太原井水位的快速上升与构造活动的关系1

张淑亮王 霞刘瑞春王 斌

1）山西省地震局，太原 030021

2）太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，太原 030025

3）太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024

太原井水位的快速上升与构造活动的关系1

张淑亮1,2)王 霞1,2)刘瑞春1,2)王 斌3)

1）山西省地震局，太原 030021

2）太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，太原 030025

3）太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024

利用晋祠泉域岩溶水动态模型，对太原井水位快速上升时段的水位动态进行预测，再由预测值与实际观测值的绝对误差来反演含水层的应力值。结果表明，太原井水位快速上升时段含水层应力值也持续增高，且与太原体应变压性应变加速、交城断裂南端地裂缝扩展加速以及由太原盆地小震综合机制解反演的区域应力场逆转等现象具有准同步性，它们都是在太原盆地区域应力场发生改变、盆地西部边界交城断裂活动加剧的背景下出现的。太原井水位的快速上升与构造活动增强有关。

井水位 交城断裂 构造活动 区域应力场

张淑亮，王霞，刘瑞春，王斌，2015.太原井水位的快速上升与构造活动的关系.震灾防御技术，10（1）：46—58. doi：10.11899/zzfy20150105

引言

2009年8月位于交城断裂晋祠段太原流体观测井（以下简称太原井）水位出现反年变规律的快速上升，2011年7月上升速率再次加大。水位第二次加速上升期间，太原台体应变观测也出现较显著的加速变化。特别是2013年以来，在水位上升速率趋缓的情况下，体应变压性速率反而加快，脱离了正相关的关系。该异常可能包含有构造活动的影响，反映了该区域自2011年以来，构造应力场处于增强状态2。由于太原井水位在山西及周边地区一些中强震前有较显著的异常，因此水位异常能清晰地反映井区构造活动增强引起水井含水层应力的变化（王秀文等，2000）。为此，分析太原井水位快速上升变化与构造活动之间的关系，对地震预测研究工作有一定的指导意义。

地下水位是地壳活动中反应灵敏的组份，而影响井水位动态变化的因素较为复杂，它不仅能反映非构造因素引起的变化，而且还能反映震源区的应力变化、区域构造活动产生的场兆和源兆信息（车用太，1997）。沈晓松等（2012）分析了非构造因素与太原井水位动态之间的关系，认为2009年以来太原井水位上升与降雨量增多、地下水开采减少关系密切；李自红等（2012；2014）分析了清徐境内交城断裂带、地裂缝和地貌的分形结构特征，以及交城断裂带北段最大潜在地震发震概率，认为清徐地裂缝的扩展加速与交城断裂活动增强有关，交城断裂带北段为目标区主要的发震断裂。然而，太原井水位快速上升是与其所处的交城断裂活动增强有关，还是非构造因素影响所致，到目前为止，尚无定论，更未见相关的研究或报道。因此，要探讨太原井水位快速上升变化与构造活动之间的关系，就必须从现有观测资料中去除非构造因素的影响后，才能较为准确地把握太原井水位快速上升与区域应力场活动之间的关系。近年来，智能学习理论中的支持向量机（SVM）作为一种新型的机器学习方法，主要用于模型识别和非线性函数的拟合。由于支持向量机是基于统计学习理论的小样本学习方法，采用结构风险最小化原则，因此具有很好的预测性能（阎辉等，2000；张学工，2000）。本文利用支持向量机理论建立现有开采模式下地下水流数值模型，对太原井地下水位进行预测。该模型可有效分离大气降水、地下水开采、煤矿排水等非构造活动因素对太原井水位动态产生的影响。然后再利用预测值与实际观测值的差值作为太原井水位变化值来反演含水层的应力值，并与研究时段太原盆地应力场变化特征、观测井所在断裂的活动特征进行对比分析，探讨太原井水位的快速上升与构造活动的关系。

1 太原井水动态及非构造影响因素分析

1.1 太原井水动态

自太原井水位观测以来，水位动态在正常年份表现出一定的规律性，一般是每年的11月到次年的3月水位较高且平稳，从4月份开始下降至7月初，7月后水位回升（图1）。但在1994年9月，太原井水位因受西山岩溶水过量开采的影响出现反年动态加速下降。2009年8月，太原井水位在长达15年趋势下降的背景下出现加速上升，至2012年底，累计上升幅度达17.1m，且目前仍在持续上升（图2）。

