呂 芳，李宏偉，李 麗

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.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)

利用數(shù)字化水位資料反演山西地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場變化

呂 芳1,2，李宏偉1,2，李 麗1,2

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.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)

選取山西地區(qū)觀測條件較好的8口承壓井水位觀測資料及相關(guān)的氣壓數(shù)據(jù)，利用氣壓系數(shù)及M2波潮汐因子等進行滑動擬合，得到不排水狀態(tài)下的各井含水層孔隙度、水與固體骨架的體積壓縮系數(shù)。在水平層狀含水層(一維)模式下，運用求得的含水層介質(zhì)參數(shù)、井水位變化量與含水層垂直向應(yīng)力變化量的關(guān)系，定量分析山西地區(qū)2008年至2015年構(gòu)造應(yīng)力場的變化特征。

水位測量；構(gòu)造應(yīng)力場；山西地區(qū)

0 引言

由于地下水存在普遍性、流動性與難壓縮性，當(dāng)它形成一個封閉的承壓系統(tǒng)時，井水位變化就能客觀、靈敏地反映地殼中的應(yīng)變狀態(tài)[1]。已有研究認(rèn)為，承壓含水層井水位的變化反映含水層孔隙壓力的變化，而含水層孔隙壓的變化與含水層所受的壓力狀態(tài)有密切的關(guān)系[2]。因此，利用承壓井水位的連續(xù)觀測資料可有效地研究區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場狀態(tài)變化。

Johson A．G．和Nur．A等研究認(rèn)為，記錄斷層活動區(qū)附近鉆井的水壓變化，是測量深部彈性應(yīng)力變化的可能方法；李永善研究構(gòu)造應(yīng)力引起地下水位變化的特征，推導(dǎo)出含水層水位變化與其垂直向應(yīng)力變化之間的關(guān)系式；張昭棟等進一步分析承壓井含水層應(yīng)力應(yīng)變與地殼應(yīng)力應(yīng)變之間，及含水層應(yīng)力應(yīng)變與井水位之間的定量關(guān)系；黃輔瓊等利用華北地區(qū)40多口深井水位動態(tài)變化資料，結(jié)合地震發(fā)生與水位動態(tài)的關(guān)系，探討研究華北地區(qū)現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場狀態(tài)；孫小龍等運用小波分析法提取出能反映水位多年動態(tài)變化的趨勢信息，反演出華北地區(qū)多年構(gòu)造應(yīng)力場的變化特征[3-7]。但上述研究中涉及井孔的孔隙度和固體骨架的體積壓縮系數(shù)等含水層參數(shù)，都是取其一般的可能值或平均值，由此計算出的應(yīng)力場變化也只是量級上的估算[8]。

該文運用氣壓系數(shù)和M2波潮汐因子計算結(jié)果，滑動擬合定量獲取不排水狀態(tài)下井含水層的孔隙度、固體骨架和水的體積壓縮系數(shù)。在水平層狀含水層(一維)模式下，利用上述求得的含水層介質(zhì)參數(shù)、井水位變化量與含水層垂直向應(yīng)力變化量的關(guān)系式，定量分析山西地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場的動態(tài)變化過程。

1 資料選取與預(yù)處理

1.1 資料選取

選取山西地區(qū)鎮(zhèn)川、朔州、靜樂、太原、祁縣、介休、臨汾、東郭8口井作為研究對象，所選井孔較均勻地分布于山西斷陷盆地上(見第23頁圖1)，基本能反應(yīng)研究區(qū)域內(nèi)構(gòu)造應(yīng)力場的變化。上述8口井均為承壓井，觀測資料穩(wěn)定性較好、動態(tài)變化清晰且數(shù)字化觀測持續(xù)時間均在8 a以上，井孔基本情況如第23頁表1所示。

