2) 中国陕西 710000 长庆油田第一采气厂
2) Gas Production Plant, PetroChina Changqing Oilfield Company, Shaanxi Province 710000, China
井水位观测是地震地下流体前兆监测的重要手段之一,井水位的异常变化能够客观、灵敏地反映地壳介质的应力—应变变化(刘耀炜,2006)。目前用于地震前兆观测的井孔的地下水类型主要有潜水、承压水、半承压水等,其中,具有承压性的井—含水层系统是地震前兆观测井的理想类型。因此对观测井地下水类型进行判别很有必要。卷积回归法是一种用来判定地震前兆观测井的井—含水层系统的地下水类型的定量分析方法。该方法通过水位、气压数据拟合最佳阶跃响应函数来校正水位,而不需要考虑构造、岩性、地貌、成因等方面的因素,近年来得到广泛应用。地下水水化学特征分析是研究地下水化学组成与演化过程的基础(Brezonik et al,2012)。地下水离子组成可以指示地下水补给、径流、排泄过程所经区域的岩石岩性、气象水文、环境特征;示踪地下水循环途径,可反映地下水流系统特征(高彦芳等,2008;郭晓东等,2014;Yang et al,2017)。对于地下水水化学特征,一般利用水化学方法结合氢氧同位素特征进行分析。此外,流体异常变化往往反映深部、远距离流体的补给、循环及强烈的水—岩相互作用等过程,与地震的孕育、发生过程有密切联系(车用太等,2006;付虹等,2014;胡小静等,2018)。因此,了解观测井的地下水类型及水化学特征对于研究地下水位动态变化的影响因素和识别与提取地震前兆信息较重要。
固原东山坡井位于宁夏六盘山地震区次一级的固海地震小区内,自1920年海原8.5级大地震后该区域中强地震十分活跃。自1991年起东山坡井开始有观测资料以来,井孔基础资料和观测数据基本完整,在甘宁陕交界地区地震监测工作中发挥了重要作用。鉴于此,本文基于水物理、水化学方法,综合分析东山坡井的地下水类型及水化学特征,以期为有效识别宁夏南部地震前兆异常和干扰排除发挥积极作用。
1 观测井地质概况东山坡井成井于1984年,为承压井,深度266.07 m,地处宁夏固原市泾源县境内,海拔高度2 028 m。其西列为六盘山主山脉,即大关山,海拔一般在2 500 m以上。东列称小关山,海拔为2 000—2 400 m。大、小关山之间,是一条宽5 km的断陷盆地,观测井就位于该区域地势低洼处(图 1)。该井整体上西高东低,南高北低,向NE倾斜。井孔结构显示,井水赋存于古近纪砂岩、砂砾岩中,埋深于77.33—256.92 m,有4个含水层,不同的含水层之间有隔水层,即4个含水层基本上是独立的,水力联系不大。岩性主要是泥质砂岩、砂质泥岩和半胶结细砂岩。
卷积回归法是基于水位与大气压力、潮汐应力间的密切关系,利用水位对气压的阶跃响应函数方法来判断地下水类型的(Toll et al,2007;丁风和等,2017)。该方法不需要考虑构造、岩性、地貌、成因等方面的因素,方法简单可行。
在不考虑补给和排泄等因素的情况下,井水位的变化量可表示为
$ \Delta W(t) = \sum\limits_{i = 0}^m \alpha (i)\Delta B(t - i) + \sum\limits_{i = 0}^m \beta (i)\Delta ET(t - i) $ | (1) |
式中,i为滞后时间;m是选择的最大滞后时间;ΔW(t)为t时刻的水位变化量;α(i)为滞后i时刻的气压单位脉冲响应函数;ΔB(t-i)为t-i时刻的气压变化量;β(i)为固体潮响应系数;ΔET(t-i)为t-i时刻的固体潮变化量。
井水位对气压的阶跃响应函数可由气压单位脉冲响应函数α(j)累加求和得到,表示为
$ A(i) = \sum\limits_{j = 1}^i \alpha (j) $ | (2) |
本文利用卷积回归法分析东山坡井2014—2017年水位、气压、井点的理论固体潮数据,同时进行气压和固体潮校正,参考Toll等(2007)将水位对气压的最大滞后时间设定为12 h。从水位对气压的阶跃响应函数与滞后时间间的关系可以看出(图 2):①二者间存在明显的以e为底的指数函数关系,即A(i) = aebi+c。在第一象限内,其滞后时间i(定义域)为0—12 h,值域阶跃响应函数A(i) 为0—1。②随着水位对气压滞后时间的增大,该井水位对气压的阶跃响应函数呈增加趋势。这表明当底数e前的系数a<0时,水位对气压的阶跃响应函数随水位对气压滞后时间的增大而增大,表明该井—含水层系统地下水类型为承压水。
