寶臺地電阻率與降水量的相關(guān)性研究

寶臺地電阻率與降水量的相關(guān)性研究

地震活動地區(qū)的視電阻率情況寶霞地電觀測臺建于70年，觀測環(huán)境良好。30多年來該臺積累了長期連續(xù)可靠的觀測資料,特別是在唐山大地震前后,該臺地電阻率顯示出了與地震活動有關(guān)的很明顯的異常變化,因此引起了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。此后,該臺觀測結(jié)果又經(jīng)受了20多年的檢驗,值得注意的是,自1994年以來,該臺SN向和EW向二條測線的視電阻率均呈現(xiàn)出速率緩慢、幅度不大的下降趨勢,且持續(xù)時間較長。這一變化是當(dāng)前華北地區(qū)震情追蹤與判定研究中不可忽視的問題,為此本文結(jié)合近幾年來測區(qū)環(huán)境條件(降水量、地下水位變化等)變化進行統(tǒng)計、分析,試圖對其變化的原因做出客觀的解釋。1地下水對地電阻率的影響寶坻臺站位于天津市寶坻區(qū)城關(guān)西北。該區(qū)面積為10余平方公里。其基巖為震旦紀(jì)灰?guī)r,埋深達(dá)180m,上覆第四系松散沉積,粘土層與沙層互層。該臺站位于寶坻斷裂以北,距該斷裂約4km,采用1000m供電極距,電阻率基本值為58Ω·m。已有研究初步表明,地下水的存在對地電阻率的觀測結(jié)果具有影響。而本區(qū)地下水不僅發(fā)育,且受地質(zhì)構(gòu)造影響其分布情況十分復(fù)雜,因此在開展地電阻率觀測異常機理研究之前,就該區(qū)地質(zhì)背景做一介紹和分析。1.1蘇集山水化學(xué)成商區(qū)本區(qū)位于華北平原北部,從區(qū)域地貌上看,其處于燕山山地向濱海平原的過渡地帶,屬山前沖積洪積傾斜平原。該地區(qū)西北部和西部地勢較高,海拔高程在7m左右,東部和東南部地勢較低,海拔高程在4m左右。區(qū)內(nèi)地勢低洼,河流發(fā)育,自北向南有溝河、鮑丘河、窩頭河、潮白河等,除潮白河直接流入渤海外,其余均屬薊運河支流。本區(qū)氣候上介于大陸性與海洋性氣候之間,屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候,具有冬冷少雨雪、春旱多風(fēng)沙、夏熱多雨水、秋爽溫差大的四季分明的特點。據(jù)寶坻氣象站(1961～1979年)觀測資料,多年平均降水量為614mm,年最大降水量953.9mm(1978年),年最小降水量362.8mm(1963年),降水量多集中在每年6～8月,約占全年降水量的77.4%;多年平均蒸發(fā)量為1900mm,年最大蒸發(fā)量為2378.5mm,年最小蒸發(fā)量為1404.5mm。蒸發(fā)量集中在4～7月,占全年蒸發(fā)量53%。降水滲入是地下水形成的主要補給來源。降水量的季節(jié)性、年際性變化規(guī)律,對地下水的形成和分布有重要影響。1.2淺埋隱伏巖溶水地下水天津市地下水的貯存受地質(zhì)構(gòu)造、地貌、水文和古地理條件的控制,由山地向平原,具有山前平原向濱海平原過渡的水文地質(zhì)特征。天津市地下水按地下水類型和含水介質(zhì)特征,可分為松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖巖溶裂隙水、碎屑巖類裂隙水、火成巖和變質(zhì)巖類裂隙水。其中,以孔隙水和巖溶裂隙水分布廣,水資源較豐富?？蓪⑺缮r類(第四系)孔隙水劃分為四個含水組、三個含水亞組。同時,又將以上幾個含水組劃分為兩個地下水系統(tǒng):第Ⅰ含水組屬淺水層系統(tǒng),第Ⅱ～Ⅳ含水組屬深水層系統(tǒng)。淺水層系統(tǒng)系指地表下的第一含水層組,水力特性為潛水、微承壓水或淺層承壓水,含水層底界深度一般在30～70m,地層時代為Q4+3,巖性結(jié)構(gòu)為多種巖性相間結(jié)構(gòu)或上細(xì)下粗的雙層結(jié)構(gòu)。深水層系統(tǒng)一般指在有咸水區(qū)咸水體以下的深層淡水,在山前平原全淡水區(qū),一般為50～70m以下的地下水。