利用数字化水位资料反演山西地区构造应力场变化

吕 芳，李宏伟，李 丽

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西 太原 030025)

利用数字化水位资料反演山西地区构造应力场变化

吕 芳1,2，李宏伟1,2，李 丽1,2

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西 太原 030025)

选取山西地区观测条件较好的8口承压井水位观测资料及相关的气压数据，利用气压系数及M2波潮汐因子等进行滑动拟合，得到不排水状态下的各井含水层孔隙度、水与固体骨架的体积压缩系数。在水平层状含水层(一维)模式下，运用求得的含水层介质参数、井水位变化量与含水层垂直向应力变化量的关系，定量分析山西地区2008年至2015年构造应力场的变化特征。

水位测量；构造应力场；山西地区

0 引言

由于地下水存在普遍性、流动性与难压缩性，当它形成一个封闭的承压系统时，井水位变化就能客观、灵敏地反映地壳中的应变状态[1]。已有研究认为，承压含水层井水位的变化反映含水层孔隙压力的变化，而含水层孔隙压的变化与含水层所受的压力状态有密切的关系[2]。因此，利用承压井水位的连续观测资料可有效地研究区域构造应力场状态变化。

Johson A．G．和Nur．A等研究认为，记录断层活动区附近钻井的水压变化，是测量深部弹性应力变化的可能方法；李永善研究构造应力引起地下水位变化的特征，推导出含水层水位变化与其垂直向应力变化之间的关系式；张昭栋等进一步分析承压井含水层应力应变与地壳应力应变之间，及含水层应力应变与井水位之间的定量关系；黄辅琼等利用华北地区40多口深井水位动态变化资料，结合地震发生与水位动态的关系，探讨研究华北地区现今构造应力场状态；孙小龙等运用小波分析法提取出能反映水位多年动态变化的趋势信息，反演出华北地区多年构造应力场的变化特征[3-7]。但上述研究中涉及井孔的孔隙度和固体骨架的体积压缩系数等含水层参数，都是取其一般的可能值或平均值，由此计算出的应力场变化也只是量级上的估算[8]。

该文运用气压系数和M2波潮汐因子计算结果，滑动拟合定量获取不排水状态下井含水层的孔隙度、固体骨架和水的体积压缩系数。在水平层状含水层(一维)模式下，利用上述求得的含水层介质参数、井水位变化量与含水层垂直向应力变化量的关系式，定量分析山西地区构造应力场的动态变化过程。

1 资料选取与预处理

1.1 资料选取

选取山西地区镇川、朔州、静乐、太原、祁县、介休、临汾、东郭8口井作为研究对象，所选井孔较均匀地分布于山西断陷盆地上(见第23页图1)，基本能反应研究区域内构造应力场的变化。上述8口井均为承压井，观测资料稳定性较好、动态变化清晰且数字化观测持续时间均在8 a以上，井孔基本情况如第23页表1所示。

1.2 数据整理与预处理

运用8口井2008年至2015年的水位整点观测数据与相关的气压数据进行计算。计算前，先对观测数据进行检查、整理；之后，进行数据预处理，去除地下水开采、降水补给等长周期干扰因素，对剔除趋势变化后的水位再进行滤波分析，进一步剔除降雨、气压等年际变化对水位的影响，为后续进行维尼迪科夫潮汐调和分析与含水层参数的计算等提供可靠数据。

2 研究方法及参数计算

2.1 应力场反演计算方法

对于理想的水平层状承压含水层，即含水层上、下均为隔水层，各层呈水平状向无限远的四周延伸，假定各层的力学性质是各项同性的理想弹性体，考虑在这种含水层内有一口完整井。由封闭条件的质量守恒和含水层固体骨架的物理状态方程及含水层内水的状态方程，可导出承压含水层部分介质参数、井水位变化量与含水层垂直向应力变化量之间的定量关系[9]：

图1 研究井孔空间分布图Fig.1 The spatial distribution of the studied well bores

表1 井孔基本情况表Table 1 The basic parameters of the well bores

(1)

