利用數字化水位資料反演山西地區構造應力場變化

呂 芳，李宏偉，李 麗

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025)

利用數字化水位資料反演山西地區構造應力場變化

呂 芳1,2，李宏偉1,2，李 麗1,2

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025)

選取山西地區觀測條件較好的8口承壓井水位觀測資料及相關的氣壓數據，利用氣壓系數及M2波潮汐因子等進行滑動擬合，得到不排水狀態下的各井含水層孔隙度、水與固體骨架的體積壓縮系數。在水平層狀含水層(一維)模式下，運用求得的含水層介質參數、井水位變化量與含水層垂直向應力變化量的關系，定量分析山西地區2008年至2015年構造應力場的變化特征。

水位測量；構造應力場；山西地區

0 引言

由于地下水存在普遍性、流動性與難壓縮性，當它形成一個封閉的承壓系統時，井水位變化就能客觀、靈敏地反映地殼中的應變狀態[1]。已有研究認為，承壓含水層井水位的變化反映含水層孔隙壓力的變化，而含水層孔隙壓的變化與含水層所受的壓力狀態有密切的關系[2]。因此，利用承壓井水位的連續觀測資料可有效地研究區域構造應力場狀態變化。

Johson A．G．和Nur．A等研究認為，記錄斷層活動區附近鉆井的水壓變化，是測量深部彈性應力變化的可能方法；李永善研究構造應力引起地下水位變化的特征，推導出含水層水位變化與其垂直向應力變化之間的關系式；張昭棟等進一步分析承壓井含水層應力應變與地殼應力應變之間，及含水層應力應變與井水位之間的定量關系；黃輔瓊等利用華北地區40多口深井水位動態變化資料，結合地震發生與水位動態的關系，探討研究華北地區現今構造應力場狀態；孫小龍等運用小波分析法提取出能反映水位多年動態變化的趨勢信息，反演出華北地區多年構造應力場的變化特征[3-7]。但上述研究中涉及井孔的孔隙度和固體骨架的體積壓縮系數等含水層參數，都是取其一般的可能值或平均值，由此計算出的應力場變化也只是量級上的估算[8]。

該文運用氣壓系數和M2波潮汐因子計算結果，滑動擬合定量獲取不排水狀態下井含水層的孔隙度、固體骨架和水的體積壓縮系數。在水平層狀含水層(一維)模式下，利用上述求得的含水層介質參數、井水位變化量與含水層垂直向應力變化量的關系式，定量分析山西地區構造應力場的動態變化過程。

1 資料選取與預處理

1.1 資料選取

選取山西地區鎮川、朔州、靜樂、太原、祁縣、介休、臨汾、東郭8口井作為研究對象，所選井孔較均勻地分布于山西斷陷盆地上(見第23頁圖1)，基本能反應研究區域內構造應力場的變化。上述8口井均為承壓井，觀測資料穩定性較好、動態變化清晰且數字化觀測持續時間均在8 a以上，井孔基本情況如第23頁表1所示。

1.2 數據整理與預處理

運用8口井2008年至2015年的水位整點觀測數據與相關的氣壓數據進行計算。計算前，先對觀測數據進行檢查、整理；之后，進行數據預處理，去除地下水開采、降水補給等長周期干擾因素，對剔除趨勢變化后的水位再進行濾波分析，進一步剔除降雨、氣壓等年際變化對水位的影響，為后續進行維尼迪科夫潮汐調和分析與含水層參數的計算等提供可靠數據。

2 研究方法及參數計算

2.1 應力場反演計算方法

對于理想的水平層狀承壓含水層，即含水層上、下均為隔水層，各層呈水平狀向無限遠的四周延伸，假定各層的力學性質是各項同性的理想彈性體，考慮在這種含水層內有一口完整井。由封閉條件的質量守恒和含水層固體骨架的物理狀態方程及含水層內水的狀態方程，可導出承壓含水層部分介質參數、井水位變化量與含水層垂直向應力變化量之間的定量關系[9]：

