付 虹 鄔成棟 趙小艷 王慶良

1）中國(guó)昆明650224云南省地震局

2）中國(guó)西安710054中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心

引言

由于地下水具有普遍性、流動(dòng)性與難壓縮性的特點(diǎn)，當(dāng)其形成具有一定封閉條件的承壓系統(tǒng)時(shí)，就能夠客觀地、靈敏地反映地殼應(yīng)力應(yīng)變的狀態(tài).含水層的應(yīng)力應(yīng)變都會(huì)引起地下水微動(dòng)態(tài)變化，因此可以通過(guò)地下水微動(dòng)態(tài)觀測(cè)，研究含水巖體受力、變形、破壞過(guò)程等現(xiàn)象（汪成民等，1988）.地震前應(yīng)力場(chǎng)的變化致使地殼的巖體產(chǎn)生變形，震前地下水對(duì)地震很敏感（陳運(yùn)泰，2005）.在較多的大地震前已觀測(cè)到井水位的變化.例如，唐山、海城、渤海等地震前均出現(xiàn)了井水位降低的現(xiàn)象（馬宗晉等，1982）；孟連地震前距離震中25 km的雙江井于震前半年多在沒(méi)有降水的情況下出現(xiàn)水位趨勢(shì)上升，距離震中115km的景谷井在震前20天出現(xiàn)突升（付虹等，1997）；汶川地震前，四川瀘州井水位出現(xiàn)趨勢(shì)上升（陳立德，付虹，2011）等.大量的震例表明在許多地震前可以觀測(cè)到井水位的異常變化，因此井水位觀測(cè)一直被看作是用于地震預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)的有效手段之一.2009年以來(lái)云南地區(qū)降水量為50年來(lái)最低，出現(xiàn)了干旱現(xiàn)象（林輝等，2011），較多的井水位也出現(xiàn)了觀測(cè)以來(lái)的最低值.這些井水位的低值現(xiàn)象究竟是降水減少造成的，還是與構(gòu)造活動(dòng)引起的巖體應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)改變有關(guān)？這些問(wèn)題關(guān)系到對(duì)震情的判斷，因此分析這些低水位形成的機(jī)制尤為重要.本文以云南開(kāi)遠(yuǎn)井為研究對(duì)象，通過(guò)降水、構(gòu)造活動(dòng)特征等與水位的相關(guān)性分析，探討形成開(kāi)遠(yuǎn)井近期低水位異常的機(jī)制.

1 開(kāi)遠(yuǎn)觀測(cè)井概況

開(kāi)遠(yuǎn)井位于開(kāi)遠(yuǎn)溶蝕斷陷盆地北部，開(kāi)遠(yuǎn)市北郊十里村.開(kāi)遠(yuǎn)盆地主要是第四系全新統(tǒng)地層，由沙、礫、黏土、沙質(zhì)黏土、局部夾泥炭等構(gòu)成（圖1a），面積約40km2，地勢(shì)平坦，四周山地環(huán)繞.盆地中主要為第四系孔隙含水層和巖溶含水層.第四系含水層埋藏淺，直接出露地表，接受大氣降水補(bǔ)給；巖溶水在盆地里埋藏很深，位于區(qū)域地下水深埋徑流區(qū)，主要受東山區(qū)降雨滲入補(bǔ)給①云南省地質(zhì)局第十五地質(zhì)隊(duì).1980.區(qū)域水文地質(zhì)普查報(bào)告..從地質(zhì)構(gòu)造圖（圖1b）上可見(jiàn)，井孔西側(cè)10km左右有個(gè)舊斷裂通過(guò)，開(kāi)遠(yuǎn)井深224m，觀測(cè)段為96—224m，屬巖溶裂隙承壓水，含水層為古生帶石炭系灰?guī)r.井孔構(gòu)造從50—90m左右有斷層碎屑物，估計(jì)是斷裂穿過(guò)了井孔（圖1a）.

開(kāi)遠(yuǎn)井水位為靜水位觀測(cè)，年變動(dòng)態(tài)清楚，具有雨季上升、旱季下降的特征，屬降雨滲透補(bǔ)給型.該井水位對(duì)地殼應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)比較靈敏，能記錄到井潮效應(yīng)，最大潮差132 mm；也能記到地震波、列車(chē)運(yùn)行載荷的影響（萬(wàn)登堡，1994）.

2 井水位變化與降水相關(guān)性分析

2.1 井水位變化與降水關(guān)系

開(kāi)遠(yuǎn)井水位從1985年6月開(kāi)始觀測(cè)，至今已有20多年的資料.通過(guò)降水與井水位關(guān)系定性分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)降水月累計(jì)值大于50mm后，井水位有明顯的上升變化，表明該井水位與降水之間關(guān)系較為密切（圖2）.

