遼寧阜新井水溫破年變與加速下降原因分析

王喜龍 賈曉東 王海燕 李彤霞 付聰孔祥瑞 張琪 翟麗娜

遼寧省地震局，沈陽(yáng)市皇姑區(qū)黃河北大街44號(hào)110034

0 引言

地下流體是地殼中最活躍的介質(zhì)，當(dāng)它形成具有一定封閉條件的承壓系統(tǒng)時(shí)，就能夠客觀、靈敏地反映地殼應(yīng)力、應(yīng)變信息（楊竹轉(zhuǎn)等，2014）。其中，地下流體中水溫的變化是利用短臨異常預(yù)測(cè)地震發(fā)生時(shí)間的一項(xiàng)重要指標(biāo)，微小的水溫變化有可能反映地震孕育過(guò)程或其他地殼構(gòu)造活動(dòng)所引起的熱狀態(tài)的變化（田華等，1994；劉耀煒等，2006；張彬等，2014）。劉耀煒等（2008）通過(guò)對(duì)云南寧洱6.4級(jí)地震前云南地區(qū)群體性水溫異常進(jìn)行分析認(rèn)為，群體性前兆異常有利于識(shí)別震前異常并提出地震預(yù)測(cè)意見(jiàn)；何案華等（2012）通過(guò)對(duì)青海地區(qū)兩口水溫觀測(cè)井的異常分析認(rèn)為，水溫異常對(duì)判斷未來(lái)發(fā)震時(shí)間有著重要的意義。但是，并非所有的地下水異常變化都與地震孕育或其他地殼構(gòu)造活動(dòng)有關(guān)，地下水觀測(cè)井的水溫變化也常常受到降雨、河流流量、地下水開(kāi)采等水文因素的干擾（黃輔瓊等，2005；王旭升等，2010；孫小龍等，2013）。近年來(lái)，我國(guó)隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)和城市化進(jìn)程的飛速發(fā)展，對(duì)資源的需求量也日益增加，尤其是地下水資源超采現(xiàn)象日益嚴(yán)重，開(kāi)采層位也越來(lái)越深。因此，地下水異常變化（水溫和水位）既可能是區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)作用的結(jié)果，也可能是水文因素的干擾所致。因此，如何有效地識(shí)別地下水異常的原因，是當(dāng)前利用地下流體資料進(jìn)行地震預(yù)測(cè)的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題之一。

阜新水溫觀測(cè)井水溫觀測(cè)數(shù)據(jù)自2015年8月開(kāi)始出現(xiàn)破年變下降變化，至2016年3月開(kāi)始出現(xiàn)加速下降（圖1）。該水溫井位于遼-蒙交界地區(qū)，周邊斷裂構(gòu)造發(fā)育，歷史上曾發(fā)生過(guò)多次中強(qiáng)地震，如2003年內(nèi)蒙古巴林左旗MS5.9地震、2004年內(nèi)蒙東烏珠MS5.9地震和2013年內(nèi)蒙古科爾沁M(jìn)S5.3等中強(qiáng)地震均發(fā)生在周邊一定區(qū)域內(nèi)，造成了一些人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。那么阜新井水溫?cái)?shù)據(jù)破年變加速下降變化究竟與區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)有關(guān)，還是由該地區(qū)地下水文因素的干擾所致？筆者對(duì)此進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)落實(shí)與分析。

圖1 阜新井水溫整點(diǎn)值

1 阜新井構(gòu)造環(huán)境與水溫異常特征

阜新水溫觀測(cè)井位于阜新市松濤湖風(fēng)景區(qū)東南阜新地震臺(tái)前院（42.05°N，121.60°E）。轄區(qū)地處遼西半干旱低山丘陵區(qū)，年均降雨量為450～550mm，降雨主要集中在每年7～9月，地表水系屬季節(jié)河流。該井區(qū)域上位于陰山EW向構(gòu)造帶與新華夏系構(gòu)造帶交接部位阜新隆起地區(qū)的阜新斷裂盆地北部，北西為弩魯爾虎山余脈，東南為醫(yī)巫閭山及阜新盆地，附近主要斷裂有北部的赤峰-開(kāi)原斷裂、西部的朝陽(yáng)-北票斷裂和東部的醫(yī)巫閭山西側(cè)斷裂（圖2）。區(qū)內(nèi)巖石主要以侏羅系上統(tǒng)和侏羅紀(jì)侵入巖為主，零星分布有太古界和晚古生界侵入巖，沉積巖主要以砂巖、礫巖和頁(yè)巖為主，臺(tái)址周圍出露有侏羅系上統(tǒng)吐呼魯組巖漿巖。

