辽宁新民井静水位转折上升变化成因分析

2018-04-03王喜龙李梦莹

防灾减灾学报 2018年1期

王喜龙，付聪，李梦莹，张丽,李俏

（辽宁省地震局，辽宁沈阳 110034）

0　引言

地震是一种会给人类社会带来巨大灾难的自然灾害，在众多的自然灾害中，特别是在造成人员伤亡方面，地震造成的死亡人数占各类自然灾害造成的死亡人数总数的一半以上[1]。而在地震发生前我们常常可观测到一些前北异常，诸如地下水位和水温变化、地壳形变、重力场变化等，可能会造成区域构造应力变化敏感的参数发生变化。这些异常对于地震短临预测的判定往往起到了至关重要的作用[2-3]。因此挖掘地震发生前的前兆异常信息对于地震的短临预报起到了至关重要的作用。就地下流体而言，地下水是地壳中最活跃的介质，当它形成具有一定封闭条件的承压系统时，就能够客观、灵敏地反映地壳应力、应变信息，因此地下水位观测已经成为地下流体监测的重要手段之一[4-5]。多年的观测实践及研究表明，中强地震发生前震中区部分观测井会出现明显的水位异常变化[6-7]。

我国地震地下流体监测网从1966年3月邢台MS7.2地震之后开始大面积着手建设，50多年的时间里已遍布全国各省市及自治区，全国范围内已经发展到拥有观测项数达40余项的千余口流体观测井[8-11]。观测井网的快速发展虽然为地震的监测预报提供了有利的条件，但随着经济的快速发展，地下水观测井的水位也常常受到降雨、河流、地下水开采等水文因素的干扰[12-13]，使得新出现的地下水动态异常变化既有可能是地震前兆异常信息，反应周边的区域构造活动作用变化信息，也有可能是某种环境干扰所引起[14]。因此，如何有效地识别水位异常变化的成因，排除环境干扰，是当前利用地下流体资料进行地震预测的关键科学问题之一[15]。

新民流体观测井水位观测数据自2016年7月22日开始出现转折上升变化，至2016年9月18日累计上升幅度达1.2m，但同井水温观测数据变化平稳，未出现同步变化（图1）。该水位井靠近辽西地区，周边断裂构造发育。辽西地区历史上曾发生过多次中强地震，均造成了一些人员伤亡和经济损失。时间最近的为1998年2月24日彰武MS4.8地震，震中距测点仅39km。那么新民井水位数据转折上升变化究竟与区域构造活动有关，还是由该地区地下水文因素的干扰所致？笔者对此进行了现场落实与分析。

图1　新民台静水位及中层水温变化曲线Fig.1　 The static water level and temperature curve of Xinmin Seismic Station

1　新民井区域构造环境与观测概况

新民台静水位井位于沈阳市新民区高台子乡新民地震台院内。辖区地处辽河冲积平原，地势北高南低，境内没有连续的山脉，仅北部有几个互不接续的丘陵高地，周围主要河流包括北南流向的辽河、柳河、蒲河、秀水河、绕阳河和养息牧河等[16]。该区域大地构造背景属于下辽河中新世断陷带，受燕山运动影响，形成北东向内陆断陷带。经中、新生代的长期沉降，形成了3000m 厚的沉积，沉积物的厚度由西南向东北递减，基岩倾斜方向是西南低而东北高，但基岩并非平衡下陷，而是同时发生隆起、褶皱、凹陷、断裂，下辽河中新断陷带现仍在缓慢下沉，同时仍有缓慢的隆起、凹陷。以断裂为界的差异运动，构成新民地区不稳定的地质背景。新民地区地层主要以第四纪和古生界地层为主，基底岩石主要为前震旦系花岗岩、石英片岩等。北西走向的红旗营子断裂为距该井最近断裂，位于该井北东向5km处（图2）。

图2　新民水位井附近地质构造简图Fig.2　The geological structure for the water well of Xinmin

新民台目前存在两口前兆观测井，分别为流体观测井和体应变观测井。前兆观测测项包括静水位（ZKGD-3000）、中层水温（ZKGD-3000）和体应变（TJ-II）等3项；辅助观测测项有钻孔温度（TJ-II）、水位（TJ-II）、气压（TJII）和气象三要素（WXY-1）。其中流体水位观测井井深101.3m，0～19.2m为第四系粉土（含碎石），19.2～101.3m为基岩黑云母花岗岩。打井至今由于泥沙充填，井深变为86m，2013年更换套管下至井下86m，水位探头置于井下20m，水温探头置于井下80m处，所观测为裂隙水（图3）。该井于2000年8月10日开始钻孔，2000年10月10日完工，2001年5月16日布线，安装仪器，2001年6—11月开始进入考核运行期，经7个月的考核，仪器运转正常，产出数据稳定，2001年1月通过验收，2002年1月1日进入正式观测，2013年进行井孔改造后，2014年采用中科光大仪器（ZKGD-3000）进行水温、水位观测至今，产出数据连续、可靠。体应变井位于水位井东约12m，为2013年新打井，井深82.6m，钻孔辅助水位探头放置在井下13m处，围岩为黑云母花岗岩，井水与水温井水连通，井水来源基本一致。

