河北豐南井水位大幅下降異常分析

唐 杰，李 楠，張素欣，盛艷蕊，丁志華

(1.河北省地震局，河北 石家莊 050021；2.河北集夢環(huán)保工程有限公司，河北 石家莊 050081)

豐南井2020年6月5日-6月20日水位快速下降，由114.7 m下降到138.5 m，幅度約23.8 m，6月20日之后豐南井水位下降速率變緩，7月12日唐山古冶5.1級地震之后，水位又快速下降，7月21日水位下降速率增大，7月21日-7月23日水位下降約5.4 m，8月中旬水位逐漸恢復(fù)。此次水位下降幅度較大，經(jīng)初步核實(shí)，下降變化屬實(shí)。豐南井水位下降異常受到河北省地震局、唐山應(yīng)急管理局重視并召集豐南應(yīng)急管理局等相關(guān)部門和企業(yè)核實(shí)地下水開采情況，本文將對該井水位的異常變化因素進(jìn)行分析。

1 豐南井概況

豐南井所處的唐山地區(qū)構(gòu)造上位于燕山褶皺帶南緣，發(fā)育較厚的元古宙、下古生代和晚古生代含煤建造。中生代燕山運(yùn)動(dòng)形成一系列褶皺和斷裂，中生界缺失。新生代以來，北部抬升、南部下沉，構(gòu)造分異明顯，第四系覆蓋層由北向南逐漸加厚[1]。區(qū)內(nèi)有多條相互平行的NNE-NE向斷裂組成的區(qū)域性活動(dòng)斷裂帶，深地震反射剖面揭示，斷裂淺部為花狀構(gòu)造，深部切割和擾動(dòng)了下地殼和殼幔過渡帶，控制著該區(qū)地震的孕育與發(fā)生[2-3]，北段自西向東依次分布著陡河斷裂(F1)、巍山-長山南坡斷裂(F2)和唐山—古冶斷裂(F3)，南段自西向東分布著唐山—豐南斷裂(F4)和唐山斷裂(F5)(圖1)[4-6]。豐南井位于唐山市豐南區(qū)的嶺子背斜軸部，唐山-豐南斷裂附近，豐南井井深706.7 m，孔口標(biāo)高5.95 m，井孔套管深度為546.24 m，其中397 m和427 m存在變徑，奧陶系灰?guī)r埋深540 m左右，為巖溶裂隙承壓水。豐南井所處的區(qū)域地勢北高南低，自西北向東南傾斜，奧陶系灰?guī)r在唐山市區(qū)鳳凰山、大城山及北部一帶出露面積僅1 km2，因此含水層主要補(bǔ)給區(qū)在北部山區(qū)，陡河流經(jīng)大城山地段較破碎的奧陶系灰?guī)r也存在側(cè)向滲漏補(bǔ)給，在第四系底部沙礫石層淺埋灰?guī)r區(qū)也是奧陶系灰?guī)r的補(bǔ)給區(qū)，排泄方式主要是工礦、市政及農(nóng)業(yè)開采用水。豐南井1983年開始水位觀測，2000年開始啟用SW40-1水位自記儀，2010年4月觀測儀器故障，之后改為手動(dòng)測量觀測。

2 井水位動(dòng)態(tài)變化

2.1 趨勢變化特征

河北豐南井基礎(chǔ)資料齊全，模擬觀測資料較連續(xù)。自觀測以來水位長期趨勢變化呈現(xiàn)2各階段：第一階段為1983-2005年平穩(wěn)期。這期間，豐南井受降雨影響明顯，年變動(dòng)態(tài)明顯，與同處唐山斷裂帶附近的唐山礦井水位變化一致，表現(xiàn)為1-3月降雨少，周圍農(nóng)業(yè)用水量小，僅有工業(yè)，居民生活等比較穩(wěn)定的用水量，水位變化較為平穩(wěn)；4-6月農(nóng)業(yè)用水量增加，此時(shí)降雨量仍很少，水位快速下降；7-10月降雨量增加，開采減少，地下水得到了補(bǔ)給，水位逐漸上升；11-12月水位變化平穩(wěn)。第二階段為2006-2020年下降期。受地下水開采影響，2005年以后豐南井年變規(guī)律消失，水位變化與唐山井水位出現(xiàn)不同步現(xiàn)象，水位呈下降趨勢，受降雨影響出現(xiàn)小幅上升波動(dòng)變化。這種趨勢性變化主要受不同時(shí)期井孔周圍工用水及煤礦地下水開采量變化所影響。

