皖22井井水触发波及其波的分解

徐清华，杨林根

(1.安徽省淮北市地震局，安徽 淮北 235000；2.安徽省巢湖市地震办，安徽 巢湖 238000)



皖22井井水触发波及其波的分解

徐清华1，杨林根2

(1.安徽省淮北市地震局，安徽 淮北 235000；2.安徽省巢湖市地震办，安徽 巢湖 238000)

[摘要]井水触发波是指井孔-含水层系统在外力作用下引起井孔水位振荡的水波,它可分为井水人工触发波和井水自然触发波两种。就短周期而言，井水人工触发波如重锤实验、封井实验和井下水体爆破等引起井水位振荡的水波，井水自然触发波主要是井孔-含水层系统受地震波触发的水震波。

文章以皖22井为例，首先介绍方差分析周期分解法是如何从水位观测记录的时序数据中，提取出若干个含有周期特征的序列值。再简单介绍用重锤实验获取井水位振荡的方法。最后通过对微重锤实验数据和同时段地震波触发井区含水层引起井水位振荡波的分析，提出井孔水震波的主振荡频率是来自井孔自身的固有振动频率的观点。

[关键词]井水触发波；方差分析；周期分解

在对地下水微动态进行分析研究中，研究对象是含水层中的“水”，它不是绝对理想的纯净水，提供它运动的载体井孔—含水层系统，也不是绝对不可溶的理想模型。孔裂隙中的流体不可避免地含有悬浮物、沙粒、矿物质、微生物等。这些物质在温度、流量、流速等环境因素具备的情况下，可以结晶，可以形成絮状物，可以存在流体中，也可附着在孔裂隙的岩壁上，进而对地下水的运动产生影响。

鱼金子,车用太,王爱英等[1](1993) 认为井孔—含水层系统在外力(如水震波)的作用下，导水系数是有可能随着应力状态的变化而变化。当含水层受压应力作用空隙率变小，井孔—含水层渗透性变弱；当含水层受张应力作用空隙率变大，井孔-含水层渗透性变强。在含水层的孔裂隙中，只要有流体运动，“孔隙度”就会随时变化着。

张昭栋等[2](1994)提出“井孔—含水层的振动周期，主要取决于水井水柱的有效高度。”继后，张昭栋等[3](2000)对山东5口水井进行了SLUG(重锤)试验，利用试验曲线测得振动由平衡位置经过一次振动后再回到平衡位置所经历的时间，把它作为第一个准周期。再根据水井含水层的资料，由井管内半径和水井水柱的有效高度、开尔文函数性质等估算出水井含水层的导水系数，并认为井水位对地震波的响应主要取决于含水层系统的固有振动周期和振动的阻尼系数。

张淑亮等[4](2006)认为井一含水层系统的固有周期与井孔中有效水柱高度有关，有效水柱高度与井孔中水柱高度、含水层厚度有关；在井一含水层固有周期一定的情况下，井水位对地壳中波动信息的放大能力还与含水层的导水系数、井的半径有关，而导水系数又取决于含水层的渗透系数和含水层的厚度。

因此，如何客观地求出井孔-含水层系统在振荡中的固有周期，对深入研究地震地下水微动态是十分有意义的课题。

1皖22井

皖22井(淮北瓦子口井)自1987年1月进行地震地下水位观测。观测资料连续、完整、可靠。多年的观测资料分析结果显示，皖22井潮汐因子大、记震能力强。记录全球Ms6.5级以上地震的能力达到92%，记录全球Ms7级以上地震能力达到100%，是一口较理想的地震地下水位观测井。

1.1井孔基本概况

皖22井(34°15′N， 116°48′E)位于郯庐断裂西侧，宿北断裂北侧，萧县背斜的西翼，瓦子口断裂与芦花断裂的交汇处，是应力易于集中的构造部位。井孔深201.84 m，钢质套管下至93.4 m处基岩上，93.4 m以上为第四纪覆盖层，以下为奥陶纪灰岩。观测层岩性为奥陶纪灰岩水，地下水类型属裂隙-岩溶水(图1)。

1.2观测仪器及观测概况

皖22井目前有三套仪器同时运行：SW40-1模拟水位自1987年1月连续观测，LN-3A数字化水位自2007年11月连续观测，WTLZ-1水温水位综合观测仪自2012年3月连续观测。

用来分析的秒文件均来自LN-3A。LN-3A水位传感器采用进口扩散硅半导体压力芯片，具有灵敏度高、动态响应快、测量精度高等特点，同时具有水位“事件”(例如水位阶跃异常、水震波等)自动识别功能，当水位发生快速变化并超过所设定的阈值时，水位仪会自动识别并加密采样，由每分钟一次加密到每秒一次，此数据可真实地再现水震波的原始形态或者水位阶跃异常的详细变化过程。