另一方面從年降水和水位觀測(cè)月均值曲線(xiàn)可見(jiàn)（圖3），開(kāi)遠(yuǎn)井水位除降水影響外，還有其它因素影響的變化規(guī)律，如1995—1999年測(cè)值就整體比1994年以前要高，而這段時(shí)間先后發(fā)生了麗江MS7.0和武定MS6.5等地震，表明開(kāi)遠(yuǎn)井水位除與降水關(guān)系明顯外，還可能反映了構(gòu)造活動(dòng)的信息.從圖3可見(jiàn)，開(kāi)遠(yuǎn)井水位的非降水影響變化與地震的關(guān)系更為密切.2010年的降水比2009年多，2009年雨季井水位還有上升，而2010年一直是持續(xù)下降，從以往的圖像看，這種下降不完全是降水減少造成的.

2.2 年降水量與年水位變化量的相關(guān)性分析

用年降水量與水位的年幅差，即降水上升的最大值減當(dāng)年的最低值，作相關(guān)分析，可以擬合得到方程

式中，Y為水位測(cè)值的年幅差，X為降水年累計(jì)值，1倍方差σ＝413.66.

圖1 開(kāi)遠(yuǎn)井孔柱狀圖（a）及附近地質(zhì)構(gòu)造圖（b）Fig.1 Columnar section for Kaiyuan well（a）and geological structure near Kaiyuan well（b）

圖2 開(kāi)遠(yuǎn)井水位月均值與月降水時(shí)間進(jìn)程曲線(xiàn)Fig.2 Monthly mean water levels and precipitations in Kaiyuan well

圖3 開(kāi)遠(yuǎn)井水位月均值與年降水時(shí)間進(jìn)程曲線(xiàn)Fig.3 Monthly mean water levels and average annual precipitations in Kaiyuan well

從圖4可見(jiàn)，1986，1994，1996，2001，2005和2010年的水位幅差與降水在1倍方差線(xiàn)以外.如果把其視為異常，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)異常后2年內(nèi)在開(kāi)遠(yuǎn)井500km范圍內(nèi)均會(huì)有MS≥5.5地震發(fā)生.特別是鄰近的滇西南地區(qū)發(fā)生地震的對(duì)應(yīng)率達(dá)到了83%，而其中MS≥6.5地震發(fā)生的對(duì)應(yīng)率達(dá)到了67%.其中只有1996年出現(xiàn)異常，其后1997年滇西南僅發(fā)生了MS5.6地震，2001年出現(xiàn)異常后當(dāng)年10月永勝發(fā)生了MS6.0地震（表1）.

從圖3和圖4可見(jiàn)，開(kāi)遠(yuǎn)井水位2009—2010年的低值異常變化不完全是降水減少造成的.

2.3 開(kāi)遠(yuǎn)井附近近期的抽水井孔調(diào)查

圖4 開(kāi)遠(yuǎn)井降水與水位年幅差變化示意圖圖中圓圈內(nèi)數(shù)字表示年份的后兩位數(shù)，如“96”表示1996年，“01”表示2001年.以此類(lèi)推Fig.4 Comparison of precipitation with annual amplitude change of water level The numbers in circles mean the last two digits of the years，for example，“96”means 1996，“01”means 2001，and so on

表1 開(kāi)遠(yuǎn)井水位測(cè)值與降水量相關(guān)異常年份及其所對(duì)應(yīng)的地震Table 1 The earthquakes occurred in Yunnan at the years when abnormal water level was correlated with precipitation

雖然影響井水位觀測(cè)的因素很多，但井水位觀測(cè)大幅度的持續(xù)低值與降水無(wú)關(guān).通常情況下有兩種可能性最大：一是由觀測(cè)井附近其它井抽水引起，二是由構(gòu)造活動(dòng)引起.筆者首先調(diào)查了開(kāi)遠(yuǎn)市的抗旱打井抽水情況.自2009年以來(lái)云南干旱嚴(yán)重，紅河州打了上百眼機(jī)井進(jìn)行抗旱救災(zāi)，其中也不乏深井.但通過(guò)詳細(xì)排查，開(kāi)遠(yuǎn)盆地里沒(méi)有抗旱井.與開(kāi)遠(yuǎn)井距離最近的1口井，在其西南的山地里，距其5km.其它的井距離觀測(cè)井的距離均在20km以外.結(jié)合圖1分析，所有的抗旱井與觀測(cè)井均處于不同的水文地質(zhì)單元.根據(jù)地震臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境技術(shù)要求（中國(guó)地震局，2004）的規(guī)定，這些井對(duì)觀測(cè)井的影響是不存在的.經(jīng)調(diào)查距離開(kāi)遠(yuǎn)井最近的井（5km），井深211m，與觀測(cè)井深度相差不大.但該井每天抽水僅15m3，水位下降0.66m.按照地震臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境技術(shù)要求（中國(guó)地震局，2004），地下流體觀測(cè)中同一水文地質(zhì)單元內(nèi)抽水影響半徑R值的經(jīng)驗(yàn)公式為

式中，R為影響半徑（單位：m），Sw為抽水井水位下降值（單位：m），K為滲透系數(shù)（單位：m／d）.

