1 研究背景

自2014年以来, 苏皖交界北部3口流体观测井水位出现群体性异常变化, 即淮北皖22井、睢宁苏02井、睢宁苏03井的水位出现同步转折变化（图 1）, 且睢宁苏03井水温出现准同步变化。这些异常在空间上具有集中性, 在时间上具有同步性, 异常形态相似。诸多研究表明, 某些强震前会出现地下流体群体性异常变化, 如: 车用太等（1997）研究认为同区域不同观测井出现同步同向变化, 可能受到同源应力作用；黄辅琼等（2004）研究认为多口深井水位同步上升代表构造应力场压性增强张性减弱, 为地震的发生提供背景；刘耀炜等（2015）对鲁甸M_S 6.5地震分析得出, 流体出现集中、同步异常, 反映了该区域的应力变化, 可能是地震发生的前兆信息。基于此, 本文对苏皖交界北部流体观测井水位群体性异常进行综合分析, 判定流体异常性质, 为地震趋势判定提供学科依据。

2 研究内容

针对2014年以来, 地处苏皖交界北部的淮北皖22井、睢宁苏02井、睢宁苏03井的水位同步转折变化现象, 开展以下相关工作: ①系统搜集、整理3口流体观测井点历史观测资料（包括模拟、数字化）, 对观测数据进行质量评估, 并进行相应震例总结；②实地调研3口流体观测井及周边环境, 采集水化学样品, 并利用水化学离子和氢氧同位素测试结果, 判定各异常井点地下水类型、成因及补给来源；③基于流体及岩石力学理论, 研究观测井含水介质在非排水状态下孔隙度和渗透系数的变化, 分析其水动力学成因机制；④利用相关成因法、维尼迪克夫潮汐调和分析方法, 研究并归纳3口观测井异常动态特征, 提取前兆异常信息, 并进行预测效能检验, 提炼有效预测指标；⑤在震例总结基础上, 结合区域地震活动性和活动构造, 判定异常性质及前兆预测意义, 为该地区今后地震趋势判定提供依据。

3 研究结果

（1）对3口井的观测资料进行质量评估, 利用Q-Q图评价2008年以来, 特别是2012年之后的观测资料质量。以淮北22井为例, Q-Q图评价结果显示, 该井水位数值呈现正态分布, 特别是2012年之后, 观测数据呈直线分布, 表明数据稳定, 为后续数据分析奠定了基础。

（2）井孔水位异常变化的原因主要是应力变化和环境变化。而这2种变化对井水位及其井孔—含水层系统的影响具有不同的反映。应力变化（拉伸或是压缩）会引起岩体变形, 此为微观变化。2014年9月开始, 3口观测井水位出现转折上升, 若为应力变化所致, 那么井孔—含水层系统在受到压力时, 会引起井水位上升。基于该理论, 利用井水位固体潮调和分析方法, 分别计算井水位潮汐因子、相位差, 并利用卷积回归法, 计算含水层水文地质参数。

结果表明, 2014年9月开始, 淮北22井潮汐因子波动、相位差增加；苏02井水位潮汐因子增加、相位差波动（苏03井类似）。据石云等（2013）研究认为, 以上2种情况均反映了含水层处于膨胀状态, 即含水层骨架受到拉张作用。为进一步证实该结果, 利用卷积回归法计算含水层水文地质参数, 可知2014年9月开始, 3口井的孔隙度与渗透系数同步增加。含水层受力分析结果表明, 当含水层介质受压力影响发生变形时, 孔隙率减小, 受孔隙压力增大影响, 井水位表现为上升；反之, 当含水层介质受张力影响发生变形时, 孔隙率增加, 受孔隙压力减小影响, 井水位表现为下降。在含水层介质水均衡变化引起地下水动态变化过程中, 当孔隙率增大时, 水位出现上升变化与外部地下水进入井孔（补给量大于泄流量）有关, 同时孔隙压力增大；反之, 当孔隙率减小时, 水位出现下降变化与井水外流（泄流量大于补给量）有关, 同时孔隙压力减小。由此可见, 3口井水位的群体性异常非区域应力变化所致, 应为环境变化引起含水层水量的增减变化, 即可能是水均衡变化引起的井水位异常变化。

（3）通过水化学离子、氢氧同位素分析, 从水化学角度进行深入论证, 利用以往水化学背景值（2016—2019年）进行连续对比分析。由三角图可知, 离子浓度均位于未成熟水区域右下端点处, 表明3口井属于未成熟水, 循环周期较快, 以浅表水补给为主；由Schoeller图可知, 地下水化学类型为HCO3-Na型；而多年水化学离子对比显示, 淮北皖22井地下水化学类型一致, 离子变化相对稳定, 未见深部物质来源。强氧同位素则反映, 3口井以大气降雨补给为主。可见, 水化学分析结果未提供苏皖交界北部井水位群体性异常为前兆异常的证据。

（4）预测指标提取。苏皖交界北部地区岩层以灰岩或白云质灰岩为主, 孔隙发育, 受大气降雨影响显著, 因此, 提取预测指标需定量剔除降雨干扰。利用相关成因法, 定量剔除月降雨量影响, 拟合水位与降雨量的关系, 获取异常预测指标, 当水位残差阈值≥1.5倍标准差时, 与周边中强地震有较好地的对应关系（以皖22井为例, 图略）, 对应率为8/14, 漏报率2/14, 虚报率为4/14, 计算可得: R = 0.288, R₀ = 0.257, 则R＞R₀, 通过预报效能检验, 表明该方法适合处理该井水位数据异常。

4 结束语

苏皖交界北部流体观测井2014年以来的水位群体性异常变化可能由水量变化引起, 即水均衡原理解释的异常成因, 为非震兆异常。同时, 剔除降雨量提取异常预测指标, 可知当拟合水位残差阈值≥1.5倍标准差时, 井水位异常特征明显, 有较好地映震效能, 可作为一个有效的预测指标, 为今后该地区地震趋势判断提供学科依据。

在本项目开展过程中, 得到刘耀炜研究员、孙小龙研究员的指导与帮助, 在此表示衷心感谢。