圖1 研究井孔空間分布圖Fig.1 The spatial distribution of the studied well bores

表1 井孔基本情況表Table 1 The basic parameters of the well bores

(1)

式中:ΔσZ為含水層垂直向應力變化量；β為水的體積壓縮系數；ρg為水的重度；η為含水層的孔隙度；E為含水層固體骨架的楊氏模量(E=1/α)；ΔH為含水層應力變化引起的壓力水頭變化量，即井水位變化量。當井—含水層系統所受應力增強，即ΔσZ>0時，井水位上升，水位埋深值H變小，其變化量ΔH<0；當井-含水層系統所受應力減弱，即ΔσZ<0時，井水位下降，水位埋深值H變大，其變化量ΔH>0。

式(1)中，水的重度ρg為常數，計算中ρg取0.098 hPa/mm。但井—含水層系統的孔隙度η、固體骨架體積壓縮系數α、水的體積壓縮系數β，需經過計算獲得。

2.2 含水層參數計算

依據前人的研究結果[10-13]，不排水狀態下，井水位的氣壓系數和潮汐因子可分別表示為：

(2)

(3)

上兩式聯合可得到：

(4)式中:BP為井水位的氣壓系數;Bg為M2波潮汐因子。

潮汐因子Bg由維尼迪柯夫潮汐調和分析獲取[14]，氣壓系數BP通過高階差分滑動求得[15]。隨后，含水層的孔隙度η、水的體壓縮系數β，依據式(4)通過滑動計算得到[16-17]。最后利用式(1)或式(2)，得出固體骨架的體積壓縮系數α。

3 應力場反演結果及特征分析

第24頁圖2為計算得到的各井井水位變化量與含水層垂直向應力變化量的時序月值曲線(圖中黑色部分表示井-含水層系統所受應力增強時，即ΔσZ>0，ΔH<0的情況)。根據圖2水位反演應力場結果及井孔所處位置看出，2008—2009年，整個山西地區表現為以應力增強(壓應力)為主，2010年分別在北、中、南部發生大同M4.5、陽曲M4.6、河津M4.8地震。2011—2015年，太原盆地及其以北區域相比2008—2009年應力增強減弱，但仍以壓性活動為主，太原盆地以南區域則表現為張性活動。

4 結論與討論

地殼應力測量是一件復雜困難的事情，通常是通過測量應變來實現，耗資頗高。利用已有承壓井水位連續觀測資料，研究區域現今構造應力場狀態是一條既有效又經濟的途徑[6]。該文運用8口井的氣壓系數和水位的M2波潮汐因子等，滑動擬合得到不排水狀態下，各井部分含水層參數。在水平層狀含水層(一維)模式下，利用這些參數與井水位變化量、含水層垂直向應力變化量的關系式，定量分析山西帶構造應力場的時序變化特征，結論如下：

(1) 利用承壓井氣壓系數與M2波潮汐因子等滑動求取得出動態的含水層孔隙度、水和固體骨架的體積壓縮系數等參數，通過參數與含水層介質的應力關系，實現對區域構造應力變化的定量分析。

圖2 各井井水位變化量與含水層垂直向應力變化量月值曲線Fig.2 The monthly values of the water level variation and the vertical stress variation of the aquifer

(2) 反演的構造應力變化結果顯示：2008—2009年山西帶整體以應力增強為主，并表現為壓性活動；受應力增強的影響，2010年山西帶發生3次中強地震，而影響應力場變化的原因可能是受汶川地震的影響[18-21]；2011—2015年，太原盆地及其以北區域雖然仍以壓性活動為主，但應力增強減弱，太原盆地以南區域以張性活動為主。

(3) 上述研究是在理想的水平層狀承壓含水層模式下，即含水層上、下均為隔水層，各層呈水平狀向無限遠的四周延伸，假定各層的力學性質是各項同性的理想彈性體的情況下完成，計算結果表示的是區域應力的動態變化過程，即應力變化量，不能反映區域應力的積累程度，而地震發生主要取決于區域應力的積累程度。因此，運用水位資料反演得到的區域應力變化，僅能在一定程度上對區域地震危險性程度的增強或減弱有所指示，其應用于地震預測仍有一定的局限性。

[1] 汪成民，羅偉光，石錫鐘.地震前后地下水異常動態與巖體裂隙演變[J].地震科學研究，1981(4):1-7.

