江蘇蘇05井、蘇06井水溫近年來典型異常特征分析及其機(jī)理討論1

葉碧文 王 維 繆阿麗 李 峰

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江蘇蘇05井、蘇06井水溫近年來典型異常特征分析及其機(jī)理討論1

葉碧文 王 維 繆阿麗 李 峰

（江蘇省地震局，南京 210014）

近10年歷史震例的分析表明，江蘇蘇05井、蘇06井水溫觀測資料異常與江蘇及鄰省中等地震有很好的對應(yīng)關(guān)系。本文對2010年后兩口井的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，總結(jié)了蘇05井、蘇06井水溫測項在震前的典型異常特征：①異常表現(xiàn)為打破上升趨勢的下降變化；②震前異常持續(xù)時間為2—3個月左右，映震范圍在300km左右；③兩口井的震前異常幅度在0.003℃左右。根據(jù)總結(jié)的異常特征并結(jié)合水溫與井孔結(jié)構(gòu)關(guān)系、水溫與水位的關(guān)系、不同層位水溫觀測原理以及水化分析結(jié)果等，對異?？赡艿某梢蜻M(jìn)行了初步探討。

水溫觀測 異常特征 異常成因

引言

在中強(qiáng)地震前，地下流體水溫觀測能夠表現(xiàn)出相應(yīng)的異常變化，這對地震預(yù)測預(yù)報有實質(zhì)性的指示意義。在前人的研究結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，水溫的異常變化在中強(qiáng)震時段會更加明顯，如1988年云南瀾滄-耿馬7.6級地震（楊繼登等，1999）、1995年云南孟連中緬邊界7.3級地震（付虹等，1997）、1989年大同6.1級地震（車用太等，2008）、1998年張北6.2級地震（車用太等，2003）以及2005年九江5.7級地震（徐桂明等，2010）等。云南瀾滄-耿馬7.6級地震震前有7個觀測點(diǎn)記錄到水溫前兆異常，異常反應(yīng)以景谷最為突出，震前溫度大幅突降；張北6.2級地震震前水溫出現(xiàn)顯著的大幅突升異常變化；2005年九江地震前蘇05井水溫出現(xiàn)幅度較大的下降異常變化。這些異常變化在觀測過程中發(fā)揮了重要的作用，說明水溫觀測對地震預(yù)測預(yù)報具有重要意義。根據(jù)前人的研究結(jié)果，目前對地下流體水溫前兆異常的機(jī)理解釋有地下熱異常上升模式（蔡永恩等，1992）、應(yīng)力-耗散模式（王慶良等，1998）和水動力學(xué)模式（魚金子等，1997；車用太等，2008），每個模式對解釋震前水溫的異常變化都有一定的合理性。本文主要討論了蘇05井、蘇06井水溫測項震前的異常變化特征和地震的關(guān)系，并總結(jié)歸納蘇05井、蘇06井水溫2010年以來的典型前兆異常特征。通過多種分析方法及前人的研究結(jié)果來初步探討蘇05井、蘇06井水溫前兆異常的機(jī)理。

1 井孔概況及異常特征分析

1.1 蘇05井、蘇06井概況

江蘇蘇05井觀測站位于宿遷市關(guān)廟鎮(zhèn)農(nóng)科村，在地質(zhì)構(gòu)造上位于郯廬斷裂帶東側(cè)，沭陽凹陷內(nèi)，為沭陽凹陷南緣次一級凹陷盆地，距離郯廬斷裂帶約23km。觀測站周圍為農(nóng)田，觀測環(huán)境無明顯干擾，含水層埋藏于573m以下，埋藏較深，缺乏直接補(bǔ)給，水循環(huán)緩慢，其上泰州組地層構(gòu)成良好的隔水頂板，使該含水層具有一定的封閉性，不受表層水影響。該井井深976.26m，套管深975m，觀測層埋深827—862m，射孔部位833—857m。蘇05井水溫觀測儀器為SZW-1A數(shù)字水溫儀，分辨力為0.0001℃，采樣周期為1分鐘，含水層巖性主要為細(xì)砂巖（圖1）。水溫的日變形態(tài)為震蕩型（圖2），年動態(tài)為緩慢上升變化，水溫受降水、氣壓影響較小。