频谱分析可以把复杂的时间历程波形经过傅里叶变换分解为若干单一的谐波分量来进行研究,在地下水观测资料分析中已得到广泛的应用(崔天怀等,1990;李平等,2005;尹战军等,2019)。选取东山坡井水位(2017年8月)及水温(井下162 m、142 m处)的整点值数据进行频谱分析,结果显示(图 3):①引起东山坡井水位变化的潮汐分波主要有M2波、S2波、K1波。其中,周期为12 h的半日潮主要以M2波为主,24 h的日潮主要以由气压引起的K1波为主。②井下142 m处(位于观测井第2含水层和隔水层交汇处)水温处于低频段,存在较弱的长周期背景,高低频背景噪声干扰较弱;而井下162 m处(位于观测井第3含水层中)水温处于高频段,高低频背景噪声较强,存在脉冲变化,背景噪声明显强于井下142 m处。③从地下水类型与潮汐波预期响应间的关系及东山坡井判定结果来看(表 1),该井含水层系统地下水类型为承压水。
综合卷积回归法和频谱分析法,判定东山坡井含水层系统地下水类型为承压水,与成井类型一致。
3 水化学特征分析 3.1 采样和处理方法分别对东山坡井井下25 m、50 m、80 m、90 m、110 m、125 m、140 m处等7个不同的深度段和周围村民饮用水、溪水水体进行采样,结果见表 2。地下水中常量元素的测定在中国地震局地震预测重点实验室完成,利用ICS-900型离子色谱测定水中K+、Na+、Ca2+、Mg2+、SO42-、NO3-、Cl-浓度(Chen et al,2015),标准曲线的R≥0.999。利用传统的酸碱滴定法测定水中HCO3-、CO32-浓度,滴定所用盐酸浓度为0.05 mol/L。阴阳离子的测量误差均小于5%。氢氧同位素分析时采用MAT253型气体同位素质谱仪,δ18O、δD值的误差分别为±0.2‰、±1‰(刘汉彬等,2011)。根据下式计算离子平衡(ib)
$ {\rm{ib}}[\% ] = \frac{{\sum {{\rm{ cations}}{{\rm{ }}^ - }} \sum {{\rm{ anions }}} }}{{0.5 \times \left({\sum {{\rm{ cations}}{{\rm{ }}^ - }} \sum {{\rm{ anions }}} } \right)}} \times 100 $ | (3) |
采用舒卡列夫分类法(毫克当量百分比分别大于25%的阴阳离子参与命名)对东山坡井及井周围村民饮用水和溪水水样进行水化学类型判定。为了更好地观察常量元素的分配规律,使用Origin软件对采样点水样绘制piper三线图(图 4、图 5)。由图 4、图 5可见,东山坡井井下7个不同深度段水样的主要阳离子为Na+,主要阴离子为HCO3-,水化学类型为NaHCO3型;而井周围村民饮用水和溪水水样的主要阳离子为Ca2+,主要阴离子为HCO3-,化学类型为CaHCO3型。
东山坡井及井周围村民饮用水和溪水采样点δD、δ18O测值分别为-82.51‰—-68.905‰、-11.83‰— -10.33‰(表 1)。由于东山坡井不在国际原子能机构的大气降水同位素监测站点中,因此为研究东山坡井大气降水的同位素特征,选择与之相近的中国西部地区的大气降水线方程(黄天明等,2008)
$ \delta {\rm{D}} = 7.56{\delta ^{18}} + 5.05 $ | (4) |
由δD-δ18O关系图(图 6)可见,东山坡井及井周围村民饮用水和溪水采样点的δD、δ18O值均分布在全球大气降水线(δD = 8δ18O +10)及中国西部地区大气降水线上方,表明其成因与大气降水有关,为大气淋滤型卤水(林耀庭等,1997;Zhou et al,2015)。东山坡井的大气降水线方程可表达为
$ \delta {\rm{D}} = 9.21{\delta ^{18}}{\rm{O}} + 26.39(r = 0.998, n = 11) $ | (5) |