[2] 努爾(美國)，科瓦契.巖石中的水力流在地質構造過程中的作用以及對圣安德烈斯斷裂系的應用[G]//薩瓦連斯基Eφ.地震前兆探索.傅征祥，胡鴻翔，譯.北京：地震出版社，1980:73-75.

[3] Johnson A G，Kovach R L，Nur A et al.Pore pressure changes during creep events on the AanAn-dreas Fault[J].Journal of Geophysical Research，1973，78(5)：851-857.

[4] 李永善.構造應力引起地下水位變化的主要特征[J].西北地震學報，1979(1)：16-22.

[5] 張昭棟，張廣城.利用水位階變資料反演震時應力的調整變化[J].地震研究，1987，10(6)：693-702.

[6] 黃輔瓊，晏 銳，陳 颙，等.利用深井地下水位動態研究大華北地區現今構造應力場狀態[J].地震，2004，24(1)：112-118.

[7] 孫小龍，劉耀煒，晏 銳.利用水位資料反演華北地區構造應力場變化[J].地震，2011，31(2)：42-49.

[8] 丁風和，哈媛媛，王 勇，等.基于數字化水位的張渤帶地區構造應力場時序特征分析[J].地震，2015，35(2):133-138.

[9] 王六橋，李善因.利用噴涌型地下水位異常的資料反演震前局部應力場的快速變化[J].華北地震科學，1985，3(增1)：46-51.

[10] Bredehoeft J D.Response of well-aquifer systems to earth tides[J].Geophys Res，1967(72)：3075-3087.

[11] 張昭棟，鄭金涵，馮初剛.井水位的固體潮效應和氣壓效應與含水層參數間的定量關系[J].西北地震科學，1989，11(3)：47-52.

[12] 李春洪，陳益惠，田竹君.井—含水層系統對固體潮的動態響應及其影響因素[J].中國地震，1990，6(2)：37-45.

[13] 張昭棟，鄭金涵，張廣城.水井含水層系統的潮汐響應函數[J].西北地震學報，1995，17(3)：66-71.

[14] 李惠玲，程冬焱，胡玉良，等.寬頻帶傾斜儀及其觀測影響[J].山西地震，2017(2):16-21.

[15] 丁風和，趙鐵鎖，尹占軍,等.大甸子井水位的氣壓系數及其震前異常[J].西北地震學報,2007，29(2)：174-176.

[16] 丁風和，韓曉雷，哈媛媛，等.承壓井含水層孔隙度與固體骨架和水的體積壓縮系數之間的關系[J].地球科學：中國地質大學學報,2015，40(7)：1248-1253.

[17] 丁風和,戴 勇,宋慧英,等.大甸子井—含水層系統水文地質參數間的變化關系[J].地震地質，2015(4)：982-990.

[18] 劉 峽，馬 瑾，占 偉,等.汶川地震前后山西斷陷帶的地殼運動[J].大地測量與地球動力學，2013，33(3)：5-10.

[19] 劉瑞春，李自紅，趙文星，等.汶川M8.0地震前后山西地震帶水平形變場變化特征研究[J].地震工程學報，2014，36(3)：634-638.

[20] 張淑亮，劉瑞春，王 霞.汶川地震前后太原盆地應力場變化特征研究[J].中國地震,2017，33(1)：46-55.

[21] 王 霞，宋美琴，王 亮，等.口泉斷裂及其鄰近地區的地殼速度結構[J].地震地質，2015，37(4):939-952.

(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年度震情跟蹤定向工作任務(2016010308)。

呂 芳(1982— )，女，山西省武鄉縣人。2008年畢業于太原理工大學，碩士研究生，工程師。

P315.73

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