圖1 豐南井及周邊地質(zhì)構(gòu)造圖

2.2 異常變化特征

河北豐南井水位異常變化特征主要表現(xiàn)為趨勢轉(zhuǎn)折變化，2010年4月1日水位在緩慢下降趨勢下，發(fā)生灤州4.1級地震，地震之后4月12日水位下降幅度約70 m，2012年快速上升-下降，在水位平穩(wěn)期發(fā)生了灤州4.8級和寶坻4.0級地震，2013年再次出現(xiàn)快速上升-下降，期間唐山地區(qū)無4級以上地震發(fā)生；2013年10月以后水位一直呈緩慢下降趨勢。2015年11月進(jìn)行了注水試驗(yàn)，結(jié)果顯示該井滲透系數(shù)較弱，與奧陶系含水層滲透系數(shù)不符，分析認(rèn)為可能與其他含水層連通，有微弱的水力聯(lián)系。

本次異常于2020年6月5日豐南井出現(xiàn)大幅下降，6月17日-7月11日水位下降速率變緩，7月12日唐山古冶5.1級地震后，水位仍下降，7月22日下降速率增大。觀測人員7月24日8時(shí)測量數(shù)據(jù)為154.31 m，7月24日11時(shí)利用井下電視探測水位埋深153.9 m，誤差為0.41 m，觀測數(shù)據(jù)基本可靠(圖2)。

圖2 豐南井水位變化曲線

3 異常分析

引起水位變化有多種原因，前人研究表明，中強(qiáng)地震發(fā)生前震中附近觀測井會出現(xiàn)明顯的水位異常變化[7]。這也是由于震源區(qū)巖石受地震影響變形程度加強(qiáng)，當(dāng)劇烈的變形傳達(dá)到地表時(shí)，使地表附近的含水層或隔水層發(fā)生變形，從而引起水位發(fā)生變化。但是，并非所有的地下水位異常變化都區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)有關(guān)，地下水觀測井的水位也受降雨、地下水開采等水文因素的干擾[8]。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，唐山周邊煤礦開采現(xiàn)象日益嚴(yán)重，煤礦開采引起的區(qū)域地下水位大幅度下降，不可避免地影響了觀測井水位的動(dòng)態(tài)變化[9]。因此，地下水位的異常變化既可能受區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)影響，也可能是周邊環(huán)境變化的干擾所致。本文就以下幾點(diǎn)對豐南就水位下降異常進(jìn)行分析。

3.1 降雨因素分析

豐南井水位受降雨影響明顯，降雨量越大，水位會升較快，回升幅度也較大，反之，回升幅度較小。與2019年相比，2020年豐南地區(qū)降水量明顯減少(圖3)。降水減少，對地下水含水層的補(bǔ)給量就會減少，可能造成水位的下降變化。但較少雨量并不會引起水位較大幅度的下降變化，6月農(nóng)業(yè)灌溉季節(jié)，大量抽水也會造成豐南井水位大幅下降。

圖3 2020年7月唐山地區(qū)降水量與2019年同期對比

3.2 離子測試結(jié)果分析

表1為2015年豐南井井口以下200 m和350 m處、附近相關(guān)奧灰水監(jiān)測井水樣以及2020年豐南井的離子測試結(jié)果。表1顯示，該區(qū)域第四系沖積含水層水樣硬度小僅為17 mg/L，為極軟水；石炭系砂巖裂隙水水樣硬度為中硬度水；奧陶系巖溶水水樣硬度在600～800 mg/L之間，為極硬水。從水質(zhì)方面分析，豐南井水樣與奧陶系灰?guī)r水有區(qū)別，可能含有第四系沖積層含水層孔隙水。

根據(jù)舒卡列夫分類法，2015年豐南井埋深200 m處水類型為Na-CO3·SO4，埋深350 m處水類型為Na·Mg-CO3·SO4·Cl，2020年約150 m處水類型為Na-CO3·HCO3。豐南井所處位置的第四系松散孔隙含水層組，水質(zhì)類型為重碳酸鈣鎂型或重碳酸鈉鈣型；石炭二疊系砂巖裂隙含水層組，水質(zhì)類型為重碳酸鈉型或重碳酸鈣型；奧陶系巖溶裂隙含水層，含水層水質(zhì)類型為重碳酸鈣鎂型或硫酸重碳酸鈣鎂型。從水質(zhì)方面分析，豐南井3次水樣類型不一致(圖4、圖5)，不是成井時(shí)的奧陶系灰?guī)r水，既不完全同于第四系沖積層含水層孔隙水，與奧陶系灰?guī)r水也有明顯區(qū)別，表明豐南井水為多個(gè)不同含水層的混合水。豐南井井孔柱狀圖顯示，該井巖溶裂隙發(fā)育，509～512 m兩處具直立裂隙，564.4 m處偶見溶洞，575～575.85 m為張性裂隙，復(fù)雜的井孔條件在受到某種力的作用時(shí)，可能會導(dǎo)致不同的含水層水的混入。

