甘東南4井水溫資料在汶川MS8.0地震前后的異常變化特征分析＊

蒲小武 梅東林 陳彥平 葉媛媛 王軍燕 許可娟

學(xué)術(shù)論文

甘東南4井水溫資料在汶川MS8.0地震前后的異常變化特征分析＊

蒲小武 梅東林 陳彥平 葉媛媛 王軍燕 許可娟

（甘肅省地震局隴南中心地震臺，甘肅隴南746000）

較為系統(tǒng)地分析了甘東南成縣、樊壩、清水溫泉、兩水4口水溫井自2007年以來的水溫觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在2008年5月12日汶川MS8.0地震前后4口水溫井資料都出現(xiàn)了不同程度的前兆異常變化，但前兆異常信息大部分淹沒在趨勢上升的背景中。為了更好地提取前兆異常信息，文中采用了流體資料處理時(shí)常用的差分法、變差率法、從屬函數(shù)法、趨勢速率法等前兆異常信息提取方法，對數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，并分析了4井水溫前兆異常變化特征。

水溫前兆異常；差分法；變差率；從屬函數(shù)；趨勢速率

引言

井水溫度動(dòng)態(tài)觀測是地下流體學(xué)科重要的觀測項(xiàng)目之一，中國自開展水溫觀測以來，已積累了大量的水溫地震前兆異常實(shí)例。對水溫前兆異常特征［1］、干擾因素［2］、動(dòng)態(tài)類型［3－7］等已有許多專家進(jìn)行過系統(tǒng)研究。此前總結(jié)的水溫地震前兆異常的一般特征是：異常多出現(xiàn)在震前幾天至幾十天時(shí)間段內(nèi)，為短臨異常；異常幅度大，一般為正常起伏度的幾至幾十倍，異常顯著而易識別，因此，在地震短臨監(jiān)測中，表現(xiàn)出特有的優(yōu)勢［8－10］。這些研究成果為我國的地震監(jiān)測與預(yù)測，尤其對在短臨預(yù)測與地震預(yù)報(bào)方面提供了重要的數(shù)據(jù)。

在“十五”期間，甘肅甘東南區(qū)域，架設(shè)了許多水溫觀測系統(tǒng)，極大地促進(jìn)了本區(qū)域地下流體觀測項(xiàng)目的發(fā)展。2008年5月12日在青藏塊體東部邊緣發(fā)生了汶川MS8.0地震，這次地震前，位于甘東南區(qū)域內(nèi)的成縣、樊壩、清水溫泉、兩水4口水溫井資料出現(xiàn)了異常變化，由于4井水溫多年動(dòng)態(tài)均屬于升溫型形態(tài)，異常信息大部分淹沒在趨勢變化中。為了更好地提取前兆異常，我們對4井水溫資料采用了一階差分法、變差率法、從屬函數(shù)法、趨勢速率法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并分析了4井水溫地震前兆異常特征。

1 臺站基本情況

1.1觀測井

（1）成縣井。該井位于成縣縣城以東2km的蘭空農(nóng)廠，觀測含水層為盆地第三系空隙承壓水，由秦嶺山區(qū)降水補(bǔ)給，水頭高出地面18m，含水層透水性差，井深264.48m，井內(nèi)套管深度255.90m。2007年4月開始水溫觀測，使用的儀器是SZW－1A型數(shù)字溫度計(jì)。該井封閉性較好，年動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，一般降雨對流量沒有影響。

（2）樊壩井。該井位于隴南區(qū)甘泉鄉(xiāng)樊壩村，距隴南市55km，井口地面標(biāo)高180m。地處秦嶺西北端米倉山山脈，是長江流域和黃河流域的分水嶺，白龍江斷裂通過該處。出露的地層為第四系坡洪積亞粘土及沙粒土，下伏泥質(zhì)灰?guī)r、硬質(zhì)泥巖。隴南樊壩水溫觀測是“十五”期間新上的流體觀測項(xiàng)目，該井是為了流體觀測新打的一口井，井深達(dá)200m，2007年3月安裝了SZW－1A型數(shù)字式水溫計(jì)，與水位同井觀測。

（3）清水溫泉井。該井位于縣城北東8km的湯浴河谷內(nèi)，海拔高程1 445m。地勢北東高，南西低，屬低山丘陵。其構(gòu)造位置屬于隴西系南段、秦嶺北緣大斷裂的北側(cè)，六盤山斷裂帶西南側(cè)（圖1）。臺基巖性為通渭—清水?dāng)嗔淹砉派◢弾r，該溫泉是深部熱水沿巖石裂隙運(yùn)動(dòng)，在一定地質(zhì)構(gòu)造條件下出露于地表而形成的。清水溫泉井深443.3m。2007年6月開始水溫觀測，使用的儀器是SZW－1A型數(shù)字溫度計(jì)。