图1　皖22井井孔柱状图

2井水触发波

本文提出的“井水触发波”是指井孔-含水层系统受外力作用引起井孔水位上下运动的振荡波。它可分为井水人工触发波和井水自然触发波两种。井水人工触发波如重锤实验、封井实验和井下水体爆破等引起井水位振荡的水波，井水自然触发波主要是井孔-含水层系统受地震波触发的水震波。

2.1井水自然触发波

水震波指地震波引起的井孔水位的振荡现象。地震面波在传播过程中，使岩层应力产生波动，同时发生应变，对于井水位而言由于含水层受地震面波扰动表现为水位波动，即形成水震波[5]。

皖22井是一口静水位观测井，记震能力强，全球7级以上地震均可记到水震波。从记录图2中可知，震级越大，水位振荡的幅度越大，振荡的时间越长。

2.2井水人工触发波

井水人工触发波指借用外力改变观测环境，使井水位在短时间内产生振荡，如重锤试验。重锤试验指向井孔内快速投放一知体积的圆筒，井水位快速上升，井孔一含水层系统产生强迫一自由振动响应，然后记录水位的恢复过程，水位上升高度取决于井孔半径和圆筒体积。

皖22井产生人工触发波的事件分别是：

2011年11月11日，安装SZW-1A水温仪、LT-SHZ1水位仪、DRSW-1综合水温水位仪。安装过程中，下放上述探头，水位产生小幅振荡。

2012年3月13日，安装WTLZ-1水温水位综合观测仪。下放水位水温探头其间，水位产生小幅振荡。

2014年1月15日，标定LN-3A仪器探头。将LN-3A水位仪探头依次提起和下放，水位产生振荡。

以上三次人为活动，均引起水位的小幅振荡，激发LN-3A记录到振荡时的秒文件，展示了水位变化的详细过程。

图2　皖22井记录水震波图

3波的分解

3.1方差分析周期法

3.1.1基本原理

方差分析周期分解法是方差分析法应用的一个特例，早在1964年我国科学工作者章少卿等就已经提出[6]。它是一种时间序列周期分析方法,由两部分组成，一是方差分析周期分解；二是叠加拟合外推。前者侧重于研究产生条件性差异的根由，后者是试图利用它对某要素进行定量地外推预报。本文应用的是前者：侧重于研究产生条件性差异的根由。

3.1.2方法步骤

1)组间离差平方和与组内离差平方和的计算

表1　试验周期分组表

2)方差比F的确定与F检验

由于做周期分析时，事先并不知道周期数目，因些需要从可能存在的周期中反复排列各种数值

根据方差比：

其中，S1，S2分别为组间离差平方和与组内离差平方和的；f1，f2分别为组间离差平方和与组内离差平方和的自由度。f1=b-1，f2=n-b。

方差比F在一定的条件下可以证明是一个随机变量，而且是服从F-分布的。F-分布有专用的F-分布表可查，因此可以用F检查的方法来检验组间方差是否显著地大于组内方差。

具体计算步骤见图3。

图3　方差分析周期分解法的具体步骤

将三次人为活动引起的触发波与该井记录到的水震波数据(秒文件)按照方差分析周期法的步骤分别求出各自的第一准周期值(见表2)。

表2　皖22井“人工触发波”与其水震波振荡频率的比较表

从表2可见，三次人为活动触发波的振荡周期在21～23 s之间，而五次水震波的振荡周期也在21～23 s之间。由此可见，皖22井的水位无论是人工触发还是地震波触发，振荡周期均在21～23 s之间。

3.2波的频谱分析

利用傅里叶变换的方法对信号进行分解，并按频率展开，使其成为频率的函数，进而在频率域中对信号进行研究和处理的一种过程，称为频谱分析。频谱分析的目的是将信号在时间域中的波形转变为频率域的频谱，进而可以对信号的信息作定量解释。

为了检验方差分析周期分解法对皖22井三次人为活动触发波的振荡周期的求解结果，我们又对该井70个秒值文件(有水震波的秒值文件22个，无水震波的秒值文件48个)进行滑动频谱分析，部分分析结果见表3。表中显示，其水震波震荡周期基本上是21.3秒，少数的是25.6 s，这与方差分析周期分解法求解人为活动触发波的振荡周期的结果基本一致。即使通过增加时域取样点数(N=2048)进行复算，结果基本吻合。这说明该站点地下水位观测系统(井孔-含水层-观测仪器)响应水震波的频率是稳定的(见表3)。