1.2 數(shù)據(jù)整理與預(yù)處理

運用8口井2008年至2015年的水位整點觀測數(shù)據(jù)與相關(guān)的氣壓數(shù)據(jù)進行計算。計算前，先對觀測數(shù)據(jù)進行檢查、整理；之后，進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，去除地下水開采、降水補給等長周期干擾因素，對剔除趨勢變化后的水位再進行濾波分析，進一步剔除降雨、氣壓等年際變化對水位的影響，為后續(xù)進行維尼迪科夫潮汐調(diào)和分析與含水層參數(shù)的計算等提供可靠數(shù)據(jù)。

2 研究方法及參數(shù)計算

2.1 應(yīng)力場反演計算方法

對于理想的水平層狀承壓含水層，即含水層上、下均為隔水層，各層呈水平狀向無限遠(yuǎn)的四周延伸，假定各層的力學(xué)性質(zhì)是各項同性的理想彈性體，考慮在這種含水層內(nèi)有一口完整井。由封閉條件的質(zhì)量守恒和含水層固體骨架的物理狀態(tài)方程及含水層內(nèi)水的狀態(tài)方程，可導(dǎo)出承壓含水層部分介質(zhì)參數(shù)、井水位變化量與含水層垂直向應(yīng)力變化量之間的定量關(guān)系[9]：

圖1 研究井孔空間分布圖Fig.1 The spatial distribution of the studied well bores

表1 井孔基本情況表Table 1 The basic parameters of the well bores

(1)

式中:ΔσZ為含水層垂直向應(yīng)力變化量；β為水的體積壓縮系數(shù)；ρg為水的重度；η為含水層的孔隙度；E為含水層固體骨架的楊氏模量(E=1/α)；ΔH為含水層應(yīng)力變化引起的壓力水頭變化量，即井水位變化量。當(dāng)井—含水層系統(tǒng)所受應(yīng)力增強，即ΔσZ>0時，井水位上升，水位埋深值H變小，其變化量ΔH<0；當(dāng)井-含水層系統(tǒng)所受應(yīng)力減弱，即ΔσZ<0時，井水位下降，水位埋深值H變大，其變化量ΔH>0。

式(1)中，水的重度ρg為常數(shù)，計算中ρg取0.098 hPa/mm。但井—含水層系統(tǒng)的孔隙度η、固體骨架體積壓縮系數(shù)α、水的體積壓縮系數(shù)β，需經(jīng)過計算獲得。

2.2 含水層參數(shù)計算

依據(jù)前人的研究結(jié)果[10-13]，不排水狀態(tài)下，井水位的氣壓系數(shù)和潮汐因子可分別表示為：

(2)

(3)

上兩式聯(lián)合可得到：

(4)式中:BP為井水位的氣壓系數(shù);Bg為M2波潮汐因子。

潮汐因子Bg由維尼迪柯夫潮汐調(diào)和分析獲取[14]，氣壓系數(shù)BP通過高階差分滑動求得[15]。隨后，含水層的孔隙度η、水的體壓縮系數(shù)β，依據(jù)式(4)通過滑動計算得到[16-17]。最后利用式(1)或式(2)，得出固體骨架的體積壓縮系數(shù)α。

3 應(yīng)力場反演結(jié)果及特征分析

第24頁圖2為計算得到的各井井水位變化量與含水層垂直向應(yīng)力變化量的時序月值曲線(圖中黑色部分表示井-含水層系統(tǒng)所受應(yīng)力增強時，即ΔσZ>0，ΔH<0的情況)。根據(jù)圖2水位反演應(yīng)力場結(jié)果及井孔所處位置看出，2008—2009年，整個山西地區(qū)表現(xiàn)為以應(yīng)力增強(壓應(yīng)力)為主，2010年分別在北、中、南部發(fā)生大同M4.5、陽曲M4.6、河津M4.8地震。2011—2015年，太原盆地及其以北區(qū)域相比2008—2009年應(yīng)力增強減弱，但仍以壓性活動為主，太原盆地以南區(qū)域則表現(xiàn)為張性活動。

