太原井水位的快速上升與構造活動的關系1

張淑亮王 霞劉瑞春王 斌

1）山西省地震局，太原 030021

2）太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，太原 030025

3）太原理工大學水利科學與工程學院，太原 030024

太原井水位的快速上升與構造活動的關系1

張淑亮1,2)王 霞1,2)劉瑞春1,2)王 斌3)

1）山西省地震局，太原 030021

2）太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，太原 030025

3）太原理工大學水利科學與工程學院，太原 030024

利用晉祠泉域巖溶水動態模型，對太原井水位快速上升時段的水位動態進行預測，再由預測值與實際觀測值的絕對誤差來反演含水層的應力值。結果表明，太原井水位快速上升時段含水層應力值也持續增高，且與太原體應變壓性應變加速、交城斷裂南端地裂縫擴展加速以及由太原盆地小震綜合機制解反演的區域應力場逆轉等現象具有準同步性，它們都是在太原盆地區域應力場發生改變、盆地西部邊界交城斷裂活動加劇的背景下出現的。太原井水位的快速上升與構造活動增強有關。

井水位 交城斷裂 構造活動 區域應力場

張淑亮，王霞，劉瑞春，王斌，2015.太原井水位的快速上升與構造活動的關系.震災防御技術，10（1）：46—58. doi：10.11899/zzfy20150105

引言

2009年8月位于交城斷裂晉祠段太原流體觀測井（以下簡稱太原井）水位出現反年變規律的快速上升，2011年7月上升速率再次加大。水位第二次加速上升期間，太原臺體應變觀測也出現較顯著的加速變化。特別是2013年以來，在水位上升速率趨緩的情況下，體應變壓性速率反而加快，脫離了正相關的關系。該異常可能包含有構造活動的影響，反映了該區域自2011年以來，構造應力場處于增強狀態2。由于太原井水位在山西及周邊地區一些中強震前有較顯著的異常，因此水位異常能清晰地反映井區構造活動增強引起水井含水層應力的變化（王秀文等，2000）。為此，分析太原井水位快速上升變化與構造活動之間的關系，對地震預測研究工作有一定的指導意義。

地下水位是地殼活動中反應靈敏的組份，而影響井水位動態變化的因素較為復雜，它不僅能反映非構造因素引起的變化，而且還能反映震源區的應力變化、區域構造活動產生的場兆和源兆信息（車用太，1997）。沈曉松等（2012）分析了非構造因素與太原井水位動態之間的關系，認為2009年以來太原井水位上升與降雨量增多、地下水開采減少關系密切；李自紅等（2012；2014）分析了清徐境內交城斷裂帶、地裂縫和地貌的分形結構特征，以及交城斷裂帶北段最大潛在地震發震概率，認為清徐地裂縫的擴展加速與交城斷裂活動增強有關，交城斷裂帶北段為目標區主要的發震斷裂。然而，太原井水位快速上升是與其所處的交城斷裂活動增強有關，還是非構造因素影響所致，到目前為止，尚無定論，更未見相關的研究或報道。因此，要探討太原井水位快速上升變化與構造活動之間的關系，就必須從現有觀測資料中去除非構造因素的影響后，才能較為準確地把握太原井水位快速上升與區域應力場活動之間的關系。近年來，智能學習理論中的支持向量機（SVM）作為一種新型的機器學習方法，主要用于模型識別和非線性函數的擬合。由于支持向量機是基于統計學習理論的小樣本學習方法，采用結構風險最小化原則，因此具有很好的預測性能（閻輝等，2000；張學工，2000）。本文利用支持向量機理論建立現有開采模式下地下水流數值模型，對太原井地下水位進行預測。該模型可有效分離大氣降水、地下水開采、煤礦排水等非構造活動因素對太原井水位動態產生的影響。然后再利用預測值與實際觀測值的差值作為太原井水位變化值來反演含水層的應力值，并與研究時段太原盆地應力場變化特征、觀測井所在斷裂的活動特征進行對比分析，探討太原井水位的快速上升與構造活動的關系。

