水溫前兆臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)井條件研究*

馬文娟，趙 剛，李芳芳，常 明，張龍生，劉 剛

(1.寧夏回族自治區(qū)地震局，銀川750001;2.同濟(jì)大學(xué)軟件學(xué)院，上海200092;3.中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所，北京100085)

水溫前兆臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)井條件研究*

馬文娟1，2，趙 剛3，李芳芳1，常 明1，張龍生1，劉 剛3

(1.寧夏回族自治區(qū)地震局，銀川750001;2.同濟(jì)大學(xué)軟件學(xué)院，上海200092;3.中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所，北京100085)

從水溫前兆臺(tái)網(wǎng)的現(xiàn)狀入手，對(duì)觀測(cè)井的類(lèi)型、條件、傳感器的觀測(cè)深度及觀測(cè)部位的溫度特征等條件進(jìn)行了分析總結(jié)，發(fā)現(xiàn)不同的水溫正常動(dòng)態(tài)類(lèi)型與觀測(cè)條件密切相關(guān)，并對(duì)正常動(dòng)態(tài)與觀測(cè)條件的關(guān)系作了初步分析，研究表明，傳感器應(yīng)在離開(kāi)含水層和溫度波動(dòng)最小的層位進(jìn)行觀測(cè)。最后分析了水溫前兆觀測(cè)儀器的安裝方法與觀測(cè)條件，進(jìn)而說(shuō)明觀測(cè)層位可以通過(guò)溫度梯度測(cè)量和分段動(dòng)態(tài)形態(tài)測(cè)量的方法來(lái)確定。

水溫前兆;觀測(cè)臺(tái)網(wǎng);觀測(cè)條件

0 引言

地震水溫前兆的觀測(cè)與研究是一項(xiàng)有特色的短臨預(yù)報(bào)新方法，并在地震預(yù)報(bào)的實(shí)踐中取得了一定的實(shí)效。近年來(lái)水溫與地震的關(guān)系已成為研究的熱點(diǎn) (車(chē)用太等，2003)。1984年云南省建立了11個(gè)水溫前兆觀測(cè)臺(tái)站，這是我國(guó)第一個(gè)以水溫前兆研究為目的的水溫前兆臺(tái)網(wǎng) (付子忠，1990)。由于觀測(cè)精度的提高，在地震預(yù)報(bào)實(shí)踐中取得了可喜的成績(jī)，如1988年云南瀾滄—耿馬地震前記錄到的異常在此次地震的強(qiáng)余震預(yù)報(bào)中發(fā)揮了重要作用?！熬盼濉焙汀笆濉逼陂g，水溫前兆臺(tái)網(wǎng)獲得了很大的發(fā)展，截至2007年底，全國(guó)水溫前兆臺(tái)站已經(jīng)從最初的幾十個(gè)增加到二百多個(gè)，形成了一定規(guī)模的水溫前兆臺(tái)網(wǎng)，取得了大量的水溫前兆觀測(cè)資料，獲取了一批具有水溫短臨異常信息的震例，為地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)提供了可靠的前兆信息研究資料。地震水溫前兆觀測(cè)具有信息量大、觀測(cè)精度高、正常動(dòng)態(tài)穩(wěn)定、異常易于識(shí)別、映震靈敏等優(yōu)點(diǎn)。筆者對(duì)全國(guó)水溫前兆臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)井的條件作了調(diào)查分析，研究總結(jié)了水溫前兆觀測(cè)條件的選擇依據(jù)，提出了較為合理的水溫前兆觀測(cè)的安裝方法和較為理想的觀測(cè)條件。

1 水溫前兆臺(tái)網(wǎng)的現(xiàn)狀

全國(guó)水溫前兆臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)臺(tái)站分布 (圖1)具有一定的合理性，但也存在一定的局限性。市縣級(jí)臺(tái)站是水溫前兆臺(tái)網(wǎng)的主要組成部分，臺(tái)站布設(shè)與受當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的制約。一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)而地震不活躍的地區(qū)，臺(tái)站分布密度很高，在地震活躍而經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)的山區(qū)，臺(tái)站分布密度卻很低。整體來(lái)講，全國(guó)水溫前兆臺(tái)網(wǎng)的平均分布密度約為0.31個(gè)/萬(wàn)平方千米。

