張淑亮 李 麗 劉瑞春 王 霞

1 山西省地震局，太原市晉祠路二段69號，030021

2 太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，太原市晉祠鎮(zhèn)，030025

2009－08 以來，交城斷裂晉祠段巖溶井水位出現(xiàn)反年動態(tài)快速上升變化，其中最具代表性的是太原地震臺流體觀測井（以下簡稱太原井），至2012年底其水位累計上升17.1m。由于太原井水位在山西及周邊地區(qū)一些中強震前有較顯著的異常，能清晰地反映井區(qū)構(gòu)造活動增強引起的水井含水層應力變化，因此研究太原井水位快速上升變化的成因，對準確把握未來地震形勢尤為重要。為確定太原井水位異常的性質(zhì)，本文將在定量排除影響太原井水位動態(tài)的非構(gòu)造因素基礎(chǔ)上，分析太原井水位快速上升與區(qū)域應力場之間的關(guān)系。

1 太原井概況

太原井地處112.43°E、37.72°N，海拔828.52 m。井區(qū)位于太原斷陷盆地西側(cè)交城斷裂晉祠段北端下盤。有記載以來，井區(qū)50km 范圍內(nèi)發(fā)生5～5.9級地震10次，6～6.9級地震1次。太原井位于晉祠泉域巖溶水區(qū)，主要補給源為大氣降水和西部、西北部大面積灰?guī)r區(qū)地下水。井區(qū)第四系覆蓋層較?。ú蛔?1 m），其下發(fā)育有中、下奧陶系和寒武系灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r和白云巖。

太原井井深765.78 m，井孔由地面以下至480m 深度均設(shè)有護井套管，480m 以下為裸孔。觀測段厚度為285.78 m，該含水層為富水、強透水層，井孔涌水量可達1 158m3／d，含水層滲透系數(shù)為0.4～26.0m／d，地下水動態(tài)具備反映構(gòu)造活動的優(yōu)良條件。

2 水動態(tài)觀測

太原井水位動態(tài)在正常年份表現(xiàn)出一定的規(guī)律性，每年11月到次年3月水位較高且平穩(wěn)，4月開始下降至6月底7月初，7～8月后水位回升（圖1）。

圖1 太原井水位動態(tài)變化曲線Fig.1 Dynamic curve of Taiyuan well water level

1994－09太原井水位受西山巖溶水過量開采的影響出現(xiàn)加速下降，至2009－07累計下降幅度為27.79m。2009－08太原井水位在長達15a趨勢下降后出現(xiàn)加速上升，至2012年底累計上升17.1m，目前仍在持續(xù)上升。在太原井水位快速上升過程中，位于交城斷裂附近和基巖山區(qū)，且與太原井具有相同觀測層的長觀井水位也出現(xiàn)準同步的快速上升變化。

研究表明，太原井水位表現(xiàn)出一定的映震能力，1989－10大同－陽高6.1級地震前1a出現(xiàn)反年動態(tài)變化，震前10d有小波動，震前1d有突跳現(xiàn)象；1991－01忻州5.1級和1991－03大同－陽高5.8級地震前2a左右水位出現(xiàn)年變改變、變化速率加快趨勢異常（圖1）。特別是忻州5.1級地震前，山西省地震局監(jiān)測預報研究中心綜合預報研究室在1991－01－11會商會議上，以太原井水位突跳為主要依據(jù)，對這次地震作出了較為準確的預測。

3 非構(gòu)造影響因素的分析

3.1 主要影響因素

根據(jù)太原井水位多年動態(tài)變化特征，以與太原井同一水系的晉祠泉斷流時間為節(jié)點，分兩個時段討論非構(gòu)造因素的影響。

1）晉祠泉斷流前

大氣降水的影響：晉祠泉域巖溶水主要依靠大氣降水滲入補給，兩者相關(guān)系數(shù)可達0.952，表明降雨是影響晉祠泉域巖溶水動態(tài)的主要因素之一。降雨補給一般滯后3a（圖2）。