图3　新民流体井钻孔剖面图Fig.3　The borehole profile of Xinmin well

2　异常概况

根据新民台流体观测井自2014年采用中科光大仪器观测以来的资料显示，水温变化相对比较稳定，水位变化则受当地降雨干扰较大。从图1可以看出，自2014年以来，基本每年7—9月雨季，水位均会出现转折小幅上升变化，但上升幅度均较小。

基于对新民地震台2016年7—9月水位变化的初步调查结果，查阅相关水位观测和降雨资料的分析结果，根据该井水温、水位资料对比分析结果，以及与邻井及附近地区水位资料对比分析的结果，笔者认为造成这种水位转折上升变化的可能因素有：深部水的补给增加、地表水及降雨的补给增多。由图1可见，水位上升时同井水温并未出现上升变化，从而基本排除深部水的补给增加造成水位上升；由图3可见，井下20米至井底水温基本保持不变，说明井孔含水层是潜水和半承压水，主要受地表补给及大气降水影响。因此，根据《地震前兆异常落实工作指南》（中国地震局监测预报司，2000）[17]中关于水位异常的落实方法，本文从观测技术系统（观测仪器系统、供电系统和观测条件等）、自然环境（地下水、地表水、降水和偶然事件等）、人类活动（地下水开采、采矿活动和农田灌溉等）、邻井数据对比、地质条件（地层、构造、岩浆岩等）和地球化学数据分析等几个方面对新民水位井开展了进一步的深入调查核实和资料分析工作。

在调查核实工作中，仪器维修专家及台站工作人员通过对观测仪器的工作系统和供电系统等设备进行检查，判定观测技术系统运行正常，并未出现线路及系统故障等问题，对井水位进行了校测，校测结果与水位仪测量结果基本一致，因此排除了水位仪主机和电源等设备故障的可能。新民水位井地处辽河平原，距离附近最近矿山及铁路较远，矿山开采及铁路修建等对水位数据基本无影响，同时，经调查近期周边一定距离也无地下水开发利用、农田用水以及大型施工建设行为，因此，基本排除铁路、矿山及施工建设的影响。

此外经调查发现，距新民水位观测井NE方向约50m处存在一个占地面积较大的采土坑（122.871oE，42.07293oN），该坑直径约0.3×0.6m，坑深约45m（图4）。大约从2005年开始便在该坑采挖砂土和碎石，用来进行道路及工程建设，2013—2016年采挖比较严重，目前已基本挖掘新民地震台东侧山体约1/3的体积，前几年由于采挖深度及降雨较少，因此坑内积水较少或无积水，但2016年由于采挖深度及采挖面积大量增加，以及辽宁地区降雨量较往年明显增强，因此坑内积水量很大（图4a），那么2016年采坑内大量积水是否可能是造成水位转折上升的一个重要原因呢？对此笔者从气象条件、邻井数据对比分析、地质条件分析和地球化学分析等几个方面开展了深入的分析干扰工作。

图4　台站与挖土采坑位置关系图Fig.4　 The positional relationship between observation station and the open pit

3　异常分析与性质判定

从地震预报角度来讲，当前我国地震监测预报实践中面临的突出问题之一，是如何更加有效地排除干扰异常并提取出有效的前兆异常信息[14-15]。对于如何准确有效地判别地下水异常是干扰引起还是地震前兆异常，车用太等[18]曾对中国大陆地下水异常干扰特征进行了总结，并提出了识别地下水干扰异常的4个“相关性”原则，即成因上的相关性、空间上的相关性、时间上的相关性与强度上的相关性。本文基于该4项识别原则从不同方面对新民井此次的水位上升变化进行了分析与判定。

3.1　气象因素分析

收集了新民市区2015—2016年两年7—8月降雨资料进行调查（表1），从表1可以看出，虽然2015年7—8月份新民地区降雨天数达20天，比2016年度多8天，但是从天气上看，2016年7月新民地区则出现两次暴雨和一次大雨级别。将水位观测数据与新民地区降雨量进行对比分析可以看出（图5），水位开始转折加速上升恰好与当地强降雨发生时间对应良好，且水位发生转折时间恰好滞后于7月21日暴雨一天，二者具有时间上的已知性，说明降雨与水位转折上升可能存在一定的联系。