圖1 全國(guó)水溫前兆網(wǎng)觀測(cè)點(diǎn)的分布Fig.1 Distribution of observational points of geothermal precursor in China

從圖1可以看出，全國(guó)范圍內(nèi)水溫前兆臺(tái)站大體上從黑龍江開(kāi)始，經(jīng)吉林、遼寧、北京、山西、陜西、甘肅東部、寧夏、四川東部到云南呈條帶分布，條帶以西除青海東部、新疆有少量臺(tái)站外基本上是空白，條帶以東的山東、江蘇、福建有一定數(shù)量的臺(tái)站，而其他省、市、自治區(qū)水溫前兆臺(tái)站數(shù)量都比較少。

截至2008年，我國(guó)水溫前兆臺(tái)網(wǎng)由296個(gè)臺(tái)站組成，其中由國(guó)家直接投資建設(shè)的臺(tái)站約為116個(gè)，地方與企業(yè)投資建成的臺(tái)站約172個(gè)，兩者的比例大體上是2∶3，其中模擬觀測(cè)臺(tái)站19個(gè)，“九五”期間建設(shè)改造的臺(tái)站有112個(gè)，2006年以后建設(shè)的臺(tái)站有165個(gè)。

水溫前兆臺(tái)站由中國(guó)局與省級(jí)局管理的專(zhuān)業(yè)臺(tái)、由市縣級(jí)局辦管理的專(zhuān)業(yè)臺(tái)、由省級(jí)局管理的地方臺(tái)、由市縣級(jí)局管理的地方臺(tái)和企業(yè)自建自管的企業(yè)臺(tái)等組成 (圖2)。

圖2 我國(guó)水溫前兆臺(tái)網(wǎng)所屬單位及數(shù)量分布圖Fig.2 Classification of the water temperature stations in China

由圖2可見(jiàn)，我國(guó)水溫前兆臺(tái)網(wǎng)主要由專(zhuān)業(yè)臺(tái)和地方臺(tái)構(gòu)成，專(zhuān)業(yè)臺(tái)占近40%，地方臺(tái)和企業(yè)臺(tái)約占58%。

2 觀測(cè)井 (泉)的條件分析

2.1 觀測(cè)井 (泉)類(lèi)型

觀測(cè)井 (泉)類(lèi)型的調(diào)查分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 觀測(cè)井 (泉)類(lèi)型表Tab.1 Type of the observational wells

從表1可見(jiàn)，我國(guó)水溫前兆臺(tái)站以井居多數(shù)，井與泉的數(shù)量之比約為7∶1;觀測(cè)井中，非自流井與自流井之比為2.23∶1。

上述狀況表明，我國(guó)水溫前兆臺(tái)站中，非自流井?dāng)?shù)量最多，自流井與泉占有一定比例，為34.12%。

在經(jīng)濟(jì)建設(shè)高速發(fā)展的今天，地下水的過(guò)量開(kāi)采致使一些在地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中曾發(fā)揮過(guò)積極作用的自流井?dāng)嗔?，水溫前兆臺(tái)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)能力受到極大影響。

2.2 觀測(cè)井深度

對(duì)此次調(diào)查的全國(guó)264個(gè)臺(tái)站觀測(cè)井的深度資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 觀測(cè)井深度表Tab.2 Depths of the observational wells

由表2可見(jiàn)，我國(guó)水溫前兆觀測(cè)井中，井孔深度仍以中深井 (100～1 000 m)為主，但仍有相當(dāng)數(shù)量的深井 (大于1 000 m)，說(shuō)明水溫前兆觀測(cè)質(zhì)量受地表的水文氣象及人類(lèi)活動(dòng)的干擾較少。