江蘇蘇06井位于江蘇淮安市金湖縣陳橋鎮(zhèn)，地質(zhì)構(gòu)造上位于郯廬斷裂帶東側(cè)、金湖凹陷劉莊構(gòu)造興隆集高點(diǎn)，井深2364 m，套管深2008 m，水溫探頭埋深400 m，觀測含水層埋深大于2000 m，大范圍內(nèi)未出露地表，缺乏直接補(bǔ)給，水循環(huán)緩慢，該含水層具有一定的封閉性，因此該井水溫觀測數(shù)據(jù)受降水的影響較小。蘇06井水溫觀測儀器為SZW-1數(shù)字水溫儀，采樣周期為1分鐘，含水層巖性主要為灰?guī)r（圖1）。日變形態(tài)為震蕩型，年動態(tài)為緩慢上升型（圖2）。蘇05井、蘇06井在2000年進(jìn)行過數(shù)字化改造，自2001年開始其觀測資料用于地震分析預(yù)報工作。改造后的觀測資料表明水溫儀性能穩(wěn)定、采樣率高、故障率低，資料連續(xù)可靠。

圖1 蘇05、06井井孔柱狀圖（江蘇省地震局，2008）

圖2 蘇05井、蘇06井整點(diǎn)值波動變化

1.2 異?；咎卣鞣治?/h3>

1.2.1 資料的選取

本文選取的水溫資料為蘇05井和蘇06井的整點(diǎn)觀測值，選用的時間段為2010年1月1日—2016年11月30日的前兆觀測資料，地震資料從全國地震目錄中逐級檢索。檢索標(biāo)準(zhǔn)比繆阿麗等（2014）以及《地震地下流體理論基礎(chǔ)及觀測技術(shù)》（中國地震局監(jiān)測預(yù)報司，2007）和《地下流體地震預(yù)報方法》（國家地震局預(yù)測預(yù)防司，1997）中對區(qū)域內(nèi)中等地震預(yù)測能力普適性選取原則的檢索范圍稍作放寬，對研究區(qū)域（29.5°—35.5°N，115.5°—122.5°E）內(nèi)發(fā)生的L≥3.9地震進(jìn)行了選取，在研究區(qū)域內(nèi)的19次3.9級以上地震中選取12次理論上對預(yù)報效能有所貢獻(xiàn)的地震（圖3）。

圖3 選取地震的震中分布圖

1.2.2 蘇05井、蘇06井典型異常特征分析

如圖4所示，蘇05井水溫從2010年初開始整體呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢，而在某些時間段出現(xiàn)下降變化。在這些下降變化過程中，有8次對應(yīng)了江蘇及鄰區(qū)發(fā)生的中等地震，分別為2011年1月19日安徽安慶L4.8級地震、2011年10月15日黃海L3.9級地震、2012年7月20日江蘇高郵寶應(yīng)L5.3級地震、2012年8月25日黃海L4.8級地震、2013年11月23日山東萊州L4.9級地震、2014年4月20日安徽霍山L4.7級地震、2015年5月22日山東文登L4.6級地震和2016年10月20日江蘇射陽L4.7級地震。其中2012年7月20日江蘇高郵寶應(yīng)L5.3級地震前的異常現(xiàn)象較為突出，蘇05井水溫觀測數(shù)據(jù)自2012年2月開始出現(xiàn)轉(zhuǎn)平跡象，該現(xiàn)象維持到2012年6月19日，2012年6月20日出現(xiàn)快速下降變化，7月20日發(fā)生地震。地震前的短臨異常持續(xù)時間約為30天，下降幅度為0.003℃。