1 太原井水動態及非構造影響因素分析

1.1 太原井水動態

自太原井水位觀測以來，水位動態在正常年份表現出一定的規律性，一般是每年的11月到次年的3月水位較高且平穩，從4月份開始下降至7月初，7月后水位回升（圖1）。但在1994年9月，太原井水位因受西山巖溶水過量開采的影響出現反年動態加速下降。2009年8月，太原井水位在長達15年趨勢下降的背景下出現加速上升，至2012年底，累計上升幅度達17.1m，且目前仍在持續上升（圖2）。

圖1 太原井水位動態變化曲線Fig. 1 Dynamic curve of water level with time in Taiyuan well

對太原井水位變化與震例關系的研究結果表明，該井水位變化具有一定的映震能力。例如：在1989年10月大同-陽高發生5.9級地震的前1年，該井水位就曾出現過反年動態變化，震前10天有小波動，震前1天有突跳現象；1991年1月忻州發生5.1級地震和當年3月大同-陽高發生5.8級地震的前2年左右，該井水位出現年變改變、且變化速率加大的趨勢異常（圖1）。特別是忻州發生5.1級地震前，山西省地震局監測預報研究中心綜合預報研究室，在1991年1月11日召開的地震會商會上，以晉7-1井水位突跳為主要依據，對該地震做出了較為準確的預報。太原井水位的震前特征主要表現為：在時間上以中期異常和臨震異常為主，中期異常一般出現在震前的1—2年，臨震異常出現在震前的1天左右；在異常形態上以反年動態變化和突跳變化為主。

圖2 太原井水位月均值曲線圖Fig. 2 Monthly mean of water level vs. time in Taiyuan well

1.2 非構造影響因素分析

由于太原井位于晉祠泉域巖溶水區，因此它與泉域巖溶水具有相同的非構造干擾源。筆者從以下三方面，對非構造干擾源與晉祠泉域巖溶水動態之間的關系進行了分析。

（1）降雨量的影響

晉祠泉域巖溶水主要依靠大氣降水入滲補給，因此泉水的天然動態與降雨量之間一定存在某種相關性。假設晉祠泉天然流量與降雨量之間的關系滿足線性回歸方程，對晉祠泉流量與泉域降雨量資料進行相關分析，筆者的計算結果發現，晉祠泉流量與前3年的年降雨量密切相關（圖3），相關系數可達0.952，這說明降雨量是晉祠泉域巖溶水動態的主要影響因素之一，降雨補給一般滯后3年。

（2）地下水開采的影響

對晉祠泉域南北兩側邊山斷裂帶巖溶水的開采，始于上世紀60年代初，由于地下水開采量的不斷增加，使晉祠泉流量逐年減少，因此地下水開采與晉祠泉流量密切相關（圖3）。筆者對晉祠泉流量與邊山斷裂帶巖溶水開采量進行了一元回歸計算，得到的相關系數為-0.96，因此可以認為，晉祠泉域南北兩側邊山斷裂帶巖溶水的開采是巖溶水動態的另一個重要影響因素。

（3）煤礦礦坑排水的影響

盡管泉水流量受到大氣降水和地下水開采的影響，但煤礦礦坑的排水量對其影響也是不容忽視的。筆者的研究發現，泉水流量與煤礦礦坑排水量呈負相關關系，一元回歸求得相關系數為-0.851，即泉水流量隨著煤礦礦坑排水量增加而減小（圖3）。

根據各種因素對晉祠泉巖溶水影響程度的大小，以及降雨入滲的滯后性和疊加性，筆者最終確定降雨量、地下水開采量、煤礦礦坑排水量為主要非構造影響因素。

圖3 晉祠泉綜合要素圖Fig. 3 Important factors of Jinci spring

2 由模型預測太原井水位值

2.1 巖溶井水位動態模型的建立

根據支持向量機的學習理論，筆者建立了晉祠泉域巖溶水動態模型，其目的是為了使如下表達式能夠成立：

本文利用Libsvm完成模型的訓練和預測。所選樣本的數據來源于晉祠泉域內23個長期觀測井、泉域內多年降雨觀測資料和地下水開采量（包括煤礦排水），所有相關樣本均參與模型的訓練、校正和預測。選取2002—2008年的樣本為模型的訓練樣本，選取2009—2012年的樣本為預測樣本。預測比較由模型求解出的井水位預測值與太原井實測觀測值之間的差異性來進行。