4结语

本文以皖22井为例，介绍方差分析周期分解法是如何从水位观测记录的时序数据中，提取出若干个含有周期特征的序列值，求解井孔的固有振荡频率。

(1)用方差分析周期分解法求解天然地震引发的水震波与人工触发的水震波的振荡周期，两者的第一准周期均在21～23 s之间。因为地震引发的水震波振动时间长，用傅氏频谱分析法求解水震波的振荡周期，其周期基本为21.3 s。说明用21.3 s描叙该井的固有振动周期较为合适。

(2)虽然方差分析周期分解法与频谱分析法均能求出波的振动周期，但作者认为二者的主要差别在于，方差分析周期分解法能客观地得出每个分波的特征值，为进一步分析波的机理提供可行工具。

(3)由于个井的井孔-含水层水文地质的不同，重锤试验的效果也有不同，基本上可分为“单调下降(回升)型”、“振荡型”、“中间型”三种，其中只有“振荡型”的井孔才有可能用此法求解出井孔的固有振荡频率。

表3　皖22井水震波及地下水微动态频谱分析震例库

(4)由于天然地震引发的水震波来自不同时间、不同地点、不同震深、不同震级的地震触发，其发震环境、发震机理及传播路径不尽相同，且地震面波也不是一个恒定频率的振荡波，因而不能简单地理解为水震波的振荡频率就是地震面波的振荡频率。但该井不同时期，不同方法引发振动波的振动周期却大致相同，从而说明水震波的频率主要是记录该井孔-含水层的固有频率。

(5) 如果说水震波的频率主要是记录该井孔-含水层的固有频率。那么可不可以将每次大地震的水震波收集起来，同时对有条件的井孔制造类似重锤实验的人工触发水震波，求出每口井的固有振动周期，绘制成井网水井振动频率分布图，从地理空间上观测井孔固有振动周期的变化。正常情况下因为它们的振动频率是基本不变的，一旦出现振动频率异常区域，可视为该区域岩层应力状态发生了变化，从这个角度探索预报地震的可能。

参考文献

[1]鱼金子,车用太,王爱英,等.水震波异常与中期强震危险性关系初探[J].地震.1993，(4),30-37.

[2]张昭栋，郑金涵，冯初刚，等.水位仪及水井含水层的频率特性与其参数间的定量关系[J].内陆地震.1994，8(2):141-146.

[3]张昭拣，迟镇乐，陈会民，等.井水位的振荡与地震波[J]. 地震研究.2000,23(4):418-425.

[4]张淑亮,李媛媛, 李冬梅,等.井-含水层系统对前驱波响应能力的分析[J].地震学报.2006, 28(3),259-268.

[5]张子广,万迪堃,董守玉.水震波与地震面波的对比研究及其应用[J].地震.1998,18(4),399-404.

[6]章少卿，丁士晟.一种简化了的时间序列预报方法的讨论[G].第三届全国气候学术会议论文集.北京：气象出版社..1964，36-39；田承骏.时间序分析的方差分析周期外推法[J].应用数学学报..1984，7(2)：129-132.

[7]殷积涛，郑香媛.用重锤实验示承压含水层的水文地质参数[J].中国地震.1992，8(4):68-75.

[8]殷积涛,郑香媛,宁立然.等.井孔—含水层系统特征的现场试验[J]. 中国地震.1989，5(1),17-21.

Well water triggered wave and its wave's decomposition

XU Qing-Hua1，YANG Lin-gen2

(1.Seismological Bureau of Huaibei Ciyt, Huaibei 235000,China；2.Seismological Office of Chaohu Ciyt , Chaohu,23800,China)

Abstract:Well water triggered wave refers to the water wave which appear in the well-aquifer system under the action of external force and can cause borehole water level oscillations.It can be divided into two kinds, artificial triggered wave of well water and natural triggered wave of well water.In terms of short cycle, artificial triggered wave of well water includes such as weighted hammer experiment, well sealing experiment and underground water blasting experiment.Natural triggered wave of well water is mainly water level oscillation caused by earthquake wave in the well-aquifer system.

This article takes Wan No.22 Well as an example, firstly introduces how the variance analysis cycle decomposition method is used to extract several sequence values containing characteristic in the time series data from water level observation records.Then simply introduces experimental methods of obtaining water level oscillations with a weighted hammer.Finally,based on the analysis of experimental data as well as well water level oscillations caused by the earthquake wave triggers aquifer in the well area at the same time,the article gives a point of view that the main oscillation frequency of borehole water is raised from the natural vibration frequency.

Key words:Well water triggered wave Variance analysis Cycle decomposition method

[收稿日期]2015-10-28

[作者简介]徐清华(1969-)，女，安徽濉溪人，工程师，主要从事地震前兆观测与研究工作。

[中图分类号]P315.72+3

[文献标识码]A

[文章编号]1004-1184(2016)01-0038-04