蘇06井水溫2011年以來整體呈緩慢上升的趨勢變化（圖5），在2011—2016年期間江蘇及鄰區(qū)發(fā)生的地震中有11次與06井水溫異常變化有較好對應(yīng)關(guān)系，分別為2011年10月15日黃海L3.9級地震、2012年4月8日江蘇金湖L4.1級地震、2012年7月20日江蘇高郵寶應(yīng)L5.3級地震、2012年8月25日黃海L4.8級地震、2013年1月19日江蘇灌云L3.9級地震、2013年11月23日山東萊州L4.9級地震、2014年4月20日安徽霍山L4.7級地震、2015年3月14日安徽阜陽L4.7級地震、2015年5月22日山東文登L4.6級地震、2015年8月26日黃海L4.3級地震和2016年10月20日江蘇射陽L4.7級地震。其中2011年10月25日黃海L3.9級地震前異常現(xiàn)象較為突出，水溫觀測數(shù)據(jù)在2011年9月中旬出現(xiàn)快速下降，短臨異常持續(xù)時間約為22天，下降幅度為0.0015℃。

圖4 蘇05井水溫幾次中等地震典型異常圖

圖5 蘇06井水溫幾次中等地震典型異常圖

我們在對蘇05井、蘇06井自2010年以來的水溫觀測資料進(jìn)行梳理的過程中發(fā)現(xiàn)，蘇05井水溫在觀測過程中出現(xiàn)9次水溫異常，其中有8次和周圍發(fā)生的中等地震有較好的對應(yīng)關(guān)系，1次漏報。蘇06井水溫在觀測過程中出現(xiàn)了16次水溫異常，其中有11次和周圍發(fā)生的中等地震有較好的對應(yīng)關(guān)系，5次漏報。根據(jù)總結(jié)的資料進(jìn)行了統(tǒng)計分析，得出一些結(jié)果（表1）。

表1 蘇05井、蘇06井水溫典型異?；咎卣?/p>

（1）蘇05井、06井水溫觀測值的正常時段呈趨勢緩慢上升形態(tài)，正常時段的日值一階差分變化小于0.0003℃。兩口井的異常特征形態(tài)類似，所有異常都表現(xiàn)為打破上升趨勢的下降變化，地震發(fā)生在下降或者恢復(fù)的過程中。

（2）蘇06井水溫的震前異常持續(xù)時間基本在1個月左右，而部分地震的震前異常只有10天左右，異常具有很大的短臨突變特征，蘇05井水溫的震前異常持續(xù)時間基本在2個月左右。

（3）與徐桂明等（2010）的2001—2007年度蘇05井、蘇06井水溫觀測資料統(tǒng)計結(jié)果進(jìn)行對比時發(fā)現(xiàn)，蘇05井水溫的異常幅度在2011年為0.01—0.1℃左右，2011年后則是在0.001—0.004℃左右。2007年以前蘇06井水溫異常幅度在0.003—0.007℃左右，2011年以后在0.003℃左右（圖6）。針對這種現(xiàn)象，我們將在后續(xù)分析中給出解釋。

（4）徐桂明等（2010）的分析結(jié)果認(rèn)為，2001—2007年蘇05井、蘇06井異常映震震級基本在L3.5以上，利用其數(shù)據(jù)和本文總結(jié)的2011后的數(shù)據(jù)，我們對兩口井異常幅度和震級關(guān)系進(jìn)行對比，結(jié)果顯示2001—2007年蘇05井、06井的異常幅度和震級關(guān)系不明確（圖6），從異常時間與震中距關(guān)系來看，震中距較遠(yuǎn)的一般異常時間也較長（圖7）。

圖6 異常幅度和震級關(guān)系

圖7 異常時間和震中距關(guān)系

2 水溫異常變化相關(guān)問題的分析

2.1 干擾因素排除

2.1.1 觀測井的封閉性

蘇05井井深976.26m，套管深975m，觀測含水層在573m以下。蘇06井井深2364m，套管深2008m，水泥固井，觀測含水層埋藏于2000m以下。這兩口井都缺乏直接補(bǔ)給源，循環(huán)滯緩，具有很好的封閉性。這種封閉性也體現(xiàn)在日常的水位和水溫觀測中，即水位因長時間的緩慢滲透和承壓作用出現(xiàn)規(guī)則的年變特征；水溫觀測曲線正常時段變化幅度非常小，無年變，也不受降雨影響。另外，水位和水溫都未發(fā)現(xiàn)存在同震響應(yīng)和震后階躍現(xiàn)象。這些都說明這兩口井的封閉性很好，水位和水溫基本不受周圍淺層水的短期干擾影響。