表2中列出的井深絕大多數(shù)為完鉆時(shí)的深度，經(jīng)歷了幾十年的時(shí)間，井孔底部淤堵，目前實(shí)際井深無(wú)法估計(jì)。谷元珠等 (2001)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，有些觀測(cè)井在完鉆時(shí)井深129 m，但近期測(cè)深結(jié)果僅為30多米。所以要獲得可靠的前兆信息，首先要了解實(shí)際井深，不能盲目觀測(cè)。

目前在進(jìn)行水溫觀測(cè)的井 (泉)中，有許多是石油、地質(zhì)、居民生活用水等廢棄的井，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，這些觀測(cè)井中有86個(gè)井孔受抽水、農(nóng)田灌溉、地下水開(kāi)采、降雨等客觀條件的干擾，映震效能較差，滿(mǎn)足不了地震監(jiān)測(cè)的需要。

2.3 傳感器觀測(cè)深度

調(diào)查中有249個(gè)臺(tái)站提供了傳感器的安裝深度，其分類(lèi)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可見(jiàn)，我國(guó)水溫前兆觀測(cè)井中，傳感器觀測(cè)深度在50～200 m之間，傳感器觀測(cè)深度超過(guò)400 m的井孔主要分布在黑龍江、山東、浙江、江蘇等地，在西南和西北等地區(qū)只有1個(gè)臺(tái)站傳感器放置深度超過(guò)400 m。

表3 傳感器的安裝深度Tab.3 Depths of the sensors in the well

傳感器安裝在比較淺的部位進(jìn)行觀測(cè)，無(wú)法獲取人們期望得到的地殼深部流體活動(dòng)信息，而且還容易受到人類(lèi)活動(dòng)的干擾，信息的信度和可利用性受到嚴(yán)重影響。一般認(rèn)為，隨著傳感器觀測(cè)深度的增加，異常出現(xiàn)的比例會(huì)有大幅度的增加，即傳感器安裝深度越深越有利于水溫前兆信息觀測(cè)。由此可見(jiàn)，今后在臺(tái)網(wǎng)建設(shè)上要對(duì)重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)進(jìn)一步加強(qiáng)深井溫度觀測(cè)，以便獲得更多可靠的前兆信息。

2.4 觀測(cè)部位溫度特征

水溫動(dòng)態(tài)周期畸變或消失、基值變化的異常特征，均與孕震應(yīng)力場(chǎng)關(guān)系密切，是地震孕育—發(fā)生—調(diào)整過(guò)程中，水溫場(chǎng)在不同階段的反應(yīng)。水溫動(dòng)態(tài)異常與恢復(fù)過(guò)程說(shuō)明水溫狀態(tài)在應(yīng)力場(chǎng)作用下從一個(gè)穩(wěn)態(tài)向另一個(gè)穩(wěn)態(tài)的過(guò)渡過(guò)程，是水溫前兆觀測(cè)的重要內(nèi)容。由于高精度水溫觀測(cè)點(diǎn)觀測(cè)環(huán)境、井孔條件、觀測(cè)部位構(gòu)造條件、介質(zhì)條件、地下水動(dòng)力條件的差異，各觀測(cè)點(diǎn)的水溫動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)出不同的形態(tài)，識(shí)別震前異常并判斷預(yù)報(bào)價(jià)值，就要研究水溫動(dòng)態(tài)的形成機(jī)制。

據(jù)所調(diào)查的257個(gè)臺(tái)站提供的觀測(cè)部位溫度背景值，對(duì)其特征進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表4。

圖3 全國(guó)水溫觀測(cè)井孔觀測(cè)部位溫度特征圖Fig.3 Temperature at the observational locations of the wells nationwide

