太原井水位快速上升机理的探讨

张淑亮 李 丽 刘瑞春 王 霞

1 山西省地震局，太原市晋祠路二段69号，030021

2 太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，太原市晋祠镇，030025

2009－08 以来，交城断裂晋祠段岩溶井水位出现反年动态快速上升变化，其中最具代表性的是太原地震台流体观测井（以下简称太原井），至2012年底其水位累计上升17.1m。由于太原井水位在山西及周边地区一些中强震前有较显著的异常，能清晰地反映井区构造活动增强引起的水井含水层应力变化，因此研究太原井水位快速上升变化的成因，对准确把握未来地震形势尤为重要。为确定太原井水位异常的性质，本文将在定量排除影响太原井水位动态的非构造因素基础上，分析太原井水位快速上升与区域应力场之间的关系。

1 太原井概况

太原井地处112.43°E、37.72°N，海拔828.52 m。井区位于太原断陷盆地西侧交城断裂晋祠段北端下盘。有记载以来，井区50km 范围内发生5～5.9级地震10次，6～6.9级地震1次。太原井位于晋祠泉域岩溶水区，主要补给源为大气降水和西部、西北部大面积灰岩区地下水。井区第四系覆盖层较薄（不足11 m），其下发育有中、下奥陶系和寒武系灰岩、白云质灰岩和白云岩。

太原井井深765.78 m，井孔由地面以下至480m 深度均设有护井套管，480m 以下为裸孔。观测段厚度为285.78 m，该含水层为富水、强透水层，井孔涌水量可达1 158m3／d，含水层渗透系数为0.4～26.0m／d，地下水动态具备反映构造活动的优良条件。

2 水动态观测

太原井水位动态在正常年份表现出一定的规律性，每年11月到次年3月水位较高且平稳，4月开始下降至6月底7月初，7～8月后水位回升（图1）。

图1 太原井水位动态变化曲线Fig.1 Dynamic curve of Taiyuan well water level

1994－09太原井水位受西山岩溶水过量开采的影响出现加速下降，至2009－07累计下降幅度为27.79m。2009－08太原井水位在长达15a趋势下降后出现加速上升，至2012年底累计上升17.1m，目前仍在持续上升。在太原井水位快速上升过程中，位于交城断裂附近和基岩山区，且与太原井具有相同观测层的长观井水位也出现准同步的快速上升变化。

研究表明，太原井水位表现出一定的映震能力，1989－10大同－阳高6.1级地震前1a出现反年动态变化，震前10d有小波动，震前1d有突跳现象；1991－01忻州5.1级和1991－03大同－阳高5.8级地震前2a左右水位出现年变改变、变化速率加快趋势异常（图1）。特别是忻州5.1级地震前，山西省地震局监测预报研究中心综合预报研究室在1991－01－11会商会议上，以太原井水位突跳为主要依据，对这次地震作出了较为准确的预测。

3 非构造影响因素的分析

3.1 主要影响因素

根据太原井水位多年动态变化特征，以与太原井同一水系的晋祠泉断流时间为节点，分两个时段讨论非构造因素的影响。

1）晋祠泉断流前

大气降水的影响：晋祠泉域岩溶水主要依靠大气降水渗入补给，两者相关系数可达0.952，表明降雨是影响晋祠泉域岩溶水动态的主要因素之一。降雨补给一般滞后3a（图2）。

图2 晋祠泉综合要素图Fig.2 Comprehensive factors of Jinci spring

地下水开采的影响：晋祠泉域南北两侧边山断裂带岩溶水开采量逐年增加，使晋祠泉流量逐年减少，直至断流，两者相关系数为－0.96。因此，晋祠泉域南北两侧边山断裂岩溶水的开采是影响岩溶水动态的另一个重要因素。

矿坑排水量的影响：泉水流量主要受大气降水和地下水开采的影响，但煤矿矿坑的排水量影响也不容忽视，两者呈负相关关系（图2）。

2）晋祠泉断流后

由图3可以看出，无论是太原市岩溶水开采量还是晋祠泉域地下水开采量，均呈下降趋势；降水量总体呈上升趋势，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。计算结果显示，太原井水位与晋祠泉域地下水开采量的相关系数由断流前的0.96 降至0.54，与降雨量的相关系数由0.95降至0.3，表明晋祠泉域地下水开采与大气降水仍是影响太原井水位动态的因素。但从相关系数变化情况来看，该时段影响太原井水位动态变化除非构造因素外，可能还存在其他因素。

