遼寧新民井靜水位轉(zhuǎn)折上升變化成因分析

王喜龍，付 聰，李夢瑩，張 麗,李 俏

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

0　引言

地震是一種會(huì)給人類社會(huì)帶來巨大災(zāi)難的自然災(zāi)害，在眾多的自然災(zāi)害中，特別是在造成人員傷亡方面，地震造成的死亡人數(shù)占各類自然災(zāi)害造成的死亡人數(shù)總數(shù)的一半以上[1]。而在地震發(fā)生前我們常?？捎^測到一些前北異常，諸如地下水位和水溫變化、地殼形變、重力場變化等，可能會(huì)造成區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力變化敏感的參數(shù)發(fā)生變化。這些異常對于地震短臨預(yù)測的判定往往起到了至關(guān)重要的作用[2-3]。因此挖掘地震發(fā)生前的前兆異常信息對于地震的短臨預(yù)報(bào)起到了至關(guān)重要的作用。就地下流體而言，地下水是地殼中最活躍的介質(zhì)，當(dāng)它形成具有一定封閉條件的承壓系統(tǒng)時(shí)，就能夠客觀、靈敏地反映地殼應(yīng)力、應(yīng)變信息，因此地下水位觀測已經(jīng)成為地下流體監(jiān)測的重要手段之一[4-5]。多年的觀測實(shí)踐及研究表明，中強(qiáng)地震發(fā)生前震中區(qū)部分觀測井會(huì)出現(xiàn)明顯的水位異常變化[6-7]。

我國地震地下流體監(jiān)測網(wǎng)從1966年3月邢臺MS7.2地震之后開始大面積著手建設(shè)，50多年的時(shí)間里已遍布全國各省市及自治區(qū)，全國范圍內(nèi)已經(jīng)發(fā)展到擁有觀測項(xiàng)數(shù)達(dá)40余項(xiàng)的千余口流體觀測井[8-11]。觀測井網(wǎng)的快速發(fā)展雖然為地震的監(jiān)測預(yù)報(bào)提供了有利的條件，但隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，地下水觀測井的水位也常常受到降雨、河流、地下水開采等水文因素的干擾[12-13]，使得新出現(xiàn)的地下水動(dòng)態(tài)異常變化既有可能是地震前兆異常信息，反應(yīng)周邊的區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)作用變化信息，也有可能是某種環(huán)境干擾所引起[14]。因此， 如何有效地識別水位異常變化的成因，排除環(huán)境干擾，是當(dāng)前利用地下流體資料進(jìn)行地震預(yù)測的關(guān)鍵科學(xué)問題之一[15]。

新民流體觀測井水位觀測數(shù)據(jù)自2016年7月22日開始出現(xiàn)轉(zhuǎn)折上升變化，至2016年9月18日累計(jì)上升幅度達(dá)1.2m，但同井水溫觀測數(shù)據(jù)變化平穩(wěn)，未出現(xiàn)同步變化（圖1）。該水位井靠近遼西地區(qū)，周邊斷裂構(gòu)造發(fā)育。遼西地區(qū)歷史上曾發(fā)生過多次中強(qiáng)地震，均造成了一些人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。時(shí)間最近的為1998年2月24日彰武MS4.8地震，震中距測點(diǎn)僅39km。那么新民井水位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)折上升變化究竟與區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)有關(guān)，還是由該地區(qū)地下水文因素的干擾所致？筆者對此進(jìn)行了現(xiàn)場落實(shí)與分析。

圖1　新民臺靜水位及中層水溫變化曲線Fig.1　 The static water level and temperature curve of Xinmin Seismic Station

