山东青州中黄山流动水准测值与流体变化关系研究

王 铮，闫德桥，赵银刚，张小东，魏秀才

(1.山东潍坊市地震局，山东 潍坊 261061；2.山东安丘地震台，山东 安丘 262100)

山东青州中黄山流动水准测值与流体变化关系研究

王 铮1，闫德桥2，赵银刚1，张小东1，魏秀才1

(1.山东潍坊市地震局，山东 潍坊 261061；2.山东安丘地震台，山东 安丘 262100)

运用1993—2014年山东青州中黄山流动水准及辅助手段的观测资料，系统分析中黄山流动水准测值与降水量、水库蓄水量、水库水位、地下水位等影响因素的关系。结果表明，水准测值与水库水位和蓄水量的相关性良好，与老井水位的相关性次之，与降水量的相关性最差。同时讨论流体影响水准观测的力学机理，认为水准测值变化的原因是，在水库蓄水量载荷改变、地下水孔隙压力变化和腐蚀的共同作用下，断层上盘向下或向上滑动的结果。

流动水准；相关分析；影响机理

0 引言

地球表层是流体与固体强烈相互作用的场所，断层是这种相互作用的主要能量与信息的传递通道。一般认为，断层带上的流体对于断层活动和大地震的发生可起到润滑的作用；但对于地壳浅部，则认为流体是断层活动中的干扰因素。

长期以来，形变观测与流体的关系也引起了一些学者的关注，相关研究指出：降水、地下水位与断层形变、GPS垂直向测值变化间都具有比较密切的相关关系[1-2]。

流动水准测量与环境因子、地壳构造变动等多种因素有关。文章以实际观测资料为基础，分析山东青州中黄山流动水准测值与降水、水库水位、地下水位等流体变化间的关系，为进一步探讨流动水准测值与地震活动的关系做基础研究工作。

1 地质环境与观测场地概况

1.1 地质背景简况

双山—李家庄断裂为观测地区内主要的地质构造，是一条走向北西的不同地质单元的分界线，临朐盆地的东北边界。该断裂也是潍坊辖区内一条重要的活动断裂，与上五井断裂交汇处曾发生1829年6益都地震。断层长约28 km，走向北35°西，倾向南西，倾角50°～80°，系正断层。沿断裂走向的活动性质和特点可分为南段、中段和北段3个明显不同的段落，南段和中段可见断裂面出露。中段断裂规模大、活动时代新，晚更新世晚期有发生断错地表的活动。断裂挤压破碎带主要发育在太古界花岗片麻岩(Art)和寒武系地层中，新活动以左旋张扭正断活动为主，破裂方式以粘滑为主，兼有少量蠕滑。

1.2 观测场地和观测资料

观测场地位于山东青州市弥河镇中黄山西，测线跨双山—李家庄断裂中段，破碎带宽8～10 m，该断裂在上黄山村东水库溢洪口和中黄山村南桥西的冲沟中部有较好的剖面出露，断裂两侧岩性为石灰岩。

中黄山流动水准观测点西南8 km处建有黑虎山水库，水库位于弥河支流石沟河上，控制流域面积为190 km2，总库容为5 646万立方米(见第27页图1)。距水准观测北端点东南约150 m处有一口深20 m左右的百年老井。

中黄山流动水准观测由安丘地震台负责，始于1993年，每月中旬野外观测一次，同时开展降水、水库蓄水及老井水位等辅助观测。水准测线与断层夹角35°，全长268 m，共设6站，高差为0.89 m(见图1)。测线两端点均建有钢管基岩水准标石、不锈钢标志，北端点孔深8.05 m，南端点孔深7.0 m，标杆管均下到完整基岩中。

2 水准测值与流体测项的年变化

1993—2014年中黄山流动水准及辅助观测的年变值如第27页图2所示。可以看出，中黄山水准测值的年变规律较明显，且受当地降水、黑虎山水库水位和蓄水量、地下水位的影响。