表1 監(jiān)測井水質(zhì)分析表 mg/L

圖4 水樣Piper圖 圖5 水樣的Schoeller圖

3.3 構(gòu)造活動(dòng)分析

從構(gòu)造位置來看，豐南井所在處含水巖體受到擠壓力，含水層孔隙壓力升高，引起井水位上升；反之，觀測井所在處含水巖體受到拉張力，含水層孔隙壓力降低，引起井水位下降[10]。2020年7月12日唐山古冶5.1級地震的震源機(jī)制解(圖6)，顯示豐南井位于應(yīng)力拉張區(qū)，井水位出現(xiàn)下降變化，所以不排除構(gòu)造活動(dòng)的影響。

圖6 唐山5.1級地震震源機(jī)制解及唐山地區(qū)井孔分布圖

3.4 周邊環(huán)境影響分析

豐南井處于開灤集團(tuán)的采煤區(qū)，附近開灤集團(tuán)的觀測井含水層資料見表2(目前沒有其他各井孔的位置圖)。奧陶系灰?guī)r含水層的擴(kuò)水13井、第四系沖積層的擴(kuò)水11井和擴(kuò)水18井6月灌溉季下降速率較快，之后緩慢下降，奧灰水無明顯大幅下降變化，擴(kuò)水19井與豐南井同步下降，2020年6月以來下降幅度約30 m(圖7)，其觀測含水層為煤12-煤14，兩井下降時(shí)間、變化形態(tài)類似，結(jié)合水樣測試結(jié)果，表明豐南井含水層水可能含有煤12-煤14水。

表2 各井孔觀測含水層情況

圖7 豐南井與擴(kuò)19水位變化對比圖

煤礦開采排水使地下水的流場、滲向發(fā)生變化，使礦區(qū)煤系地層裂隙水與上覆松散巖類孔隙水和碎屑巖類裂隙孔隙水及下伏含水層發(fā)生水力聯(lián)系，與豐南井離子測試結(jié)果中可能含有第四系孔隙水的結(jié)果一致。同時(shí)煤礦開采排水使得含水層中的地下水大量漏失，地下水位迅速下降[11-12]。豐南井位于胥各莊下降漏斗的中心區(qū)[13]，下降變化更明顯。

煤礦開采形成的采空區(qū)使其上覆含水巖層發(fā)生形變，形成沉陷或裂縫等[11]，距離豐南井約2 km的豐南鎮(zhèn)北新莊子村出現(xiàn)塌陷(資料來源：唐山市人民政府網(wǎng)站)，地面塌陷會破壞地下水的隔水層和儲水構(gòu)造，使得含水層水發(fā)生變化。

綜上分析認(rèn)為，開灤集團(tuán)煤礦開采排水及產(chǎn)生的塌陷可能引起豐南井水位下降及水化學(xué)類型發(fā)生變化。

4 結(jié)語

通過以上分析論證，得到以下結(jié)論：

(1)2020年7月12日唐山5.1級地震的震源機(jī)制解顯示，豐南井位于應(yīng)力拉張區(qū)，若受構(gòu)造應(yīng)力影響，該井水位會呈現(xiàn)下降變化，因此不能排除構(gòu)造活動(dòng)影響。

(2)與往年對比，2020年降水量減少，地下水補(bǔ)給量減少，同時(shí)農(nóng)業(yè)灌溉大量抽水會影響豐南井大幅下降，但影響因素較小。

(3)注水試驗(yàn)結(jié)果顯示，豐南井的滲透系數(shù)較小，與奧陶系灰?guī)r特征不符，可能井水與奧灰含水層之間的無直接水力聯(lián)系，與其他含水層之間可能存在微弱的水力聯(lián)系。

(4)水樣測試結(jié)果顯示，豐南井觀測含水層水不是成井時(shí)的奧陶系灰?guī)r水，可能為第四系孔隙水、石炭系、二疊系、奧陶系灰?guī)r等多個(gè)含水層的混合水。

(5)擴(kuò)水19井(含水層為煤12-煤14)與豐南井下降時(shí)間、變化形態(tài)類似，結(jié)合水樣測試結(jié)果，認(rèn)為豐南井含水層混入了煤12-煤14含水層的水，開灤集團(tuán)煤礦開采排水及塌陷可能使得地下水的流場、滲向發(fā)生變化，使得煤系地層與上覆含水層、下伏含水層發(fā)生水力聯(lián)系，引起含水層水下降。

綜上所述，2020年6月5日以來的豐南井水位大幅下降異常，主要為煤礦開采排水及塌陷，還可能包含降雨減少、農(nóng)業(yè)灌溉地下水大量開采、構(gòu)造活動(dòng)的影響。