該井給出的滲透系數(shù)K＝0.280 3m／d，計(jì)算結(jié)果R＝3.6m.表明該井抽水影響范圍甚小，就是2眼井在同一水文地質(zhì)單元，該井的抽水也影響不到開(kāi)遠(yuǎn)井.從開(kāi)遠(yuǎn)井的觀測(cè)數(shù)據(jù)分析，也未發(fā)現(xiàn)有抽水影響的突降變化.因此認(rèn)為該井每天15m3的抽水量影響范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于5km，故排除了開(kāi)遠(yuǎn)井的水位下降是由抽水引起的.

3 開(kāi)遠(yuǎn)井附近近期構(gòu)造活動(dòng)特征

構(gòu)造活動(dòng)也有可能是造成水位下降的因素之一，因?yàn)榍罢桩惓：偷卣鸲际菂^(qū)域應(yīng)力水平增強(qiáng)的產(chǎn)物（陳立德，1996），因此當(dāng)開(kāi)遠(yuǎn)井水位年幅差變化出現(xiàn)異常時(shí)，也有可能表明區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了變化.

中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心2009—2010年的GPS觀測(cè)解算結(jié)果顯示，個(gè)舊斷裂東側(cè)的運(yùn)動(dòng)速率大于西側(cè)，開(kāi)遠(yuǎn)觀測(cè)井正好位于個(gè)舊斷裂的東側(cè)，井孔所處的區(qū)域在這段時(shí)間處于拉張活動(dòng)（圖5）.

圖5 個(gè)舊斷裂兩側(cè)GPS觀測(cè)運(yùn)動(dòng)速率變化示意圖圖中數(shù)字表示觀測(cè)點(diǎn)位Fig.5 Velocity at two sides of Gejiu fault obtained by GPS observation Numbers in the figure denote the observation point locations

如果巖層被擠壓，則巖層的孔隙率變小，孔隙水壓增大，水流由含水層向井孔流動(dòng)，從而使水位上升；相反，如果巖層被引張，則巖層的孔隙率變大，孔隙水壓變小，水流由井孔返回含水層，致使水位下降（劉耀偉等，2010）.據(jù)此分析認(rèn)為，開(kāi)遠(yuǎn)井水位從2009年開(kāi)始下降，有降水減少的因素，同時(shí)以拉張為主的構(gòu)造活動(dòng)的影響也起了一定的作用.

4 討論與結(jié)論

開(kāi)遠(yuǎn)井的水位變化直接受到降水的影響，當(dāng)月累計(jì)降水量大于50mm后，井水位即可上升.從觀測(cè)以來(lái)的變化曲線(xiàn)可以看到，除受降水影響外，開(kāi)遠(yuǎn)井水位還有其它的影響因素，如武定、麗江地震前的井水位上升.這種與降水不相關(guān)的變化，似乎與地震的關(guān)系更為密切.

該井孔觀測(cè)范圍較大，深度為96—224km.該井的井水位有可能是由多個(gè)因素共同影響，地表水的補(bǔ)給是一方面，地殼應(yīng)力應(yīng)變的影響也是存在的.由于影響水位變化的因素較多，給分析帶來(lái)了一定的難度.

開(kāi)遠(yuǎn)井水位的年變化幅差與年降水量有一定的相關(guān)性，當(dāng)水位年幅差變化與年降水量偏離多年均值的1倍方差線(xiàn)后，次年300km范圍內(nèi)發(fā)生5級(jí)、400km范圍內(nèi)發(fā)生6級(jí)、500km范圍內(nèi)發(fā)生6.5級(jí)以上地震的對(duì)應(yīng)率較高，特別是發(fā)生在滇西南地區(qū)的地震，其對(duì)應(yīng)率可大于80%.這可能反映了開(kāi)遠(yuǎn)井水位與滇西南地區(qū)區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)具有較好的相關(guān)性.

開(kāi)遠(yuǎn)井近期水位持續(xù)低值異常變化，與同期的降水不完全相關(guān).而2009—2010年井孔附近地區(qū)GPS觀測(cè)結(jié)果顯示開(kāi)遠(yuǎn)井處于拉張活動(dòng)區(qū)域，分析認(rèn)為開(kāi)遠(yuǎn)井水位這段時(shí)間的持續(xù)低值異常變化，除與降水減少因素有關(guān)外，與區(qū)域近期的拉張活動(dòng)也有一定的相關(guān)性.

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