图3 太原井水位、岩溶水开采量、晋祠泉域开采量及降水量对比Fig.3 The comparison of water level of Taiyuan well，exploitation quantity of karst water，exploitation quantity of Jinci spring and rainfall

3.2 非构造因素影响定量分析

根据多种因素对晋祠泉岩溶水的影响程度，以及降雨入渗的滞后性和叠加性，确定降雨量、地下水开采量和煤矿矿坑排水量等为主要非构造影响因素。并利用支持向量机理论，建立太原井水位动态预测模型：

式中，f（x）为岩溶水位，x为地下水位影响因素，xi为第i个样本，为支持向量权系数。

本文利用LibSVM 完成模型的训练和预测。所选样本的数据来源于晋祠泉域内23个长观井、泉域内多年降雨观测资料和地下水开采量（包括煤矿排水），所有相关样本均参与模型的训练、校正和预测。计算预测水位时，选用训练样本为4a的月均值数据，来预测训练样本后1a的水位月均值，并采用窗长为4a、步长为1a对所有参与计算的数据进行滑动计算。预测比较是用求解出的井水位预测值与太原井实际观测值之间的相对误差来进行的。

利用上述模型对太原井水位2006年以来的地下水位动态进行预测，并与实测数据作对比。结果显示，预测值与实测值的相对误差除2009－07～2012－02、2012－08～09大于多年平均值外，其他时段均在多年平均值以下。从预测值与实测值的变化形态来看，除2009～2011年两者出现明显偏离外，其余时段两者一致性较好（图4）。这表明，所使用的预测模型是可靠的，降雨与地下水开采是影响太原井水位动态变化的主要因素。

图4 对比图Fig.4 Comparison chart

4 构造活动因素分析

如前所述，太原井水位快速上升期间，模型预测值与实测值的相对误差也随之增大，曲线偏离程度比较明显，表明水位快速上升除非构造因素外，可能与构造活动也有关系。为此，本文根据太原井水位快速上升前后井区附近小震震源机制解、地震视应力和GPS应变率场等资料，对应力场变化特征进行分析。

4.1 太原盆地应力场变化特征

对2002～2008和2009～2012太原盆地2.0级以上中小地震震源机制解分别进行计算，并用断层滑动方向与最大剪应力方向间的残差最小获得最优应力模型，得到主应力方向［1－2］。利用单个震源机制的滑动矢量与在应力张量作用下产生的滑动矢量间的夹角β来表征震源机制的一致性［3］，计算结果见图5～7。可以看出：1）2009年前太原盆地小震震源球以走滑地震类型为主，单个震源机制解结果比较凌乱，多个震源机制解结果反演的应力场震源类型未知。该时段盆地内部受力情况不突出，主要以太原盆地局部应力场作用为主。2）2009年后太原盆地小震震源球以正断地震类型为主，最大压应力主轴为NEE－SWW向，最大张应力主轴为NNW－SSE 向，与华北地区接近，参考震源类型为正断类型。3）震源机制一致性参数β，2009年以前3个主应力方向较为凌乱，2009年以后趋于稳定，且接近背景构造应力场［4］。说明太原盆地的现代地壳应力场仍受华北区域应力场的严格控制，其地震活动也是在华北区域应力场的作用之下发生的。

图5 太原盆地≥2.0级地震震源球分布与Gephart方法求得应力场方向（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）

图6 太原盆地≥2.0级地震震源球分布与Gephart方法求得的应力场方向（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）

图7 应力场随时间变化曲线Fig.7 The curve of stress field

4.2 局部视应力变化特征

利用2001～2012年太原盆地及附近ML≥2.0地震波形数据，计算得到单个地震的视应力值（图8、图9）。可以看出：1）ML2.0～2.9 地震视应力多年平均值为1.167bar，2009年以后视应力值明显增大，最大值为6.56bar，是多年平均值的5.6倍，高值区集中在交城断裂的南段和北段；2）ML3.0～3.9地震视应力多年平均值为4.73bar，2009年后视应力值明显增大，最大值达到12.5bar，为多年平均值的2.9倍，高值区集中在交城断裂的北部。