學習樣本建立后，在對核函數訓練對比以及與模型建立有關參數優化選擇等工作的基礎上，最終得到的最優動態模型為：

2.2 模型計算結果分析

利用所建模型對太原井水位2009年快速上升以來的地下水位動態進行預測，并與實測數據進行了對比，預測結果見表1和圖4。從中可以看出：最大絕對誤差小于1.037m；最大相對誤差小于2.3%；預測值與實測值相關系數為0.998。表明該模型是可靠的、合理的，降雨、地下水開采和煤礦礦坑排水的確是影響太原井水位動態變化主要的非構造因素。太原井水位快速上升與近幾年補給區降雨增多、晉祠泉域地下水開采量減少（含礦坑排水）有較好的一致性。

表1 水位預測值與實測值對比及含水層應力綜合表Table 1 Comparison of predicted and actual water level as well as the aquifer pressure

續表

圖4 預測水位與實測水位對比圖Fig. 4 Comparison of predicted and actual water level

但從圖5可以看出，由預測模型求得的太原井水位相對誤差值在2009年7月前后突然增大，變化幅度明顯，之后相對誤差逐漸減小，均在1.62%以下；2011年7月前后，相對誤差再次增大，在2%左右波動，隨后相對誤差呈下降趨勢，至2012年6月減小到0.052%。與太原井水位原始觀測值相比，相對誤差較大時段正是太原井水位快速上升時段。在井水位快速上升階段，該模型預測結果的適應性并不好，這一現象表明太原井水位快速上升不僅受降雨、地下水開采量和煤礦礦坑排水量大小的影響，可能還存在其他的影響因素。

圖5 太原井水位與相對誤差對比圖Fig. 5 Comparison of water level and relative error in Taiyuan well

3 由水位變化反演水井含水層應力值

如前所述，由動態模型計算的水位預測值與實際觀測值的誤差變化存在明顯的規律性：在太原井水位變化較平穩時段，模型的適應性較好，相對誤差也小；而在水位快速上升時段，模型的適應性較差，相對誤差也較大。由于地下水位是地殼活動中的靈敏組份，它不僅能反映非構造因素引起的變化，而且還能反映震源區的應力變化、區域構造活動產生的場兆和源兆信息（車用太，1997）。當它形成一個封閉的承壓系統時，就能客觀、靈敏地反映地殼中的應變狀態（汪成民等，1981）。因此，在相對誤差較大的時段，可能還存在構造活動的影響。目前，利用水位值反演含水層應力值來表述應力變化，是探討區域應力場演化過程的有效方法。賈化周等（1996）以地球固體潮的理論、彈性理論和地下流體動力學理論為基礎，推導出給定的井孔含水層系統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系為：

式中，Δh為水井水頭的變化；Δσ為含水層應力變化；ρ為含水層內水的密度；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；β為含水層內水的體積壓縮系數；λ和μ為拉梅常數。

由（1）式可知，對于某一井孔含水層系統來說，水井水頭的變化與引起其變化的固體潮體應力的變化成正比，因此上式可簡寫為：

式（2）是利用井水位變化反演含水層應力變化的計算公式。其中：

為比例系數，對于給定的水井含水層系統，比例系數kw是一個常數。經計算筆者得出的太原井的比例系數為3.59。

本文以預測值與實際觀測值的差值作為太原井水位變化值Δh，再由式（2）求出相應的含水層應力變化值Δσ，計算結果見表1和圖6。從中可以看出，2009年以來太原井含水層應力變化值呈現增強趨勢，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6 太原井含水層應力變化Fig. 6 Variation of aquifer stress values with time in Taiyuan well

4 與構造活動之間關系分析

如前所述，在太原井水位快速上升時段，含水層的應力值也在持續增加，特別是在水位加速上升時段，含水層應力也明顯偏大。那么，太原井水位快速上升變化是否與區域應力場調整引起交城斷裂活動加劇有關呢？為此，筆者從以下幾方面進行了討論。

