孝義地震臺水位異常分析

趙 強(qiáng)，史雙雙，張亮娥，曹文強(qiáng)

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.山西省地震局太原基準(zhǔn)地震臺，山西 太原 030025；3.太原大陸裂谷動力學(xué)國家野外科學(xué)觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

孝義地震臺晉9-1井(以下簡稱孝義井)水位自2008年起呈趨勢下降型動態(tài)，2015年轉(zhuǎn)折變?yōu)橼厔萜椒€(wěn)型動態(tài)，并出現(xiàn)多次突降階變。地殼形變和地下水位異常可能是地震前兆，也可能是降水、抽水等其他因素導(dǎo)致[1]。異常出現(xiàn)后，太原基準(zhǔn)地震臺對孝義井及周邊環(huán)境進(jìn)行異常落實(shí)調(diào)查。

1 觀測井概況

孝義水位觀測井位于孝義市新城科委院內(nèi)，孔口標(biāo)高為770.37 m。井區(qū)東部地勢平坦，中部丘陵起伏，西部為山區(qū)。孝義井位于太原盆地西南邊緣，交城斷裂與北西向斷裂交匯地帶，水文條件為山前沖、洪積平面區(qū)，屬砂卵石承壓水，水量豐富。該井深502 m，承壓水觀測層為400～502 m，成井時水位高出地面8.37 m，2008年起年平均降幅約3～4 m，目前水位埋深為-33 m。

孝義井1983年6月開始模擬觀測，2007年6月“十五”數(shù)字化改造項(xiàng)目在孝義井新增數(shù)字化水位、水溫觀測，數(shù)字與模擬并行觀測至今。2016年1月增加氣象三要素輔助觀測。

2 資料分析

2.1 趨勢變化特征

由孝義井2007-2016年水位日均值圖(見圖1)看出，孝義井水位自2008年呈趨勢下降型動態(tài)。這種動態(tài)是因孝義市高耗水項(xiàng)目較多，造成地下水的開采量超過大氣降水的滲入補(bǔ)給量，導(dǎo)致含水層中地下水儲量不斷減少造成的[2]。

圖1 孝義井2008-2016年水位日均值曲線圖Fig.1 Daily mean value of water level of Xiaoyi well from 2008 to 2016

2.2 水位異常變化

孝義井水位異常表現(xiàn)為趨勢轉(zhuǎn)折和多次突降階變。2015年1-4月觀測水位打破自2008年保持的勻速下降趨勢，開始轉(zhuǎn)平并緩慢回升；2個月以后，出現(xiàn)多次階變突降(見第14頁圖2)。從第14頁表1看出，9次突降中有6次出現(xiàn)在月底，降幅從1 mm至36 mm不等。

3 影響因素分析

3.1 儀器及人為原因

對人工模擬與數(shù)字觀測的水位日均值進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)兩曲線的變化趨勢一致，均記錄到水位突降階變(見第14頁圖3)，兩種觀測方法誤差在±2 cm，水位校測誤差在|δ| ≤0.8%，校測結(jié)果均符合規(guī)范要求。靜水位傳感器工作正常，數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，能夠排除儀器故障(見第14頁表2)。

圖2 孝義井2015-2016年水位、水溫日均值曲線圖Fig.2 Daily mean value of water level and temperature of Xiaoyi well from 2015 to 2016

時間月-日變化幅度/m02-20-0.0502-26-0.0103-12-0.1203-20-0.00704-24-0.3606-22-0.0707-06-0.16207-26+0.1408-17-0.25

圖3 孝義井?dāng)?shù)字與模擬水位觀測對比曲線圖Fig.3 Comparison of digital water level gauge in Xiaoyi well with simulated observation

傳感器底部到觀測井口的距離m35.379校測日期2015-06-27校測讀數(shù)次數(shù)12345平均值測鐘校測水位值/m32.16132.15832.15832.15932.15732.159水位觀測儀器水位儀顯示值3.2273.2273.2273.2273.2273.227轉(zhuǎn)換后的水位值/m32.15232.15232.15232.15232.15232.152校測水位值與觀測儀器轉(zhuǎn)換后水位值之差/m0.0090.0060.0060.0070.0050.007相對誤差δ/%0.0280.0190.0190.0220.0160.021

