大同市同車公司地裂縫活動與地下水位變化相關性淺析

李秀英，鄧海巖

(1.大同市地震局，山西 大同 037006;2.同車公司觀測站，山西 大同 037038)

0 引言

地裂縫是在一種由內、外引力作用下，巖石和土層發生變形，當作用力大于土層內力作用累積時，巖土層破裂，其連續性遭到破壞，形成裂縫。我國城市地裂縫及其災害研究大致經歷以下幾個階段：早期分散調查階段(主要有地裂縫場地工程穩定性的分散調查對地裂縫的零散目測調查)；以落實震兆為主的調查研究階段；抗裂與震兆并行的勘察研究高潮階段；多種目的的研究與綜合研究階段。我國專家學者前后陸續對大同市地裂縫成因、地下水開采對地裂縫活動的影響等展開了一系列的相關研究，并取得一些成果[1-7]，但大多數研究都是從定性方面評估，定量和半定量的研究相對較少。

同車公司(原大同機車廠)地裂縫是大同市唯一監測的一條地裂縫，也是大同市最早發現的地裂縫。文章以同車公司地裂縫觀測數據為依據，收集地裂縫及井水位觀測近20年的資料，運用數學相關系數法探討地下水位變化與地裂縫活動之間的相關性。

1 觀測站基本概況

1.1 構造背景

大同盆地屬新生代斷陷盆地，大同市地處大同盆地的北端，NE向的口泉斷裂、NEE走向的六棱山斷裂、恒山北緣斷裂是盆地內的3條主要活動斷裂，控制著盆地的形成、發育以及新構造格局和地震活動。

大同市地裂縫排列有序、展布成帶，具有較強的方向性，與大同市區斷裂構造的主體方向一致。房子村斷裂是夾在口泉斷裂和桑干河斷裂之間的次級斷裂。房子村斷層活動是同車公司地裂縫的深部構造背景，同車公司地裂縫是房子村斷層在地表的直接反映。據地質勘探表明，房子村斷層與地裂縫的產狀一致，走向NE，傾向SE，傾角約75°。

同車公司地裂縫西起十里河東岸，終止南關南街，全長約5 km，由多條NE走向、右行排列的個體地裂縫組合而成，優勢方位NE 57°，傾向SE，傾角60°～70°，表現為高角度活動正斷層,以南東盤下降為主，水平拉張為輔，伴有左旋扭動,為一張性地裂縫。

1.2 臺站及儀器安裝概況

地裂縫觀測站位于大同盆地的西北部，地處十里河沖、洪積平原上,臺站基底為第四系砂、黏土交互層。2012年同車公司地裂縫垂直向、水平向數字化改造前，使用的是原國家地震研究所研制的DG-1A型靜力水準儀及SR-1型水平伸縮儀，量程為20 mm，通過調整可增大到80 mm,儀器格值為0.01 mm,讀數精度±0.01 mm，兩測頭高差標準偏差小于±0.07 mm。2012年數字化改造后，使用的是中國地震局地殼應力研究所下屬公司(北京震苑迪安防災技術研究中心)研發的“三維斷層形變觀測系統”(斷層垂直形變分量儀DFG、斷層水平法向分量儀DSG、斷層水平切向分量儀DLG)進行觀測,由二維觀測升級為三維觀測。主觀測室為N-S方向，與同車公司地裂縫正交。測線長度為13 m，儀器的分辨力為0.004 mm,量程為40 mm,線性度為0.5%，重復性誤差為0.5%(見第26頁圖1)。

圖1 觀測站儀器設備平面布置示意圖Fig.1 Layout of instruments in observation station

2 地裂縫活動與地下水位變化相關分析

據文獻[8]研究地裂縫活動表現出強烈的三維性，以垂直沉降為主，橫向水平拉張次之，左旋水平扭動最弱，其比值為垂直沉降量：水平張量：水平扭量為10∶6∶1。因此文章就地裂縫垂向(DFG)觀測值與地下水位變化的相關性進行著重分析。

據相關報告李常保，張曉燕，蘇 丹,等.2012—2015年度大同市及周邊平原區地下水動態年報.山西省地質勘查局二一七地質隊，2012—2015.的研究，大同市城區及周邊平原區地下水開采的主要途徑為居民飲水、農作物灌溉及占比例較小的工業用水。