2.1 典型年变分析

选取2013年的资料做年变分析。中黄山水准测值、降水量、老井水位、黑虎山水库水位和蓄水量月均值或月累计的变化曲线如图3所示，相关分析结果如表1和第28页表2所示。可以看出：

图1 中黄山流动水准测线布设示意图Fig.1 Arrangement of mobile leveling survey lines in Zhonghuangshan

图2 1993—2014年青州中黄山流动水准及辅助测项年变图Fig.2 Annual variation of mobile leveling and auxiliary items in Zhonghuangshan in Qingzhou from 1993 to 2014

(1) 水准测值、降水量、老井水位、水库水位和蓄水量都有明显的年变特点。其中，降水等变化为“雨季突升”型，水准测值变化为“雨季突降”型。

(2) 水准测值与降水量、老井水位、水库水位和蓄水量之间，降水量等4个测项值越大，水准测值就越

图3 2013年1—12月青州中黄山降水量、老井水位、黑虎山水库水位和蓄水量变化曲线图Fig.3 Change of precipitation in Zhonghuangshan, level of old wells, water level and storage capacity of Heihushan Reservoir from January to December in 2013

小；反之则越大。

(3) 老井水位受上月降水量的影响明显，符合水文地质学原理，但两者的相关性却不显著；水库水位和蓄水量受上月降水量的影响明显，但之间的相关关系也不成立；水库的蓄水量与水位之间的相关关系较密切(见表1)。

表1 2013年1—12月上月降水量与老井水位、水库水位、水库蓄水量相关分析结果

(4) 水准测值与水库水位和蓄水量的相关性较好(见第28页图4)，与老井水位的相关性次之，与降水量的相关性最差(见表2)。表明，降水为引起水准测值变化的成因性因素，水库水位和蓄水量是最直接的影响因素。此结论与未做数据处理之前的不完全相同，以前主要强调干旱(即降水)对水准观测的影响。

表2 2013年1—12月水准测值与上月降水量、老井水位、水库水位和蓄水量相关分析结果

图4 2013年1—12月水准测值与水库蓄水量相关图Fig.4 Correlation between leveling values and reservoir storage capacity from January to December in 2013

2.2 逐年变化分析

对1993—2014年水准测值与降水量、水库蓄水量的年变关系逐年做分析。得出：

(1) 水准测值与上月降水量之间，绝大多数年份的相关性一般或较差。1993—2014年，两者的相关系数最小为0.007 6，最大为0.551，平均为0.263 7。仅2014年的相关性较好，相关系数为0.634 2(样本数n-2=10，可信度α=0.05的r值为0.576)。

(2) 水准测值与水库蓄水量之间存在较好的相关关系(见表3)。在22年中，有15年的相关性良好，占总数的68.2%；7年的相关性较差或反常(见图5)，占31.8%，说明水库蓄水量对水准测值的影响更为直接。

表3 1993—2014年水准测值与水库蓄水量逐年相关分析结果

图5 2005年水准测值与降水、水库蓄水量关系曲线图Fig.5 Relationship of leveling values with rainfall and reservoir storage capacity in 2005

(3) 水库蓄水量的大小，受降水量和人为用水量双重因素的影响。“干旱”实为降水量的显著偏少，而人为用水量又与降水量和经济发展状况两方面因素有关，且关系复杂。

2.3 逐年水准增量最小值与降水量、水库蓄水增量关系分析

为研究水准值增量与降水量、水库蓄水增量的关系，采用列表分析法。列出1年中≥100 mm的月降水量，显著变化前后的水库蓄水增量，1年中水准测值增量的最小值(见表4)。对比得出：

(1) 在大多数年份，水准测值增量最小值出现在7至9月，少数出现在6月、10月，极个别在11月(2010年)、12月(2014年)。

(2) 水准测值增量的减少，最小为-0.11，最大为-3.74。

(3) 在大多数年份，水准测值与降水量、水库蓄水量之间为正相关关系。

(4) 月降水量显著增加(即≥100 mm)，可使下一月或再下月水库的蓄水增量显著增加(不一定转为正值)，即蓄水量显著增加滞后于降水量增加一、二个月。蓄水量显著增加后，可使当月(个别年份为次月)的水准值增量最大幅度下降而达到最小值。