图1 太原井水位动态变化曲线Fig. 1 Dynamic curve of water level with time in Taiyuan well

对太原井水位变化与震例关系的研究结果表明，该井水位变化具有一定的映震能力。例如：在1989年10月大同-阳高发生5.9级地震的前1年，该井水位就曾出现过反年动态变化，震前10天有小波动，震前1天有突跳现象；1991年1月忻州发生5.1级地震和当年3月大同-阳高发生5.8级地震的前2年左右，该井水位出现年变改变、且变化速率加大的趋势异常（图1）。特别是忻州发生5.1级地震前，山西省地震局监测预报研究中心综合预报研究室，在1991年1月11日召开的地震会商会上，以晋7-1井水位突跳为主要依据，对该地震做出了较为准确的预报。太原井水位的震前特征主要表现为：在时间上以中期异常和临震异常为主，中期异常一般出现在震前的1—2年，临震异常出现在震前的1天左右；在异常形态上以反年动态变化和突跳变化为主。

图2 太原井水位月均值曲线图Fig. 2 Monthly mean of water level vs. time in Taiyuan well

1.2 非构造影响因素分析

由于太原井位于晋祠泉域岩溶水区，因此它与泉域岩溶水具有相同的非构造干扰源。笔者从以下三方面，对非构造干扰源与晋祠泉域岩溶水动态之间的关系进行了分析。

（1）降雨量的影响

晋祠泉域岩溶水主要依靠大气降水入渗补给，因此泉水的天然动态与降雨量之间一定存在某种相关性。假设晋祠泉天然流量与降雨量之间的关系满足线性回归方程，对晋祠泉流量与泉域降雨量资料进行相关分析，笔者的计算结果发现，晋祠泉流量与前3年的年降雨量密切相关（图3），相关系数可达0.952，这说明降雨量是晋祠泉域岩溶水动态的主要影响因素之一，降雨补给一般滞后3年。

（2）地下水开采的影响

对晋祠泉域南北两侧边山断裂带岩溶水的开采，始于上世纪60年代初，由于地下水开采量的不断增加，使晋祠泉流量逐年减少，因此地下水开采与晋祠泉流量密切相关（图3）。笔者对晋祠泉流量与边山断裂带岩溶水开采量进行了一元回归计算，得到的相关系数为-0.96，因此可以认为，晋祠泉域南北两侧边山断裂带岩溶水的开采是岩溶水动态的另一个重要影响因素。

（3）煤矿矿坑排水的影响

尽管泉水流量受到大气降水和地下水开采的影响，但煤矿矿坑的排水量对其影响也是不容忽视的。笔者的研究发现，泉水流量与煤矿矿坑排水量呈负相关关系，一元回归求得相关系数为-0.851，即泉水流量随着煤矿矿坑排水量增加而减小（图3）。

根据各种因素对晋祠泉岩溶水影响程度的大小，以及降雨入渗的滞后性和叠加性，笔者最终确定降雨量、地下水开采量、煤矿矿坑排水量为主要非构造影响因素。

图3 晋祠泉综合要素图Fig. 3 Important factors of Jinci spring

2 由模型预测太原井水位值

2.1 岩溶井水位动态模型的建立

根据支持向量机的学习理论，笔者建立了晋祠泉域岩溶水动态模型，其目的是为了使如下表达式能够成立：

本文利用Libsvm完成模型的训练和预测。所选样本的数据来源于晋祠泉域内23个长期观测井、泉域内多年降雨观测资料和地下水开采量（包括煤矿排水），所有相关样本均参与模型的训练、校正和预测。选取2002—2008年的样本为模型的训练样本，选取2009—2012年的样本为预测样本。预测比较由模型求解出的井水位预测值与太原井实测观测值之间的差异性来进行。

学习样本建立后，在对核函数训练对比以及与模型建立有关参数优化选择等工作的基础上，最终得到的最优动态模型为：

2.2 模型计算结果分析

利用所建模型对太原井水位2009年快速上升以来的地下水位动态进行预测，并与实测数据进行了对比，预测结果见表1和图4。从中可以看出：最大绝对误差小于1.037m；最大相对误差小于2.3%；预测值与实测值相关系数为0.998。表明该模型是可靠的、合理的，降雨、地下水开采和煤矿矿坑排水的确是影响太原井水位动态变化主要的非构造因素。太原井水位快速上升与近几年补给区降雨增多、晋祠泉域地下水开采量减少（含矿坑排水）有较好的一致性。

表1 水位预测值与实测值对比及含水层应力综合表Table 1 Comparison of predicted and actual water level as well as the aquifer pressure

