山東青州中黃山流動水準測值與流體變化關(guān)系研究

王 錚，閆德橋，趙銀剛，張小東，魏秀才

(1.山東濰坊市地震局，山東 濰坊 261061；2.山東安丘地震臺，山東 安丘 262100)

山東青州中黃山流動水準測值與流體變化關(guān)系研究

王 錚1，閆德橋2，趙銀剛1，張小東1，魏秀才1

(1.山東濰坊市地震局，山東 濰坊 261061；2.山東安丘地震臺，山東 安丘 262100)

運用1993—2014年山東青州中黃山流動水準及輔助手段的觀測資料，系統(tǒng)分析中黃山流動水準測值與降水量、水庫蓄水量、水庫水位、地下水位等影響因素的關(guān)系。結(jié)果表明，水準測值與水庫水位和蓄水量的相關(guān)性良好，與老井水位的相關(guān)性次之，與降水量的相關(guān)性最差。同時討論流體影響水準觀測的力學機理，認為水準測值變化的原因是，在水庫蓄水量載荷改變、地下水孔隙壓力變化和腐蝕的共同作用下，斷層上盤向下或向上滑動的結(jié)果。

流動水準；相關(guān)分析；影響機理

0 引言

地球表層是流體與固體強烈相互作用的場所，斷層是這種相互作用的主要能量與信息的傳遞通道。一般認為，斷層帶上的流體對于斷層活動和大地震的發(fā)生可起到潤滑的作用；但對于地殼淺部，則認為流體是斷層活動中的干擾因素。

長期以來，形變觀測與流體的關(guān)系也引起了一些學者的關(guān)注，相關(guān)研究指出：降水、地下水位與斷層形變、GPS垂直向測值變化間都具有比較密切的相關(guān)關(guān)系[1-2]。

流動水準測量與環(huán)境因子、地殼構(gòu)造變動等多種因素有關(guān)。文章以實際觀測資料為基礎(chǔ)，分析山東青州中黃山流動水準測值與降水、水庫水位、地下水位等流體變化間的關(guān)系，為進一步探討流動水準測值與地震活動的關(guān)系做基礎(chǔ)研究工作。

1 地質(zhì)環(huán)境與觀測場地概況

1.1 地質(zhì)背景簡況

雙山—李家莊斷裂為觀測地區(qū)內(nèi)主要的地質(zhì)構(gòu)造，是一條走向北西的不同地質(zhì)單元的分界線，臨朐盆地的東北邊界。該斷裂也是濰坊轄區(qū)內(nèi)一條重要的活動斷裂，與上五井斷裂交匯處曾發(fā)生1829年6益都地震。斷層長約28 km，走向北35°西，傾向南西，傾角50°～80°，系正斷層。沿斷裂走向的活動性質(zhì)和特點可分為南段、中段和北段3個明顯不同的段落，南段和中段可見斷裂面出露。中段斷裂規(guī)模大、活動時代新，晚更新世晚期有發(fā)生斷錯地表的活動。斷裂擠壓破碎帶主要發(fā)育在太古界花崗片麻巖(Art)和寒武系地層中，新活動以左旋張扭正斷活動為主，破裂方式以粘滑為主，兼有少量蠕滑。

1.2 觀測場地和觀測資料

觀測場地位于山東青州市彌河鎮(zhèn)中黃山西，測線跨雙山—李家莊斷裂中段，破碎帶寬8～10 m，該斷裂在上黃山村東水庫溢洪口和中黃山村南橋西的沖溝中部有較好的剖面出露，斷裂兩側(cè)巖性為石灰?guī)r。

中黃山流動水準觀測點西南8 km處建有黑虎山水庫，水庫位于彌河支流石溝河上，控制流域面積為190 km2，總庫容為5 646萬立方米(見第27頁圖1)。距水準觀測北端點東南約150 m處有一口深20 m左右的百年老井。