(5) 2001、2005、2006、2009、2014年的变化规律反常，占总年数的22.7%。如，2005年8月水准测值与水库蓄水量的关系，由负相关转变为正相关(见图5)；2014年全年未出现≥100 mm，但11月份却出现水准测值增量的最小值-0.11(见表4)。

表4 1993—2013年部分水准增量最小值与月降水量、水库蓄水量对比

3 水准测值增量与流体测项的多年变化

1994—2014年，中黄山水准年均值增量、年降水量、黑虎山水库水位和蓄水量年均值增量的变化曲线如第30页图6所示，之间的相关分析结果如第30页表5所示。分析得出：

(1) 降水是水库水位和蓄水量最重要的影响因素(水库水的补给来源)，计算结果表明，年降水量与水库水位和蓄水量年均值增量之间的相关性较差。

(2) 1994—2012年，水准年均值增量与水库水位和蓄水量年均值增量间的相关性较好(呈负相关)。

(3) 1994—2013年、1994—2014年，水准年均值增量与水库蓄水量年均值增量间不相关。这与2013年水准测值增量太大、2014年水准测值增量出现反常下降等有关。

(4) 1994—2014年，水准年均值增量与年降水量之间的相关性都较差。

以上分析表明，降水与水准测值变化间的相关性并不良好，降水是通过水库水位和蓄水量的变化来引起水准测值变化的。

图6 1994～2014年降水量年累计、水库水位和蓄水量年均值增量、水准年均值增量的变化曲线图Fig.6 The change of annual total precipitation, average annual increment of reservoir water level and storage capacity, average annual increment of leveling from 1994 to 2014

4 影响机理分析

当大气中降水落到地面形成地表水和地下水后，才能影响流动水准的测量。从几种因素的相互关系上看，降水的作用是双重和连锁式的，可造成水库蓄水量和人为用水量的增减，人为用水需求量的改变又直接影响老井水位和水库的库容量。

上述分析表明，水库水位和蓄水量、井水位与水准测值之间有着直接的密切关系。下面讨论其相互影响的机理。

(1) 水库(地表水)对水准测值的影响。

水库的水体载荷改变(包括水库两岸被河水饱和或疏干后岩层载荷的改变)对地层产生加压或减压的作用，进而引起断层上盘滑动的方向和速度的变化，这是最主要的影响。若降水量增大，对黑虎山水库的补给量亦增大，并可因降水量充足而减少水库的输出量，故水库蓄水量增加。其结果是，作用于断层上盘(南

表5 水库水位和蓄水量、水准年增量与年降水量的相关分析结果

盘)的水库荷载增大，使上盘下降，水准测值显著减小。反之，若降水量减小，对黑虎山水库的补充量亦减少，又因干旱使水库输出量增大，故水库蓄水量减小。其结果是，作用于断层上盘(南盘)的水库荷载减轻，使上盘上升，水准测值亦显著上升。

近年来，降水量减小和水库输出量增大，断层上盘上升，水准测值的增加更显著(见图2)。

(2) 地下水对水准测值的影响。

当降水补给引起地下水位上升时，含水层岩石的孔隙压力增加，断层面上的有效正压力减小，有利于断层滑动；反之，当水位下降时，孔隙压力减小，则可抑制断层的滑动[3-4]。另外，水位的升降变化，通过化学腐蚀作用，可导致岩石强度的减小或增强，从而有利于断层滑动或者抑制断层滑动。

需说明的是，在流动水准测线一带，双山—李家庄断裂两侧岩性为石灰岩，即断层上下盘岩性无明显差异，断层两盘含水层岩石的孔隙度、储水性能的差异不大。因而由于水位升降、岩体总重量作用于断层面上的附加剪切分力的变化不大，故地下水位变化而导致的含水层岩石的荷载作用可不予考虑。