圖2 晉祠泉綜合要素圖Fig.2 Comprehensive factors of Jinci spring

地下水開采的影響：晉祠泉域南北兩側(cè)邊山斷裂帶巖溶水開采量逐年增加，使晉祠泉流量逐年減少，直至斷流，兩者相關(guān)系數(shù)為－0.96。因此，晉祠泉域南北兩側(cè)邊山斷裂巖溶水的開采是影響巖溶水動態(tài)的另一個重要因素。

礦坑排水量的影響：泉水流量主要受大氣降水和地下水開采的影響，但煤礦礦坑的排水量影響也不容忽視，兩者呈負相關(guān)關(guān)系（圖2）。

2）晉祠泉斷流后

由圖3可以看出，無論是太原市巖溶水開采量還是晉祠泉域地下水開采量，均呈下降趨勢；降水量總體呈上升趨勢，且有7a大于多年平均降水值（437.7 mm），其中有3a 降水量大于600 mm。計算結(jié)果顯示，太原井水位與晉祠泉域地下水開采量的相關(guān)系數(shù)由斷流前的0.96 降至0.54，與降雨量的相關(guān)系數(shù)由0.95降至0.3，表明晉祠泉域地下水開采與大氣降水仍是影響太原井水位動態(tài)的因素。但從相關(guān)系數(shù)變化情況來看，該時段影響太原井水位動態(tài)變化除非構(gòu)造因素外，可能還存在其他因素。

圖3 太原井水位、巖溶水開采量、晉祠泉域開采量及降水量對比Fig.3 The comparison of water level of Taiyuan well，exploitation quantity of karst water，exploitation quantity of Jinci spring and rainfall

3.2 非構(gòu)造因素影響定量分析

根據(jù)多種因素對晉祠泉巖溶水的影響程度，以及降雨入滲的滯后性和疊加性，確定降雨量、地下水開采量和煤礦礦坑排水量等為主要非構(gòu)造影響因素。并利用支持向量機理論，建立太原井水位動態(tài)預測模型：

式中，f（x）為巖溶水位，x為地下水位影響因素，xi為第i個樣本，為支持向量權(quán)系數(shù)。

本文利用LibSVM 完成模型的訓練和預測。所選樣本的數(shù)據(jù)來源于晉祠泉域內(nèi)23個長觀井、泉域內(nèi)多年降雨觀測資料和地下水開采量（包括煤礦排水），所有相關(guān)樣本均參與模型的訓練、校正和預測。計算預測水位時，選用訓練樣本為4a的月均值數(shù)據(jù)，來預測訓練樣本后1a的水位月均值，并采用窗長為4a、步長為1a對所有參與計算的數(shù)據(jù)進行滑動計算。預測比較是用求解出的井水位預測值與太原井實際觀測值之間的相對誤差來進行的。

利用上述模型對太原井水位2006年以來的地下水位動態(tài)進行預測，并與實測數(shù)據(jù)作對比。結(jié)果顯示，預測值與實測值的相對誤差除2009－07～2012－02、2012－08～09大于多年平均值外，其他時段均在多年平均值以下。從預測值與實測值的變化形態(tài)來看，除2009～2011年兩者出現(xiàn)明顯偏離外，其余時段兩者一致性較好（圖4）。這表明，所使用的預測模型是可靠的，降雨與地下水開采是影響太原井水位動態(tài)變化的主要因素。

圖4 對比圖Fig.4 Comparison chart

4 構(gòu)造活動因素分析

如前所述，太原井水位快速上升期間，模型預測值與實測值的相對誤差也隨之增大，曲線偏離程度比較明顯，表明水位快速上升除非構(gòu)造因素外，可能與構(gòu)造活動也有關(guān)系。為此，本文根據(jù)太原井水位快速上升前后井區(qū)附近小震震源機制解、地震視應力和GPS應變率場等資料，對應力場變化特征進行分析。

