孝义地震台水位异常分析

赵 强，史双双，张亮娥，曹文强

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.山西省地震局太原基准地震台，山西 太原 030025；3.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)

0 引言

孝义地震台晋9-1井(以下简称孝义井)水位自2008年起呈趋势下降型动态，2015年转折变为趋势平稳型动态，并出现多次突降阶变。地壳形变和地下水位异常可能是地震前兆，也可能是降水、抽水等其他因素导致[1]。异常出现后，太原基准地震台对孝义井及周边环境进行异常落实调查。

1 观测井概况

孝义水位观测井位于孝义市新城科委院内，孔口标高为770.37 m。井区东部地势平坦，中部丘陵起伏，西部为山区。孝义井位于太原盆地西南边缘，交城断裂与北西向断裂交汇地带，水文条件为山前冲、洪积平面区，属砂卵石承压水，水量丰富。该井深502 m，承压水观测层为400～502 m，成井时水位高出地面8.37 m，2008年起年平均降幅约3～4 m，目前水位埋深为-33 m。

孝义井1983年6月开始模拟观测，2007年6月“十五”数字化改造项目在孝义井新增数字化水位、水温观测，数字与模拟并行观测至今。2016年1月增加气象三要素辅助观测。

2 资料分析

2.1 趋势变化特征

由孝义井2007-2016年水位日均值图(见图1)看出，孝义井水位自2008年呈趋势下降型动态。这种动态是因孝义市高耗水项目较多，造成地下水的开采量超过大气降水的渗入补给量，导致含水层中地下水储量不断减少造成的[2]。

图1 孝义井2008-2016年水位日均值曲线图Fig.1 Daily mean value of water level of Xiaoyi well from 2008 to 2016

2.2 水位异常变化

孝义井水位异常表现为趋势转折和多次突降阶变。2015年1-4月观测水位打破自2008年保持的匀速下降趋势，开始转平并缓慢回升；2个月以后，出现多次阶变突降(见第14页图2)。从第14页表1看出，9次突降中有6次出现在月底，降幅从1 mm至36 mm不等。

3 影响因素分析

3.1 仪器及人为原因

对人工模拟与数字观测的水位日均值进行对比，发现两曲线的变化趋势一致，均记录到水位突降阶变(见第14页图3)，两种观测方法误差在±2 cm，水位校测误差在|δ| ≤0.8%，校测结果均符合规范要求。静水位传感器工作正常，数据真实可靠，能够排除仪器故障(见第14页表2)。

图2 孝义井2015-2016年水位、水温日均值曲线图Fig.2 Daily mean value of water level and temperature of Xiaoyi well from 2015 to 2016

时间月-日变化幅度/m02-20-0.0502-26-0.0103-12-0.1203-20-0.00704-24-0.3606-22-0.0707-06-0.16207-26+0.1408-17-0.25

图3 孝义井数字与模拟水位观测对比曲线图Fig.3 Comparison of digital water level gauge in Xiaoyi well with simulated observation

传感器底部到观测井口的距离m35.379校测日期2015-06-27校测读数次数12345平均值测钟校测水位值/m32.16132.15832.15832.15932.15732.159水位观测仪器水位仪显示值3.2273.2273.2273.2273.2273.227转换后的水位值/m32.15232.15232.15232.15232.15232.152校测水位值与观测仪器转换后水位值之差/m0.0090.0060.0060.0070.0050.007相对误差δ/%0.0280.0190.0190.0220.0160.021

3.2 降水影响

深层地下水位的动态变化主要受开采和补给影响，孝义市境内地下水补给完全依靠自然降水的渗入，年均降水量在430 mm左右，有的年份降水量仅有330 mm，降水主要集中在7月至9月。由孝义市2008年至2015年降水量图4所示，2010年为335.5 mm，其余年份在400 mm～570 mm范围波动，降水量保持平稳。2009年至2015年孝义市水位一直呈匀速下降趋势(见图5)，与降水无关， 说明孝义市地下水位主要受开采影响。

图4 孝义市2008-2015年降水量图Fig.4 The precipitation in Xiaoyi from 2008 to 2015

图5 孝义市年总降水量与晋9-1井水位对比图Fig.5 Comparison of the annual total precipitation in Xiaoyi and the water level of well Jin9-1

3.3 煤矿开采影响

孝义市盛产焦煤，多年的观测表明，影响孝义井水位动态变化的主要因素为煤焦化、煤电铝等高耗水项目较多，加之采煤漏水影响。2000年6月孝义市环保部门关停3 260个炼焦炉后，孝义井水位加速上升。自2008年起，由于煤炭涨价，煤炭过度开采，孝义井水位自2008年起匀速下降。2014年底，煤炭行业不景气，造成一些煤矿停业、焦化厂停工，可能使持续7年下降的孝义水位发生转折。

调查了解到山西联盛兴跃煤业有限公司于2014年11月停产，兴跃煤矿位于孝义市下栅乡兴跃村，距离孝义井25 km，开采面积16.28 km2，批准开采二叠系下统山西组1#、2#、3#、5#，石炭系上统太原组9#、10#、11#煤层，生产能力为120万吨/年，垂深658 m。停产后每月月底排一次水，每次2～5 h。按每个井筒每天淋水70 m3，共3个井筒计算，每月排水量为6 300 m3。

4 分析

车用太[3]在判别地下水异常的干扰性与前兆性提出4项相关性原则，即出现的异常与干扰源在成因、空间、时间、作用强度存在相关性，则判定为干扰异常。

成因相关性。太原地震台晋7-1井由于2008年起关闭周边煤矿，使晋7-1井水位由降转升[4]。孝义井与晋7-1井出现的转折现象在成因上类似，均是煤矿停采减少了地下水资源的工业开采量，使水位回升。

空间相关性。由于兴跃煤矿距孝义井较近，且开采的石炭系、二叠系煤层与孝义井观测的二叠系含水层属同一层位，具有空间上的相关性[5]。因此，可能会造成孝义井突降变化。

时间相关性。兴跃煤矿每月月底排水，与孝义井水位突降时间有较好的对应关系，说明二者在时间上具有相关性。

作用强度相关性。兴跃煤矿月排水量约6 300 m3，排水量非常大，在干扰强度上也可能造成孝义井突降变化。

通过相关性分析认为，本次异常应该是煤矿排水引起的干扰异常，非前兆异常。

5 结论

(1) 孝义地震台晋9-1井观测层为二叠系含水层，易受煤炭开采影响。

(2) 孝义井水位的异常与煤矿排水在成因、空间、时间、作用强度上存在相关性，判定为干扰异常。煤矿停产等因素造成耗水减少是孝义井水位回升的主要原因。孝义井水位突降阶变异常应该是煤矿排水引起的干扰，非前兆异常。

(3) 地下水位趋势转折是否会改变断层活动习性，需做进一步的研究。

参考文献：

[1] 卢明勇，黄辅琼，刘善华，等.地壳变形与地下水相互作用及其异常关系初探[J].地震，2005,25(1):67-73.

[2] 中国地震局监测预报司.地震地下流体理论基础与观测技术[M].北京：地震出版社，2007:27-34.

[3] 车用太，鱼金子，刘成龙，等.判别地下水异常的干扰下与前兆性的原则及其应用实例[J].地震学报,2011，33(6):800-808.

[4] 沈晓松，靳玉贞，孟彩菊，等.太原地震台水位异常分析[J].地震地磁观测与研究，2012,33(5):178-182.

[5] 扈桂让，李自红，闫小兵，等.韩城断裂晚第四纪活动性研究[J].地震地质，2017,39(1):206-217.