3.2 降水影響

深層地下水位的動態(tài)變化主要受開采和補(bǔ)給影響，孝義市境內(nèi)地下水補(bǔ)給完全依靠自然降水的滲入，年均降水量在430 mm左右，有的年份降水量僅有330 mm，降水主要集中在7月至9月。由孝義市2008年至2015年降水量圖4所示，2010年為335.5 mm，其余年份在400 mm～570 mm范圍波動，降水量保持平穩(wěn)。2009年至2015年孝義市水位一直呈勻速下降趨勢(見圖5)，與降水無關(guān)， 說明孝義市地下水位主要受開采影響。

圖4 孝義市2008-2015年降水量圖Fig.4 The precipitation in Xiaoyi from 2008 to 2015

圖5 孝義市年總降水量與晉9-1井水位對比圖Fig.5 Comparison of the annual total precipitation in Xiaoyi and the water level of well Jin9-1

3.3 煤礦開采影響

孝義市盛產(chǎn)焦煤，多年的觀測表明，影響孝義井水位動態(tài)變化的主要因素為煤焦化、煤電鋁等高耗水項(xiàng)目較多，加之采煤漏水影響。2000年6月孝義市環(huán)保部門關(guān)停3 260個煉焦?fàn)t后，孝義井水位加速上升。自2008年起，由于煤炭漲價，煤炭過度開采，孝義井水位自2008年起勻速下降。2014年底，煤炭行業(yè)不景氣，造成一些煤礦停業(yè)、焦化廠停工，可能使持續(xù)7年下降的孝義水位發(fā)生轉(zhuǎn)折。

調(diào)查了解到山西聯(lián)盛興躍煤業(yè)有限公司于2014年11月停產(chǎn)，興躍煤礦位于孝義市下柵鄉(xiāng)興躍村，距離孝義井25 km，開采面積16.28 km2，批準(zhǔn)開采二疊系下統(tǒng)山西組1#、2#、3#、5#，石炭系上統(tǒng)太原組9#、10#、11#煤層，生產(chǎn)能力為120萬噸/年，垂深658 m。停產(chǎn)后每月月底排一次水，每次2～5 h。按每個井筒每天淋水70 m3，共3個井筒計算，每月排水量為6 300 m3。

4 分析

車用太[3]在判別地下水異常的干擾性與前兆性提出4項(xiàng)相關(guān)性原則，即出現(xiàn)的異常與干擾源在成因、空間、時間、作用強(qiáng)度存在相關(guān)性，則判定為干擾異常。

成因相關(guān)性。太原地震臺晉7-1井由于2008年起關(guān)閉周邊煤礦，使晉7-1井水位由降轉(zhuǎn)升[4]。孝義井與晉7-1井出現(xiàn)的轉(zhuǎn)折現(xiàn)象在成因上類似，均是煤礦停采減少了地下水資源的工業(yè)開采量，使水位回升。

空間相關(guān)性。由于興躍煤礦距孝義井較近，且開采的石炭系、二疊系煤層與孝義井觀測的二疊系含水層屬同一層位，具有空間上的相關(guān)性[5]。因此，可能會造成孝義井突降變化。

時間相關(guān)性。興躍煤礦每月月底排水，與孝義井水位突降時間有較好的對應(yīng)關(guān)系，說明二者在時間上具有相關(guān)性。

作用強(qiáng)度相關(guān)性。興躍煤礦月排水量約6 300 m3，排水量非常大，在干擾強(qiáng)度上也可能造成孝義井突降變化。

通過相關(guān)性分析認(rèn)為，本次異常應(yīng)該是煤礦排水引起的干擾異常，非前兆異常。

5 結(jié)論

(1) 孝義地震臺晉9-1井觀測層為二疊系含水層，易受煤炭開采影響。

(2) 孝義井水位的異常與煤礦排水在成因、空間、時間、作用強(qiáng)度上存在相關(guān)性，判定為干擾異常。煤礦停產(chǎn)等因素造成耗水減少是孝義井水位回升的主要原因。孝義井水位突降階變異常應(yīng)該是煤礦排水引起的干擾，非前兆異常。

(3) 地下水位趨勢轉(zhuǎn)折是否會改變斷層活動習(xí)性，需做進(jìn)一步的研究。

參考文獻(xiàn)：

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

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[3] 車用太，魚金子，劉成龍，等.判別地下水異常的干擾下與前兆性的原則及其應(yīng)用實(shí)例[J].地震學(xué)報,2011，33(6):800-808.

[4] 沈曉松，靳玉貞，孟彩菊，等.太原地震臺水位異常分析[J].地震地磁觀測與研究，2012,33(5):178-182.

[5] 扈桂讓，李自紅，閆小兵，等.韓城斷裂晚第四紀(jì)活動性研究[J].地震地質(zhì)，2017,39(1):206-217.