4.1 太原盆地應力場變化特征

對2002～2008和2009～2012太原盆地2.0級以上中小地震震源機制解分別進行計算，并用斷層滑動方向與最大剪應力方向間的殘差最小獲得最優(yōu)應力模型，得到主應力方向［1－2］。利用單個震源機制的滑動矢量與在應力張量作用下產(chǎn)生的滑動矢量間的夾角β來表征震源機制的一致性［3］，計算結(jié)果見圖5～7?？梢钥闯觯?）2009年前太原盆地小震震源球以走滑地震類型為主，單個震源機制解結(jié)果比較凌亂，多個震源機制解結(jié)果反演的應力場震源類型未知。該時段盆地內(nèi)部受力情況不突出，主要以太原盆地局部應力場作用為主。2）2009年后太原盆地小震震源球以正斷地震類型為主，最大壓應力主軸為NEE－SWW向，最大張應力主軸為NNW－SSE 向，與華北地區(qū)接近，參考震源類型為正斷類型。3）震源機制一致性參數(shù)β，2009年以前3個主應力方向較為凌亂，2009年以后趨于穩(wěn)定，且接近背景構(gòu)造應力場［4］。說明太原盆地的現(xiàn)代地殼應力場仍受華北區(qū)域應力場的嚴格控制，其地震活動也是在華北區(qū)域應力場的作用之下發(fā)生的。

圖5 太原盆地≥2.0級地震震源球分布與Gephart方法求得應力場方向（2002～2008年）Fig.5 The distribution of focal mechanisms of≥2.0 earthquakes and the direction of stress field derived by Gephart approach in the Taiyuan basin（2002－2008）

圖6 太原盆地≥2.0級地震震源球分布與Gephart方法求得的應力場方向（2009～2012年）Fig.6 The distribution of focal mechanisms of≥2.0 earthquakes and the direction of stress field derived by Gephart approach in the Taiyuan basin（2009－2012）

圖7 應力場隨時間變化曲線Fig.7 The curve of stress field

4.2 局部視應力變化特征

利用2001～2012年太原盆地及附近ML≥2.0地震波形數(shù)據(jù)，計算得到單個地震的視應力值（圖8、圖9）?？梢钥闯觯?）ML2.0～2.9 地震視應力多年平均值為1.167bar，2009年以后視應力值明顯增大，最大值為6.56bar，是多年平均值的5.6倍，高值區(qū)集中在交城斷裂的南段和北段；2）ML3.0～3.9地震視應力多年平均值為4.73bar，2009年后視應力值明顯增大，最大值達到12.5bar，為多年平均值的2.9倍，高值區(qū)集中在交城斷裂的北部。

4.3 太原盆地形變速度場和應變率場特征

利用2009年前后GPS觀測資料對太原盆地水平形變速率場和應變率場進行計算，結(jié)果表明：1）太原盆地水平形變速度場運動方向在2009年以前以近EW 向和SW 向為主，2009年后EW 向運動消失，以SW 向運動為主（圖10）。2）2009年以前張性區(qū)在交城斷裂下盤，方向與斷裂平行，即NE方向，與華北的NW－NNW 向拉張應力場特征明顯不同，2009年后張性區(qū)在太原井的正西方向，張應力方向垂直交城斷裂，為NW 向，與華北應力場接近（圖11）。

圖8 太原盆地ML2.0～2.9地震視應力隨時間變化曲線以及相應的等值線Fig.8 The curve of ML2.0－2.9earthquake apparent stress and corresponding isograms in the Taiyuan basin

圖9 太原盆地ML3.0～3.9地震視應力隨時間變化曲線以及相應的等值線Fig.9 The curve of ML3.0－3.9earthquake apparent stress and corresponding isograms in the Taiyuan basin

圖10 太原盆地GPS水平形變速度場Fig.10 The GPS horizontal deformation velocity field of Taiyuan basin

4.4 太原井含水層的應力變化特征

賈化周［5］以地球固體潮理論、彈性理論和地下流體動力學理論為基礎(chǔ)，推導出給定的井孔含水層系統(tǒng)水井水頭的變化與引起其變化的固體潮體應力變化之間的關(guān)系：

