大同中心地震臺水位觀測干擾因素及動態特征分析

孟彩菊，楊世英，馮建琴，沈曉松，趙春華，靳玉貞

（1.山西省地震局太原基準地震臺，山西 太原 030025；2.山西省地震局臨汾中心地震臺，山西 臨汾 041000；3.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025）

0 引言

分析發現，中強地震與地下水異常存在較好的對應關系［1－2］，地下水異常既可能是最直接的宏觀短臨前兆，也可能是影響地殼形變異常的主要控制因素［3］。太原基準地震臺和夏縣中心地震臺多年的觀測資料均表明，許多觀測項目都受水位變化的影響［4］。因此，地下水無論作為單項觀測還是對比輔助觀測都較重要。

為進一步研究大同上皇莊地震臺水位變化規律及其對其他測項的影響，該文收集大同臺水位、氣象數據及周邊環境狀況等資料，分析水位變化規律、干擾因素、動態形成原因及其與其他測項間的關系。

1 基本情況

1.1 地質概況

大同上皇莊地震臺（以下簡稱大同臺）位于大同盆地西北邊緣，大同市馬軍營鄉上皇莊村西雷公山腳下，距離大同市8km。臺站西北部為山區，東南部為洪積傾斜平原，地處口泉斷裂帶北段，位于太行山隆起區，臺站東距大同斷陷盆地的西界口泉斷裂0.1km左右。口泉斷裂是大同盆地西界控制斷裂，全長100多千米，走向北北東，斷層傾向南東，全新世活動斷裂，右旋正走滑斷裂。臺站場地出露地層為太古界桑干群（ASg），巖性為麻粒巖夾薄層片麻。臺站西部的斷裂下盤廣泛出露太古界桑干群黑云斜長片麻巖夾斜長角閃巖，混合巖化強烈，上覆第四系黃土，東部為洪積砂土、礫石層等［5］。

1.2 鉆孔及數據情況

大同臺現有定點水準、地電阻率、地電場、地磁、鉆孔應變、井下豎直擺傾斜儀、氣象三要素等數字化前兆觀測項目，具有較強的數字化地震前兆監測能力。該臺無專用水位觀測井，2007年臺站“十五”數字化改造時，安裝TJ—ⅡC型體積式鉆孔應變儀，該系統帶有氣壓、水位輔助觀測，文中選用鉆孔輔助水位數據（數據為水面相對于探頭的高度變化，數據增大表示水位上升）作為分析對象。由于2009年底做實驗時毀壞了鉆孔及儀器，故在距離原孔兩米處重新打鉆孔和更換體應變儀，因此研究所選資料主要為上皇莊臺鉆孔應變輔助水位2010年以后的數據。

觀測鉆孔位于上皇莊臺西北幾百米處一條山溝中稍平坦地，觀測點周圍為山區，鉆孔開口孔徑147mm，終孔孔徑130mm，孔深62m。巖石性質為花崗巖，結構完整堅硬。水泥層頂部實際埋深60.7m，水位計投放的深度為6.5m，在水下的深度為6m。

2 大同臺水位干擾因素及年動態成因分析

2.1 數據可靠性分析

通過調查得知，鉆孔水位為輔助測項，規范中無標定檢查的要求，因此各臺站均不進行輔助水位標定檢查。從第26頁圖1看出，2010—2013年大同體應變（鉆孔）輔助水位觀測曲線基本穩定，連續性較好，年動態相似，說明輔助水位觀測系統可靠。

2.2 臺站周邊觀測環境調查

臺站周邊環境情況為：近旁無村莊、農田及工廠。約500m處，有一座占地300畝的上皇陵園；1km處，是上皇莊村，人口約400人，村外田地種植的農作物主要為杏樹。上皇莊村共有3口水井。