4.3 太原盆地形变速度场和应变率场特征

利用2009年前后GPS观测资料对太原盆地水平形变速率场和应变率场进行计算，结果表明：1）太原盆地水平形变速度场运动方向在2009年以前以近EW 向和SW 向为主，2009年后EW 向运动消失，以SW 向运动为主（图10）。2）2009年以前张性区在交城断裂下盘，方向与断裂平行，即NE方向，与华北的NW－NNW 向拉张应力场特征明显不同，2009年后张性区在太原井的正西方向，张应力方向垂直交城断裂，为NW 向，与华北应力场接近（图11）。

图8 太原盆地ML2.0～2.9地震视应力随时间变化曲线以及相应的等值线Fig.8 The curve of ML2.0－2.9earthquake apparent stress and corresponding isograms in the Taiyuan basin

图9 太原盆地ML3.0～3.9地震视应力随时间变化曲线以及相应的等值线Fig.9 The curve of ML3.0－3.9earthquake apparent stress and corresponding isograms in the Taiyuan basin

图10 太原盆地GPS水平形变速度场Fig.10 The GPS horizontal deformation velocity field of Taiyuan basin

4.4 太原井含水层的应力变化特征

贾化周［5］以地球固体潮理论、弹性理论和地下流体动力学理论为基础，推导出给定的井孔含水层系统水井水头的变化与引起其变化的固体潮体应力变化之间的关系：

图11 太原盆地GPS应变率场Fig.11 The GPS strain rate field of Taiyuan basin

式中，Δh为水井水头的变化，kw为比例系数，Δσ为含水层应力变化，ρ为含水层内水的密度，g为重力加速度，n为含水层孔隙度，α为含水层固体骨架的体积压缩系数，β为含水层内水的体积压缩系数，λ和μ为拉梅常数。

利用式（3）求得太原井的比例系数kw为3.59。由于太原井水位预测值含有降雨、地下水开采（含煤矿矿坑涌水量）等因素，而实测水位除这些因素外还可能叠加有构造活动因素，因而预测值与实际观测值的绝对误差值是扣除非构造影响后的水位变化值Δh。利用式（2）可求出含水层应力变化值Δσ。由计算结果可以看出，2009年以来太原井含水层应力变化值呈增强趋势，特别是在水位加速上升时段应力值明显高于趋势预测值（图12）。

图12 太原水位观测井含水层应力变化值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 非构造因素

1）2003年以来太原井附近降雨量总体趋势以上升为主，到2012年底有7a降水量大于多年平均值。降水是影响晋祠泉域岩溶水动态的主要因素之一，降水量的增多会导致地下水的补给量增多。

2）太原市2003年开始实施“关井压采”工程，到目前已关闭自备水源井480口，实现压缩地下水开采量35.3×104t／d，特别是与太原井属同一水系的5口自备井的关闭，压采量达1.5×104t／d。晋祠泉域地下水开采量逐年减少，到2010年为止，地下水开采量为1.942×107m3／a，小于2.081×107m3／a，扭转了以往的超采局面。

3）太原市2009年开始的煤炭资源整合，扭转了“煤炭越挖越多，水井越打越深”的局面。粗放式的小煤矿开采中每采1t煤约破坏2.5t水资源，通过煤炭资源整合关闭了大量小煤矿，推进大型工矿企业以循环经济模式回收利用工业废水，减少地下水的开采。到目前为止，全省工业用水重复利用率超过87%。煤炭资源的重新整合，大大降低了矿坑排水量。

5.2 构造活动因素

1）小震震源机制解显示，太原盆地应力场在2009年前以NNE－SSW 向拉张应力为主，与华北地区应力场所表现的特征不同，显示以局部应力场活动为主的特点；2009年后应力场以NEESWW 向挤压应力为主，与华北地区应力场基本相同；由单个震源机制一致性参数β所反映的3个主应力方向在2009年后也由较为凌乱的局部应力场转为接近背景应力场。在山西地震带一些中强地震前，太原盆地小震综合断面解由以局部应力场作用为主的特点转为接近现代地壳应力场特点［6］。因此，2009年以后太原盆地应力场所表现的特征与盆地构造活动增强有关。