2.1.2 水溫與水位的同步變化

蘇05井、蘇06井水位存在長期下降趨勢，水溫存在上升趨勢（圖8、圖9）。水位的下降趨勢和江蘇周圍的地下水開采有關(guān)。整體上蘇南大部分地區(qū)停止開采地下水，而蘇北大部分地區(qū)在2014年前仍然存在嚴(yán)重的地下水開采情況，這種情況導(dǎo)致蘇南水位普遍上升，蘇北地區(qū)水位普遍下降。因存在地下水開采不均衡的情況，就水溫觀測而言，在短時間內(nèi)，水位出現(xiàn)下降變化后，上層冷水效應(yīng)減弱，水溫呈現(xiàn)緩慢上升變化。從長期觀測結(jié)果來看，觀測數(shù)據(jù)顯示當(dāng)水位出現(xiàn)年變化時，水溫并沒有明顯年變化。簡單計算得出，蘇05井、蘇06井水溫水位的趨勢變化幅度比值約為0.012℃/m，參考這一比值，若水位的年變化幅度約為0.3m，水溫應(yīng)該變化0.0036℃。但實際觀測顯示，水溫呈線性上升，沒有年變，水位的年變化幅度沒有導(dǎo)致相應(yīng)的水溫變化，水溫日常變化受水位影響很小。而水溫出現(xiàn)低值異常時，水位本身沒有明顯變化，因此水溫的這種異常和水位的變化無關(guān)。

圖8 蘇05井水位和水溫日值曲線

2.2 區(qū)域應(yīng)力加載作用

2.2.1 水化學(xué)分析

杜建國等（2000）、張煒斌等（2013）認(rèn)為地下流體在巖石圈尺度能量傳遞和物質(zhì)運(yùn)移方面有著重要作用，在此過程中攜帶的大量信息也能夠反映一些地震活動特點(diǎn)；地下水在循環(huán)過程中發(fā)生水巖反應(yīng)，改變熱水組分的濃度，不同含水層或是相同含水層不同部位的地下水化學(xué)類型大不相同（Giggenbach，1988）；蘇鶴軍等（2006）認(rèn)為氫氧同位素的研究對于跟蹤流體-巖石相互作用過程中流體的時間積累、流量、流動方向和組成具有重要意義，這為地震地下流體的研究提供了重要的理論依據(jù)。

圖9 蘇06井水位和水溫5日值曲線

2015和2016年中國地震臺網(wǎng)中心專家和江蘇省地震局相關(guān)人員一起對蘇06井及周圍水體進(jìn)行了樣本采集（因井孔觀測裝置原因，無法對蘇05井采集水樣），水樣離子組分濃度分析和同位素測試在中國地震局地殼應(yīng)力研究所完成2。遵循周志華等臺網(wǎng)中心專家們的研究思路，我們采用本次水化學(xué)采樣分析結(jié)果對蘇05井、蘇06井水溫異常變化做更進(jìn)一步的探索。Schoeller圖（圖10）顯示，蘇06井和其附近淺表水體成分差異大，不具相關(guān)性，這說明蘇06井水體與周圍淺表水體不存在水動力聯(lián)系；Na-K-Mg三角圖（圖11）顯示蘇06井水樣離子向部分平衡水靠近，說明存在深層水的補(bǔ)給；氫氧同位素結(jié)果（圖12）顯示，蘇06井水樣氫氧同位素比值遠(yuǎn)離大氣降水線，這表明蘇06井水體存在一定程度水巖作用。離子檢測結(jié)果也表明其Cl-、Ca+含量非常高，TDS超過5.5g/L，符合來源于深部封閉環(huán)境下水化學(xué)分帶特征。因此，根據(jù)前人的研究認(rèn)識結(jié)合蘇06井的水化學(xué)分析結(jié)果，我們認(rèn)為蘇06井周圍存在一定程度的區(qū)域構(gòu)造活動，而是否與地震活動有關(guān)，還需要更多的證據(jù)佐證。