与全球大气降水线和式(4)相比,式(5)无论是斜率还是截距均偏大,这与凝结物在未饱和大气中降落时受到非平衡蒸发的影响及重同位素的快速富集有关,同时也反映出该区域湿润多雨,降水过程中受2次蒸发影响较小的气候特点。
由于东山坡井所处区域海拔变化较大,氢氧同位素会受到高程效应的影响,因此可以利用同位素的高程效应估算温泉水的补给高程。我国西部降水的δD值与高程H间的关系为(于津生,1997)
$ \delta {\rm{D}} = - 0.026H - 30.2 $ | (6) |
中国大气降水线的高程效应可以表示为(Zhou et al,2017)
$ \delta {\rm{D}} = - 0.03{H_{{\rm{AIT }}}} - 27 $ | (7) |
式中,HAlT为海拔高程。
根据式(6)、(7)计算东山坡井补给高程再取平均值,补给高程大致为1.4—1.9 km。利用中国大气降水的δD、δ18O值与平均温度间的关系式(王洁青等,2017)
$ \delta {\rm{D}} = 3t - 92 $ | (8) |
$ {\delta ^{18}}{\rm{O}} = 0.176t - 1039 $ | (9) |
根据式(8)、(9)计算东山坡井补给温度再取平均值,补给区平均温度为5.1 ℃。
3.4 东山坡井水岩反应程度Na—K—Mg三角图(Giggenbach,1988)能够反应水化学的平衡状况和平衡温度。从东山坡井及井周围村民饮用水和溪水的水岩反应图(图 7、8)可以看出:井下7个不同深度段水样均处在“部分平衡水”状态,平衡温度为60 — 80 ℃,说明水样来自较热的环境,在热水深层循环过程中与围岩发生了充分的水岩反应,但它可能与上升过程中不同程度的浅水冷水结合在一起。图 7、8亦表明观测井地下水的补给除了大气降水外,还有较深层地下水的混入,但有向平衡水发展的趋势。而井周围村民饮用水和溪水水样则较接近Mg1/2的一侧,表现为“未成熟水”状态,表明井周围村民饮用水和溪水的水岩反应程度低,水—岩之间尚未达到离子平衡状态,水体由大气降水提供,少量混合冷水。
如前所述,大关山由白垩系下统碎屑岩及少量碳酸岩类组成,地下水类型以裂隙水为主,小关山地区由白垩系下统泥岩、泥灰岩、灰岩、油页岩类组成。东山坡井位于大关山、小关山之间的堆积古近纪红层及第四纪黄土的新生代断陷谷地内(图 9),观测水体是第三系的中粒砂岩层,多层水体具有承压性,与卷积回归法和频谱分析法分析结果一致。较低的地形条件使其成为地下径流汇集的有利地带,利于地下水向井水汇集。两侧的大关山和小关山为井水的补给区,大气降水入渗断裂带汇聚给地下水,地下水沿断层破碎带活裂隙带经历深循环,获得来自深部热源加热,在上升过程中有冷水混入,地势更低的东北方向即甘肃平凉地区一带,为其排泄方向。
通过水物理和水化学2种方法,对东山坡井及其周围水样的地下水类型和水化学特征进行分析,得到以下结论。
(1)利用卷积回归法和频谱分析法综合判定东山坡井的地下水类型为承压水,且4个含水层基本上是独立的,水力联系不大,这与成井时用水文地质条件定性判定的该井地下水类型是一致的。根据宁夏地下流体学科2019年度监测效能评估结果,东山坡井的水温和水位评分等级均为A级,这验证了承压性的井—含水层系统是地震前兆观测井的理想类型。
(2)Na—K—Mg三角图和氢氧同位素分析结果表明,东山坡井不同深度的阴阳离子差异不大,都属于NaHCO3型水,且全部处于部分平衡水状态,这表明东山坡井循环深度相对较深,存在一定的深部水—岩相互作用的成分。而井周围水体为CaHCO3型水,且水—岩之间尚未达到离子平衡状态,溶解作用仍在进行。东山坡井的补给来源主要为大气降水,补给高程为1.4—1.9 km,补给区平均温度为5.1℃。
(3)频谱分析东山坡井水位结果表明,O1波、K1波、M2波、S2波存在且较显著。井下162 m处水温高低频背景噪声强,其原因可能与观测层位的频谱特征及所处层位的横向径流有关;而井下142 m处水温高频及低频干扰少,这可能与观测层位的水文地质和背景噪声等的不同有关。
(4)从地下水运移及影响因素来看,东山坡井为东西两侧山体补给,井下不同深度段井孔的封闭性较差,可能与外界有较强的水力联系,地势更低的东北方向为其排泄方向。除地下径流补给外,大气降水是井孔地下水的另一主要补给源。
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