中黃山流動水準觀測由安丘地震臺負責，始于1993年，每月中旬野外觀測一次，同時開展降水、水庫蓄水及老井水位等輔助觀測。水準測線與斷層夾角35°，全長268 m，共設(shè)6站，高差為0.89 m(見圖1)。測線兩端點均建有鋼管基巖水準標石、不銹鋼標志，北端點孔深8.05 m，南端點孔深7.0 m，標桿管均下到完整基巖中。

2 水準測值與流體測項的年變化

1993—2014年中黃山流動水準及輔助觀測的年變值如第27頁圖2所示?？梢钥闯?，中黃山水準測值的年變規(guī)律較明顯，且受當?shù)亟邓?、黑虎山水庫水位和蓄水量、地下水位的影響?/p>

2.1 典型年變分析

選取2013年的資料做年變分析。中黃山水準測值、降水量、老井水位、黑虎山水庫水位和蓄水量月均值或月累計的變化曲線如圖3所示，相關(guān)分析結(jié)果如表1和第28頁表2所示?？梢钥闯觯?/p>

圖1 中黃山流動水準測線布設(shè)示意圖Fig.1 Arrangement of mobile leveling survey lines in Zhonghuangshan

圖2 1993—2014年青州中黃山流動水準及輔助測項年變圖Fig.2 Annual variation of mobile leveling and auxiliary items in Zhonghuangshan in Qingzhou from 1993 to 2014

(1) 水準測值、降水量、老井水位、水庫水位和蓄水量都有明顯的年變特點。其中，降水等變化為“雨季突升”型，水準測值變化為“雨季突降”型。

(2) 水準測值與降水量、老井水位、水庫水位和蓄水量之間，降水量等4個測項值越大，水準測值就越

圖3 2013年1—12月青州中黃山降水量、老井水位、黑虎山水庫水位和蓄水量變化曲線圖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

??；反之則越大。

(3) 老井水位受上月降水量的影響明顯，符合水文地質(zhì)學原理，但兩者的相關(guān)性卻不顯著；水庫水位和蓄水量受上月降水量的影響明顯，但之間的相關(guān)關(guān)系也不成立；水庫的蓄水量與水位之間的相關(guān)關(guān)系較密切(見表1)。

表1 2013年1—12月上月降水量與老井水位、水庫水位、水庫蓄水量相關(guān)分析結(jié)果

(4) 水準測值與水庫水位和蓄水量的相關(guān)性較好(見第28頁圖4)，與老井水位的相關(guān)性次之，與降水量的相關(guān)性最差(見表2)。表明，降水為引起水準測值變化的成因性因素，水庫水位和蓄水量是最直接的影響因素。此結(jié)論與未做數(shù)據(jù)處理之前的不完全相同，以前主要強調(diào)干旱(即降水)對水準觀測的影響。

表2 2013年1—12月水準測值與上月降水量、老井水位、水庫水位和蓄水量相關(guān)分析結(jié)果

圖4 2013年1—12月水準測值與水庫蓄水量相關(guān)圖Fig.4 Correlation between leveling values and reservoir storage capacity from January to December in 2013

2.2 逐年變化分析

對1993—2014年水準測值與降水量、水庫蓄水量的年變關(guān)系逐年做分析。得出：

(1) 水準測值與上月降水量之間，絕大多數(shù)年份的相關(guān)性一般或較差。1993—2014年，兩者的相關(guān)系數(shù)最小為0.007 6，最大為0.551，平均為0.263 7。僅2014年的相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)為0.634 2(樣本數(shù)n-2=10，可信度α=0.05的r值為0.576)。

(2) 水準測值與水庫蓄水量之間存在較好的相關(guān)關(guān)系(見表3)。在22年中，有15年的相關(guān)性良好，占總數(shù)的68.2%；7年的相關(guān)性較差或反常(見圖5)，占31.8%，說明水庫蓄水量對水準測值的影響更為直接。

表3 1993—2014年水準測值與水庫蓄水量逐年相關(guān)分析結(jié)果

圖5 2005年水準測值與降水、水庫蓄水量關(guān)系曲線圖Fig.5 Relationship of leveling values with rainfall and reservoir storage capacity in 2005