2.2.2 水溫異常幅度的變化

從地震活動性來看，2011年3月11日發(fā)生日本宮城9級地震后，江蘇及鄰區(qū)的地震活動明顯增強(qiáng)（圖13），許多前兆觀測數(shù)據(jù)在2012年前后出現(xiàn)了明顯的轉(zhuǎn)折變化（圖14），王敏等（2011）通過GPS觀測資料分析日本宮城9級地震對中國大陸構(gòu)造形變場的同震影響，結(jié)果顯示地震造成我國東北和華北地區(qū)產(chǎn)生毫米至厘米級的同震水平位移，最大值為35mm。通過應(yīng)變分析發(fā)現(xiàn)，地震導(dǎo)致東北和華北地區(qū)一系列北北東走向的斷裂產(chǎn)生了不同程度的張性應(yīng)變；張風(fēng)霜等（2012）認(rèn)為日本大震后我國東部地區(qū)部分GPS基線開始轉(zhuǎn)折拉伸，因而一定程度上緩解了這些基線的趨勢性縮短，但是東部地區(qū)仍然有部分GPS基線的變化趨勢基本不受日本地震的影響，近幾年以來的趨勢性異常至今仍然存在。楊少敏等（2011）認(rèn)為我國東部地區(qū)距離日本W(wǎng)9.0地震的震中約2000—3000km，如果受到此次日本地震的影響，那么主導(dǎo)我國東部地區(qū)地震活動性的郯廬斷裂帶的構(gòu)造活動則十分值得關(guān)注，且郯廬與日本海溝地震帶的地震活動性在時間分布上具有一致性。結(jié)合江蘇地區(qū)地震活動性的變化和前兆觀測手段異常情況以及各位專家的研究成果，本文認(rèn)為此次日本地震發(fā)生后，江蘇及鄰區(qū)處于區(qū)域應(yīng)力場震后調(diào)整的過程中。而該地震導(dǎo)致的觀測環(huán)境的變化是前文中提到的蘇05井、蘇06井水溫異常幅度判據(jù)指標(biāo)在2011年后發(fā)生變化的主要原因之一。

圖10 Schoeller圖

圖11 Na-K-Mg三角圖

圖12 氫氧同位素結(jié)果

2.2.3 蘇06井水溫異常變化成因分析

蘇06井同時設(shè)有兩個層位的水溫觀測探頭，分別位于400m和800m（圖15），在長期觀測中發(fā)現(xiàn)，400m和800m水溫的年動態(tài)變化、多年動態(tài)變化并不完全一致（圖16），馬玉川等（2015）也對類似現(xiàn)象做過統(tǒng)計分析。但蘇06井兩個層位水溫異常形態(tài)均表現(xiàn)為快速下降變化，400m水溫震前的短臨變化尤為明顯，從異常的時間特征來看，異常變化通常發(fā)生在震前幾天到幾十天不等。陸明勇等（1995，2004）、馮英等（2013）認(rèn)為在孕震過程中，由于應(yīng)力長期積累，巖石出現(xiàn)微小裂縫并破裂和串通，一方面導(dǎo)致巖石體積膨脹（即擴(kuò)容），產(chǎn)生地殼變形；另一方面為地殼中包含的各種流體開通其活動和流通的渠道，從而使地下水等地下流體位置發(fā)生變化，并進(jìn)而影響地震的發(fā)生和前兆異常的產(chǎn)生。我們認(rèn)為蘇06井在地震前出現(xiàn)水溫的異常變化，特別是在地震前短臨階段，觀測到的顯著水溫異常變化與構(gòu)造應(yīng)力的作用下裂隙破裂和串通有關(guān)（米雅奇金，1983）。