阜新水溫井目前觀測(cè)測(cè)項(xiàng)包括水溫（觀測(cè)儀器：SZW-1A）、氣氡（觀測(cè)儀器：SD-3A）和水汞（觀測(cè)儀器：RG-BS），體應(yīng)變井位于水溫井東約16m處，測(cè)項(xiàng)有體應(yīng)變（觀測(cè)儀器：TJ-Ⅱ），輔助測(cè)項(xiàng)有鉆孔溫度（觀測(cè)儀器：TJ-Ⅱ）、水位（觀測(cè)儀器：TJ-Ⅱ）和氣壓（觀測(cè)儀器：TJ-Ⅱ）。水溫觀測(cè)井井深60.47m，水溫探頭放置在井下48.07m，觀測(cè)水層為花崗巖裂隙水（圖3）。該井于2002年1月開(kāi)始正式觀測(cè)，2005年9～12月阜新臺(tái)進(jìn)行了臺(tái)站庭院改造，其間將原體應(yīng)變觀測(cè)井改造成流體觀測(cè)專用井，2006年1月1日改造完成并恢復(fù)觀測(cè)。2008年10月21日因數(shù)采故障造成水溫?cái)?shù)據(jù)中斷，于2009年1月升級(jí)為“十五”數(shù)字化水溫觀測(cè)，采用SZW-1A型數(shù)字式溫度計(jì)，產(chǎn)出的數(shù)據(jù)連續(xù)、可靠，觀測(cè)資料完整率大于95%。

2010年5月阜新井水溫曾出現(xiàn)趨勢(shì)性轉(zhuǎn)折下降變化，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)異常核實(shí)，未發(fā)現(xiàn)環(huán)境干擾與儀器故障，因此確定為異常。2012年之后水溫雖呈持續(xù)趨勢(shì)性下降，但下降速率開(kāi)始逐年減緩，并出現(xiàn)了具有年變規(guī)律的下降—轉(zhuǎn)平—下降的動(dòng)態(tài)變化，該年變規(guī)律持續(xù)至2015年8月17日，年變現(xiàn)象消失，水溫出現(xiàn)破年變下降變化，至2016年3月28日開(kāi)始出現(xiàn)加速下降變化（圖1）。

圖2 阜新地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造

圖3 阜新水溫井井孔剖面圖

圖4 阜新臺(tái)景區(qū)地質(zhì)與環(huán)境示意圖

2 異常概況

阜新井水溫測(cè)項(xiàng)自觀測(cè)以來(lái)的資料顯示，水溫變化基本不受當(dāng)?shù)亟涤?、地表水灌溉和附近風(fēng)景區(qū)水庫(kù)蓄水的影響?；谂_(tái)站工作人員對(duì)該井水溫變化的初步調(diào)查結(jié)果，筆者對(duì)該井水溫、水汞和氣氡等觀測(cè)資料進(jìn)行了分析，并查閱相關(guān)水溫異常變化資料，結(jié)合“水-熱動(dòng)力學(xué)關(guān)系”機(jī)制對(duì)該井水溫加速下降現(xiàn)象分析后認(rèn)為，造成這種變化的原因可能為井孔的“熱”補(bǔ)給出現(xiàn)減少或“冷”補(bǔ)給出現(xiàn)增加。根據(jù)《地震前兆異常落實(shí)工作指南》（中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司，2000）中關(guān)于水溫異常的落實(shí)方法，本文從觀測(cè)技術(shù)系統(tǒng)（觀測(cè)儀器系統(tǒng)、供電系統(tǒng)和觀測(cè)條件等）、自然環(huán)境（地下水、地表水、降水和偶然事件等）、人類活動(dòng)（地下水開(kāi)采、采礦活動(dòng)和農(nóng)田灌溉等）以及數(shù)據(jù)分析等幾個(gè)方面對(duì)阜新井水溫異常變化開(kāi)展了進(jìn)一步的深入調(diào)查核實(shí)和資料分析工作。