式中:ΔσZ为含水层垂直向应力变化量；β为水的体积压缩系数；ρg为水的重度；η为含水层的孔隙度；E为含水层固体骨架的杨氏模量(E=1/α)；ΔH为含水层应力变化引起的压力水头变化量，即井水位变化量。当井—含水层系统所受应力增强，即ΔσZ>0时，井水位上升，水位埋深值H变小，其变化量ΔH<0；当井-含水层系统所受应力减弱，即ΔσZ<0时，井水位下降，水位埋深值H变大，其变化量ΔH>0。

式(1)中，水的重度ρg为常数，计算中ρg取0.098 hPa/mm。但井—含水层系统的孔隙度η、固体骨架体积压缩系数α、水的体积压缩系数β，需经过计算获得。

2.2 含水层参数计算

依据前人的研究结果[10-13]，不排水状态下，井水位的气压系数和潮汐因子可分别表示为：

(2)

(3)

上两式联合可得到：

(4)式中:BP为井水位的气压系数;Bg为M2波潮汐因子。

潮汐因子Bg由维尼迪柯夫潮汐调和分析获取[14]，气压系数BP通过高阶差分滑动求得[15]。随后，含水层的孔隙度η、水的体压缩系数β，依据式(4)通过滑动计算得到[16-17]。最后利用式(1)或式(2)，得出固体骨架的体积压缩系数α。

3 应力场反演结果及特征分析

第24页图2为计算得到的各井井水位变化量与含水层垂直向应力变化量的时序月值曲线(图中黑色部分表示井-含水层系统所受应力增强时，即ΔσZ>0，ΔH<0的情况)。根据图2水位反演应力场结果及井孔所处位置看出，2008—2009年，整个山西地区表现为以应力增强(压应力)为主，2010年分别在北、中、南部发生大同M4.5、阳曲M4.6、河津M4.8地震。2011—2015年，太原盆地及其以北区域相比2008—2009年应力增强减弱，但仍以压性活动为主，太原盆地以南区域则表现为张性活动。

4 结论与讨论

地壳应力测量是一件复杂困难的事情，通常是通过测量应变来实现，耗资颇高。利用已有承压井水位连续观测资料，研究区域现今构造应力场状态是一条既有效又经济的途径[6]。该文运用8口井的气压系数和水位的M2波潮汐因子等，滑动拟合得到不排水状态下，各井部分含水层参数。在水平层状含水层(一维)模式下，利用这些参数与井水位变化量、含水层垂直向应力变化量的关系式，定量分析山西带构造应力场的时序变化特征，结论如下：

(1) 利用承压井气压系数与M2波潮汐因子等滑动求取得出动态的含水层孔隙度、水和固体骨架的体积压缩系数等参数，通过参数与含水层介质的应力关系，实现对区域构造应力变化的定量分析。

图2 各井井水位变化量与含水层垂直向应力变化量月值曲线Fig.2 The monthly values of the water level variation and the vertical stress variation of the aquifer

(2) 反演的构造应力变化结果显示：2008—2009年山西带整体以应力增强为主，并表现为压性活动；受应力增强的影响，2010年山西带发生3次中强地震，而影响应力场变化的原因可能是受汶川地震的影响[18-21]；2011—2015年，太原盆地及其以北区域虽然仍以压性活动为主，但应力增强减弱，太原盆地以南区域以张性活动为主。

(3) 上述研究是在理想的水平层状承压含水层模式下，即含水层上、下均为隔水层，各层呈水平状向无限远的四周延伸，假定各层的力学性质是各项同性的理想弹性体的情况下完成，计算结果表示的是区域应力的动态变化过程，即应力变化量，不能反映区域应力的积累程度，而地震发生主要取决于区域应力的积累程度。因此，运用水位资料反演得到的区域应力变化，仅能在一定程度上对区域地震危险性程度的增强或减弱有所指示，其应用于地震预测仍有一定的局限性。

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(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年度震情跟踪定向工作任务(2016010308)。

吕 芳(1982— )，女，山西省武乡县人。2008年毕业于太原理工大学，硕士研究生，工程师。

P315.73

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