郝得利，郑红巍，刘改梅

（巴彦淖尔市地震局，内蒙古 巴彦淖尔 015000）

0 引言

地震在孕育和活动过程中，常会出现地下流体水温、水位及水化学成份的变化[1]。国内外多次震例表明，地下流体异常是地震监测中重要的前兆手段。八一井作为石油物探深井，曾在几次地震中有很好的映震效果：如1996 年5月3 日包头西6.4 级地震前气氡出现持续两个月的前兆异常；2012 年2 月4 日中蒙边境5.7级地震前10 天水位、气氡出现同步大幅度上升。水位对汶川国内外等强震有明显的同震效应。由于水位测项在一些地震中出现过前兆异常，对于异常变化的判定应当谨慎。由于井的自身条件，观测数据变化的原因比较复杂。通过多次试验探究了水位异常变化的原因，对以后的观测中进行改进、减小干扰、提高观测数据质量可提供一定的依据和帮助。

1 观测井基本条件

1.1 井位条件

八一地震台位于内蒙古自治区临河区八一乡新道村，紧邻包银公路，西距临河市22 km，南距黄河10 km，位于临河盆地，地形自西向东，由南向北逐渐变低，总的地势向东北倾斜。南界为鄂尔多斯北缘断裂，北界为狼山山前断裂，中部有杭后—五原断裂分割，盆地是这一地区一系列弧形构造中的最新构造形迹，是在中生代挤压构造格局基础上，在第三纪引张应力作用下，沿南北两条边界断裂剪切下陷而形成的。北边断距大，南倾；南边断距小，北倾；属于典型的箕式断陷盆地，位于弧形体系弧顶曲率较大的部位，是构造的薄弱部位和应力易于集中的部位。

该台是利用石油探井进行流体观测而兴建的地震台站，由长庆油田河套前线指挥部1985年4 月成井，完钻井深5269m，现有井深4025m，采用套管护壁。其中，2450～2550 m 间管壁破裂，出水位置为白垩系地层，是开展水位和水化项目的观测段。地下水类型为临河断陷盆地第三系，上新统承压自流水，含水层岩性为砂岩。地下水封闭条件较好，地下水径流途径长，缺乏直接补给，循环滞缓，出水层大范围内未出露地表。该井是一口动水位观测井，1987 年11 月开始用于地震试观测，1988 年1 月开始正式观测。该井按照静水位原理开展观测，水位整体呈缓慢上升型动态，如果没有大震或是堵塞等影响，动态较为平稳，采样率为分钟值，日变化幅度为0.002～0.0025 m，日流量约2 吨。观测数据较稳定，基本不受气温、气压、降雨及地下水开采的影响。

1.2 观测仪器情况

2007 年6 月“十五”数字化改造后，实现了数据的实时无线传输。观测井主测项有水位、水温、气氡、气汞，辅助测项为气象三要素。八一台前兆观测设备主要包括：LN-3A 型水位仪，探头深度3 m，2017 年12 月16 日更新为SWY-Ⅱ型水位仪；SZW-1A 型数字式温度计，探头深度180 m，2017 年12 月16 日更新为SZW—Ⅱ型数字式温度计；SD-3A 型自动测氡仪，2017 年8 月2 日因仪器元部件老化且无法维修停测，2018 年2 月6 日更新为BG2015R型测氡仪；ATG-6138M 痕量汞在线自动分析仪每小时从气液分离装置中抽气。

2 异常变化分析处理过程

八一地震台水位于2017 年10 月18 日出现较大幅度上升、19 日出现突跳，11 月22 日夜间上升并溢出井外。在此期间，正常运行的测项主要为水温、水位，水温测项未出现异常变化。由于水位测项曾在几次地震前出现过前兆异常，因此非常重视。

图1 水位突跳曲线Fig.1 Sudden jump of water level curve

10 月18 日上升，具体变化过程如下：水位观测值在18 日7 时—8 时30 分由0.0287 m上升至0.0201 m，变化幅度约0.008 m，之后水位处于波动上升，24 日10 时上升至0.0142 m，共上升0.0145 m，之后水位数据开始下降，12时30 分左右下降至0.0308 m，下降幅度约0.0163 m，14 时30 分左右又上升至0.0242 m，之后平稳波动（图1）。10 月19 日8：46 起水位数据出现明显突跳，频率6～8 次/天，其中有个别负值[2]。