表4 觀測(cè)部位溫度特征表Tab.4 Temperature at the observational locations

由表4及圖3可見(jiàn)，在我國(guó)水溫前兆臺(tái)網(wǎng)中，多數(shù)井為冷水、低溫?zé)崴统鼐?，觀測(cè)部位的溫度在10～40℃之間，適合于把傳感器投入井水中進(jìn)行數(shù)字化觀測(cè)，但約8%的觀測(cè)井溫度偏高。井溫度高低反映了地下水的循環(huán)深度。一般認(rèn)為水循環(huán)深度大的井水往往更有利于攜帶深部地殼活動(dòng)信息 (谷元珠等，2001)，它的熱水來(lái)源于比較深的相對(duì)孤立的熱水含水層，與觀測(cè)井孔構(gòu)成了一個(gè)巨大的“體積式應(yīng)變儀”，對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的作用比較靈敏，有可能觀測(cè)到幅度較大的水溫前兆現(xiàn)象。因此國(guó)內(nèi)外部分學(xué)者特別重視深井高溫?zé)崴挠^測(cè)。

2.5 井房供電、避雷、通訊與儀器故障的分析

對(duì)277個(gè)臺(tái)站提供的有關(guān)資料進(jìn)行分析，結(jié)果表明，目前采用交流電的儀器占37.17%，53.98%的儀器采用交、直流供電，只有不到8.85%的儀器采用直流供電方式;儀器通訊采用網(wǎng)絡(luò)傳輸方式的占55%，還有45%儀器采用程控電話(huà)或其它傳輸方式 (王軍，2008)。

儀器故障多為雷擊和供電電源不穩(wěn)引起，其原因主要有以下兩方面:第一，井房的避雷設(shè)施不完善，造成儀器或傳感器因雷擊產(chǎn)生故障;第二，偏僻地區(qū)的臺(tái)站供電電源不穩(wěn)，造成電源短路產(chǎn)生故障。由此可見(jiàn)，需要對(duì)臺(tái)站的電源和避雷設(shè)備進(jìn)行較好的改造和升級(jí)，以保證數(shù)據(jù)的連續(xù)、可靠。

3 水溫前兆觀測(cè)條件的分析

3.1 觀測(cè)條件與水溫正常動(dòng)態(tài)類(lèi)型的關(guān)系

水溫正常動(dòng)態(tài)是指井孔觀測(cè)點(diǎn)處溫度的形態(tài)及特征變化，不同的動(dòng)態(tài)類(lèi)型與觀測(cè)井 (泉)所處的觀測(cè)條件密切相關(guān)。當(dāng)觀測(cè)井孔所處的地質(zhì)構(gòu)造背景、介質(zhì)環(huán)境和地下水狀態(tài)等穩(wěn)定時(shí)，井孔及周?chē)乃疁貢?huì)達(dá)到一種相對(duì)穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。井孔及周?chē)h(huán)境條件不同時(shí)，井孔水溫所表現(xiàn)出的動(dòng)態(tài)特征也不相同，雖然其表現(xiàn)形式多樣，但還是有一定的規(guī)律可循。水溫的正常動(dòng)態(tài)分為長(zhǎng)期正常動(dòng)態(tài)和短期正常動(dòng)態(tài) (付子忠，1990)。水溫長(zhǎng)期正常動(dòng)態(tài)有穩(wěn)定型、波動(dòng)型、跳變型、漂移型等，不同的動(dòng)態(tài)類(lèi)型與觀測(cè)井所處的觀測(cè)條件密切相關(guān) (趙剛，2009)。

(1)穩(wěn)定型動(dòng)態(tài):由于溫度部位的巖石透水性弱，地下水對(duì)該處溫度的影響很小，溫度年變幅不超過(guò)0.01℃，處于穩(wěn)定的觀測(cè)環(huán)境中，如福建泉州井 (年變0.001℃)。

(2)波動(dòng)型動(dòng)態(tài):由于受地下水影響比較大，觀測(cè)部位的溫度呈無(wú)規(guī)則長(zhǎng)期波動(dòng)，絕對(duì)值變化很大 (一年變化可能達(dá)到0.1℃至幾攝氏度)，波動(dòng)型形成的原因可能是探頭被安放到了含水層內(nèi)，在水的快速流動(dòng)交換或自流井流量不穩(wěn)定等情況下，溫度常常會(huì)有大幅度變化。