1　新民井區(qū)域構(gòu)造環(huán)境與觀測概況

新民臺靜水位井位于沈陽市新民區(qū)高臺子鄉(xiāng)新民地震臺院內(nèi)。轄區(qū)地處遼河沖積平原，地勢北高南低，境內(nèi)沒有連續(xù)的山脈，僅北部有幾個(gè)互不接續(xù)的丘陵高地，周圍主要河流包括北南流向的遼河、柳河、蒲河、秀水河、繞陽河和養(yǎng)息牧河等[16]。該區(qū)域大地構(gòu)造背景屬于下遼河中新世斷陷帶，受燕山運(yùn)動(dòng)影響，形成北東向內(nèi)陸斷陷帶。經(jīng)中、新生代的長期沉降，形成了3000m 厚的沉積，沉積物的厚度由西南向東北遞減，基巖傾斜方向是西南低而東北高，但基巖并非平衡下陷，而是同時(shí)發(fā)生隆起、褶皺、凹陷、斷裂，下遼河中新斷陷帶現(xiàn)仍在緩慢下沉，同時(shí)仍有緩慢的隆起、凹陷。以斷裂為界的差異運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成新民地區(qū)不穩(wěn)定的地質(zhì)背景。新民地區(qū)地層主要以第四紀(jì)和古生界地層為主，基底巖石主要為前震旦系花崗巖、石英片巖等。北西走向的紅旗營子斷裂為距該井最近斷裂，位于該井北東向5km處（圖2）。

圖2　新民水位井附近地質(zhì)構(gòu)造簡圖Fig.2　The geological structure for the water well of Xinmin

新民臺目前存在兩口前兆觀測井，分別為流體觀測井和體應(yīng)變觀測井。前兆觀測測項(xiàng)包括靜水位（ZKGD-3000）、中層水溫（ZKGD-3000）和體應(yīng)變（TJ-II）等3項(xiàng)；輔助觀測測項(xiàng)有鉆孔溫度（TJ-II）、水位（TJ-II）、氣壓（TJII）和氣象三要素（WXY-1）。其中流體水位觀測井井深101.3m，0～19.2m為第四系粉土（含碎石），19.2～101.3m為基巖黑云母花崗巖。打井至今由于泥沙充填，井深變?yōu)?6m，2013年更換套管下至井下86m，水位探頭置于井下20m，水溫探頭置于井下80m處，所觀測為裂隙水（圖3）。該井于2000年8月10日開始鉆孔，2000年10月10日完工，2001年5月16日布線，安裝儀器，2001年6—11月開始進(jìn)入考核運(yùn)行期，經(jīng)7個(gè)月的考核，儀器運(yùn)轉(zhuǎn)正常，產(chǎn)出數(shù)據(jù)穩(wěn)定，2001年1月通過驗(yàn)收，2002年1月1日進(jìn)入正式觀測，2013年進(jìn)行井孔改造后，2014年采用中科光大儀器（ZKGD-3000）進(jìn)行水溫、水位觀測至今，產(chǎn)出數(shù)據(jù)連續(xù)、可靠。體應(yīng)變井位于水位井東約12m，為2013年新打井，井深82.6m，鉆孔輔助水位探頭放置在井下13m處，圍巖為黑云母花崗巖，井水與水溫井水連通，井水來源基本一致。

圖3　新民流體井鉆孔剖面圖Fig.3　The borehole profile of Xinmin well

2　異常概況

根據(jù)新民臺流體觀測井自2014年采用中科光大儀器觀測以來的資料顯示，水溫變化相對比較穩(wěn)定，水位變化則受當(dāng)?shù)亟涤旮蓴_較大。從圖1可以看出，自2014年以來，基本每年7—9月雨季，水位均會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折小幅上升變化，但上升幅度均較小。