2）由于地震视应力常被用来研究震源区的应力水平［7－8］，可作为地震危险性判定的依据。太原盆地2.0～2.9、3.0～3.9级地震视应力在2009年后分别出现高于背景值5.6、2.9倍的视应力异常，且高视应力异常出现的时间与太原井水位快速上升以及太原盆地区域应力场转折时间具有准同步性，反映了该地区应力水平由低向高增强的过程。

3）GPS应变率场所反映的应力场与小震震源机制解有类似的特征，即2009年前应变率场张性应变区域位于交城断裂的下盘（太原井的西南方向），且应变率大小随距井点距离的减小而减小；2009年后张性应变的区域分布在井点的西北方向，应变率大小随距井点距离的减小而增大（图12）。从应变率场的方向来看，2009年以前张应变方向基本与交城断裂平行，为近NE 向，与华北地区NW－NNW 向的水平拉张应力场特征明显不同。2009年以后，张应变几乎逆时针旋转了90°，由平行交城断裂方向转为垂直交城断裂方向，即NW 向，接近华北地区NW－NNW 向的水平拉张区域应力场的特征（图11）。太原井水位快速上升正是在应力场发生改变的背景下出现的，可能是构造活动增强的外在表现。

4）近年来，交城断裂南端出现大面积地裂缝，2008年地裂缝发展尤其迅速。李自红等［9］对裂缝的成因机制进行研究，认为清徐地裂缝是下伏断层最新活动的破裂现象，属构造成因，与交城断裂活动增强有关。由于太原井位于交城大断裂上，因此水井含水层应力值的大小有可能反映断裂活动的强弱。由图12可以看出，2009年以来太原井含水层应力变化值呈逐年增强的态势，特别是在水位加速上升时段更为显著。这种变化特征可能与交城断裂活动增强有关。

综上所述，小震震源机制解、地震视应力和GPS等变化特征均表明，2009年以来太原盆地应力场大小与方向发生了显著改变，由水位差值求得的含水层应力值也在逐年增大。太原井水位快速上升变化正是在太原盆地区域应力场作用发生显著改变条件下出现的，它们在时间上具有准同步性。

6 结 语

1）2009年以来太原井水位快速上升与晋祠泉域降水增大、太原市地下水开采量减少以及煤炭资源整合后矿坑排水量减少关系密切，它们是影响太原井水位快速上升的主导因素。

2）区域构造活动增强可能是太原井水位快速上升的另一重要影响因素。2008年汶川5·12地震后，山西地震带在2009～2011发生了8次4级以上地震，4级以上地震活动频次显著增强，表明青藏高原向东远程推挤力沿着汶川地震破裂的方向传递到鄂尔多斯块体，进而影响到具有发生强震背景的鄂尔多斯块体东缘山西地震带；2009年以后太原盆地应力场由局部应力场作用转为受华北区域应力场控制且接近华北构造应力场，地震视应力出现大于背景值的高值异常，应变率场大小和方向均发生改变；太原井含水层应力变化值呈现增强趋势，在水位加速上升时段尤为显著。因此，2009年以来太原井水位上升与太原盆地区域应力场的作用增强和应力水平的增高也有一定的关系。

3）与太原井水位具有准同步性的其他异常，是山西地震带中强地震活动增强的一个信号。1989年大同5.9 级、1991年忻 州5.1级和大同5.8级地震前，太原盆地及周边地区先后出现了太原井水位、介休井水位、静乐井水位、定襄水氡、代县地电和太原水管等一批准同步性异常。虽然此时段晋祠泉域地下水开采对太原井水位动态有一定影响，表现在开采量增大、井水位下降，但地下水开采仅能改变井水位的年变幅度，而不会影响井水位的周期性变化，而这几次地震前太原井水位所显示的异常是年变周期的改变。2009年以来太原井水位快速上升期间，太原盆地及周边地区也先后出现太原体应变、代县地电、静乐水位和定襄水氡等准同步性异常，以及一系列4级以上中等地震，因此，太原井水位快速上升与山西地震带地震活动的增强有关。

4）太原井水位快速上升，是非构造因素和构造因素共同作用的结果。

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