(3) 水庫蓄水量的大小，受降水量和人為用水量雙重因素的影響?！案珊怠睂崬榻邓康娘@著偏少，而人為用水量又與降水量和經(jīng)濟發(fā)展狀況兩方面因素有關(guān)，且關(guān)系復雜。

2.3 逐年水準增量最小值與降水量、水庫蓄水增量關(guān)系分析

為研究水準值增量與降水量、水庫蓄水增量的關(guān)系，采用列表分析法。列出1年中≥100 mm的月降水量，顯著變化前后的水庫蓄水增量，1年中水準測值增量的最小值(見表4)。對比得出：

(1) 在大多數(shù)年份，水準測值增量最小值出現(xiàn)在7至9月，少數(shù)出現(xiàn)在6月、10月，極個別在11月(2010年)、12月(2014年)。

(2) 水準測值增量的減少，最小為-0.11，最大為-3.74。

(3) 在大多數(shù)年份，水準測值與降水量、水庫蓄水量之間為正相關(guān)關(guān)系。

(4) 月降水量顯著增加(即≥100 mm)，可使下一月或再下月水庫的蓄水增量顯著增加(不一定轉(zhuǎn)為正值)，即蓄水量顯著增加滯后于降水量增加一、二個月。蓄水量顯著增加后，可使當月(個別年份為次月)的水準值增量最大幅度下降而達到最小值。

(5) 2001、2005、2006、2009、2014年的變化規(guī)律反常，占總年數(shù)的22.7%。如，2005年8月水準測值與水庫蓄水量的關(guān)系，由負相關(guān)轉(zhuǎn)變?yōu)檎嚓P(guān)(見圖5)；2014年全年未出現(xiàn)≥100 mm，但11月份卻出現(xiàn)水準測值增量的最小值-0.11(見表4)。

表4 1993—2013年部分水準增量最小值與月降水量、水庫蓄水量對比

3 水準測值增量與流體測項的多年變化

1994—2014年，中黃山水準年均值增量、年降水量、黑虎山水庫水位和蓄水量年均值增量的變化曲線如第30頁圖6所示，之間的相關(guān)分析結(jié)果如第30頁表5所示。分析得出：

(1) 降水是水庫水位和蓄水量最重要的影響因素(水庫水的補給來源)，計算結(jié)果表明，年降水量與水庫水位和蓄水量年均值增量之間的相關(guān)性較差。

(2) 1994—2012年，水準年均值增量與水庫水位和蓄水量年均值增量間的相關(guān)性較好(呈負相關(guān))。

(3) 1994—2013年、1994—2014年，水準年均值增量與水庫蓄水量年均值增量間不相關(guān)。這與2013年水準測值增量太大、2014年水準測值增量出現(xiàn)反常下降等有關(guān)。

(4) 1994—2014年，水準年均值增量與年降水量之間的相關(guān)性都較差。

以上分析表明，降水與水準測值變化間的相關(guān)性并不良好，降水是通過水庫水位和蓄水量的變化來引起水準測值變化的。

圖6 1994～2014年降水量年累計、水庫水位和蓄水量年均值增量、水準年均值增量的變化曲線圖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 影響機理分析

當大氣中降水落到地面形成地表水和地下水后，才能影響流動水準的測量。從幾種因素的相互關(guān)系上看，降水的作用是雙重和連鎖式的，可造成水庫蓄水量和人為用水量的增減，人為用水需求量的改變又直接影響老井水位和水庫的庫容量。

上述分析表明，水庫水位和蓄水量、井水位與水準測值之間有著直接的密切關(guān)系。下面討論其相互影響的機理。

(1) 水庫(地表水)對水準測值的影響。

水庫的水體載荷改變(包括水庫兩岸被河水飽和或疏干后巖層載荷的改變)對地層產(chǎn)生加壓或減壓的作用，進而引起斷層上盤滑動的方向和速度的變化，這是最主要的影響。若降水量增大，對黑虎山水庫的補給量亦增大，并可因降水量充足而減少水庫的輸出量，故水庫蓄水量增加。其結(jié)果是，作用于斷層上盤(南