基于對新民地震臺2016年7—9月水位變化的初步調(diào)查結(jié)果，查閱相關(guān)水位觀測和降雨資料的分析結(jié)果，根據(jù)該井水溫、水位資料對比分析結(jié)果，以及與鄰井及附近地區(qū)水位資料對比分析的結(jié)果，筆者認(rèn)為造成這種水位轉(zhuǎn)折上升變化的可能因素有：深部水的補(bǔ)給增加、地表水及降雨的補(bǔ)給增多。由圖1可見，水位上升時(shí)同井水溫并未出現(xiàn)上升變化，從而基本排除深部水的補(bǔ)給增加造成水位上升；由圖3可見，井下20米至井底水溫基本保持不變，說明井孔含水層是潛水和半承壓水，主要受地表補(bǔ)給及大氣降水影響。因此，根據(jù)《地震前兆異常落實(shí)工作指南》（中國地震局監(jiān)測預(yù)報(bào)司，2000）[17]中關(guān)于水位異常的落實(shí)方法，本文從觀測技術(shù)系統(tǒng)（觀測儀器系統(tǒng)、供電系統(tǒng)和觀測條件等）、自然環(huán)境（地下水、地表水、降水和偶然事件等）、人類活動(dòng)（地下水開采、采礦活動(dòng)和農(nóng)田灌溉等）、鄰井?dāng)?shù)據(jù)對比、地質(zhì)條件（地層、構(gòu)造、巖漿巖等）和地球化學(xué)數(shù)據(jù)分析等幾個(gè)方面對新民水位井開展了進(jìn)一步的深入調(diào)查核實(shí)和資料分析工作。

在調(diào)查核實(shí)工作中，儀器維修專家及臺站工作人員通過對觀測儀器的工作系統(tǒng)和供電系統(tǒng)等設(shè)備進(jìn)行檢查，判定觀測技術(shù)系統(tǒng)運(yùn)行正常，并未出現(xiàn)線路及系統(tǒng)故障等問題，對井水位進(jìn)行了校測，校測結(jié)果與水位儀測量結(jié)果基本一致，因此排除了水位儀主機(jī)和電源等設(shè)備故障的可能。新民水位井地處遼河平原，距離附近最近礦山及鐵路較遠(yuǎn)，礦山開采及鐵路修建等對水位數(shù)據(jù)基本無影響，同時(shí)，經(jīng)調(diào)查近期周邊一定距離也無地下水開發(fā)利用、農(nóng)田用水以及大型施工建設(shè)行為，因此，基本排除鐵路、礦山及施工建設(shè)的影響。

此外經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，距新民水位觀測井NE方向約50m處存在一個(gè)占地面積較大的采土坑（122.871oE，42.07293oN）， 該 坑 直 徑 約0.3×0.6m，坑深約45m（圖4）。大約從2005年開始便在該坑采挖砂土和碎石，用來進(jìn)行道路及工程建設(shè)，2013—2016年采挖比較嚴(yán)重，目前已基本挖掘新民地震臺東側(cè)山體約1/3的體積，前幾年由于采挖深度及降雨較少，因此坑內(nèi)積水較少或無積水，但2016年由于采挖深度及采挖面積大量增加，以及遼寧地區(qū)降雨量較往年明顯增強(qiáng)，因此坑內(nèi)積水量很大（圖4a），那么2016年采坑內(nèi)大量積水是否可能是造成水位轉(zhuǎn)折上升的一個(gè)重要原因呢？對此筆者從氣象條件、鄰井?dāng)?shù)據(jù)對比分析、地質(zhì)條件分析和地球化學(xué)分析等幾個(gè)方面開展了深入的分析干擾工作。

圖4　臺站與挖土采坑位置關(guān)系圖Fig.4　 The positional relationship between observation station and the open pit

3　異常分析與性質(zhì)判定

從地震預(yù)報(bào)角度來講，當(dāng)前我國地震監(jiān)測預(yù)報(bào)實(shí)踐中面臨的突出問題之一，是如何更加有效地排除干擾異常并提取出有效的前兆異常信息[14-15]。對于如何準(zhǔn)確有效地判別地下水異常是干擾引起還是地震前兆異常，車用太等[18]曾對中國大陸地下水異常干擾特征進(jìn)行了總結(jié)，并提出了識別地下水干擾異常的4個(gè)“相關(guān)性”原則，即成因上的相關(guān)性、空間上的相關(guān)性、時(shí)間上的相關(guān)性與強(qiáng)度上的相關(guān)性。本文基于該4項(xiàng)識別原則從不同方面對新民井此次的水位上升變化進(jìn)行了分析與判定。