4 結(jié)論與討論

地殼應(yīng)力測量是一件復(fù)雜困難的事情，通常是通過測量應(yīng)變來實現(xiàn)，耗資頗高。利用已有承壓井水位連續(xù)觀測資料，研究區(qū)域現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場狀態(tài)是一條既有效又經(jīng)濟的途徑[6]。該文運用8口井的氣壓系數(shù)和水位的M2波潮汐因子等，滑動擬合得到不排水狀態(tài)下，各井部分含水層參數(shù)。在水平層狀含水層(一維)模式下，利用這些參數(shù)與井水位變化量、含水層垂直向應(yīng)力變化量的關(guān)系式，定量分析山西帶構(gòu)造應(yīng)力場的時序變化特征，結(jié)論如下：

(1) 利用承壓井氣壓系數(shù)與M2波潮汐因子等滑動求取得出動態(tài)的含水層孔隙度、水和固體骨架的體積壓縮系數(shù)等參數(shù)，通過參數(shù)與含水層介質(zhì)的應(yīng)力關(guān)系，實現(xiàn)對區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力變化的定量分析。

圖2 各井井水位變化量與含水層垂直向應(yīng)力變化量月值曲線Fig.2 The monthly values of the water level variation and the vertical stress variation of the aquifer

(2) 反演的構(gòu)造應(yīng)力變化結(jié)果顯示：2008—2009年山西帶整體以應(yīng)力增強為主，并表現(xiàn)為壓性活動；受應(yīng)力增強的影響，2010年山西帶發(fā)生3次中強地震，而影響應(yīng)力場變化的原因可能是受汶川地震的影響[18-21]；2011—2015年，太原盆地及其以北區(qū)域雖然仍以壓性活動為主，但應(yīng)力增強減弱，太原盆地以南區(qū)域以張性活動為主。

(3) 上述研究是在理想的水平層狀承壓含水層模式下，即含水層上、下均為隔水層，各層呈水平狀向無限遠(yuǎn)的四周延伸，假定各層的力學(xué)性質(zhì)是各項同性的理想彈性體的情況下完成，計算結(jié)果表示的是區(qū)域應(yīng)力的動態(tài)變化過程，即應(yīng)力變化量，不能反映區(qū)域應(yīng)力的積累程度，而地震發(fā)生主要取決于區(qū)域應(yīng)力的積累程度。因此，運用水位資料反演得到的區(qū)域應(yīng)力變化，僅能在一定程度上對區(qū)域地震危險性程度的增強或減弱有所指示，其應(yīng)用于地震預(yù)測仍有一定的局限性。

[1] 汪成民，羅偉光，石錫鐘.地震前后地下水異常動態(tài)與巖體裂隙演變[J].地震科學(xué)研究，1981(4):1-7.

[2] 努爾(美國)，科瓦契.巖石中的水力流在地質(zhì)構(gòu)造過程中的作用以及對圣安德烈斯斷裂系的應(yīng)用[G]//薩瓦連斯基Eφ.地震前兆探索.傅征祥，胡鴻翔，譯.北京：地震出版社，1980:73-75.

[3] Johnson A G，Kovach R L，Nur A et al.Pore pressure changes during creep events on the AanAn-dreas Fault[J].Journal of Geophysical Research，1973，78(5)：851-857.

[4] 李永善.構(gòu)造應(yīng)力引起地下水位變化的主要特征[J].西北地震學(xué)報，1979(1)：16-22.

[5] 張昭棟，張廣城.利用水位階變資料反演震時應(yīng)力的調(diào)整變化[J].地震研究，1987，10(6)：693-702.

[6] 黃輔瓊，晏 銳，陳 颙，等.利用深井地下水位動態(tài)研究大華北地區(qū)現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場狀態(tài)[J].地震，2004，24(1)：112-118.

[7] 孫小龍，劉耀煒，晏 銳.利用水位資料反演華北地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場變化[J].地震，2011，31(2)：42-49.

[8] 丁風(fēng)和，哈媛媛，王 勇，等.基于數(shù)字化水位的張渤帶地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場時序特征分析[J].地震，2015，35(2):133-138.