表5 水庫水位和蓄水量、水準年增量與年降水量的相關(guān)分析結(jié)果

盤)的水庫荷載增大，使上盤下降，水準測值顯著減小。反之，若降水量減小，對黑虎山水庫的補充量亦減少，又因干旱使水庫輸出量增大，故水庫蓄水量減小。其結(jié)果是，作用于斷層上盤(南盤)的水庫荷載減輕，使上盤上升，水準測值亦顯著上升。

近年來，降水量減小和水庫輸出量增大，斷層上盤上升，水準測值的增加更顯著(見圖2)。

(2) 地下水對水準測值的影響。

當降水補給引起地下水位上升時，含水層巖石的孔隙壓力增加，斷層面上的有效正壓力減小，有利于斷層滑動；反之，當水位下降時，孔隙壓力減小，則可抑制斷層的滑動[3-4]。另外，水位的升降變化，通過化學腐蝕作用，可導致巖石強度的減小或增強，從而有利于斷層滑動或者抑制斷層滑動。

需說明的是，在流動水準測線一帶，雙山—李家莊斷裂兩側(cè)巖性為石灰?guī)r，即斷層上下盤巖性無明顯差異，斷層兩盤含水層巖石的孔隙度、儲水性能的差異不大。因而由于水位升降、巖體總重量作用于斷層面上的附加剪切分力的變化不大，故地下水位變化而導致的含水層巖石的荷載作用可不予考慮。

總之，中黃山流動水準觀測值變化的原因是，水庫蓄水量載荷改變與地下水孔隙壓力變化和地下水腐蝕等共同作用的結(jié)果。

5 結(jié)論與討論

(1) 中黃山水準測值與水庫水位和蓄水量的相關(guān)性最好，與老井水位的次之，與降水量的最差。表明，對于中黃山流動水準觀測，降水為引起變化的成因性因素，水庫水位和蓄水量是最直接的影響因素。這一點與以前的認識不盡相同，過去只籠統(tǒng)強調(diào)干旱的影響。

(2) 月降水量增加(即≥100 mm)后一、二個月，水庫蓄水量亦顯著增加；蓄水量顯著增加之后，可使當月(個別年份為次月)的水準值增量值出現(xiàn)一年中的最大幅度減小。

(3) 水庫蓄水量的大小，受降水量和人為用水量雙重因素的影響，而人為用水量則與降水量和經(jīng)濟發(fā)展狀況兩方面因素有關(guān)，之間的關(guān)系較復雜。

(4) 水準測值受影響的機理是，降水引起老井水位、水庫水位和蓄水量(還受人為用水的影響)的變化，水庫的蓄水量載荷改變，對地層產(chǎn)生加壓或減壓，致使斷層上盤向下或向上滑動，進而引起水準測值變化；地下水位的升降變化，通過改變孔隙壓力的大小和腐蝕作用的強弱來促進或抑制斷層滑動，也影響水準測值的改變。

(5) 存在問題是，少數(shù)年份水準測值與水庫蓄水量年變化的相關(guān)性、極少數(shù)年份水準年均值增量與水庫水位和蓄水量年均值增量之間的相關(guān)性一般或較差。這與降水量、水庫水位和蓄水量、人為用水量彼此之間的關(guān)系復雜有關(guān)，但目前仍未尋找到具體的原因，有待今后開展此方面的研究。

(6) 流體引起斷層滑動的深度，是否存在淺層和深部都有，不得而知，需加強研究。

[1] 黃輔瓊，陳 顆，白長清，等.八寶山斷層的變形行為與降雨及地下水的關(guān)系[J].地震學報,2005，27(6)：637-646.

[2] 顧申宜，王慧琳，張 帆.海南瓊中臺GPS垂直分量變化與降水、地下水位關(guān)系研究[J].大地測量與地球動力學，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，宋貫一，曹志成，等.地下水誘發(fā)的淺層前兆異常及其機理與有關(guān)的地震預(yù)報問題(1)[J].華北地震科學，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

山東省地震局合同制科研項目(15Y33)。

王 錚(1977— )，女，山東省濰坊市人。1999年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(北京)，工程師。

P315.63

A