续表

图4 预测水位与实测水位对比图Fig. 4 Comparison of predicted and actual water level

但从图5可以看出，由预测模型求得的太原井水位相对误差值在2009年7月前后突然增大，变化幅度明显，之后相对误差逐渐减小，均在1.62%以下；2011年7月前后，相对误差再次增大，在2%左右波动，随后相对误差呈下降趋势，至2012年6月减小到0.052%。与太原井水位原始观测值相比，相对误差较大时段正是太原井水位快速上升时段。在井水位快速上升阶段，该模型预测结果的适应性并不好，这一现象表明太原井水位快速上升不仅受降雨、地下水开采量和煤矿矿坑排水量大小的影响，可能还存在其他的影响因素。

图5 太原井水位与相对误差对比图Fig. 5 Comparison of water level and relative error in Taiyuan well

3 由水位变化反演水井含水层应力值

如前所述，由动态模型计算的水位预测值与实际观测值的误差变化存在明显的规律性：在太原井水位变化较平稳时段，模型的适应性较好，相对误差也小；而在水位快速上升时段，模型的适应性较差，相对误差也较大。由于地下水位是地壳活动中的灵敏组份，它不仅能反映非构造因素引起的变化，而且还能反映震源区的应力变化、区域构造活动产生的场兆和源兆信息（车用太，1997）。当它形成一个封闭的承压系统时，就能客观、灵敏地反映地壳中的应变状态（汪成民等，1981）。因此，在相对误差较大的时段，可能还存在构造活动的影响。目前，利用水位值反演含水层应力值来表述应力变化，是探讨区域应力场演化过程的有效方法。贾化周等（1996）以地球固体潮的理论、弹性理论和地下流体动力学理论为基础，推导出给定的井孔含水层系统水井水头的变化与引起其变化的固体潮体应力变化之间的关系为：

式中，Δh为水井水头的变化；Δσ为含水层应力变化；ρ为含水层内水的密度；g为重力加速度；n为含水层孔隙度；α为含水层固体骨架的体积压缩系数；β为含水层内水的体积压缩系数；λ和μ为拉梅常数。

由（1）式可知，对于某一井孔含水层系统来说，水井水头的变化与引起其变化的固体潮体应力的变化成正比，因此上式可简写为：

式（2）是利用井水位变化反演含水层应力变化的计算公式。其中：

为比例系数，对于给定的水井含水层系统，比例系数kw是一个常数。经计算笔者得出的太原井的比例系数为3.59。

本文以预测值与实际观测值的差值作为太原井水位变化值Δh，再由式（2）求出相应的含水层应力变化值Δσ，计算结果见表1和图6。从中可以看出，2009年以来太原井含水层应力变化值呈现增强趋势，特别是在水位加速上升时段，应力值明显高于趋势预测值。

图6 太原井含水层应力变化Fig. 6 Variation of aquifer stress values with time in Taiyuan well

4 与构造活动之间关系分析

如前所述，在太原井水位快速上升时段，含水层的应力值也在持续增加，特别是在水位加速上升时段，含水层应力也明显偏大。那么，太原井水位快速上升变化是否与区域应力场调整引起交城断裂活动加剧有关呢？为此，笔者从以下几方面进行了讨论。

4.1 与太原台体应变同步变化对比分析

太原钻孔体应变与太原水位观测井都位于交城断裂晋祠段的太原地震台。自2007年开始观测以来呈连续张性变化，2009年下半年张性速率明显减缓，2010年下半年转为压性变化，2011年10月以后压性速率逐年加快。体应变的3次速率改变与太原井水位3次加速时段同步（图7）。大量研究及观测事实表明，体应变的大小反映了含水层中孔隙压的变化情况，地壳应变是引起地下水水位变化的主要原因，而地下水又是沟通地壳应力与固体变形最敏感的物质。Bredehoeft（1967）和Narasimhan等（1984）认为，体应变与固体潮引起的水位变化之间存在密切关系；Tsutomu等（2004）和Yuichi等（2006）对利用潮汐效应以及位错模型计算的体应变进行了比较，发现地下水同震变化幅度和方向与同震地壳应变相对应；Gahalaut等（2010）利用孔隙弹性理论模拟体应变和水位变化，发现模拟结果与实测结果在正负号变化上相似，而且位于震中附近的承压井的模拟体应变与观测值在大小上也比较相近。