圖11 太原盆地GPS應變率場Fig.11 The GPS strain rate field of Taiyuan basin

式中，Δh為水井水頭的變化，kw為比例系數(shù)，Δσ為含水層應力變化，ρ為含水層內(nèi)水的密度，g為重力加速度，n為含水層孔隙度，α為含水層固體骨架的體積壓縮系數(shù)，β為含水層內(nèi)水的體積壓縮系數(shù)，λ和μ為拉梅常數(shù)。

利用式（3）求得太原井的比例系數(shù)kw為3.59。由于太原井水位預測值含有降雨、地下水開采（含煤礦礦坑涌水量）等因素，而實測水位除這些因素外還可能疊加有構(gòu)造活動因素，因而預測值與實際觀測值的絕對誤差值是扣除非構(gòu)造影響后的水位變化值Δh。利用式（2）可求出含水層應力變化值Δσ。由計算結(jié)果可以看出，2009年以來太原井含水層應力變化值呈增強趨勢，特別是在水位加速上升時段應力值明顯高于趨勢預測值（圖12）。

圖12 太原水位觀測井含水層應力變化值Fig.12 The aquifer stress values of Taiyuan well

5 太原井水位快速上升成因分析

5.1 非構(gòu)造因素

1）2003年以來太原井附近降雨量總體趨勢以上升為主，到2012年底有7a降水量大于多年平均值。降水是影響晉祠泉域巖溶水動態(tài)的主要因素之一，降水量的增多會導致地下水的補給量增多。

2）太原市2003年開始實施“關(guān)井壓采”工程，到目前已關(guān)閉自備水源井480口，實現(xiàn)壓縮地下水開采量35.3×104t／d，特別是與太原井屬同一水系的5口自備井的關(guān)閉，壓采量達1.5×104t／d。晉祠泉域地下水開采量逐年減少，到2010年為止，地下水開采量為1.942×107m3／a，小于2.081×107m3／a，扭轉(zhuǎn)了以往的超采局面。

3）太原市2009年開始的煤炭資源整合，扭轉(zhuǎn)了“煤炭越挖越多，水井越打越深”的局面。粗放式的小煤礦開采中每采1t煤約破壞2.5t水資源，通過煤炭資源整合關(guān)閉了大量小煤礦，推進大型工礦企業(yè)以循環(huán)經(jīng)濟模式回收利用工業(yè)廢水，減少地下水的開采。到目前為止，全省工業(yè)用水重復利用率超過87%。煤炭資源的重新整合，大大降低了礦坑排水量。

5.2 構(gòu)造活動因素

1）小震震源機制解顯示，太原盆地應力場在2009年前以NNE－SSW 向拉張應力為主，與華北地區(qū)應力場所表現(xiàn)的特征不同，顯示以局部應力場活動為主的特點；2009年后應力場以NEESWW 向擠壓應力為主，與華北地區(qū)應力場基本相同；由單個震源機制一致性參數(shù)β所反映的3個主應力方向在2009年后也由較為凌亂的局部應力場轉(zhuǎn)為接近背景應力場。在山西地震帶一些中強地震前，太原盆地小震綜合斷面解由以局部應力場作用為主的特點轉(zhuǎn)為接近現(xiàn)代地殼應力場特點［6］。因此，2009年以后太原盆地應力場所表現(xiàn)的特征與盆地構(gòu)造活動增強有關(guān)。

2）由于地震視應力常被用來研究震源區(qū)的應力水平［7－8］，可作為地震危險性判定的依據(jù)。太原盆地2.0～2.9、3.0～3.9級地震視應力在2009年后分別出現(xiàn)高于背景值5.6、2.9倍的視應力異常，且高視應力異常出現(xiàn)的時間與太原井水位快速上升以及太原盆地區(qū)域應力場轉(zhuǎn)折時間具有準同步性，反映了該地區(qū)應力水平由低向高增強的過程。