水力特性為高水頭承壓水。含水層低界一般深度在150～430m(包括Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ含水組),相應(yīng)地層時代為Q1～Q2。在研究區(qū)以南3～4km有一活動斷裂——寶坻斷裂,該斷裂對沉積盆地的發(fā)展、古水系的分布、海侵范圍以及水文地質(zhì)條件有明顯的控制作用。斷裂南側(cè)基巖深陷,多在1000m以下,沉積了巨厚的中新生界沉積層;斷裂以北沉積厚度僅為200m左右。故在寶坻斷裂以北的山前平原(包括本研究區(qū)在內(nèi))含水層僅涉及第Ⅰ、Ⅱ含水組。在山前平原沉積層以下,形成多個淺埋隱伏巖溶水儲水構(gòu)造,包括薊縣城關(guān)儲水構(gòu)造、大康莊儲水構(gòu)造、寶坻—下倉和寶坻城關(guān)儲水構(gòu)造。它們主要接受來自北部燕山山地廣泛發(fā)育的以白云巖為主的碳酸鹽巖巖溶裂隙水的補給(圖1)。其特點是巖溶裂隙發(fā)育,連通性和導(dǎo)水性好。山區(qū)河流流經(jīng)碳酸鹽巖支流組成的溶巖分布區(qū),河水多漏失,使之流量減少,使河水多補給了地下水。地表徑流量受降水和下墊面的影響,地帶性分布明顯。在寶坻城關(guān)儲水構(gòu)造北部,基巖含水層巖性的中震旦系(洪水莊組-霧迷山組的地下水的流向,是由西向東及由北向南。水力坡度很小,為0.29‰～0.42‰。主要接受鄰區(qū)基巖水側(cè)向逕流補給,以逕流及頂托方式向第四系松散層排泄。1.3探測區(qū)地質(zhì)背景及地下水地質(zhì)結(jié)構(gòu)水文地質(zhì)構(gòu)造決定著含水層的埋藏特征,地下水的運動規(guī)律、富水性等,同時對地電阻率勘探結(jié)果具有重要的影響。區(qū)域構(gòu)造分布表明,本區(qū)位于華北地臺的燕山斷塊隆起帶的次級構(gòu)造,即唐山隆起與冀中坳陷的交界部位。換言之,寶坻斷裂是劃分以上兩個地質(zhì)構(gòu)造單元的邊界斷裂。寶坻斷裂以北為基巖淺埋區(qū),第四系直接覆蓋于古生代以前的基巖上,基巖埋深僅100～350m,但基巖面起伏較大(圖2),南部為基巖深埋區(qū),基巖埋深大于1000m(圖3)。由于褶皺作用,區(qū)內(nèi)形成NWW走向的寶坻背斜和NNE走向的下倉向斜,使之造成兩個水文地質(zhì)特征差異很大,一般無直接水力聯(lián)系,且互相獨立的兩個水文地質(zhì)單元,即下倉儲水構(gòu)造和寶坻儲水構(gòu)造。在史各莊斷裂以南,由于寶坻背斜與史各莊斷裂的聯(lián)合作用,使背斜軸部的霧迷山組地層在漫長的地質(zhì)歷史時期中曾裸露于地表,并受到長期的風(fēng)化、侵蝕、剝蝕,造成裂隙巖溶發(fā)育,形成較為富水的寶坻霧迷山富水段,其上部被第四系松散層所覆蓋,成為覆蓋型裂隙溶巖水?；鶐r各含水段嚴(yán)格受邊界條件控制,寶坻儲水構(gòu)造位于寶坻縣城南,北起史各莊斷裂,南以寶坻斷裂為界,東西兩邊均以洪水莊組頁巖為隔水邊界,并成一近菱形的巖塊,面積約36km2。由霧迷山組白云巖含水段組成,較為富水,單井日出水量為3000～10000m3。寶坻臺地電勘探體即位于寶坻儲水構(gòu)造的西北翼附近(圖1)。據(jù)上述區(qū)域水文地質(zhì)及探測區(qū)水文地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境條件的分析,認(rèn)為該觀測臺地電阻率觀測區(qū)的地下水結(jié)構(gòu)主要為:淺水層系統(tǒng)(指地表下第Ⅰ含水層組),水力特性為潛水、微承壓水或淺層承壓水,其低界埋深一般在30～70m,地層時代為Q4+3,巖性結(jié)構(gòu)為多種巖性相間結(jié)構(gòu)或上細(xì)下粗的雙層結(jié)構(gòu);深水層系統(tǒng)(指第Ⅱ含水層組),一般為50～70m以下的地下水,水力特性為高水頭承壓水,其低界埋深一般在150～300m,相應(yīng)地層時代為Q1～Q2;深水層之下是寶坻裂隙溶巖儲水構(gòu)造,其巖溶裂隙發(fā)育,連通性和導(dǎo)水性好。