圖13 江蘇及鄰區(qū)地震M-T和頻度圖（118°—124°E，33°—35°N）

圖14 江蘇及鄰區(qū)形變及電磁前兆異常圖像

圖15 震前水溫變化示意圖

圖16 蘇06井400m和800m水溫日值曲線

3 結(jié)論

本文在前人工作的基礎(chǔ)上，重新歸納總結(jié)了蘇05井、蘇06井水溫在震前的典型異常特征，并對震前水溫異常變化的可能原因進(jìn)行了討論，得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識：

（1）蘇05井、06井水溫觀測值呈趨勢上升變化，這種變化與當(dāng)?shù)氐叵滤_采導(dǎo)致的水位下降無關(guān)，不排除與區(qū)域構(gòu)造活動有關(guān)。兩口井的水溫觀測值正常時段短期擾動變化較少，長期呈趨勢上升形態(tài)，水溫的異常下降變化與周圍的中小地震關(guān)系密切。

（2）蘇05井、06井水溫震前表現(xiàn)為下降異常，2011年以后蘇05井、蘇06井水溫異常幅度判據(jù)指標(biāo)發(fā)生變化可能與2011年3月日本地震前后周圍應(yīng)力場調(diào)整導(dǎo)致的觀測環(huán)境的變化有關(guān)。而不同應(yīng)力作用周圍的裂隙狀態(tài)不同，因此不同構(gòu)造背景應(yīng)力階段、不同震級的地震前觀測測項的異常變化幅度可能并不一定存在規(guī)律性，做震例分析時有必要做更多的考慮。

（3）震前，構(gòu)造應(yīng)力作用導(dǎo)致了裂隙的破裂和串通，開通表層水活動和流通的渠道，進(jìn)而引起蘇06井水溫出現(xiàn)異常變化。而06井不同層位的水溫在震前表現(xiàn)不同，這一點(diǎn)也體現(xiàn)出異常的變化與觀測井的系統(tǒng)裝置、巖性結(jié)構(gòu)、周圍環(huán)境等都有關(guān)系，水溫探頭的放置應(yīng)根據(jù)測井的含水層結(jié)構(gòu)等情況進(jìn)行合理的設(shè)置。

致謝：感謝中國地震局臺網(wǎng)中心周志華副研究員提供的水化學(xué)分析結(jié)果。

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Characteristic Anomalous and Mechanism of Water Temperature of the Jiangsu No.05 well and No.06 Well before Earthquake

Ye Biwen, Wang Wei, Miao Ali and Li Feng

（Jiangsu Earthquake Agency, Nanjing 210014, China）

By analyzing history earthquakes occurred during recently 10 years we found that the water temperature anomalous of the Jiangsu Su No.05 well and Su No.06 well have good relationship with mid-earthquakes occurred in Jiangsu and neighboring province. In this paper we analyzed the data of the two wells since 2010 and summarized the typical characteristics of the water temperature of Su No.05 well and Su No.06 well as follows: 1) the anomalous shows decreasing trend, 2) the during time is among 2—3 months and the epicentrals are about 300km, 3) the anomalous amplitude is about 0.003℃. Finally we discussed the probable mechanism according to borehole structure, the relationship between water level and water temperature, the water temperature value observed in different levels and hydration analysis etc.

Water temperature observation；Short-term anomaly；Mechanism

葉碧文，王維，繆阿麗，李峰，2018．江蘇蘇05井、蘇06井水溫近年來典型異常特征分析及其機(jī)理討論．震災(zāi)防御技術(shù)，13（1）：125—137．

10.11899/zzfy20180111

江蘇省地震局青年科學(xué)基金項目（201509QY）資助

2 源自周志華2016年11月PPT《江蘇、安徽、山東異常核實地球化學(xué)分析》

2017-02-07

葉碧文，女，生于1987年。工程師。主要從事地震地下流體預(yù)報相關(guān)工作。E-mail：ybw585858@163.com