在調(diào)查核實(shí)工作中，儀器維修專家及臺(tái)站工作人員通過(guò)對(duì)觀測(cè)儀器的工作系統(tǒng)和供電系統(tǒng)等設(shè)備進(jìn)行檢查，判定觀測(cè)技術(shù)系統(tǒng)運(yùn)行正常，并未出現(xiàn)線路及系統(tǒng)故障等問(wèn)題，排除了水溫儀主機(jī)和電源等設(shè)備故障的可能。通過(guò)對(duì)阜新臺(tái)周邊地區(qū)一定范圍內(nèi)的走訪調(diào)查發(fā)現(xiàn)，阜新水溫井距最近礦山約為15km，距鐵路約為12km，礦山開(kāi)采及鐵路修建等對(duì)水溫?cái)?shù)據(jù)基本無(wú)影響。此外，值得一提的是，水溫井西北方向約150m處有1個(gè)小型水庫(kù)，名為四合水庫(kù)，但庫(kù)水日常并不作為農(nóng)田灌溉等用，主要供該區(qū)域風(fēng)景區(qū)觀賞使用。經(jīng)調(diào)查得知，水庫(kù)為建國(guó)初期所建，早于水溫井打井時(shí)間，通過(guò)對(duì)阜新井周邊一定范圍內(nèi)進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查得知，四合水庫(kù)周圍主要地層為近NE走向、傾向NW的板巖，而阜新臺(tái)水溫井則位于一條呈NE走向的花崗巖脈上（圖4），觀測(cè)井水為花崗巖裂隙水。阜新臺(tái)在建井前后經(jīng)過(guò)反復(fù)論證認(rèn)為，水庫(kù)對(duì)流體井觀測(cè)并無(wú)影響，且自2015年8月以來(lái)，該水庫(kù)也無(wú)抽水、放水等行為，水庫(kù)水位亦無(wú)變化，因此，基本可排除水庫(kù)對(duì)水溫破年變加速下降的影響。

經(jīng)調(diào)查得知，東北方向距阜新水溫井約1km處有一個(gè)在建的綜合性旅游項(xiàng)目，該項(xiàng)目于2015年4月初正式奠基啟動(dòng)，主要包括水上樂(lè)園、滑雪場(chǎng)和度假山莊等3個(gè)項(xiàng)目。為保證水上樂(lè)園用水，開(kāi)發(fā)商在2015年奠基儀式之后打了1口深水井，但在現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)過(guò)程中我們未獲得該井的詳細(xì)資料，僅了解到該井井深約1800m，具體完井日期不詳，2015年8月開(kāi)始抽水，至2016年1月該井用于對(duì)新建池塘進(jìn)行階段性大規(guī)模蓄水。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，2015年8月與2016年1月2次新井抽水時(shí)間與阜新井水溫變化時(shí)間基本一致。此外，通過(guò)地質(zhì)調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，水溫井與新打井同時(shí)位于NE向的花崗巖脈上（圖4）。那么水溫變化是否由新井抽水干擾所致呢？對(duì)此筆者從氣象條件、鄰井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)比、同井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)比等方面進(jìn)行了干擾分析。

3 異常分析與性質(zhì)判定

車用太等（2011）對(duì)中國(guó)大陸地下水異常干擾特征進(jìn)行了總結(jié)，提出了識(shí)別地下水干擾異常的4個(gè)“相關(guān)性”原則，即成因上的相關(guān)性、空間上的相關(guān)性、時(shí)間上的相關(guān)性與強(qiáng)度上的相關(guān)性。本文基于該4項(xiàng)原則從不同方面對(duì)阜新井水溫異常變化進(jìn)行分析與判定。

3.1 氣象因素

收集了阜新市區(qū)2012～2016年歷年8月份的最高氣溫與最低氣溫?cái)?shù)據(jù)（數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象局歷史天氣網(wǎng)）（圖5）。由圖5可見(jiàn)，將2015年8月份的最高、最低氣溫分別與其它4年8月份的進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，溫度波動(dòng)幅度與變化特征基本相似，未出現(xiàn)顯著異常變化，因此，基本排除氣溫對(duì)水溫變化造成的干擾。

圖5 阜新地區(qū)2012～2016年間8月份每天的最高（a）、最低（b）氣溫變化

3.2 鄰井及同井觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

3.2.1 鄰井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)比

水溫井東、距其約16m處有1口體應(yīng)變觀測(cè)井，井深亦為60m，體應(yīng)變觀測(cè)儀器置于井底，鉆孔輔助水位探頭放置在井下22.8m處，該井孔圍巖與水溫井圍巖一致，均為花崗巖，所觀測(cè)水層亦為花崗巖裂隙水。由于2口井間距離較近且圍巖同為花崗巖，前人從建井開(kāi)始便對(duì)2口井進(jìn)行過(guò)反復(fù)的調(diào)查與分析，結(jié)果顯示，該地區(qū)地下水徑流方向與該地區(qū)地形（東北高、西南低）基本一致，即地下水徑流方向?yàn)橛杀睎|流向南西，2口井含水層相互連通（盧群等，2003）。

