聊城水化站地下水溫資料的簡(jiǎn)單統(tǒng)計(jì)分析

劉保華，魏汝慶，陳其鋒，李月強(qiáng)，馮恩國(guó)，連凱旋

（聊城地震水化試驗(yàn)站，山東 聊城 252000）

0 引言

近十幾年來(lái)，隨著高精度數(shù)字化水溫儀在地震臺(tái)站的普及觀測(cè)與應(yīng)用，使我國(guó)地震井水溫動(dòng)態(tài)觀測(cè)取得了很大進(jìn)展，是地下流體學(xué)科的重要觀測(cè)項(xiàng)目之一。水溫前兆方法是通過(guò)研究地殼淺層的熱狀態(tài)及其隨時(shí)間的變化，來(lái)進(jìn)行地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)研究的一種科學(xué)手段。地震水溫前兆異常具有顯著的短臨前兆特征和較強(qiáng)的映震能力［1］。我國(guó)目前已積累了一大批可信度較高的水溫前兆異常震例，如：1988年11月云南瀾滄－耿馬7.6級(jí)地震、1993年青海共 和6.0 級(jí) 地 震、1996年 云 南 麗 江7.0 級(jí) 地 震、1989年和1991年山西大同2次5.8級(jí)地震、1998年河北張北－尚義6.2級(jí)地震等［2－5，16－17］。

聊城水化站于1998年9月開(kāi)始數(shù)字化水溫試運(yùn)行觀測(cè)，2000年1月1日正式觀測(cè)，但1998—2002年的觀測(cè)系統(tǒng)不正常，沒(méi)有積累到可靠的連續(xù)觀測(cè)資料，從2003年1月至今，觀測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行正常，觀測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)可靠，動(dòng)態(tài)背景較穩(wěn)定，已積累了9年多的寶貴資料。面對(duì)文獻(xiàn)報(bào)道的大量可信度較高的水溫異常震例，聊城水化站的水溫資料是什么情況呢？它的動(dòng)態(tài)特征怎樣？有沒(méi)有可靠的異常震例？有沒(méi)有同震效應(yīng)？目前尚無(wú)人研究這些問(wèn)題。為了回答上述問(wèn)題，本文擬對(duì)聊城水化站的水溫資料進(jìn)行初步的統(tǒng)計(jì)分析。

1 井區(qū)地質(zhì)條件與水溫觀測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

聊城地震水化站海拔34m，位于冀魯豫3省交界區(qū)著名的聊（聊城）—考（蘭考）深大斷裂帶的北段（圖1）。該斷裂帶走向NNE，傾向SW ，傾角30°～60°，總長(zhǎng)360km；斷裂帶為張性正斷層，早期具有左旋扭動(dòng)性質(zhì)，新生代以來(lái)轉(zhuǎn)化為右旋扭動(dòng)性質(zhì)，兼為垂直運(yùn)動(dòng)。該斷裂帶新生代以來(lái)活動(dòng)相當(dāng)強(qiáng)烈，斷裂之西強(qiáng)烈下沉，發(fā)育有下第三系到第四系，厚6 000～7 000m；斷裂之東下沉幅度較小，只發(fā)育有上第三系到第四系，厚僅1 000～2 000m；斷裂帶寬5～6km，其內(nèi)發(fā)育有多條平行斷裂，呈階梯狀構(gòu)造。該斷裂帶現(xiàn)今仍在活動(dòng)，特別是以南段活動(dòng)較為強(qiáng)烈，發(fā)生過(guò)多次破壞性地震，其中最大地震是1937年8月1日菏澤MS7.0地震，其次是1983年11月7日菏澤MS5.9地震；近期中小地震活動(dòng)較為頻繁，多次被列為國(guó)家級(jí)或省級(jí)地震危險(xiǎn)區(qū)或值得注意地區(qū)。

