、频谱分析法、潮汐波群相位超前或滞后法3种方法来诊断和判别各井含水层的地下水埋藏类型。结合各井点近几年水化学离子样品测量结果,利用Piper(1944)三角图评价其水-岩平衡状态。最后,综合评价了各井井-含水层系统的地下水埋藏类型。

目前宁夏南部及邻区用于地震前兆监测的潮汐波清晰、气压效应明显的数字化水位观测井主要有海原甘盐池井、西吉王民井、固原东山坡井、平凉柳湖井、平凉铁路井和静宁威戎井,具体空间位置如图1所示,其基本信息见表1。

图1 本文研究的6口井的空间位置
Fig.1 Distribution of the six wells for groundwater observation in this study

表1 本文研究的6口井基本信息
Tab.1 Information of the six wells in this study

本文研究的6口井水文地质条件不尽相同:①海原甘盐池井地处海原断裂带内部的甘盐池拉分盆地中,隔水层为黏沙土,有较好的封闭性,观测含水层为第四系盆地边缘裂隙含水层,岩性孔隙大,透水性较好,易受降雨和浅层水的影响。②西吉王民井位于新生代断陷盆地内,该区覆盖着较厚的第四系黄土。观测含水层为第三系向斜承压水,岩性为砂岩。补给来源为大气降水和基岩裂隙水,地下水补给源远,径流途径长。③固原东山坡井位于新生代断陷谷地内,断层及节理裂隙发育。观测含水层是第三系的中粒砂岩层,地下水类型以裂隙水为主,富水程度取决于所处的构造位置及构造性质。井水补给主要为东、西、南基岩山区的侧向径流和大气降水,较低的地形条件,成为地下径流汇集的有利地带。④平凉柳湖井位于六盘山东侧的阶地上,为柳湖公园的补给水井。含水层岩性主要为砂砾岩,补给来源为泾河上游和断裂带裂隙水。⑤平凉铁路井位于六盘山东麓断裂附近的河流谷地内。主要含水层为白垩系砂岩、砾岩,地下水类型为裂隙承压水。含水层封闭性较好,一定程度受降雨影响。⑥静宁威戎井附近构造复杂,主要含水层为石英砂岩,承压裂隙孔隙水。含水层封闭性较好,一定程度受降雨影响。

本文研究资料包括:6口井的水位和气压整点值数据,并使用三次样条插值和一般多项式分段拟合值进行缺数补齐; 各井的理论固体潮整点值; 各井点的excel文件,内容包括时间(等间隔的整点值)列、水位列、气压列和理论固体潮列。需要说明的是,水位须由埋深值换算成水头高度值,单位为m。

地下水的地球化学敏感性是地下水系统对自然和人类活动影响的敏感程度所反映的固有属性,且地下水系统中的化学变化相当复杂多变(张炜等,1988; Karimi et al,2017; Stober,Bucher,1999; 张炜斌,2013; 胡小静等,2020)。判定地下水的水-岩相互作用程度,除地下水中阴、阳离子含量(绝对浓度)外,各离子的百分含量(相对浓度)也有较好的指示意义。其中,Na-K-Mg三角图常用来评价水-岩平衡状态和区分不同类型的水样,能把混合水和平衡水很好地分开,样品落在不同的范围内,其意义也不一样:①若落在未成熟水范围内,表明其为浅层的地下水,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若落在部分平衡水范围内,表明其补给来源中除了大气降水外,还有较深层地下水的混入,水-岩反应相对较弱,水流系统相对较为稳定,不易受到干扰; ③若落在完全平衡水范围内,说明水-岩反应较为充分,补给来源主要来自于深层地下水,大气降水补给少。

本文收集整理了2017年以来6口井的水化学离子样品测量结果,数据来源为李新艳等2017年地震科技星火计划中宁夏井泉离子样品测试结果和中国地震局地壳应力研究所全国地震观测井水化学普查结果。对每口井中每种离子进行了均值计算,并投影到三角图中(图6)。由图6可见:从水-岩平衡状态来看,西吉王民井和固原东山坡井处于部分平衡水范围,即地下水的补给来源中除了有大气降水外,还有较深层地下水的混入; 其余4口井都处于未成熟水范围内,以浅表水为主,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,且靠近Mg端元。

图6 6口井多年平均水化离子三角图
Fig.6 Plot of the annual average Na-K-Mg in the six wells

本文利用宁夏南部及邻区6口井的数字化水位和气压等资料,使用3种方法诊断和判别了各井含水层的地下水埋藏类型,并结合各井点近几年水化学离子样品测试结果,分析了各井的水-岩平衡状态,综合评价了各井井-含水层系统的地下水埋藏类型,主要得出以下结论:

(1)基于3种方法诊断和判别固原东山坡井、平凉铁路井和静宁威戎井含水层的地下水埋藏类型都为承压水,与外界有着一定的水力联系。海原甘盐池井、西吉王民井和平凉柳湖井不同程度地表现出承压水的特征,但与外界水力联系关系密切。从以上结论可发现,依据成井时的贮存埋藏条件定性判别的地下水埋藏类型与多方法综合判定的这6口井的地下水埋藏类型不一致,其原因虽然为有些井点在承压区(具有承压性)内,但比较靠近补给区或排泄区,受控于区域地形地貌、构造特征以及裂隙发育程度等,使得井孔中的地下水与外界有着一定的水力联系。有些井点虽然也在承压区内,但井管常年失修腐蚀,存在破损现象,地表水和浅层水很容易进入井管内,与外界的水力联系也很密切。Na-K-Mg三角图反映的水-岩平衡状态能提供很好的佐证。

(2)各井对潮汐波群的响应幅度(振幅)、相应波群的潮汐因子与各井与外界存在水力联系的强弱存在非常好的一致性,即响应幅度和相应波群的潮汐因子越大,井孔与外界存在水力联系越小,反之亦然。这两个指标可反应出井含水层介质的裂隙发育程度、孔隙度大小及裂隙发育程度等。但各井承压性的强弱和与外界存在水力联系的强弱有着一定程度上的不一致性。如卷积回归方法确定的海原甘盐池井、固原东山坡井、平凉铁路井和静宁威戎井都为承压井,且从井-含水层系统承压性强弱看,平凉铁路井最强,静宁威戎井次之,之后为海原甘盐池井,固原东山坡井最弱,这与上述界定的各井与外界存在水力联系的强弱是不一致的。另外,基于多方法综合评价的6口井井-含水层系统承压性由强到弱分别为平凉铁路井、静宁威戎井、固原东山坡井、西吉王民井、海原甘盐池井和平凉柳湖井。以上不一致很可能与各井含水层的水力特性、裂隙发育程度、井孔结构和固体潮汐波频率等存在差异有关。

(3)地震系统内的水位观测井已经观测了几十年,目前其井孔结构、与外界水力联系以及含水层特性等是否发生变化,相应地其产出资料的质量和信度是否可靠并不清楚; 新建的观测井以及从石油、水利和国土等部门移交过来的观测井,如果资料缺失,如何利用这些井开展研究,通过本文研究可以找到很好的解决办法:一是只要有≥2 d的水位(满足潮汐波群相位超前或滞后的需要)、气压数字化观测整点值资料; 二是取一次水样,进行水化学离子组分等分析,就能综合评价这些井孔的地下水埋藏类型,最终为观测井(点)的勘选以及提高观测质量和资料信度等提供依据。

在本文撰写过程中,得到了中国地震局地质研究所车用太研究员、应急管理部国家自然灾害防治研究院刘耀炜研究员以及审稿专家和编辑部老师的悉心指导和帮助,在此一并表示衷心的感谢。