由于太原井水位快速上升变化是在含水层应力增强的情况下出现的，而体应变的3次速率改变也均与水位3次加速同步，因此，体应变的压性加速变化表明测点所在区地壳应力状态也发生了改变。

图7 太原井水位与太原体应变对比图Fig. 7 Comparison of water level and local volumetric strain

4.2 交城断裂活动增强的证据

近年来在交城断裂南端出现大面积地裂缝。2008年地裂缝发展尤其迅速，在不到半年的时间内，裂缝沿断裂向两侧扩展了8mm。李自红等（2012）对裂缝的成因机制进行了研究，发现地裂缝在地表最显著的运动特征为两盘的垂直差异升降、横向水平拉张，垂直升降量为10—120cm，拉张量为7—60cm，右旋扭动量为1—2cm。同时在微地貌上，地裂缝发育在地形陡变带上，裂缝两侧普遍为高差0.5—3m的陡坎，说明地裂缝的形成是下伏断层长期活动的结果，而地裂缝是最新一期的蠕滑形式。由于主地裂缝是交城断裂的一部分，其活动方式、力学性质均与交城断裂基本相同，是由交城断裂无震蠕滑活动过程中引起的地面破裂（李自红等，2012；2014）。根据地球物理勘探和探槽揭露，主地裂缝与下部的交城断裂走向完全重合，倾向相同，倾角相近。因此，清徐地裂缝是下伏断层最新活动的破裂现象，属构造成因，与交城断裂活动增强有关。

4.3 太原盆地应力场变化特征分析

由于构造活动的增强一般与区域应力场变化有关。前文提到的太原断陷盆地西界主控边界的交城断裂近年来活动在持续增强，这种现象可能反映了太原盆地应力场活动的增强。为了进一步证实太原井水位快速上升期间，太原盆地应力场特征发生了改变，本文利用太原盆地2.0级以上中小地震震源机制解来分析应力场的变化特征。首先由震源机制解获得最优应力模型，然后再由模型得到主应力方向（Gephart，1990a；1990b）。用单个震源机制的滑动矢量与在应力张量作用下产生的滑动矢量之间的夹角来表征震源机制的一致性（Liu等，1996）。计算结果见图8和图9。可以看出，2009年以前太原盆地小震震源球所显示的是以走滑地震类型为主；从震源机制解结果反演的区域构造应力场结果可以看出，太原盆地在2002—2008年时段内，单个震源机制解结果比较凌乱，多个震源机制解结果反演的区域构造应力场震源类型未知。太原盆地内部在该时段内受力情况不突出，主要以太原盆地局部应力场活动为主。2009年后太原盆地小震震源球所显示的是以正断地震类型为主；从震源机制解结果反演的区域构造应力场结果来看，2009—2012年太原盆地构造应力场与华北地区接近，震源类型为正断类型，表明太原盆地内部主要以张应力作用形式为主。

图8 太原盆地≥2.0级地震震源球分布与采用Gephart方法求得的应力场方向（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）

图9 太原盆地≥2.0级地震震源球分布与采用Gephart方法求得的应力场方向（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）

由单个震源机制的滑动矢量与在应力张量作用下产生的滑动矢量之间的夹角表征震源机制一致性参数随时间变化曲线来看，2002年以来太原盆地一致性参数显示，2009年以前震源机制解3个主应力方向较为凌乱的状态，在2009年以后趋于稳定，且接近背景构造应力场（图10）。

刘巍等（1994）在研究了太原盆地大量震源机制解资料后发现，山西地震带一些中强地震发生前，太原盆地小震综合断面解由有别于华北现代地壳应力场的局部小区域应力场作用为特点的格局，转为受华北区域应力场控制、且接近华北构造应力场的现代地壳应力场特点，这种差别可能是区域应力场的作用增强、山西地震带中强地震逐渐活跃的一种显示。太原盆地小震震源机制解结果反演的区域构造应力场，在2009年以前单个震源机制解结果比较凌乱，主要以局部小区域应力场作用为主，而在2009年后区域构造应力场接近华北构造应力场；单个震源机制一致性参数所反映的3个主应力方向，在2009年前后由较为凌乱的局部应力场转为且接近背景构造应力场。这些特征表明，2009年以来太原盆地区域应力场发生了改变，并呈现增强的态势。