2.1 水位突跳

经检查，数字水位仪各部件工作状态良好，整个观测流程无人为干扰，观测井房达到防震、防盗、防风、防尘、防潮、无腐蚀性气体的相关标准和要求。

2017 年11 月异常核实期间进行了点距为10 m 的水温梯度测量，探头下放170 余米。数据显示，在30 m 之后，数据与2006 年安装时基本一致（图2），说明该井在一定深度范围内套管封闭性较好，与外界没有流体交换。

图2 水温梯度测试结果Fig.2 Test results of water temperature gradient

12 月9 日水位测项突跳现象加剧产出大量错误数据，16 日更换为新观测仪器后，突跳现象消失。据此可判定，突跳现象是由于数采或传感器故障所致。

2.2 井水溢出

八一井水于11 月22 日夜间上升并溢出井口，异常核实期间考虑到该井自留管道可能是由于堵塞而引起的井水溢出，现场工作人员对自流管道进行了拆除清洗，发现管壁上附着有黑色物质[3]。清洗前通过测量井水涌出量与拆除后井水涌出量来做比较进行排查，在拆除前井水涌出量为550 ml/32s，其中在井水溢出期间，末端泄流口流量减小为550 ml/63s，约为溢出前一半。按照液体压强原理（P=ρgh），井水水柱升高直至溢出，压强变大，排水口末端出水量应该增加，但是末端泄流口流量却减小为溢出前的一半。在异常核实工作之后，排水管路井水涌出量恢复到550 ml/32 s 左右，之后进行了为期一个月的流量观测，9 点—21 点每三小时观测一次，流量在550 ml/31 s～32.5 s，与7月30 日的550 ml/31.87 s 相当（图3）。以此来判断：井水出水量并未增加，溢出现象可能是由于自流管道堵塞而引起的。

图3 水流量动态变化Fig.3 Dynamic change of water flow

此外，井下200m 视频影像观测未发现明显异常。连续观测的水化分析结果显示[4]，八一井水离子浓度高，TDS 约为40000 mg/L，pH 约为7.7，γNa/γCl 比值的背景值是0.85，与深层封闭海水的数值相当。各离子浓度在此次事件期间相对稳定，未出现明显变化。

2.3 水位往复升降

11 月24 日异常核实期间排水管路清洗疏通后，水位数据并没有稳定下来，突跳现象仍然存在，并且井筒中的水出现往复升降现象（图4）。

11 月25 日—12 月8 日，手动测量八一台井水距井口的距离一直在29～11 cm 之间变化，当水面距井口29 cm 时，观测井到气液分离装置排水管路中几乎没有气泡，井筒中水平面距离地面约87 cm，与气液分离装置中的液面距离地面约86 cm 基本一致（已考虑井房地面并非绝对水平）。经过一定的时间，当水位逐渐上升距井口11 cm 时，观测井到气液分离装置的排水管路中的气体越来越多，可以清晰的看到泄流管中的水只有一小股，井筒中水平面（距离地面约102 cm）与气液分离装置(距离地面约86 cm)中的液面存在16 cm 左右的高度差,当排水管中的气体积累到一定程度，就会再次从井筒中排出，水位下降至29 cm 左右，以此往复出现水位升降现象（在此期间泄流口排水量基本保持不变）。

图4 水位往复升降曲线Fig.4 Water level reciprocating curve

分析认为，由于气液分离装置端痕量汞装置定时抽气，八一井水成分复杂，在排出过程中随着压力减小会逸出气体，此外排水管路非完全刚性，受到水的压力而变形，使得中间低，两侧高，由于管路倾角小，造成泄流管中气体排出不畅。为了避免气路不畅引起水位往复升降，对泄流管的支架高度及气液分离装置进行了多次调整试验，使得井水与气液分离装置两侧压力平衡，管中气体能够顺畅从井口排出，解决了水位往复升降的问题。综合分析认为，此装置作为半连通器由于排水管路调校原因，导致气路不畅，属虹吸现象。

3 讨论与结论

八一井2017 年10 月19 日水位突跳现象是数采或探头因故障产出错误数据所致；10 月18日水位上升、11 月22 日井水溢出是由于泄流管存在一定堵塞引起的，实际水位上升与出水量增加不明显；11 月25 日—12 月8 日水位往复升降是井水逸出气体、气汞测项抽气、排水管路调校共同作用使得压力不平衡的结果。

八一地震台井水矿化度高，在观测过程中管壁附着物会逐渐增加。此外该装置设计存在一定问题，会加重淤塞现象，对观测资料质量影响较大。在以后的工作中应当思考改进该装置并探索适合该井的观测手段。