(3)跳變型動(dòng)態(tài):溫度會(huì)出現(xiàn)一定幅度的升溫突跳或降溫突跳，持續(xù)時(shí)間往往從幾分鐘至幾小時(shí)，有時(shí)甚至?xí)掷m(xù)幾天。跳變型動(dòng)態(tài)主要是由于地下水活躍，補(bǔ)給渠道較多等，造成溫度跳躍。

(4)漂移型動(dòng)態(tài):溫度隨時(shí)間變化較大，年變幅超過(guò)了0.01℃，從長(zhǎng)期來(lái)看溫度基本呈線(xiàn)性上升或下降，這類(lèi)動(dòng)態(tài)產(chǎn)生的原因可能是觀測(cè)點(diǎn)處的圍巖在緩慢增加或減弱的應(yīng)力場(chǎng)作用下，溫度發(fā)生漂移變化。

因此要研究水溫前兆機(jī)理，就要研究觀測(cè)井點(diǎn)構(gòu)造特點(diǎn)、介質(zhì)條件、地下水特征、井孔特性等觀測(cè)系統(tǒng)的自然條件 (王瑜青等，1994)，還要研究該系統(tǒng)對(duì)孕震信息響應(yīng)的特征和能力。

3.2 觀測(cè)部位的選擇

通過(guò)對(duì)井孔觀測(cè)條件的研究，筆者認(rèn)為儀器安裝過(guò)程和安裝方法關(guān)系到井孔能否較好地觀測(cè)到水溫前兆異常。由于儀器安裝不當(dāng)，有不少水溫前兆臺(tái)站的觀測(cè)資料不能使用，有的臺(tái)站不能長(zhǎng)期、連續(xù)、正常觀測(cè)，起不到作用。溫度傳感器應(yīng)該安裝在水溫場(chǎng)背景穩(wěn)定的環(huán)境中，觀測(cè)點(diǎn)處的巖石介質(zhì)要存在適量的孔隙，觀測(cè)點(diǎn)還應(yīng)處在一個(gè)井孔中溫度波動(dòng)最小的部位 (理想情況:日溫度波動(dòng)小于0.001℃，甚至在0.000 1～0.000 2℃之間)。在這樣的部位進(jìn)行水溫前兆觀測(cè)，可得到信噪比較高的水溫前兆信息;反之，日波動(dòng)幅度大，說(shuō)明地下水活動(dòng)影響較大，不易觀測(cè)到水溫前兆信息。

井孔的溫度梯度測(cè)量方法:以25 m為步長(zhǎng)，每個(gè)點(diǎn)放置大約15 min，進(jìn)行梯度測(cè)量，并繪制井孔溫度梯度曲線(xiàn)，它是井孔基本熱特性的重要數(shù)據(jù)。根據(jù)每個(gè)點(diǎn)的溫度變化規(guī)律，結(jié)合井孔柱狀圖，初步判斷可進(jìn)行水溫觀測(cè)的井段。

分段動(dòng)態(tài)形態(tài)測(cè)量是確定觀測(cè)部位的最重要方法，特別是對(duì)于無(wú)鉆孔資料 (如柱狀圖)的測(cè)井 (泉)(付子忠，1988)，分段動(dòng)態(tài)形態(tài)測(cè)量是唯一可取的方法。用溫度梯度測(cè)量法初步判斷可供水溫觀測(cè)的點(diǎn)位，然后在這些點(diǎn)位內(nèi)，每點(diǎn)連續(xù)觀測(cè)2～3 h，選擇溫度變化幅度最小的那一段作為水溫前兆觀測(cè)部位。

筆者以周家臺(tái)為例進(jìn)行簡(jiǎn)單說(shuō)明。梯度測(cè)量時(shí)，在該井中每隔25 m選取一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行30 min測(cè)量，最終所得井孔的溫度梯度曲線(xiàn)如圖4所示，選點(diǎn)的要求是有較明顯、均勻的梯度，如果連續(xù)一段沒(méi)有反映出梯度數(shù)據(jù)，或者其梯度曲線(xiàn)線(xiàn)性度很差時(shí)，則認(rèn)為該段上下水交換比較劇烈，不太適合水溫前兆觀測(cè)。