大同市有3個地下水集中開采區，形成3個明顯的地下水降落漏斗，分別為城北、城南、城西水源地降落漏斗區。觀測站位于大同市城西水源地降落漏斗之中(見圖2)，水源地開采量為7.09萬 m3/d。主要開采第四系淺中層潛水或承壓水以及深部承壓水，含水層巖性以粗砂、中砂、細砂為主，礫石、粉砂次之。地下水補給來源主要是大氣降雨、十里河水的入滲補給等。

2.1 資料選取

選取地裂縫垂直向(DFG)1998-2016年的資料,D5井也選取此時段的井水位測值(見第27頁圖3)。

2.2 方法及數據分析

相關關系是變量之間的非確定關系，變量之間關系密切程度通常會在相關系數中顯現出來。文章試圖用地下水位的變化與地裂縫活動兩者變量之間的相關系數，探討地下水動態變化與地裂縫活動間的密切程度。據文獻[9]，用相關系數的變化范圍可判斷兩者之間的相關程度。R=0時，完全不相關；0<∣R∣≤0.3時，基本不相關；0.3<∣R∣≤0.5時，弱相關；0.5<∣R∣≤0.8時，較強相關；0.8<∣R∣<1時，強相關；∣R∣=1時，完全相關。

圖3 D5井水位與地裂縫垂直向月均值變化對比圖Fig.3 Comparison of water level in well D5 and ground fissures vertical monthly mean value

D5井是山西省地質環境中心的一口長期觀測井，設立完全符合地下水觀測規范的要求。D5井位于十里河沖洪積平原，距同車公司地裂縫西端不足1 km，距地裂縫觀測站約3.6 km，與地裂縫觀測站同處城西水源地降落漏斗之中，井水位變化基本反映城西降落漏斗區的地下水動態。據相關報告①的結果，地裂縫活動并未對地下水動態變化造成影響。

(1) 由D5井水位與地裂縫垂直向(DFG)年動態資料(見圖3、表1)看出，地下水與地裂縫年變幅最大變化時間并不一致。地下水位在2000年及2016年變化較為顯著。2000年的年變幅最大，達2.96 m，地裂縫年變幅為3.76 mm；2016年地下水位年變幅為2.37 mm,地裂縫年變幅為0.77 mm；1999年地裂縫年變幅最大，達7.1 mm,地下水位年變幅為1.46 m。表明地下水位的變化與地裂縫的變化時間并不同步，兩者無必然的相關性。

(2) 從地裂縫活動與D5井水位月均值相關程度來看(見表1)，不相關與弱相關的年份占53%，分別是1998、2000、2001、2004、2006、2013、2014、2016年，相關系數分別是-0.04、-0.27、-0.12、-0.28、0.23、-0.10、0.01、0.10；較強(中等程度)相關的年份占總年數的35%，分別是2002、2003、2005、2007、2009、2012年，相關系數分別是0.66、0.53、0.69、0.6、-0.7、0.56；強相關的年份僅占總年數的12%，分別是2008、2015年，相關系數均為0.91，呈正相關。

表1 地裂縫垂直向與D5井水位兩者年變幅及月均值相關系數統計表Table 1 Correlation coefficient of annual variation amplitude and monthly mean value between vertical variation of ground fissure and water level in well D5

地裂縫垂直向與地下水位動態1998-2016年月均值相關系數變化圖(見圖4)看出，兩者的月均值相關系數變化極其不穩定，波動較大，相關性方向具有隨機性，只有個別年份存在強相關。由此可見，地下水位變化與地裂縫活動兩者之間不具有必然的相關性。

圖4 地裂縫垂直向與D5井水位月均值相關系數變化圖Fig.4 Correlation coefficient variation of monthly mean value between vertical variation of ground fissure and water level in well D5

(3) 根據1998-2009年D5井水位年變幅與地裂縫垂直向年變幅資料統計計算，其相關系數為0.17(見表1)。說明地下水位變化與地裂縫活動基本上不具有相關性。