（4）兩水井。該井位于甘肅省隴南區(qū)兩水鎮(zhèn)前村，處于武都弧形構(gòu)造帶前弧西翼，處在多組構(gòu)造交匯復(fù)合部位。區(qū)內(nèi)分布有武都弧形構(gòu)造帶，東西向構(gòu)造帶，北北東向、北東向及北西向構(gòu)造帶，在本區(qū)東南方向四川省境內(nèi)還分布有大致成N60°E方向展布的龍門山構(gòu)造帶。井深75.92m，處于志留系石灰?guī)r中，該灰?guī)r中有片巖夾層，井內(nèi)有裂隙水滲入。隴南臺兩水水溫始測于2001年3月，與水位同井觀測，配備了由地殼所研制的SZW－1A型數(shù)字式溫度計(jì)。

圖1 區(qū)域構(gòu)造背景及井點(diǎn)分布圖

1.2正常動(dòng)態(tài)

對于任何一個(gè)地震前兆觀測項(xiàng)目，只有在了解其正常動(dòng)態(tài)特征的基礎(chǔ)上，才能夠有效地提取地震前兆異常信息。井水溫度的背景值，一般取決于井孔所在地的大地?zé)崃鱭或地溫梯度dT／dz。趙剛等對全國近277個(gè)觀測井的地?zé)嵴?dòng)態(tài)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，將其劃分為降溫型、升溫型、波動(dòng)型、穩(wěn)定型、跳變型、長周期型6種基本類型［11－12］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在整個(gè)地下流體臺網(wǎng)中，測點(diǎn)溫度為降溫型、升溫型和波動(dòng)型占了70%左右。

本文研究區(qū)域內(nèi)的4口水溫井，水溫多年動(dòng)態(tài)都呈上升趨勢變化（圖2）。其中成縣、樊壩、清水溫泉井水溫探頭位置處于恒溫帶下，所測為深部水溫變化，不受地表溫度影響，無明顯干擾源。成縣井年變幅度達(dá)到0.04℃，月變幅約為0.003℃。樊壩井年變幅度達(dá)到0.009℃，月變幅約為0.000 8℃。清水溫泉井水溫年變幅度達(dá)到0.016℃，月變幅約為0.001 5℃。

圖2 汶川MS8.0地震前后4井水溫整點(diǎn)值、年均值對比圖

兩水井水溫自2001年開始觀測以來，基本呈現(xiàn)上升趨勢變化（圖2），年變幅度達(dá)到0.01℃，月變幅約為0.000 9℃。長期動(dòng)態(tài)特征屬于升溫型，但由于井孔只有75m左右，探頭位置雖然處于恒溫帶下，但由于水的對流，水溫變化受水位、氣溫波動(dòng)變化影響，夏秋測值變化較大。

2 流體異常提取方法簡介

一階差分法是一種常規(guī)數(shù)據(jù)處理方法，方法簡單，本文不做介紹。

2.1變差率法

變差率是表征一條曲線的相對變化幅度，就是定量地確定本年相對于前一年同一月的變化程度，如果出現(xiàn)明顯的變化差，則表明本年度變化程度較大，若變差率較小，則表明本年與前一年的年動(dòng)態(tài)相似。其具體做法如下：

（1）以水溫月均值作為基本的數(shù)據(jù)序列；

（2）定義變差率為某個(gè)月的水溫值與前一年同月的水溫值之差再除以前一年同月的水溫值。其計(jì)算式為：

式中，Ri為變差率；Ci和Ci－12分別為水溫月均值和前一年同月的水溫月均值。

2.2從屬函數(shù)法

盡管前兆觀測資料的異常變化形態(tài)多種多樣，諸如突跳、轉(zhuǎn)折、加速等，但究其本質(zhì)都是觀測曲線隨著時(shí)間變化呈現(xiàn)出的斜率變化，而從屬函數(shù)就表征一條曲線變化的斜率和跳動(dòng)的程度［13］。由于從屬函數(shù)的這種特性，因而對處理趨勢變化，定量分析其曲線斜率變化，效果獨(dú)特。

從屬函數(shù)μ值公式如下：

ki為觀測值變化斜率；ri為月均值M（t）與時(shí)間t的相關(guān)系數(shù)，它反應(yīng)了觀測序列內(nèi)在質(zhì)量的好壞；α為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

