云南開遠(yuǎn)井水位異常分析

付 虹 鄔成棟 趙小艷 王慶良

1）中國昆明650224云南省地震局

2）中國西安710054中國地震局第二監(jiān)測中心

引言

由于地下水具有普遍性、流動性與難壓縮性的特點，當(dāng)其形成具有一定封閉條件的承壓系統(tǒng)時，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)變都會引起地下水微動態(tài)變化，因此可以通過地下水微動態(tài)觀測，研究含水巖體受力、變形、破壞過程等現(xiàn)象（汪成民等，1988）.地震前應(yīng)力場的變化致使地殼的巖體產(chǎn)生變形，震前地下水對地震很敏感（陳運泰，2005）.在較多的大地震前已觀測到井水位的變化.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有降水的情況下出現(xiàn)水位趨勢上升，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到井水位的異常變化，因此井水位觀測一直被看作是用于地震預(yù)測、預(yù)報的有效手段之一.2009年以來云南地區(qū)降水量為50年來最低，出現(xiàn)了干旱現(xiàn)象（林輝等，2011），較多的井水位也出現(xiàn)了觀測以來的最低值.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)造活動引起的巖體應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)改變有關(guān)？這些問題關(guān)系到對震情的判斷，因此分析這些低水位形成的機制尤為重要.本文以云南開遠(yuǎn)井為研究對象，通過降水、構(gòu)造活動特征等與水位的相關(guān)性分析，探討形成開遠(yuǎn)井近期低水位異常的機制.

1 開遠(yuǎn)觀測井概況

開遠(yuǎn)井位于開遠(yuǎn)溶蝕斷陷盆地北部，開遠(yuǎn)市北郊十里村.開遠(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)降雨滲入補給①云南省地質(zhì)局第十五地質(zhì)隊.1980.區(qū)域水文地質(zhì)普查報告..從地質(zhì)構(gòu)造圖（圖1b）上可見，井孔西側(cè)10km左右有個舊斷裂通過，開遠(yuǎn)井深224m，觀測段為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，估計是斷裂穿過了井孔（圖1a）.

開遠(yuǎn)井水位為靜水位觀測，年變動態(tài)清楚，具有雨季上升、旱季下降的特征，屬降雨滲透補給型.該井水位對地殼應(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、列車運行載荷的影響（萬登堡，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

開遠(yuǎn)井水位從1985年6月開始觀測，至今已有20多年的資料.通過降水與井水位關(guān)系定性分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)降水月累計值大于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月均值曲線可見（圖3），開遠(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年測值就整體比1994年以前要高，而這段時間先后發(fā)生了麗江MS7.0和武定MS6.5等地震，表明開遠(yuǎn)井水位除與降水關(guān)系明顯外，還可能反映了構(gòu)造活動的信息.從圖3可見，開遠(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為水位測值的年幅差，X為降水年累計值，1倍方差σ＝413.66.

圖1 開遠(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 開遠(yuǎn)井水位月均值與月降水時間進(jìn)程曲線Fig.2 Monthly mean water levels and precipitations in Kaiyuan well

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

從圖4可見，1986，1994，1996，2001，2005和2010年的水位幅差與降水在1倍方差線以外.如果把其視為異常，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)異常后2年內(nèi)在開遠(yuǎn)井500km范圍內(nèi)均會有MS≥5.5地震發(fā)生.特別是鄰近的滇西南地區(qū)發(fā)生地震的對應(yīng)率達(dá)到了83%，而其中MS≥6.5地震發(fā)生的對應(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，開遠(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 開遠(yuǎn)井附近近期的抽水井孔調(diào)查

圖4 開遠(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 開遠(yuǎn)井水位測值與降水量相關(guān)異常年份及其所對應(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的因素很多，但井水位觀測大幅度的持續(xù)低值與降水無關(guān).通常情況下有兩種可能性最大：一是由觀測井附近其它井抽水引起，二是由構(gòu)造活動引起.筆者首先調(diào)查了開遠(yuǎn)市的抗旱打井抽水情況.自2009年以來云南干旱嚴(yán)重，紅河州打了上百眼機井進(jìn)行抗旱救災(zāi)，其中也不乏深井.但通過詳細(xì)排查，開遠(yuǎn)盆地里沒有抗旱井.與開遠(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井均處于不同的水文地質(zhì)單元.根據(jù)地震臺站觀測環(huán)境技術(shù)要求（中國地震局，2004）的規(guī)定，這些井對觀測井的影響是不存在的.經(jīng)調(diào)查距離開遠(yuǎn)井最近的井（5km），井深211m，與觀測井深度相差不大.但該井每天抽水僅15m3，水位下降0.66m.按照地震臺站觀測環(huán)境技術(shù)要求（中國地震局，2004），地下流體觀測中同一水文地質(zhì)單元內(nèi)抽水影響半徑R值的經(jīng)驗公式為

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遠(yuǎn)井.從開遠(yuǎn)井的觀測數(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，故排除了開遠(yuǎn)井的水位下降是由抽水引起的.

3 開遠(yuǎn)井附近近期構(gòu)造活動特征

構(gòu)造活動也有可能是造成水位下降的因素之一，因為前兆異常和地震都是區(qū)域應(yīng)力水平增強的產(chǎn)物（陳立德，1996），因此當(dāng)開遠(yuǎn)井水位年幅差變化出現(xiàn)異常時，也有可能表明區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了變化.

中國地震局第二監(jiān)測中心2009—2010年的GPS觀測解算結(jié)果顯示，個舊斷裂東側(cè)的運動速率大于西側(cè)，開遠(yuǎn)觀測井正好位于個舊斷裂的東側(cè)，井孔所處的區(qū)域在這段時間處于拉張活動（圖5）.

圖5 個舊斷裂兩側(cè)GPS觀測運動速率變化示意圖圖中數(shù)字表示觀測點位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，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，開遠(yuǎn)井水位從2009年開始下降，有降水減少的因素，同時以拉張為主的構(gòu)造活動的影響也起了一定的作用.

4 討論與結(jié)論

開遠(yuǎn)井的水位變化直接受到降水的影響，當(dāng)月累計降水量大于50mm后，井水位即可上升.從觀測以來的變化曲線可以看到，除受降水影響外，開遠(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.

該井孔觀測范圍較大，深度為96—224km.該井的井水位有可能是由多個因素共同影響，地表水的補給是一方面，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，給分析帶來了一定的難度.

開遠(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倍方差線后，次年300km范圍內(nèi)發(fā)生5級、400km范圍內(nèi)發(fā)生6級、500km范圍內(nèi)發(fā)生6.5級以上地震的對應(yīng)率較高，特別是發(fā)生在滇西南地區(qū)的地震，其對應(yīng)率可大于80%.這可能反映了開遠(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觀測結(jié)果顯示開遠(yuǎn)井處于拉張活動區(qū)域，分析認(rèn)為開遠(yuǎn)井水位這段時間的持續(xù)低值異常變化，除與降水減少因素有關(guān)外，與區(qū)域近期的拉張活動也有一定的相關(guān)性.

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