聊城地震水化站水溫觀測(cè)井位于水化站院內(nèi)，該井于1985年5月成井，完井深度為416.40 m。該井揭露的主要是第四系（Q）與上第三系（N）地層，巖性為未膠結(jié)到半膠結(jié)的細(xì)砂、粉砂與粘土、亞粘土互層（圖2）。井區(qū)水文地質(zhì)特征之一是含水層與隔水層互層，含水層的數(shù)量多達(dá)10層以上，其厚度從幾米到幾十米不等。該井為深井?dāng)[測(cè)震觀測(cè)井，全井下設(shè)套管，套管長(zhǎng)409.10m，套管為無(wú)縫鋼管，螺接，外徑146mm（內(nèi)徑137mm）。成井之后，在套管外圍井口以下10.0m 至408.5m 之間填充石灰石粉硝，10.0m 以上及408.5m 以下使用水泥砂漿固井。

圖1 聊城水化站區(qū)域構(gòu)造及地震分布圖

圖2 聊城水化站水溫觀測(cè)井柱狀圖

該井于1998年8月開(kāi)始高精度水溫動(dòng)態(tài)觀測(cè)，觀測(cè)儀器為SZW－1A 型石英溫度計(jì)。水溫探頭放置在井口以下258 m（水面下約234 m），通過(guò)信號(hào)線把探頭輸出的頻率信號(hào)傳至井口平房觀測(cè)室內(nèi)，2005年11月3日改為傳至新建監(jiān)測(cè)樓內(nèi)。2006年12月26—31日，因?qū)y(cè)震深井?dāng)[進(jìn)行數(shù)字化改造，將水溫探頭取出，然后再次下入井內(nèi)，這時(shí)探頭距井口186m。2010年4—5月因儀器故障，該時(shí)段資料做缺數(shù)處理。水溫觀測(cè)之初到2002年，儀器與信號(hào)線故障較多，觀測(cè)數(shù)據(jù)不連續(xù)、不可靠，沒(méi)有積累到有用的資料。經(jīng)過(guò)多次維修、改造與更換儀器后，2003年1月開(kāi)始，觀測(cè)系統(tǒng)工作正常，產(chǎn)出的數(shù)據(jù)連續(xù)可靠，可用于震情分析與研究。

2 水溫觀測(cè)資料的動(dòng)態(tài)特征分析

SZW－1A 型水溫儀的采樣率為1次／min，觀測(cè)資料每日有1個(gè)分鐘值文件和1個(gè)整點(diǎn)值文件，日均值由整點(diǎn)值計(jì)算得出。

圖3a是聊城水化站2003年1月1日—2011年4月30日的水溫日均值曲線，可以看出，曲線有2個(gè)緩升時(shí)段（2004年1月—2006年12月，2009年7月—2011年4月）和2 個(gè)緩降時(shí)段（2003年1—12月，2007年1月—2009年6月）。圖3a反映了聊城水化站水溫觀測(cè)資料的多年動(dòng)態(tài)和年動(dòng)態(tài)特征，分析認(rèn)為，這種變化特征就是當(dāng)?shù)氐膶?shí)際地溫變化特征，因?yàn)榫资怯锰坠芊忾]的，井中的水不與外界交流，井水溫度與井壁外的地溫是平衡的。

圖3b 是水溫日均值的一階差分曲線，可以看出，曲線非常平穩(wěn)（個(gè)別突跳是干擾引起的），說(shuō)明觀測(cè)資料變化平穩(wěn)，沒(méi)有突升或突降變化（干擾除外），同時(shí)也說(shuō)明觀測(cè)儀器和觀測(cè)資料都較為可靠。

圖3c是聊城水化站2011年1月的水溫整點(diǎn)值曲線，它反映了水溫的日動(dòng)態(tài)特征，可以看出，它屬于隨機(jī)起伏型，其基本特征是測(cè)值在一定范圍內(nèi)無(wú)規(guī)律地高頻振蕩起伏。