3.1　氣象因素分析

收集了新民市區(qū)2015—2016年兩年7—8月降雨資料進(jìn)行調(diào)查（表1），從表1可以看出，雖然2015年7—8月份新民地區(qū)降雨天數(shù)達(dá)20天，比2016年度多8天，但是從天氣上看，2016年7月新民地區(qū)則出現(xiàn)兩次暴雨和一次大雨級別。將水位觀測數(shù)據(jù)與新民地區(qū)降雨量進(jìn)行對比分析可以看出（圖5），水位開始轉(zhuǎn)折加速上升恰好與當(dāng)?shù)貜?qiáng)降雨發(fā)生時(shí)間對應(yīng)良好，且水位發(fā)生轉(zhuǎn)折時(shí)間恰好滯后于7月21日暴雨一天，二者具有時(shí)間上的已知性，說明降雨與水位轉(zhuǎn)折上升可能存在一定的聯(lián)系。

圖5　新民地區(qū)2016年7月水位變化曲線及降雨量Fig.5　 The water-level variation curves and rainfall in the area of Xinmin in July，2016

表1　新民地區(qū)2015—2016年度7—8月份氣溫及降雨資料統(tǒng)計(jì)表

3.2　鄰井?dāng)?shù)據(jù)對比分析

水位井東約12m處有一口體應(yīng)變觀測井，井深82.6m，鉆孔輔助水位探頭放置在井下13m處，由于兩口井距離、井深度相近，圍巖均為黑云母花崗巖，因此體應(yīng)變井水與水溫井水連通，兩口井水來源基本一致。對比體應(yīng)變井輔助水位觀測數(shù)據(jù)與流體井靜水位觀測數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)（圖5），兩口井水位變化時(shí)間一致，均在7月22日出現(xiàn)了明顯的轉(zhuǎn)折上升變化，且鉆孔水位最大上升幅度也達(dá)1.2m，二者在變化幅度上也具有一定的相關(guān)性。

為了進(jìn)一步證實(shí)降雨對水位觀測造成的干擾影響，筆者收集了沈陽市周邊一定范圍內(nèi)的靜水位觀測數(shù)據(jù)并進(jìn)行作圖分析（圖6）。從圖6可以看出，在2016年7月份，沈陽地區(qū)降雨量普遍較大，尤其是7月21號前后兩天，降雨量明顯增加，該區(qū)域水位觀測數(shù)據(jù)也均在基本同一時(shí)間出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折上升變化，不僅在時(shí)間上具有一致性，而且空間上也具有一致性特征，這也進(jìn)一步驗(yàn)證了可能是降雨對新民靜水位上升造成的影響。

圖6　沈陽地區(qū)2016年7月水位變化曲線及降雨量Fig.6　 The water-level variation curves and rainfall in the area of Shenyang in July 2016

3.3　地質(zhì)特征分析

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)地調(diào)查，由于在新民水位觀測井NE方向50m處存在一大型挖石采坑，地形上采坑位置高于觀測井位置（圖7），2016年7月該地區(qū)大量降雨導(dǎo)致采坑內(nèi)積水急劇增加，因此筆者懷疑降雨導(dǎo)致的采坑積水也可能是造成水位大幅度轉(zhuǎn)折上升的一個(gè)重要原因之一。經(jīng)手持GPS定位，觀測井位置海拔高度為+41m，采坑西緣（靠近臺站一側(cè)）海拔高度為+53m，采坑?xùn)|緣海拔高度為+85m而坑內(nèi)水面位置距采坑西緣（靠近臺站一側(cè)）位置高度約10m，即說明坑內(nèi)水面海拔高度與井口位置海拔高度基本一致（圖7）。由于距離體應(yīng)變井和水位井近，因此認(rèn)為采坑內(nèi)2016年7月大量積水與新民臺體應(yīng)變井和水位觀測井水位發(fā)生轉(zhuǎn)折上升變化可能在地質(zhì)上存在一定的成因聯(lián)系。