[9] 王六橋，李善因.利用噴涌型地下水位異常的資料反演震前局部應(yīng)力場的快速變化[J].華北地震科學(xué)，1985，3(增1)：46-51.

[10] Bredehoeft J D.Response of well-aquifer systems to earth tides[J].Geophys Res，1967(72)：3075-3087.

[11] 張昭棟，鄭金涵，馮初剛.井水位的固體潮效應(yīng)和氣壓效應(yīng)與含水層參數(shù)間的定量關(guān)系[J].西北地震科學(xué)，1989，11(3)：47-52.

[12] 李春洪，陳益惠，田竹君.井—含水層系統(tǒng)對固體潮的動態(tài)響應(yīng)及其影響因素[J].中國地震，1990，6(2)：37-45.

[13] 張昭棟，鄭金涵，張廣城.水井含水層系統(tǒng)的潮汐響應(yīng)函數(shù)[J].西北地震學(xué)報，1995，17(3)：66-71.

[14] 李惠玲，程冬焱，胡玉良，等.寬頻帶傾斜儀及其觀測影響[J].山西地震，2017(2):16-21.

[15] 丁風(fēng)和，趙鐵鎖，尹占軍,等.大甸子井水位的氣壓系數(shù)及其震前異常[J].西北地震學(xué)報,2007，29(2)：174-176.

[16] 丁風(fēng)和，韓曉雷，哈媛媛，等.承壓井含水層孔隙度與固體骨架和水的體積壓縮系數(shù)之間的關(guān)系[J].地球科學(xué)：中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報,2015，40(7)：1248-1253.

[17] 丁風(fēng)和,戴 勇,宋慧英,等.大甸子井—含水層系統(tǒng)水文地質(zhì)參數(shù)間的變化關(guān)系[J].地震地質(zhì)，2015(4)：982-990.

[18] 劉 峽，馬 瑾，占 偉,等.汶川地震前后山西斷陷帶的地殼運動[J].大地測量與地球動力學(xué)，2013，33(3)：5-10.

[19] 劉瑞春，李自紅，趙文星，等.汶川M8.0地震前后山西地震帶水平形變場變化特征研究[J].地震工程學(xué)報，2014，36(3)：634-638.

[20] 張淑亮，劉瑞春，王 霞.汶川地震前后太原盆地應(yīng)力場變化特征研究[J].中國地震,2017，33(1)：46-55.

[21] 王 霞，宋美琴，王 亮，等.口泉斷裂及其鄰近地區(qū)的地殼速度結(jié)構(gòu)[J].地震地質(zhì)，2015，37(4):939-952.

(英文摘要

TectonicStressFieldVariationInversioninShanxiAreabyUsingDigitalWaterLevelData

LVFang1,2,LIHong-wei1,2,LILi1,2

(1.ShanxiEarthquakeAgency,Taiyuan,Shanxi030021,China;2.StateKeyObservatoryofShanxiRiftSystem,Taiyuan,Shanxi030025,China)

Using the water level observation data of 8 confined wells in Shanxi area and the relative barometric data, sliding fitting is done by pressure coefficient and M2 wave tide factor. The porosity of each aquifer and the volume compressibility of water and solid skeleton under undrained condition are obtained.The variation characteristics of tectonic stress field in Shanxi area from 2008 to 2015 in Shanxi area are analyzed quantitatively by the obtained parameters of the aquifer medium and the relation between the variation of the water level and the vertical stress of the aquifer in the horizontal layered aquifer (one-dimensional) model.

Waterlevelobservation;Tectonicstressfield; Shanxi area

1000-6265(2017)03-0022-03

2016-12-23

2016年度震情跟蹤定向工作任務(wù)(2016010308)。

呂 芳(1982— )，女，山西省武鄉(xiāng)縣人。2008年畢業(yè)于太原理工大學(xué)，碩士研究生，工程師。

P315.73

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