图10 应力场随时间变化曲线Fig. 10 Variation of stress field with time

5 几点认识

大量的观测实践表明，太原井水位在山西忻州至晋冀蒙交界区几次5级以上中强地震发生前有较显著的异常显示。特别是1991年忻州5.1级地震发生前，山西省地震局监测预报研究中心综合预报研究室，在1991年1月11日的地震会商会上，以晋7-1井水位突跳为主要依据，对该地震做出了较为准确的预报，太原井水位异常可作为未来地震趋势判别的主要依据之一。而2009年下半年以来，太原井水位快速上升变化又是在周边煤矿陆续关停、太原市关井限采、地下水的开采量减少的情况下出现的，要判别这种变化是非构造成因，还是构造活动成因就显得更加困难。通过对太原井水位快速上升与构造活动之间关系的分析，笔者得到了以下一些认识：

（1）要探讨水位上升与构造活动之间的关系，须分析影响地下水动态的主要因素；在排除各种非构造因素影响后，再分析其与构造活动的关系，这样所得到的认识才是可靠的。

（2）预测水位与实测水位的差值，在排除了非构造因素的影响后，可作为分析含水层应力值变化特征的依据。

（3）影响含水层应力值大小的因素多种多样，要分析含水层应力值变化是否与构造活动增强有关，需要多方面探寻与构造活动增强有关的其他证据以及区域应力场的变化特征。

（4）太原井水位快速上升是多种因素共同作用的结果，它即与降雨量增大、地下水开采量减少等非构造因素有关，也包含有区域应力场改变而引起的构造活动增强的影响。

车用太，1997.地下流体的源兆、场兆与远兆及其在地震预报中的意义.地震，17（3）：283—289.

贾化周，秦清娟，1996.利用地下水位预报地震的新思路与新方法.华北地震科学，4（3）：28—37.

李自红，刘鸿福，曾金艳，陈文，2012.基于分形理论的地裂缝成因机制研究.震灾防御技术，7（1）：46—53.

李自红，曾金艳，冉洪流，2014. 交城断裂带北段最大潜在地震发震概率评估.震灾防御技术，9（4）：770—781.

刘巍，赵新平，安卫平，1994.太原盆地的应力场特征.山西地震，（1）：18—24.

沈晓松，靳玉贞，孟彩菊等，2012.太原台水位异常分析.地震地磁观测与研究，33（5/6）：178—182.

王秀文，张淑亮，安卫平，刘巍，2000.中国震例（1989—1991年）：1991年1月29日忻州5.1级地震.北京：地震出版社，301—317.

汪成民，罗伟光，石铝钟，1981.地震前后地下水位异常动态与岩石体裂隙演变.地震科学研究，（4）：l—7.

阎辉，张学工，李衍达，2000.应用SVM方法进行沉积微相识别.物探化探计算技术，（2）：158—164.

张学工，2000.关于统计学理论与支持向量机.自动化学报，（1）：32—42.

Bredehoeft J.D.，1967.Response of well aquifer systems to earth tide.J.Geophy.Res.，72（12）：3075—3087. Gahalaut K. Gahalaut V.K.，Chadha R.K.，2010. Analysis of coseismic water-level changes in the wells in the Kayna-Warna region, Western India. Bull. Seism. Soc. Amer.，100（3）：1389—1394.

Gephart J.W.，1990a.FMSI：a FORTRAN program for inverting fault/slickenside and earthquake focal mechanism data to obtain the original stress tensor.Comput Geosci.，16：53—989.

Gephart J.W.，1990b.Stress and the direction of slip on fault planes.Tectonics，9：845—858.

Liu Z. and Wyss M.，1996.Segmentation of the aleutian plate boundary derived from stress direction estimates based on fault plane solutions.Geophys.Res.，101：803—816.

Narasimhan T.N.，Kanehiro B.Y.，1984.Interpretation of earth tide response of three deep confined aquifers.J.Geophy.Res.，89（B3）：1913—1924.

Tsutomu S.，Norio M.，Yuichi K.，Naoji K.，Makoto T.et al.，2004.Changes in groundwater level associated with the 2003 Tokachi-Oki earthquake.Earth Planets Space，56（3）：395—400.

Yuichi K.，Naoji K.，Makoto T.，Norio M.，Tsutomu S.，2006.Changes in groundwater levels or pressures associated with the 2004 earthquake off the west coast of northern Sumatra（M 9.0）.Earth Planets Space，58（2）：173—179.

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

地震科技星火计划项目（XH13004、XH14010Y）；山西省自然科学基金（2011011027）

2014-06-25

张淑亮，女，生于1963年。正研级高工。主要从事地震综合预报工作。E-mail：zzsl-009@163.com

2 山西省地震局，2013. 山西省2014年度地震趋势研究报告.