圖3 聊城水化站水溫觀測(cè)曲線

3 水溫異常與地震關(guān)系分析

在本文處理的資料范圍內(nèi)，共有2次水溫異常與地震活動(dòng)有關(guān)。表1列出了與聊城水化站水溫異常有關(guān)的地震目錄（據(jù)山東省地震局提供的華北地震目錄），圖1展示了聊城水化站水溫觀測(cè)井與表1中的7次地震分布情況。

第1次水溫異常是2005年10月6日出現(xiàn)的上升臺(tái)階，該次異常雖然幅度不是很大，只有0.006 0℃，但在日均值曲線上十分顯著（圖4a）；第2 次水溫異常是2006年4月19日出現(xiàn)的突跳，該異常在日均值曲線上幅度為0.011 9 ℃（圖4c），在分鐘值曲線上幅度為0.165 5 ℃，異常十分顯著（圖4d）。

上述2次異常出現(xiàn)后，觀測(cè)人員就及時(shí)對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)和觀測(cè)環(huán)境進(jìn)行了認(rèn)真細(xì)致的檢查，沒(méi)有找到確切的干擾因素，在當(dāng)時(shí)及以后的若干年內(nèi)，都認(rèn)為可能是觀測(cè)系統(tǒng)或觀測(cè)環(huán)境的偶然干擾引起的［6］?，F(xiàn)在分析認(rèn)為，這種解釋并非正確。作者分析認(rèn)為，第1次異常與山東陽(yáng)谷縣七級(jí)鎮(zhèn)小震群活動(dòng)有關(guān)，第2次異常與河南范縣濮城鎮(zhèn)ML4.7級(jí)地震活動(dòng)有關(guān)。這種解釋的依據(jù)如下：首先，地震活動(dòng)引起水溫異常的機(jī)理是：地震的孕育、發(fā)生和調(diào)整過(guò)程，影響井點(diǎn)所在區(qū)域的應(yīng)力狀況的變化，導(dǎo)致地?zé)釄?chǎng)環(huán)境條件發(fā)生改變（例如斷層活動(dòng)、裂隙發(fā)育或閉鎖、巖石熱物質(zhì)性變化、地下水動(dòng)力條件變化等），引起井區(qū)升溫或降溫，使水溫動(dòng)態(tài)基值變化［7－8，16－18］。其次，陽(yáng)谷縣七級(jí)鎮(zhèn)小震群共有6個(gè)小震組成，發(fā)震時(shí)間集中在4天之內(nèi)，震級(jí)范圍在ML2.0～3.4級(jí)（表1）。該震群發(fā)生在聊考斷裂帶的邊緣，距聊城水化站水溫觀測(cè)井11～20km，這樣的地震活動(dòng)，其能量足以引起井區(qū)的應(yīng)力狀況發(fā)生變化，由此導(dǎo)致井區(qū)的地?zé)釄?chǎng)環(huán)境條件發(fā)生改變，引起井區(qū)升溫或降溫。又因聊城水化站水溫觀測(cè)井全部用套管封閉，井中的水不與外界交流，所以地下深部的熱量要傳到探頭就會(huì)滯后。從圖4b的分鐘值曲線也可以看出，水溫是緩慢上升的。同樣，2006年4月9日的濮城ML4.7地震雖然距聊城水化站較遠(yuǎn)，但它的震級(jí)較大，況且該次地震與水溫觀測(cè)井同處于聊考大斷裂帶上，所以此次地震活動(dòng)也足以引起聊城水化站水溫的異常變化；此外，該次地震前，聊城水化站的氣氡資料也出現(xiàn)了異常［9］。

也有文獻(xiàn)報(bào)道過(guò)震前水溫沒(méi)有異常，震后出現(xiàn)上升突跳異常的震例。如：云南會(huì)澤井在2004年出現(xiàn)的水溫突跳異常，就發(fā)生在魯?shù)?.6級(jí)地震（井震距86km）之后［10］（圖5），其異常形態(tài)與本文河南范縣4.7級(jí)地震引起的水溫異常十分相似。

