大同中心地震台水位观测干扰因素及动态特征分析

孟彩菊，杨世英，冯建琴，沈晓松，赵春华，靳玉贞

（1.山西省地震局太原基准地震台，山西 太原 030025；2.山西省地震局临汾中心地震台，山西 临汾 041000；3.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西 太原 030025）

0 引言

分析发现，中强地震与地下水异常存在较好的对应关系［1－2］，地下水异常既可能是最直接的宏观短临前兆，也可能是影响地壳形变异常的主要控制因素［3］。太原基准地震台和夏县中心地震台多年的观测资料均表明，许多观测项目都受水位变化的影响［4］。因此，地下水无论作为单项观测还是对比辅助观测都较重要。

为进一步研究大同上皇庄地震台水位变化规律及其对其他测项的影响，该文收集大同台水位、气象数据及周边环境状况等资料，分析水位变化规律、干扰因素、动态形成原因及其与其他测项间的关系。

1 基本情况

1.1 地质概况

大同上皇庄地震台（以下简称大同台）位于大同盆地西北边缘，大同市马军营乡上皇庄村西雷公山脚下，距离大同市8km。台站西北部为山区，东南部为洪积倾斜平原，地处口泉断裂带北段，位于太行山隆起区，台站东距大同断陷盆地的西界口泉断裂0.1km左右。口泉断裂是大同盆地西界控制断裂，全长100多千米，走向北北东，断层倾向南东，全新世活动断裂，右旋正走滑断裂。台站场地出露地层为太古界桑干群（ASg），岩性为麻粒岩夹薄层片麻。台站西部的断裂下盘广泛出露太古界桑干群黑云斜长片麻岩夹斜长角闪岩，混合岩化强烈，上覆第四系黄土，东部为洪积砂土、砾石层等［5］。

1.2 钻孔及数据情况

大同台现有定点水准、地电阻率、地电场、地磁、钻孔应变、井下竖直摆倾斜仪、气象三要素等数字化前兆观测项目，具有较强的数字化地震前兆监测能力。该台无专用水位观测井，2007年台站“十五”数字化改造时，安装TJ—ⅡC型体积式钻孔应变仪，该系统带有气压、水位辅助观测，文中选用钻孔辅助水位数据（数据为水面相对于探头的高度变化，数据增大表示水位上升）作为分析对象。由于2009年底做实验时毁坏了钻孔及仪器，故在距离原孔两米处重新打钻孔和更换体应变仪，因此研究所选资料主要为上皇庄台钻孔应变辅助水位2010年以后的数据。

观测钻孔位于上皇庄台西北几百米处一条山沟中稍平坦地，观测点周围为山区，钻孔开口孔径147mm，终孔孔径130mm，孔深62m。岩石性质为花岗岩，结构完整坚硬。水泥层顶部实际埋深60.7m，水位计投放的深度为6.5m，在水下的深度为6m。

2 大同台水位干扰因素及年动态成因分析

2.1 数据可靠性分析

通过调查得知，钻孔水位为辅助测项，规范中无标定检查的要求，因此各台站均不进行辅助水位标定检查。从第26页图1看出，2010—2013年大同体应变（钻孔）辅助水位观测曲线基本稳定，连续性较好，年动态相似，说明辅助水位观测系统可靠。

2.2 台站周边观测环境调查

台站周边环境情况为：近旁无村庄、农田及工厂。约500m处，有一座占地300亩的上皇陵园；1km处，是上皇庄村，人口约400人，村外田地种植的农作物主要为杏树。上皇庄村共有3口水井。