3）GPS應變率場所反映的應力場與小震震源機制解有類似的特征，即2009年前應變率場張性應變區(qū)域位于交城斷裂的下盤（太原井的西南方向），且應變率大小隨距井點距離的減小而減??；2009年后張性應變的區(qū)域分布在井點的西北方向，應變率大小隨距井點距離的減小而增大（圖12）。從應變率場的方向來看，2009年以前張應變方向基本與交城斷裂平行，為近NE 向，與華北地區(qū)NW－NNW 向的水平拉張應力場特征明顯不同。2009年以后，張應變幾乎逆時針旋轉(zhuǎn)了90°，由平行交城斷裂方向轉(zhuǎn)為垂直交城斷裂方向，即NW 向，接近華北地區(qū)NW－NNW 向的水平拉張區(qū)域應力場的特征（圖11）。太原井水位快速上升正是在應力場發(fā)生改變的背景下出現(xiàn)的，可能是構(gòu)造活動增強的外在表現(xiàn)。

4）近年來，交城斷裂南端出現(xiàn)大面積地裂縫，2008年地裂縫發(fā)展尤其迅速。李自紅等［9］對裂縫的成因機制進行研究，認為清徐地裂縫是下伏斷層最新活動的破裂現(xiàn)象，屬構(gòu)造成因，與交城斷裂活動增強有關(guān)。由于太原井位于交城大斷裂上，因此水井含水層應力值的大小有可能反映斷裂活動的強弱。由圖12可以看出，2009年以來太原井含水層應力變化值呈逐年增強的態(tài)勢，特別是在水位加速上升時段更為顯著。這種變化特征可能與交城斷裂活動增強有關(guān)。

綜上所述，小震震源機制解、地震視應力和GPS等變化特征均表明，2009年以來太原盆地應力場大小與方向發(fā)生了顯著改變，由水位差值求得的含水層應力值也在逐年增大。太原井水位快速上升變化正是在太原盆地區(qū)域應力場作用發(fā)生顯著改變條件下出現(xiàn)的，它們在時間上具有準同步性。

6 結(jié) 語

1）2009年以來太原井水位快速上升與晉祠泉域降水增大、太原市地下水開采量減少以及煤炭資源整合后礦坑排水量減少關(guān)系密切，它們是影響太原井水位快速上升的主導因素。

2）區(qū)域構(gòu)造活動增強可能是太原井水位快速上升的另一重要影響因素。2008年汶川5·12地震后，山西地震帶在2009～2011發(fā)生了8次4級以上地震，4級以上地震活動頻次顯著增強，表明青藏高原向東遠程推擠力沿著汶川地震破裂的方向傳遞到鄂爾多斯塊體，進而影響到具有發(fā)生強震背景的鄂爾多斯塊體東緣山西地震帶；2009年以后太原盆地應力場由局部應力場作用轉(zhuǎn)為受華北區(qū)域應力場控制且接近華北構(gòu)造應力場，地震視應力出現(xiàn)大于背景值的高值異常，應變率場大小和方向均發(fā)生改變；太原井含水層應力變化值呈現(xiàn)增強趨勢，在水位加速上升時段尤為顯著。因此，2009年以來太原井水位上升與太原盆地區(qū)域應力場的作用增強和應力水平的增高也有一定的關(guān)系。

3）與太原井水位具有準同步性的其他異常，是山西地震帶中強地震活動增強的一個信號。1989年大同5.9 級、1991年忻 州5.1級和大同5.8級地震前，太原盆地及周邊地區(qū)先后出現(xiàn)了太原井水位、介休井水位、靜樂井水位、定襄水氡、代縣地電和太原水管等一批準同步性異常。雖然此時段晉祠泉域地下水開采對太原井水位動態(tài)有一定影響，表現(xiàn)在開采量增大、井水位下降，但地下水開采僅能改變井水位的年變幅度，而不會影響井水位的周期性變化，而這幾次地震前太原井水位所顯示的異常是年變周期的改變。2009年以來太原井水位快速上升期間，太原盆地及周邊地區(qū)也先后出現(xiàn)太原體應變、代縣地電、靜樂水位和定襄水氡等準同步性異常，以及一系列4級以上中等地震，因此，太原井水位快速上升與山西地震帶地震活動的增強有關(guān)。

4）太原井水位快速上升，是非構(gòu)造因素和構(gòu)造因素共同作用的結(jié)果。

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