4.1 與太原臺體應變同步變化對比分析

太原鉆孔體應變與太原水位觀測井都位于交城斷裂晉祠段的太原地震臺。自2007年開始觀測以來呈連續張性變化，2009年下半年張性速率明顯減緩，2010年下半年轉為壓性變化，2011年10月以后壓性速率逐年加快。體應變的3次速率改變與太原井水位3次加速時段同步（圖7）。大量研究及觀測事實表明，體應變的大小反映了含水層中孔隙壓的變化情況，地殼應變是引起地下水水位變化的主要原因，而地下水又是溝通地殼應力與固體變形最敏感的物質。Bredehoeft（1967）和Narasimhan等（1984）認為，體應變與固體潮引起的水位變化之間存在密切關系；Tsutomu等（2004）和Yuichi等（2006）對利用潮汐效應以及位錯模型計算的體應變進行了比較，發現地下水同震變化幅度和方向與同震地殼應變相對應；Gahalaut等（2010）利用孔隙彈性理論模擬體應變和水位變化，發現模擬結果與實測結果在正負號變化上相似，而且位于震中附近的承壓井的模擬體應變與觀測值在大小上也比較相近。

由于太原井水位快速上升變化是在含水層應力增強的情況下出現的，而體應變的3次速率改變也均與水位3次加速同步，因此，體應變的壓性加速變化表明測點所在區地殼應力狀態也發生了改變。

圖7 太原井水位與太原體應變對比圖Fig. 7 Comparison of water level and local volumetric strain

4.2 交城斷裂活動增強的證據

近年來在交城斷裂南端出現大面積地裂縫。2008年地裂縫發展尤其迅速，在不到半年的時間內，裂縫沿斷裂向兩側擴展了8mm。李自紅等（2012）對裂縫的成因機制進行了研究，發現地裂縫在地表最顯著的運動特征為兩盤的垂直差異升降、橫向水平拉張，垂直升降量為10—120cm，拉張量為7—60cm，右旋扭動量為1—2cm。同時在微地貌上，地裂縫發育在地形陡變帶上，裂縫兩側普遍為高差0.5—3m的陡坎，說明地裂縫的形成是下伏斷層長期活動的結果，而地裂縫是最新一期的蠕滑形式。由于主地裂縫是交城斷裂的一部分，其活動方式、力學性質均與交城斷裂基本相同，是由交城斷裂無震蠕滑活動過程中引起的地面破裂（李自紅等，2012；2014）。根據地球物理勘探和探槽揭露，主地裂縫與下部的交城斷裂走向完全重合，傾向相同，傾角相近。因此，清徐地裂縫是下伏斷層最新活動的破裂現象，屬構造成因，與交城斷裂活動增強有關。

4.3 太原盆地應力場變化特征分析

由于構造活動的增強一般與區域應力場變化有關。前文提到的太原斷陷盆地西界主控邊界的交城斷裂近年來活動在持續增強，這種現象可能反映了太原盆地應力場活動的增強。為了進一步證實太原井水位快速上升期間，太原盆地應力場特征發生了改變，本文利用太原盆地2.0級以上中小地震震源機制解來分析應力場的變化特征。首先由震源機制解獲得最優應力模型，然后再由模型得到主應力方向（Gephart，1990a；1990b）。用單個震源機制的滑動矢量與在應力張量作用下產生的滑動矢量之間的夾角來表征震源機制的一致性（Liu等，1996）。計算結果見圖8和圖9。可以看出，2009年以前太原盆地小震震源球所顯示的是以走滑地震類型為主；從震源機制解結果反演的區域構造應力場結果可以看出，太原盆地在2002—2008年時段內，單個震源機制解結果比較凌亂，多個震源機制解結果反演的區域構造應力場震源類型未知。太原盆地內部在該時段內受力情況不突出，主要以太原盆地局部應力場活動為主。2009年后太原盆地小震震源球所顯示的是以正斷地震類型為主；從震源機制解結果反演的區域構造應力場結果來看，2009—2012年太原盆地構造應力場與華北地區接近，震源類型為正斷類型，表明太原盆地內部主要以張應力作用形式為主。

圖8 太原盆地≥2.0級地震震源球分布與采用Gephart方法求得的應力場方向（2002—2008年）Fig. 8 Distribution of focal mechanisms of earthquakes（M≥2.0）and the direction of stress field derived by Gephart approach in the Taiyuan basin（2002—2008）

圖9 太原盆地≥2.0級地震震源球分布與采用Gephart方法求得的應力場方向（2009—2012年）Fig. 9 Distribution of focal mechanisms of earthquakes（M≥2.0）and the direction of stress field derived by Gephart approach in the Taiyuan basin（2009—2012）

