頁岩具有易碎、緻密和各向異性的特性，由於其極低的孔隙度和滲透率（在10-4到10-3mD之間），以及與高孔高滲圍岩共同作用，導致地層物性呈現各向異性和非均質性的特點。因此，含有頁岩的含水層可能會呈現出獨特的特徵。在水文地球物理學領域，由於含有頁岩的水井數量非常有限，大多數研究都沒有涉及這一主題。然而，水文地質領域的許多理論解析解模型，例如氣壓響應滲漏模型和潮汐響應滲漏模型，都假設岩層為均勻各向同性介質，導致理論模型與實際情況存在差異，引起計算結果出現偏差。
最近，中科院地質與地球物理研究所頁岩氣與地質工程院重點實驗室的張艷副研究員與石油大學（華東）的符力耘教授、中國地震局地球物理研究所的祝愛玉研究員等人合作，選擇了華北地台上的4口流體井進行研究（圖1）。
他們的選取原則如下：1)地下水位觀測質量較高且時間序列較長的井（涵蓋了2008 MW7.9 Wenchuan 、2011MW9.1 Tohoku 兩次大地震）；2)井深大於400米，從而能夠忽略毛細管效應且保證含水層的承壓性相對較好；3)遠離海邊（距離海岸大於100 km），從而減少海潮對水位的影響。此外，華北克拉通構造的穩定性以及相似的地質背景也簡化了不同井間潮汐響應的解釋和比較。關註上述兩個遠場大地震，是因為之前的研究就發現它們影響了多口井的水位變化或改變了水位的潮汐響應，此前應用的潮汐響應滲漏模型分析認為這是由滲透率改變和封閉性變化導致的（Zhang et al., 2021）。該研究對流體的潮汐響應滲漏模型研究（Wang et al.,2018；Zhang et al., 2021）進行了補充和評論。
圖1 測井圖顯示了流體井的觀測含水層岩石類型的詳細信息。紅線和數字表示觀測含水層的深度,深色表示頁岩層。該研究對含水層岩性的描述非常詳細，以便於計算含水層中的頁岩含量（中國地震監測志，2002～2007）
對頁岩含量導致的各向異性響應的影響，目前尚未得到廣泛關注。研究團隊針對含水層的頁岩夾層，研究了其如何影響水位潮汐響應的滲漏模型。計算結果表明，即使觀測含水層中有少量頁岩（>=～5%），流體井也可能表現出很強的各向異性和非均質性，從而使得實地觀測結果偏離了使用各向同性和均勻假設模型獲得的理論解析解。一般而言，含水層岩性中的頁岩含量越高，相移偏差越大（圖2，圖3）。本研究未考慮振幅比對滲漏等屬性的影響。
圖2 從現場觀測水位獲得的相移（黑點）與基於求解得到的參數（含水層的儲水係數S，含水層的水平嚮導水係數T和隔水層的垂向滲透係數K'）從潮汐響應滲漏模型的解析解中推導出的相移（紅點）之間的比較。上圖對應M2潮汐波，下圖對應O1潮汐波。由於潮汐響應滲漏模型的簡化和理想假設，S、T 和 K' 的反演參數中存在被忽略的突跳點（Zhang et al.,2021），因此推導得到的相移（紅點）中也有被忽視的突跳點
* HZ井O1波的相移偏差偏大是由於反演的相移過於平坦（圖2-下-紅點）），歸因於不受約束的解析解（Zhang et al.,2021）。HZ井的垂向滲漏參數K′接近於0 （對應值為10-10（m/s）），參考HZ井的解析解曲線，當K′<10-7 m/s時， K′變得「平坦」對模型參數不再敏感（Zhang et al.,2021）
圖3 頁岩含量與M2和O1波相移偏差的關係。一般來說，含水層中的頁岩含量越高，相移的偏差越大。我們只計算相移偏差的絕對值，而不關心正負偏差
經過COMSOL數值模擬的驗證（圖4），進一步確認了上述結論。因此，在含有頁岩的岩性水層中，採用僅考慮各向同性和均勻性的理想模型，只能得到粗略的估計結果。為了避免由於非均質性和各向異性而引起的井觀測質量問題（例如含水層局部孔隙壓力過高導致非穩定流等），應儘量避免在頁岩層上設置流體井的觀測含水層。
圖4 以山西孝義井為研究代表：（上）含水層中不同頁岩含量(0%; 10%; 20%; 40%)對應的M2潮汐波響應的滲漏模型的數值模擬解與解析解(Wang et al., 2018)的對比（Kz』代表隔水層的垂向滲透係數）；（下）孝義代表井的頁岩含量(0%; 10%; 20%; 40%)和M2波的相移偏差（對應於上圖的虛線部分：孝義井的M2波相移範圍約處於-10°至 20°區間（圖2）），在此區間，總體而言，頁岩含量越多相移偏差也越大
研究成果發表於國際水文地質領域專業期刊Water Resources Research（Zhang Y, Fu L Y, Zhu A, et al. Anisotropy and heterogeneity induced by shale in aquifer lithology—Influence of aquifer shale on the leaky model with tidal response analysis [J].Water Resources Research, 2023, 59: e2021WR031451. DOI:10.1029/2021WR031451）。本工作得到了自然科學基金委基金（41874161, 42141009）和中科院青促會基金（2019069）的支持。
美編：傅士旭（華東師大）
校對：萬鵬（地質地球所）