(4) 由地裂縫垂直向DFG測值和大同盆地ML1.0以上地震活動情況(見第28頁圖5、表2)可看出，地裂縫活動經歷活躍段(1998-1999年)—平靜段(2000-2005年)—活躍段(2006-2011年)—平靜段(2012-2016年)，表明地裂縫具有間歇活動的特征。

圖5 地裂縫垂直向測值與大同盆地ML 1.0以上地震活動情況對比圖Fig.5 Comparison of ground fissure vertical variation and activity of earthquakes with ML≥1.0 in Datong Basin

震級地震活動次數統計1998-1999年2000-2005年2006-2011年2012-2016年1.0～1.98655717266312.0～2.9555120152663.0～3.971722164.0～4.993115.0～5.91000總次數1 501701901714

由圖5及表2看出：

(1) 地裂縫在第1個活躍段(1999年)之前，S盤相對于N盤年沉降量在7～9 mm,在此期間,大同盆地小震活動密集、頻次高、強度大，呈震級上升趨勢。發生71次3.0～3.9級地震，9次4.0～4.9級地震，1次5.0～5.9級地震，最大為1999年11月1日大同陽高M5.6地震。

(2) 地裂縫在第1個平靜段(2000-2005年)，S盤相對于N盤年沉降量在2～3 mm,在此期間,大同盆地小震活動密集，頻次、強度明顯下降，出現震級下降趨勢。發生7次3.0～3.9級地震，3次4.0～4.9級地震，最大為2000年11月5日大同縣M4.5地震。

(3) 地裂縫在第2個活躍段(2006-2011年)，S盤相對于N盤年沉降量最大為5 mm,明顯小于第1個活躍段。在此期間,大同盆地小震活動密集、頻次較高、強度明顯增大，呈震級上升趨勢。發生22次3.0～3.9級地震，1次4.0～4.9級地震，最大為2010年4月4日大同陽高M4.7地震。

(4) 地裂縫在第2個平靜段(2012-2016年)，S盤相對于N盤年沉降量不足1 mm,在此期間,大同盆地小震活動密集，強度明顯下降，出現震級下降趨勢。發生16次3.0～3.9級地震，1次4.0～4.9級地震，最大為2013年2月22日大同縣、陽高縣與河北陽原交界M4.1地震。

由此可看出,大同盆地小震活動變化經歷密集(1998-1999年)—平靜(2000-2005年)—密集(2006-2011年)—平靜(2012-2016年)四個周期。與同車公司地裂縫活動在時間大尺度上具有同步性，表明構造活動可能是地裂縫活動的力源。

3 結論

綜合上述分析，得出如下結論：

(1) 從地裂縫垂直向(DFG)和大同市地下水位變化資料分析，兩者變化不同步，無必然的聯系。

(2) 地下水位與地裂縫活動兩者的相關系數變化極其不穩定，表明兩者不具有必然的相關性。地裂縫活動與地震活動在大尺度時間上的同步性，說明地裂縫的活躍程度取決于地區的構造活動，非地下水位變化所致。

(3) 根據1998-2009年的地下水與地裂縫垂直向年變幅資料，其相關系數為0.17，說明地下水位變化與地裂縫活動基本上不具有相關性。

(4) 根據王景明等研究地下水活動，尤其是抽汲地下水水位下降，乃至造成地面沉降，因其發生在地表之下一定深度，對近地表的區域微破裂開啟、擴寬并成為地裂縫沒有明顯的影響，但對地下斷層蠕滑及其兩側土體差異沉降有一定的控制作用[10]。

(5) 根據大同市內地裂縫的空間分布，地裂縫在地下水集中開采區有分布，在非集中開采區也有發育。

(6) 通過地震物探勘測和鉆探驗證發現，同車公司地裂縫在深部發育有房子村活斷層，形成地裂縫的應力來源是由深部的房子村活斷層的活動向上傳遞，不是由地下水位變化引起。

(7) 通過同車公司地裂縫活動與大同盆地地震活動情況對比發現,地裂縫活動與大同盆地地震活動在時間大尺度上具有同步性。

由上分析認為，同車公司地裂縫活動的主要原因不是地下水位變化，深部基底斷層的活動可能是地裂縫活動的力源。