图5　新民地区2016年7月水位变化曲线及降雨量Fig.5　 The water-level variation curves and rainfall in the area of Xinmin in July，2016

表1　新民地区2015—2016年度7—8月份气温及降雨资料统计表

3.2　邻井数据对比分析

水位井东约12m处有一口体应变观测井，井深82.6m，钻孔辅助水位探头放置在井下13m处，由于两口井距离、井深度相近，围岩均为黑云母花岗岩，因此体应变井水与水温井水连通，两口井水来源基本一致。对比体应变井辅助水位观测数据与流体井静水位观测数据可发现（图5），两口井水位变化时间一致，均在7月22日出现了明显的转折上升变化，且钻孔水位最大上升幅度也达1.2m，二者在变化幅度上也具有一定的相关性。

为了进一步证实降雨对水位观测造成的干扰影响，笔者收集了沈阳市周边一定范围内的静水位观测数据并进行作图分析（图6）。从图6可以看出，在2016年7月份，沈阳地区降雨量普遍较大，尤其是7月21号前后两天，降雨量明显增加，该区域水位观测数据也均在基本同一时间出现了转折上升变化，不仅在时间上具有一致性，而且空间上也具有一致性特征，这也进一步验证了可能是降雨对新民静水位上升造成的影响。

图6　沈阳地区2016年7月水位变化曲线及降雨量Fig.6　 The water-level variation curves and rainfall in the area of Shenyang in July 2016

3.3　地质特征分析

根据现场实地调查，由于在新民水位观测井NE方向50m处存在一大型挖石采坑，地形上采坑位置高于观测井位置（图7），2016年7月该地区大量降雨导致采坑内积水急剧增加，因此笔者怀疑降雨导致的采坑积水也可能是造成水位大幅度转折上升的一个重要原因之一。经手持GPS定位，观测井位置海拔高度为+41m，采坑西缘（靠近台站一侧）海拔高度为+53m，采坑东缘海拔高度为+85m而坑内水面位置距采坑西缘（靠近台站一侧）位置高度约10m，即说明坑内水面海拔高度与井口位置海拔高度基本一致（图7）。由于距离体应变井和水位井近，因此认为采坑内2016年7月大量积水与新民台体应变井和水位观测井水位发生转折上升变化可能在地质上存在一定的成因联系。

图7　新民台水位观测井位置与采坑位置关系Fig.7　 The position relationship between the observation well at Xinmin Seismic Station and the open pit

通过对采坑附近的地质调查发现，采坑西侧出露地层主要为第四系沉积砂土，采坑东侧基岩出露比较严重且有石英岩脉侵入，基岩主要为黑云母花岗岩（图8），且通过实地勘查发现，由于该地区地层地质年代久远，且出露基岩风化严重，裂隙发育。综合台站和采坑地质岩性和地形地貌位置等信息，笔者做了一条NE走向的水文地质剖面模型图（图9）。从图9可以看出，由于采坑距观测井位置很近，且地形位置高于水位观测井，同时基岩风化较严重以及第四系为砂土，造成该地区地层孔隙度较大，再结合观测井打井深度较浅，目前仅有86m，综合以上信息可以初步判定，本年度7月份强降雨造成坑内积水量突然倍增可能是该井水位转折上升的一个主要原因。

图8　采坑两侧地层岩性照片Fig.8　 The formation lithology in the both sides of the open pit

图9　水位观测井与采坑位置地质剖面图Fig.9　 The geologic section map between the fluid observation well and the open pit

3.4　地球化学分析

为进一步明确坑内积水与井水的关系，证实笔者的观点，对新民流体观测井进行了井下不同深度的水化取样分析，将测试结果投到水-岩化学平衡三角图上（图10），从图上可以看出，所有样品均落在Mg端元附近，表现为“未成熟水”，表明其为浅层的地下水，主要接受大气降水的补给，循环周期相对较快，水-岩之间尚未达到离子平衡状态，水-岩作用仍在进行[18-19]，这也进一步说明水位观测井受降雨干扰较大，井水主要来源于大气降水，井水来源与采坑内大气降水来源一致，来源上具有一致性特征。

图10　新民台水位观测井不同深度水 - 岩化学平衡三角图Fig.10　 The triangular plot of water-rock reaction for the well of Xinmin

4　结论

综上所述，由于现场落实过程中未发现仪器观测系统造成的干扰，综合对新民地区、沈阳地区周边的降雨资料进行分析、邻井水位观测数据进行对比分析、对新民井及采坑区域进行地质地貌分析以及地球化学特征分析，结果显示新民井静水位转折上升变化与该地区降雨和附近采坑积水具有时间、空间、强度以及水源上的相关性一致。因此，综合分析结果认为新民静水位观测井2016年7月22日出现的大幅度转折上升变化是降雨使得附近采坑大量积水所致。

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