鉆孔所處山溝在雨季易形成季節性河流，在夏秋雨季降水后水量較大，冬春枯水期水量較小或斷流。

圖1 大同臺水位觀測曲線Fig.1 Water level observation curve at Datong Station

2.3 氣象因素調查

2.3.1 氣壓因素的排除

氣壓與水位應為一種負相關關系，即氣壓的增大引起水位的降低。

2013年大同臺氣壓與水位日值數據對比曲線看出，二者的相關關系不明顯（見圖2）。具體表現為：氣壓的高值點時間為年底、年初，而水位的低值點在5－6月；1－5月，水位與氣壓數據均為下降趨勢，形態一致，未出現負相關關系；6、7月，水位出現2次高值，氣壓只出現了1次，且時間不對應。另外，每年氣壓的低值點在6－7月，而水位的高點每年并不一致。由氣壓與水位日均值計算所得2010－2013年二者的相關系數R分別為：－0.20、－0.44、－0.32、－0.48。

圖2 大同臺水位與氣壓對比圖Fig.2 Contrast between water level and pressure at Datong Station

為進一步論證氣壓與水位間的關系，以分鐘值（初始數據段2013年5月1日至5日）為單位，窗長5日、步長1小時的滑動相關系數R為（即水位分別滯后氣壓0～12小時）：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（選每年水位最平穩時段5月的數據）。

上述計算結果表明，大同臺水位變化與氣壓關系不大。

2.3.2 降水影響

以2010年為例，繪制大同臺水位與降水對比曲線（見圖3），從圖中看出，降水與水位同步上升，每次水位的上升都對應明顯的降水，水位上升幅度隨降水量大小變化，雨量大幅度也大。其他年份的規律也是如此（圖略），說明水位變化與降水關系密切。

圖3 大同臺2010年水位與降水對比圖Fig.3 Contrast between water level and precipitation at Datong Station in 2010

2.4 周邊環境干擾情況

（1）抽水及灌溉影響。

上皇莊村共有3口井，1口位于村邊，另外2口位于村子周圍的農田中。由于該村人口較少，飲用水量不大；農作物主要為杏樹，依靠天然降水。因此，用水主要集中在春夏，用于陵園樹木及村民庭院花草灌溉。

大同臺周邊用水主要集中在春夏季節，而水位卻在春夏季節表現為上升，說明水位不受周邊抽水的影響。另外，測點附近沒有農田，灌溉入滲也不存在。

由上所述，抽水及灌溉對大同臺的水位影響不大。

（2）河水影響。

測點邊為一條季節性小河，雨季尤其是暴雨后，水量較大，冬春干旱季節，小河斷流，與水位一起受降水影響，呈同步變化。

總體來說，大同水位受周邊用水影響不大。

2.5 大同臺水位年動態分析

從圖1看出，大同臺水位多年動態相似，具體表現為：每年的1－4月以下降為主，5－8月以上升為主，9－12月又以下降為主。每次上升的形態以快速大幅臺階為特征。

從大同臺地下水類型、周邊環境條件及氣象因素綜合分析，認為影響大同井水位動態變化的主要因素是大氣降水。

從圖1看出，雖然每年1－4月總體表現為下降趨勢，但每年3月左右，水位曲線也存在小幅上升現象，而從降水曲線看，這個月大同臺為干旱少雨期，降水很少，此時水位小幅上升可能與氣溫回升引起融雪融冰少量補給地下水有關。因補充量有限，水位上升幅度不大。其后，春季里降水很少，水位得不到持續的補充，因此表現為持續下降。

4月開始，降水漸漸增多，水位隨之上升，水位上升幅度隨降水量大小變化。

3 大同臺水位與其他測項對比分析

大同臺現有定點水準、地電阻率、地電場、鉆孔應變、井下豎直擺傾斜儀等數字化前兆觀測項目，下面將水位與這些測項的關系進行對比分析。

3.1 水位與地電阻率測項的對比分析

以2010年數據為例，進行大同臺地電阻率南北向、東西向與降水、水位對比分析。從圖4看出，地電阻率南北向與東西向觀測曲線形態接近，變化趨勢一致。南北向與降水及水位的變化一致性更高些，下面的分析以南北向為主。

大同臺地電阻率南北向與水位存在很好的對應關系，當水位下降時，地電阻率曲線表現為上升；反之，地電阻率曲線下降。具體來說，2010年1月至2月上旬，水位保持下降趨勢，地電阻率曲線為上升趨勢；2月中下旬時，水位曲線下降，速率減小且出現轉折，地電阻率曲線轉平；3月中旬左右，水位明顯上升，地電阻率曲線于3月中下旬出現明顯下降；4月至9月，逐漸進入北方的降水季節，水位高值，而地電阻率曲線總體保持在低值階段；10月開始，水位恢復下降狀態，地電阻率曲線也恢復上升狀態。