圖7　新民臺水位觀測井位置與采坑位置關(guān)系Fig.7　 The position relationship between the observation well at Xinmin Seismic Station and the open pit

通過對采坑附近的地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，采坑西側(cè)出露地層主要為第四系沉積砂土，采坑?xùn)|側(cè)基巖出露比較嚴(yán)重且有石英巖脈侵入，基巖主要為黑云母花崗巖（圖8），且通過實(shí)地勘查發(fā)現(xiàn)，由于該地區(qū)地層地質(zhì)年代久遠(yuǎn)，且出露基巖風(fēng)化嚴(yán)重，裂隙發(fā)育。綜合臺站和采坑地質(zhì)巖性和地形地貌位置等信息，筆者做了一條NE走向的水文地質(zhì)剖面模型圖（圖9）。從圖9可以看出，由于采坑距觀測井位置很近，且地形位置高于水位觀測井，同時(shí)基巖風(fēng)化較嚴(yán)重以及第四系為砂土，造成該地區(qū)地層孔隙度較大，再結(jié)合觀測井打井深度較淺，目前僅有86m，綜合以上信息可以初步判定，本年度7月份強(qiáng)降雨造成坑內(nèi)積水量突然倍增可能是該井水位轉(zhuǎn)折上升的一個(gè)主要原因。

圖8　采坑兩側(cè)地層巖性照片F(xiàn)ig.8　 The formation lithology in the both sides of the open pit

圖9　水位觀測井與采坑位置地質(zhì)剖面圖Fig.9　 The geologic section map between the fluid observation well and the open pit

3.4　地球化學(xué)分析

為進(jìn)一步明確坑內(nèi)積水與井水的關(guān)系，證實(shí)筆者的觀點(diǎn)，對新民流體觀測井進(jìn)行了井下不同深度的水化取樣分析，將測試結(jié)果投到水-巖化學(xué)平衡三角圖上（圖10），從圖上可以看出，所有樣品均落在Mg端元附近，表現(xiàn)為“未成熟水”，表明其為淺層的地下水，主要接受大氣降水的補(bǔ)給，循環(huán)周期相對較快，水-巖之間尚未達(dá)到離子平衡狀態(tài)，水-巖作用仍在進(jìn)行[18-19]，這也進(jìn)一步說明水位觀測井受降雨干擾較大，井水主要來源于大氣降水，井水來源與采坑內(nèi)大氣降水來源一致，來源上具有一致性特征。

圖10　新民臺水位觀測井不同深度水 - 巖化學(xué)平衡三角圖Fig.10　 The triangular plot of water-rock reaction for the well of Xinmin

4　結(jié)論

綜上所述，由于現(xiàn)場落實(shí)過程中未發(fā)現(xiàn)儀器觀測系統(tǒng)造成的干擾，綜合對新民地區(qū)、沈陽地區(qū)周邊的降雨資料進(jìn)行分析、鄰井水位觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析、對新民井及采坑區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)地貌分析以及地球化學(xué)特征分析，結(jié)果顯示新民井靜水位轉(zhuǎn)折上升變化與該地區(qū)降雨和附近采坑積水具有時(shí)間、空間、強(qiáng)度以及水源上的相關(guān)性一致。因此，綜合分析結(jié)果認(rèn)為新民靜水位觀測井2016年7月22日出現(xiàn)的大幅度轉(zhuǎn)折上升變化是降雨使得附近采坑大量積水所致。

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