钻孔所处山沟在雨季易形成季节性河流，在夏秋雨季降水后水量较大，冬春枯水期水量较小或断流。

图1 大同台水位观测曲线Fig.1 Water level observation curve at Datong Station

2.3 气象因素调查

2.3.1 气压因素的排除

气压与水位应为一种负相关关系，即气压的增大引起水位的降低。

2013年大同台气压与水位日值数据对比曲线看出，二者的相关关系不明显（见图2）。具体表现为：气压的高值点时间为年底、年初，而水位的低值点在5－6月；1－5月，水位与气压数据均为下降趋势，形态一致，未出现负相关关系；6、7月，水位出现2次高值，气压只出现了1次，且时间不对应。另外，每年气压的低值点在6－7月，而水位的高点每年并不一致。由气压与水位日均值计算所得2010－2013年二者的相关系数R分别为：－0.20、－0.44、－0.32、－0.48。

图2 大同台水位与气压对比图Fig.2 Contrast between water level and pressure at Datong Station

为进一步论证气压与水位间的关系，以分钟值（初始数据段2013年5月1日至5日）为单位，窗长5日、步长1小时的滑动相关系数R为（即水位分别滞后气压0～12小时）：0.26、0.31、0.34、0.34、0.31、0.25、0.16、0.05、－0.06、－0.16、－0.22、－0.26、－0.26（选每年水位最平稳时段5月的数据）。

上述计算结果表明，大同台水位变化与气压关系不大。

2.3.2 降水影响

以2010年为例，绘制大同台水位与降水对比曲线（见图3），从图中看出，降水与水位同步上升，每次水位的上升都对应明显的降水，水位上升幅度随降水量大小变化，雨量大幅度也大。其他年份的规律也是如此（图略），说明水位变化与降水关系密切。

图3 大同台2010年水位与降水对比图Fig.3 Contrast between water level and precipitation at Datong Station in 2010

2.4 周边环境干扰情况

（1）抽水及灌溉影响。

上皇庄村共有3口井，1口位于村边，另外2口位于村子周围的农田中。由于该村人口较少，饮用水量不大；农作物主要为杏树，依靠天然降水。因此，用水主要集中在春夏，用于陵园树木及村民庭院花草灌溉。

大同台周边用水主要集中在春夏季节，而水位却在春夏季节表现为上升，说明水位不受周边抽水的影响。另外，测点附近没有农田，灌溉入渗也不存在。

由上所述，抽水及灌溉对大同台的水位影响不大。

（2）河水影响。

测点边为一条季节性小河，雨季尤其是暴雨后，水量较大，冬春干旱季节，小河断流，与水位一起受降水影响，呈同步变化。

总体来说，大同水位受周边用水影响不大。

2.5 大同台水位年动态分析

从图1看出，大同台水位多年动态相似，具体表现为：每年的1－4月以下降为主，5－8月以上升为主，9－12月又以下降为主。每次上升的形态以快速大幅台阶为特征。

从大同台地下水类型、周边环境条件及气象因素综合分析，认为影响大同井水位动态变化的主要因素是大气降水。

从图1看出，虽然每年1－4月总体表现为下降趋势，但每年3月左右，水位曲线也存在小幅上升现象，而从降水曲线看，这个月大同台为干旱少雨期，降水很少，此时水位小幅上升可能与气温回升引起融雪融冰少量补给地下水有关。因补充量有限，水位上升幅度不大。其后，春季里降水很少，水位得不到持续的补充，因此表现为持续下降。

4月开始，降水渐渐增多，水位随之上升，水位上升幅度随降水量大小变化。

3 大同台水位与其他测项对比分析

大同台现有定点水准、地电阻率、地电场、钻孔应变、井下竖直摆倾斜仪等数字化前兆观测项目，下面将水位与这些测项的关系进行对比分析。

3.1 水位与地电阻率测项的对比分析

以2010年数据为例，进行大同台地电阻率南北向、东西向与降水、水位对比分析。从图4看出，地电阻率南北向与东西向观测曲线形态接近，变化趋势一致。南北向与降水及水位的变化一致性更高些，下面的分析以南北向为主。

大同台地电阻率南北向与水位存在很好的对应关系，当水位下降时，地电阻率曲线表现为上升；反之，地电阻率曲线下降。具体来说，2010年1月至2月上旬，水位保持下降趋势，地电阻率曲线为上升趋势；2月中下旬时，水位曲线下降，速率减小且出现转折，地电阻率曲线转平；3月中旬左右，水位明显上升，地电阻率曲线于3月中下旬出现明显下降；4月至9月，逐渐进入北方的降水季节，水位高值，而地电阻率曲线总体保持在低值阶段；10月开始，水位恢复下降状态，地电阻率曲线也恢复上升状态。