2.3趨勢速率法

趨勢變化特征是地下流體中短期異常的主要特征之一。由于不同的流體測點(diǎn)所處的構(gòu)造、含水層巖性、井（泉）結(jié)構(gòu)等物理化學(xué)性質(zhì)的差異，趨勢性異常就有上升、下降和波動(dòng)之分。本文研究的4井水溫正常背景變化為趨勢上升型，許多前兆異常信息就會(huì)淹沒在趨勢上升的背景里，定量計(jì)算趨勢速率（曲線斜率）變化，才可以有效提取地震前兆異常。盡管趨勢速率方法與從屬函數(shù)方法都表示某一時(shí)段內(nèi)時(shí)間序列斜率大小，但兩種方法得到的結(jié)果不完全相同，在資料分析運(yùn)用中可以作為參考。具體做法是：

（1）以月均值為基本數(shù)據(jù)序列。

（2）計(jì)算趨勢速率值（v）。選擇線性窗Y＝a＋bX擬合模型。

（3）判定異常指標(biāo)。若趨勢速率值v≥0.5則為異常指標(biāo)。

3 水溫異常特征分析

3.1原始曲線特征分析

兩水井水溫自2007年年初，成縣、樊壩、清水3井水溫自2007年架設(shè)以來，一直處于快速上升狀態(tài)（圖2），在汶川8.0級地震前后，沒有明顯的突變、轉(zhuǎn)折等異常形態(tài)出現(xiàn)，但水溫上升變化速率在汶川地震前要快于地震后，2007—2008年的水溫曲線斜率大于2009年以后其他年份的，在2010年以前水溫變化總體呈近勻減速變化，這種變化與對數(shù)函數(shù)曲線形態(tài)很類似。2010年后4井水溫變化速度相對穩(wěn)定，數(shù)據(jù)以比較緩慢而相對固定的速度上升，曲線形態(tài)呈現(xiàn)近直線斜形上升變化。

3.2一階差分異常特征分析

差分法是一種常用的數(shù)據(jù)處理方法，在本文中差分法所用數(shù)據(jù)為月均值數(shù)據(jù)。

成縣、樊壩、清水3井水溫在汶川地震前，一階差分值有明顯的快速下降變化，這種趨勢變化一直持續(xù)到2009年初。2009年至2010年成縣、清水兩井水溫一階差分值呈現(xiàn)緩慢下降變化，速度明顯低于2008年以前的，2011年至2012年變化平穩(wěn)。樊壩井自2009年起一階差分值圍繞某一基值呈小幅波動(dòng)變化。

兩水井水溫在2007—2012這6年間，一階差分值呈現(xiàn)年初上升，出現(xiàn)最大峰值后下降，在年底出現(xiàn)最小峰值后又回升，年年輪回，呈現(xiàn)準(zhǔn)周期變化。這種變化主要是水位的準(zhǔn)周期漲落引起水溫的準(zhǔn)周期變化。在汶川地震前后，一階差分值沒有出現(xiàn)明顯異常。

3.3變差率法異常特征分析

4井變差率在汶川地震前都出現(xiàn)了幾乎同步、快速下降變化，變化形態(tài)非常相似（圖3）。汶川地震后，這種變化狀態(tài)都持續(xù)了一段時(shí)段，但持續(xù)時(shí)間4井有差異。樊壩井自2008年7月起結(jié)束了快速下降變化，出現(xiàn)緩慢波動(dòng)下降，2011年出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折上升變化。清水井2008年12月結(jié)束了快速下降變化狀態(tài)，2009年起變差率出現(xiàn)了緩慢下降，2011年出現(xiàn)轉(zhuǎn)折上升變化。兩水井在汶川地震前變差率總體以波動(dòng)下降變化為主，地震后出現(xiàn)快速下降變化，2009結(jié)束了快速下降變化，以波動(dòng)變化為主，2011年起出現(xiàn)大幅波動(dòng)上升變化。成縣井在汶川地震前后都以快速下降為主，2010年5月下降速率減緩。

3.4從屬函數(shù)異常特征及趨勢速率異常特征分析

趨勢速率方法與從屬函數(shù)方法都表示某一時(shí)段內(nèi)時(shí)間序列斜率大小，都是對線性相關(guān)性綜合特征的描述。兩種方法得到的結(jié)果總體基本相似（圖3）。汶川地震前4井水溫從屬函數(shù)μ值和趨勢速率值呈現(xiàn)明顯的高值變化（圖2），且μ值、v值都大于0.5，總體呈下降趨勢。