由單個震源機制的滑動矢量與在應力張量作用下產生的滑動矢量之間的夾角表征震源機制一致性參數隨時間變化曲線來看，2002年以來太原盆地一致性參數顯示，2009年以前震源機制解3個主應力方向較為凌亂的狀態，在2009年以后趨于穩定，且接近背景構造應力場（圖10）。

劉巍等（1994）在研究了太原盆地大量震源機制解資料后發現，山西地震帶一些中強地震發生前，太原盆地小震綜合斷面解由有別于華北現代地殼應力場的局部小區域應力場作用為特點的格局，轉為受華北區域應力場控制、且接近華北構造應力場的現代地殼應力場特點，這種差別可能是區域應力場的作用增強、山西地震帶中強地震逐漸活躍的一種顯示。太原盆地小震震源機制解結果反演的區域構造應力場，在2009年以前單個震源機制解結果比較凌亂，主要以局部小區域應力場作用為主，而在2009年后區域構造應力場接近華北構造應力場；單個震源機制一致性參數所反映的3個主應力方向，在2009年前后由較為凌亂的局部應力場轉為且接近背景構造應力場。這些特征表明，2009年以來太原盆地區域應力場發生了改變，并呈現增強的態勢。

圖10 應力場隨時間變化曲線Fig. 10 Variation of stress field with time

5 幾點認識

大量的觀測實踐表明，太原井水位在山西忻州至晉冀蒙交界區幾次5級以上中強地震發生前有較顯著的異常顯示。特別是1991年忻州5.1級地震發生前，山西省地震局監測預報研究中心綜合預報研究室，在1991年1月11日的地震會商會上，以晉7-1井水位突跳為主要依據，對該地震做出了較為準確的預報，太原井水位異常可作為未來地震趨勢判別的主要依據之一。而2009年下半年以來，太原井水位快速上升變化又是在周邊煤礦陸續關停、太原市關井限采、地下水的開采量減少的情況下出現的，要判別這種變化是非構造成因，還是構造活動成因就顯得更加困難。通過對太原井水位快速上升與構造活動之間關系的分析，筆者得到了以下一些認識：

（1）要探討水位上升與構造活動之間的關系，須分析影響地下水動態的主要因素；在排除各種非構造因素影響后，再分析其與構造活動的關系，這樣所得到的認識才是可靠的。

（2）預測水位與實測水位的差值，在排除了非構造因素的影響后，可作為分析含水層應力值變化特征的依據。

（3）影響含水層應力值大小的因素多種多樣，要分析含水層應力值變化是否與構造活動增強有關，需要多方面探尋與構造活動增強有關的其他證據以及區域應力場的變化特征。

（4）太原井水位快速上升是多種因素共同作用的結果，它即與降雨量增大、地下水開采量減少等非構造因素有關，也包含有區域應力場改變而引起的構造活動增強的影響。

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Relationship between the Water Level Rapid Rising and Regional Tectonic Activity of Taiyuan Area

Zhang Shuliang1,2), Wang Xia1,2), Liu Ruichun1,2）and Wang Bin3）
1) Earthquake Administration of Shanxi Province, Taiyuan 030021, China
2) National Continental Rift Valley Dynamics Observatory of Taiyuan, Taiyuan 030025, China
3) College of Water Resources science and Engineering in the Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China

We built a dynamic model of the Karst water in the Jinci Spring to predict the water level of Taiyuan well, and inversed the aquifer stress values by the difference between the predict data and actual observation data. The results show that the aquifer stress appears the sustainable rising trend with the rapid rising of water level of Taiyuan well, and it has a synchronism in time with the accelerating compression strain of Taiyuan volumetric strain, the rapid growth of ground fissure in the south of Jiaocheng fault, and the disturbance of regional stress field in Taiyuan basin. The rapid increasing water level of Taiyuan well is related to the enhanced tectonic activity related to Jiaocheng fault at the west border of Taiyuan basin.

Well water level；Jiaocheng fault；Tectonic activity；Regional stress field

地震科技星火計劃項目（XH13004、XH14010Y）；山西省自然科學基金（2011011027）

2014-06-25

張淑亮，女，生于1963年。正研級高工。主要從事地震綜合預報工作。E-mail：zzsl-009@163.com

2 山西省地震局，2013. 山西省2014年度地震趨勢研究報告.