該區(qū)淺水層水位主要受季節(jié)性降水補給影響,其深水層主要接受附近基巖裂隙巖溶體的側(cè)向徑流補給并以頂托方式向第四系松散層排泄。2淺井淺井在寶坻臺地電阻率觀測區(qū)內(nèi)有淺、深兩眼水位觀測井。淺井位于該臺的東院內(nèi),井深42m。深井位于該臺的西院內(nèi),與淺井相距500m,此井深427m,197m以下是裸孔,其觀測水層為巖溶裂隙承壓水。為了研究該觀測臺地電阻率觀測與淺、深層水位變化的關(guān)系,就該2口井水位與降水量的關(guān)系做一分析。2.1淺井水位日變化的相關(guān)性分析由降水量與水位變化可見(圖4),每年的降水量與淺井水位的變化有較好的一致性,而與深井水位的變化形態(tài)相似性較差。經(jīng)相關(guān)性計算,降水量與淺井水位的年變相關(guān)系數(shù)為0.761,與深井水位為0.382?？梢娊邓繉氎媾_淺井水位變化的影響是較明顯的。2.2地壓與深、平井水位的相關(guān)分析為了對其相關(guān)性進行全面分析,以下采用不同方法對其長趨勢和半年時段的相關(guān)性做了計算處理.2.2.1寶立地條件下的地電阻率寶坻地下水動態(tài)變化受連年大量開采影響,總的趨勢是水位逐年下降。寶坻臺淺水觀測井自1988年開始觀測,其1994年后的水位觀測記錄顯示出階段式下降(圖5)。深水觀測井自1992年開始觀測,其水位主要是在1999年后出現(xiàn)明顯下降,年均下降速率達(dá)90cm(圖6)。由此可見,無論是水位下降的起始時間,還是水位下降的型式,都表明寶坻臺地電觀測區(qū)的淺水層與深部的巖溶裂隙儲水構(gòu)造之間無直接水力聯(lián)系。直接用地電阻率與深、淺井水位的原始觀測數(shù)據(jù)做相關(guān)性計算,其結(jié)果如表1所示。計算結(jié)果表明(表1),該觀測臺地電阻率趨勢變化與深井水位之間呈負(fù)相關(guān),尤其NS向地電阻率與深井水位相關(guān)性明顯。而淺井水位與地電阻率的趨勢變化無相關(guān)性。從理論上講,寶坻臺電阻率觀測的供電極距為1000m,其探測深度可達(dá)500m左右。前已述及,該臺位于NWW向的寶坻儲水構(gòu)造的北翼附近(圖2,圖3),故其探測深度涉及巖溶裂隙承壓水構(gòu)造。已有研究表明,,在一般情況下,地下水位下降通常是使地電阻上升,而對下層電阻率較低的地電斷面,地下水位下降才有可能使較大電極距的地電阻率測值呈現(xiàn)下降。就寶坻臺地電阻率觀測區(qū)來看,由于其深部巖溶裂隙儲水構(gòu)造具有裂隙發(fā)育,連通性和導(dǎo)水性好的特點,因而其電阻率較之上部的第四系沉積含水結(jié)構(gòu)要低。綜上分析認(rèn)為,寶坻臺地電阻率的趨勢下降可能主要是受深井水位連續(xù)下降的影響,即與該區(qū)地下溶巖儲水構(gòu)造的含水量減少有關(guān)。2.2.2水位與電阻率的相關(guān)分析為了比較和分析該臺地電阻率與深、淺井水位的分時段相關(guān)即短期性相關(guān)問題,筆者用Mapsis軟件中的按年分段去趨勢的方法,分別消除觀測數(shù)據(jù)中的趨勢變化(圖7),再將消除趨勢變化后的數(shù)據(jù)的多年同日數(shù)據(jù)求和,計算出平均值,用此結(jié)果代替該項資料的正常年變化,即為電阻率或水位的日距平處理(圖8)。然后將電阻率與水位的日距平結(jié)果做相關(guān)分析。其相關(guān)分析結(jié)果列于表2。由上、下半年為時段的淺、深井水位與地電阻率的相關(guān)計算結(jié)果表明(表2),在降水量集中的下半年,寶坻臺的淺井水位與地電阻率的觀測數(shù)據(jù)變化之間具有相關(guān)性。由此可見,降水量對地電阻率觀測的短期變化是有影響的。3地電阻率觀測的長趨勢由寶坻臺地電阻率與深、淺井水位的趨勢相關(guān)和半年相關(guān)的計算,結(jié)合該區(qū)水文地質(zhì)構(gòu)造背景以及已有研究結(jié)果的分析,認(rèn)為該臺地電阻