总之，中黄山流动水准观测值变化的原因是，水库蓄水量载荷改变与地下水孔隙压力变化和地下水腐蚀等共同作用的结果。

5 结论与讨论

(1) 中黄山水准测值与水库水位和蓄水量的相关性最好，与老井水位的次之，与降水量的最差。表明，对于中黄山流动水准观测，降水为引起变化的成因性因素，水库水位和蓄水量是最直接的影响因素。这一点与以前的认识不尽相同，过去只笼统强调干旱的影响。

(2) 月降水量增加(即≥100 mm)后一、二个月，水库蓄水量亦显著增加；蓄水量显著增加之后，可使当月(个别年份为次月)的水准值增量值出现一年中的最大幅度减小。

(3) 水库蓄水量的大小，受降水量和人为用水量双重因素的影响，而人为用水量则与降水量和经济发展状况两方面因素有关，之间的关系较复杂。

(4) 水准测值受影响的机理是，降水引起老井水位、水库水位和蓄水量(还受人为用水的影响)的变化，水库的蓄水量载荷改变，对地层产生加压或减压，致使断层上盘向下或向上滑动，进而引起水准测值变化；地下水位的升降变化，通过改变孔隙压力的大小和腐蚀作用的强弱来促进或抑制断层滑动，也影响水准测值的改变。

(5) 存在问题是，少数年份水准测值与水库蓄水量年变化的相关性、极少数年份水准年均值增量与水库水位和蓄水量年均值增量之间的相关性一般或较差。这与降水量、水库水位和蓄水量、人为用水量彼此之间的关系复杂有关，但目前仍未寻找到具体的原因，有待今后开展此方面的研究。

(6) 流体引起断层滑动的深度，是否存在浅层和深部都有，不得而知，需加强研究。

[1] 黄辅琼，陈 颗，白长清，等.八宝山断层的变形行为与降雨及地下水的关系[J].地震学报,2005，27(6)：637-646.

[2] 顾申宜，王慧琳，张 帆.海南琼中台GPS垂直分量变化与降水、地下水位关系研究[J].大地测量与地球动力学，2014,43(6)：37-40.

[3] 郭增建，秦保燕.震源物理[M].北京:地震出版社，1979：20-21，159.

[4] 王吉易，宋贯一，曹志成，等.地下水诱发的浅层前兆异常及其机理与有关的地震预报问题(1)[J].华北地震科学，2002，20(2)：27-41.

Relationship between Measured Values of Mobile Leveling andFluid Change in Zhonghuangshan in Qingzhou, Shandong

WANG Zheng1, YAN De-qiao2, ZHAO Yin-gang2, ZHANG Xiao-dong1, WEI Xiu-cai1

(1.Earthquake Administration of Weifang City, Weifang, Shandong 261041, China;2.Anqiu Seismological Station, Anqiu, Shandong, 262100, China)

The relationship of measured values of the moblie leveling in Zhonghuangshan and influence factors of precipitation, storage capacity of the reservoir, water level of the reservoir and groundwater level is analyzed by using Zhonghuangshan mobile leveling observation data and auxiliary observation data from 1993 to 2014 in Qingzhou, Shandong. The results show that the measured values of leveling has the best correlation with reservoir water level and water storage capacity, and better correlation with the water level of old wells, the poor correlation with precipitation. The mechanical mechanism of fluid influence to leveling observation is discussed. It is considered that the reason for the change of measured values is the sliding up or down of the hanging wall of the fault under the influence of load change of reservoir storage capacity, change of pore pressure and corrosion.

Mobile leveling; Correlation analysis; Effect mechanism

1000-6265(2017)01-0026-06

2016-05-20

山东省地震局合同制科研项目(15Y33)。

王 铮(1977— )，女，山东省潍坊市人。1999年毕业于中国地质大学(北京)，工程师。

P315.63

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