圖3 4井水溫經(jīng)4種方法處理后的曲線圖

成縣井μ值2008年2月前超過0.6，3月急速降至0，汶川地震后又急速回升，數(shù)值超過0.6，9月份后從屬函數(shù)值為0。樊壩井和清水井從屬函數(shù)值變化形態(tài)相似，汶川地震前后一段時(shí)間μ值超過0.5；地震前μ值快速下降，地震發(fā)生后μ值轉(zhuǎn)平，不久又快速下降，2008年底后μ值再次低于0.5。兩水井μ值變化有一定的特點(diǎn)，幾乎呈正弦波形態(tài)變化，每年5～6月出現(xiàn)高峰值，當(dāng)年12月至次年1～2月出現(xiàn)低峰值；2007年、2008年的μ高峰值都大于0.5，明顯大于以后各年份峰值幅度。

4 結(jié)論與討論

（1）4井在汶川地震前水溫測值都出現(xiàn)了明顯的快速上升變化，這種變化是漂移還是異常？兩水水溫是2001年開始觀測，資料積累了很多年，也就在汶川地震前存在快速上升變化，在本文中為了和其他水溫井比較所以選取了2007年以來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比。其他3井的變化形態(tài)總體和兩水水溫測值的變化趨勢相似，2007年以來呈現(xiàn)快速上升，但速率卻呈現(xiàn)逐漸下降的變化。這種趨勢上升變化的水溫資料，異常信息都已淹沒在趨勢上升的背景變化里了。本文定量計(jì)算了4井水溫一階差分值、月變差率、從屬函數(shù)、趨勢速率，發(fā)現(xiàn)4井在汶川地震前后有著幾乎相似或相近的變化形態(tài)，其值都是震前處于高值區(qū)域，而且測值變化是由高向低快速下降。

（2）但對于水溫異常特征，目前多處于定性研究階段，主要是水溫異常與地震的對應(yīng)關(guān)系的定性分析，定量的研究較少。對于長期漂移上升（下降）型，采用一定的數(shù)學(xué)方法可以更好地提取地震前兆異常。差分法、月變差率法、從屬函數(shù)法、趨勢速率法等數(shù)學(xué)方法就是非常好的前兆異常提取方法。這些方法，對于我們今后在處理、分析長趨勢漂移上升（下降）型地震前兆觀測數(shù)據(jù)時(shí)，具有極其重要的作用，為今后利用水溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)報(bào)地震探索開辟了一條新路徑。

（3）在地震前兆異常研究中盡管有了一定的認(rèn)識，但這種認(rèn)識仍然還是比較零散的。此外，不同震級水平的地震，其震兆特征差異性可能很大。由于地震屬于小概率事件，特大地震發(fā)生的概率特別小，而現(xiàn)在研究的地震前兆多是4～6級地震的前兆，對于8級以上地震前兆的研究非常少，所以在面臨地震前兆異常判斷時(shí)，可能會(huì)不知不覺中以“小”代“大”。由于汶川地震是近幾十年來發(fā)生在甘東南毗鄰區(qū)最大的一次地震，而這4井水溫觀測時(shí)間又不長，汶川地震前，對此4口井的變化難免認(rèn)識不足，因此，對這些水溫井前兆異常進(jìn)行再分析、再認(rèn)識非常有必要。

（作者電子信箱，蒲小武：wdpuxw＠163.com）

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Characteristics analysis on the abnormal changes of the water temperature before and after the Wenchuan MS8.0form 4 wells located in southeast of Gansu

Pu Xiaowu，Mei Donglin，Chen Yanping，Ye Yuanyuan，Wang Junyan，Xu Kejuan
（Longnan Seismic Station，Earthquake Administration of Gansu Province，Gansu Longnan 746000，China）

This paper systematically analyzes water temperature observation data since 2007from 4wells Chenxian，F(xiàn)anba，Qingshui and Liangshui which are located in southeast of Gansu.It is found in 2008，before and after the May 12wenchuan MS8.0，water temperature of 4wells appeared different degree of precursory anomaly changes，but most abnormal precursory informations submerged in the background of the rising trend.In order to extract precursory anomaly information，methods such as the difference method，the variable rate method，the subordinate function method and trend rate method which are often used in fluid data processing are adopted to exact the abnormal precursory information，and analyze the changes of water temperature anomalies.

water temperature anomaly；difference；variable rate；subordinate function；trend rate

P315.72＋3；

： A；

10.3969／j.issn.0235－4975.2014.02.004

2013－09－09；

2013－09－22。

中國地震局蘭州地震研究所地震科技發(fā)展基金野外站基金（2013096）。