在滿(mǎn)足梯度條件的基礎(chǔ)上，選擇3個(gè)以上的點(diǎn)進(jìn)行溫度動(dòng)態(tài)分析:深度分別為275 m、300 m和314 m，進(jìn)行2 h左右觀測(cè)，分析結(jié)果顯示，動(dòng)態(tài)變化越小的點(diǎn)越適合水溫前兆觀測(cè)。由于水溫前兆異常變化幅度通常都比較小，有的變化值在千分之幾度左右，所以要選擇觀測(cè)噪聲背景值最小的點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)。如圖4所示，在314 m處，溫度變化最小，為0.005℃，故將該點(diǎn)作為該井的觀測(cè)層位。

圖4 溫度梯度測(cè)量曲線(xiàn)Fig.4 Curve of temperatures grad

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)水溫前兆臺(tái)網(wǎng)已經(jīng)取得了不少觀測(cè)資料，為地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)與研究發(fā)揮了積極的作用。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展與提高監(jiān)測(cè)效益的要求出發(fā)，通過(guò)對(duì)水溫前兆臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)條件進(jìn)行研究，我們發(fā)現(xiàn)水溫前兆臺(tái)網(wǎng)仍需在下列三個(gè)方面進(jìn)行改善和提高。

(1)我國(guó)水溫前兆臺(tái)站目前以井為主體，其中非自流井?dāng)?shù)量約為154個(gè)。不少臺(tái)站是利用石油、水文地質(zhì)等部門(mén)一些廢棄閑置的勘探、油氣井等來(lái)進(jìn)行水溫前兆觀測(cè)，無(wú)法準(zhǔn)確掌握井的地質(zhì)構(gòu)造和結(jié)構(gòu)。今后要加強(qiáng)對(duì)觀測(cè)井的結(jié)構(gòu)與地下水物理化學(xué)特征等資料收集，開(kāi)展干擾環(huán)境變化狀況的調(diào)查。

(2)進(jìn)一步對(duì)臺(tái)站的電源和避雷設(shè)備進(jìn)行較好的改造和升級(jí)，保證數(shù)據(jù)的連續(xù)、可靠。對(duì)一些經(jīng)常受雷擊或供電故障影響而不能進(jìn)行觀測(cè)的臺(tái)站，可以采取太陽(yáng)能或雙電瓶供電等措施。

(3)不同的水溫動(dòng)態(tài)類(lèi)型與觀測(cè)井的觀測(cè)條件密切相關(guān)，傳感器應(yīng)安裝在水溫場(chǎng)背景穩(wěn)定的井孔中，可以通過(guò)溫度梯度測(cè)量和分段動(dòng)態(tài)形態(tài)測(cè)量的方法來(lái)選擇傳感器的觀測(cè)層位。

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Research on the Observation Conditions of Geothermal Precursor Network

MA Wen-juan1，2，ZHAO Gang3，LI Fang-fang1，CHANG Ming1，ZHANG Long-sheng1，LIU Gang3
(1.Earthquake Administration of Ningxia Hui Autonomous Region，Yinchuan 750001，Ningxia，China)
(2.School of Software Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China)
(3.Institute of Crustal Dynamics，CEA，Beijing 100085，China)

In this paper，we introduce the current situation of the geothermal precursor network in China.By analyzing the type，condition，depth，water temperature of the observational wells，we find that the thermometers must installed in the position with the minimum variation of the temperature and away from the water-bearing layer.By explaining the installation method of the thermometers in the well，we prove that the ideal observational position for the thermometers can be determined by the measurement of the temperature gradient and the dynamic sections.

geothermal precursor，network，observation conditions

P314.1

A

1000－0666(2011)02－0178－05

2010－01－07.

中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所2007年公益性行業(yè)專(zhuān)項(xiàng)(H200708045)資助.