表1 與聊城水化站水溫異常有關(guān)的地震目錄

圖4 聊城水化站水溫異常曲線

圖5 云南會(huì)澤井水溫整點(diǎn)值突跳異常［10］

4 水溫觀測(cè)資料的同震效應(yīng)分析

近幾年來(lái)，隨著我國(guó)地震地下流體高精度數(shù)字化地?zé)醿x的廣泛應(yīng)用，積累的數(shù)字化水溫觀測(cè)資料越來(lái)越多，同時(shí)關(guān)于遠(yuǎn)場(chǎng)大震引起水溫同震異常的研究與報(bào)道也在逐漸增多［11－15］。那么聊城水化站水溫觀測(cè)資料是否也有同震響應(yīng)呢？

圖6是聊城水化站的水溫分鐘值曲線，可以看出，在2008年5月12日14時(shí)28分中國(guó)四川汶川8.0地震和2011年3月11日13時(shí)46分日本9.0地震時(shí)，沒(méi)有出現(xiàn)同震響應(yīng)變化。

在我國(guó)的水溫觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)中，沒(méi)有出現(xiàn)同震效應(yīng)的現(xiàn)象也比較常見(jiàn)，例如：據(jù)統(tǒng)計(jì)［13］，2008年5月12日四川汶川MS8.0地震時(shí)，甘肅數(shù)字化水溫中段共有8套數(shù)據(jù)，其中出現(xiàn)同震響應(yīng)的僅有4套；水溫下段共有5 套數(shù)據(jù)，其中出現(xiàn)同震響應(yīng)的有3 套。（水溫中段指探頭位于井下10～100m，水溫下段指探頭位于井下100～1 000m）。至于為什么有的井孔有同震效應(yīng)，有的則沒(méi)有，這可能既與井孔所處的構(gòu)造位置有關(guān)，也與地震發(fā)生的構(gòu)造位置、震級(jí)、震中距和井孔自身的條件等諸多因素有關(guān)。

圖6 聊城水化站水溫分鐘值曲線

5 認(rèn)識(shí)與討論

（1）本文使用的水溫觀測(cè)資料非?？煽浚饕罁?jù)有2個(gè)：①在2008年8月出現(xiàn)大幅下降異常后，曾做過(guò)為期2個(gè)月的對(duì)比觀測(cè)，結(jié)果顯示，2套觀測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)出的數(shù)據(jù)非常一致［6］；②聊城水化站水溫觀測(cè)資料在全國(guó)評(píng)比中曾連續(xù)6年（2003—2008）獲得第3名的好成績(jī)。

（2）聊城水化站水溫觀測(cè)資料的多年動(dòng)態(tài)為緩升、緩降交替出現(xiàn)型，年動(dòng)態(tài)為緩升型或緩降型，它實(shí)際觀測(cè)到的是當(dāng)?shù)氐牡販刈兓?。日?dòng)態(tài)為隨機(jī)起伏型，既沒(méi)有晝夜變化特征，亦沒(méi)有潮汐變化特征，說(shuō)明水溫觀測(cè)不受氣溫和潮汐的影響。

（3）在觀測(cè)井附近地區(qū)（特別是聊城－蘭考斷裂帶上）發(fā)生地震活動(dòng)時(shí)，聊城水化站水溫資料有一定的異常顯示，但本文中的2次異常都出現(xiàn)在地震發(fā)生之后，這種現(xiàn)象對(duì)地震預(yù)報(bào)是不利的，造成該現(xiàn)象的原因可能有2個(gè)：一是與地震本身的活動(dòng)特點(diǎn)有關(guān)，二是與井孔全部用套管封閉有關(guān)。如果有資料證實(shí)屬于第2個(gè)原因，那么今后再選擇水溫測(cè)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)避開(kāi)這類井。

（4）聊城水化站水溫資料沒(méi)有同震響應(yīng)，這種現(xiàn)象也很普遍，其原因可能既與井孔所處的構(gòu)造位置有關(guān)，也與地震發(fā)生的構(gòu)造位置、震級(jí)、震中距和井孔自身的條件等諸多因素有關(guān)。

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