图4 大同台2010年地电阻率、水位、降水曲线对比图Fig.4 Contrast of earth resistivity，water level and precipitation at Datong Station in 2010

二者的这种对应关系说明，大同台水位在地电阻率动态分析方面有一定的参考价值。

由大同台地电阻率南北向多年形态曲线看出，2010年至2012年的年变形态非常相似，但在不同阶段升降速率不同，幅度及持续时间也存在差异（见图5）。因此，寻找差异形成原因在数据分析处理中就显得尤为重要，而利用降水及水位变化来解释地电阻率的这种动态差异性可能更好，更有说服力，今后有必要加强这方面的工作。

图5 大同台地电阻率南北向年动态曲线图Fig.5 Annual dynamic curve of earth resistivity in north and south direction at Datong Station

3.2 水位与大地电场测项的对比分析

大同台大地电场东西向比南北向的年变明显，因此选取大地电场东西向数据与水位进行对比分析（见图6）。

图6 大同台大地电场东西向与水位观测曲线对比图Fig.6 Contrast between geoelectric field in west and east direction and water level at Datong Station

从图6看出，大同台大地电场东西向与水位年变趋势存在着较好的一致性。

3.3 水位与水准、洞体倾斜及体应变测项的对比分析

大同台水准、洞体倾斜及体应变曲线总体表现为趋势性上升或下降状态，数据变化比较平稳，无明显年变（见图7）。初步判断，钻孔辅助水位变化对这几个测项无明显影响。

为进一步分析水位与这几个测项的关系，分别计算出水位与水准、洞体倾斜及体应变日值以年为单位的相关系数（见表1）。从表1看出，除个别年份有一定的相关性外，其他年份相关性较差。

4 结论

通过以上分析，得出如下结论：

（1）大同台水位受人为因素影响较小。

（2）大同台水位变化与气压关系不大。

（3）大同台水位变化受降水影响显著，降水为其形态变化的主要原因。

（4）大同台水位与该台地电阻率、大地电场曲线形态一致性较好。

（5）大同台水位与该台体应变、洞体倾斜及水准曲线形态无显著相关性。

5 建议

钻孔水位为辅助测项，井孔深度不大，受气象影响较大，往往不被重视，数据得不到有效使用。研究结果显示，辅助水位对台站一些测项的研究有重要的参考价值。根据目前山西省数字前兆观测现状，提出如下建议。

（1）水位是一项重要的观测项目，通过其变化可以了解台站周边降水影响的大小；与台站其他测项对比观测意义重大，建议每个台站设置该测项。

图7 大同台水位与水准、洞体倾斜及体应变观测曲线对比图Fig.7 Contrast of water level with leveling，cave tilt and body strain at Datong Station

表1 大同台水位与水准、洞体倾斜及体应变相关系数Table 1 Correlation coefficients of water level with leveling，cave tilt and body strain at Datong Station

（2）台站在形变、磁电测项与水位的对比分析方面研究较少，建议今后加强此项基础研究。

［1］范雪芳，刘耀炜，吴桂娥，等.华北地区水位与水氡中期、中短期前兆异常特征研究［J］.地震研究，2010，33（2）：147－158.

［2］张淑亮，苏燕.山西省地下水位异常指标的综合评价［J］.山西地震，2006（4）：16－18.

［3］陆明勇，黄辅琼，刘善华，等.地壳变形与地下水相互作用及其异常关系初探［J］.地震，2005，25（1）：67－73.

［4］孟彩菊.太原地震台短水准受水位影响分析及异常识别［J］.地震地磁观测与研究，2010，31（1）：77－83.

［5］山西省地震局.山西省地震监测志［M］.北京：地震出版社，2002：18－129.