圖4 大同臺2010年地電阻率、水位、降水曲線對比圖Fig.4 Contrast of earth resistivity，water level and precipitation at Datong Station in 2010

二者的這種對應關系說明，大同臺水位在地電阻率動態分析方面有一定的參考價值。

由大同臺地電阻率南北向多年形態曲線看出，2010年至2012年的年變形態非常相似，但在不同階段升降速率不同，幅度及持續時間也存在差異（見圖5）。因此，尋找差異形成原因在數據分析處理中就顯得尤為重要，而利用降水及水位變化來解釋地電阻率的這種動態差異性可能更好，更有說服力，今后有必要加強這方面的工作。

圖5 大同臺地電阻率南北向年動態曲線圖Fig.5 Annual dynamic curve of earth resistivity in north and south direction at Datong Station

3.2 水位與大地電場測項的對比分析

大同臺大地電場東西向比南北向的年變明顯，因此選取大地電場東西向數據與水位進行對比分析（見圖6）。

圖6 大同臺大地電場東西向與水位觀測曲線對比圖Fig.6 Contrast between geoelectric field in west and east direction and water level at Datong Station

從圖6看出，大同臺大地電場東西向與水位年變趨勢存在著較好的一致性。

3.3 水位與水準、洞體傾斜及體應變測項的對比分析

大同臺水準、洞體傾斜及體應變曲線總體表現為趨勢性上升或下降狀態，數據變化比較平穩，無明顯年變（見圖7）。初步判斷，鉆孔輔助水位變化對這幾個測項無明顯影響。

為進一步分析水位與這幾個測項的關系，分別計算出水位與水準、洞體傾斜及體應變日值以年為單位的相關系數（見表1）。從表1看出，除個別年份有一定的相關性外，其他年份相關性較差。

4 結論

通過以上分析，得出如下結論：

（1）大同臺水位受人為因素影響較小。

（2）大同臺水位變化與氣壓關系不大。

（3）大同臺水位變化受降水影響顯著，降水為其形態變化的主要原因。

（4）大同臺水位與該臺地電阻率、大地電場曲線形態一致性較好。

（5）大同臺水位與該臺體應變、洞體傾斜及水準曲線形態無顯著相關性。

5 建議

鉆孔水位為輔助測項，井孔深度不大，受氣象影響較大，往往不被重視，數據得不到有效使用。研究結果顯示，輔助水位對臺站一些測項的研究有重要的參考價值。根據目前山西省數字前兆觀測現狀，提出如下建議。

（1）水位是一項重要的觀測項目，通過其變化可以了解臺站周邊降水影響的大小；與臺站其他測項對比觀測意義重大，建議每個臺站設置該測項。

圖7 大同臺水位與水準、洞體傾斜及體應變觀測曲線對比圖Fig.7 Contrast of water level with leveling，cave tilt and body strain at Datong Station

表1 大同臺水位與水準、洞體傾斜及體應變相關系數Table 1 Correlation coefficients of water level with leveling，cave tilt and body strain at Datong Station

（2）臺站在形變、磁電測項與水位的對比分析方面研究較少，建議今后加強此項基礎研究。

［1］范雪芳，劉耀煒，吳桂娥，等.華北地區水位與水氡中期、中短期前兆異常特征研究［J］.地震研究，2010，33（2）：147－158.

［2］張淑亮，蘇燕.山西省地下水位異常指標的綜合評價［J］.山西地震，2006（4）：16－18.

［3］陸明勇，黃輔瓊，劉善華，等.地殼變形與地下水相互作用及其異常關系初探［J］.地震，2005，25（1）：67－73.

［4］孟彩菊.太原地震臺短水準受水位影響分析及異常識別［J］.地震地磁觀測與研究，2010，31（1）：77－83.

［5］山西省地震局.山西省地震監測志［M］.北京：地震出版社，2002：18－129.