圖6為阜新井體應(yīng)變及輔助水位整點(diǎn)值，表1為阜新井水溫、體應(yīng)變及體應(yīng)變輔助水位等發(fā)生轉(zhuǎn)折的變化時(shí)間。由圖6及表1可見(jiàn)，2014年9月之后體應(yīng)變觀測(cè)數(shù)據(jù)變化相對(duì)較平穩(wěn)，整體呈上升趨勢(shì)變化，但2015年8月14日開(kāi)始出現(xiàn)轉(zhuǎn)折下降變化，至2015年11月20日出現(xiàn)轉(zhuǎn)折上升，2016年1月29日再次出現(xiàn)轉(zhuǎn)折下降，如此反復(fù)變化共有3次。輔助鉆孔水位觀測(cè)數(shù)據(jù)變化則更為明顯，2015年8月前水位變化相對(duì)較平穩(wěn)，2015年8月14日之后水位數(shù)據(jù)同樣出現(xiàn)反復(fù)的上升-下降變化，且水位發(fā)生轉(zhuǎn)折變化時(shí)間與體應(yīng)變的變化時(shí)間基本一致。

圖6 阜新井體應(yīng)變（a）及輔助水位（b）整點(diǎn)值曲線

表1 阜新井前兆測(cè)項(xiàng)變化時(shí)間表

3.2.2 同井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)比

阜新流體觀測(cè)井除進(jìn)行水溫觀測(cè)外，還進(jìn)行氣氡、水汞觀測(cè)。從水汞、氣氡的變化曲線可見(jiàn)（圖7），自2010年以來(lái)該井水汞數(shù)據(jù)總體變化平穩(wěn)，未出現(xiàn)上升、下降等異常變化；氣氡觀測(cè)數(shù)據(jù)雖經(jīng)常因水管堵塞造成測(cè)值偏低，但整體上仍具有較好的夏低、冬高的年變規(guī)律。從2015年以來(lái)的水汞、氣氡數(shù)據(jù)變化可見(jiàn)，2015年8月新打井開(kāi)始抽水后，水汞、氣氡測(cè)項(xiàng)并未出現(xiàn)明顯的異常變化，這可能與水汞、氣氡觀測(cè)泵的抽水量相對(duì)較小以及觀測(cè)水層之間存在一定的關(guān)系，而2016年1月開(kāi)始大規(guī)模抽水后，水汞、氣氡數(shù)據(jù)幾乎同時(shí)（2016年6月6日）下降變化，對(duì)比水位數(shù)據(jù)可以看出，該時(shí)段體應(yīng)變井水位已下降至超出觀測(cè)限，說(shuō)明大強(qiáng)度的抽水對(duì)水位觀測(cè)造成了一定的影響。經(jīng)過(guò)交涉，將新打井強(qiáng)制停止抽水后，水汞、氣氡等測(cè)項(xiàng)數(shù)值2016年8月開(kāi)始逐漸恢復(fù)，恢復(fù)時(shí)間正好與體應(yīng)變及輔助水位出現(xiàn)轉(zhuǎn)折恢復(fù)的時(shí)間相對(duì)應(yīng)，這也進(jìn)一步證明阜新井水溫、體應(yīng)變等前兆觀測(cè)測(cè)項(xiàng)出現(xiàn)的異常為附近新井抽水的干擾。而對(duì)于水汞、氣氡數(shù)據(jù)的下降變化時(shí)間滯后于阜新臺(tái)水溫、體應(yīng)變和鉆孔水位的變化時(shí)間，則可能與抽水量、觀測(cè)儀器工作狀態(tài)及觀測(cè)方式等有關(guān)。

圖7 阜新井氣氡（a）及水汞（b）日均值

4 結(jié)論

綜上所述，由于現(xiàn)場(chǎng)落實(shí)過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)儀器觀測(cè)系統(tǒng)造成的干擾，且對(duì)歷年氣溫進(jìn)行分析，未發(fā)現(xiàn)2015年8月的異常變化，故基本排除氣象因素的干擾。通過(guò)對(duì)阜新水溫井的同井、鄰井各測(cè)項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，阜新井水溫、體應(yīng)變和輔助鉆孔水位數(shù)據(jù)變化與附近新打井在成因、空間、時(shí)間和強(qiáng)度上都明顯存在相關(guān)性，因此，結(jié)合該區(qū)域地質(zhì)特征認(rèn)為，阜新井水溫的變化為附近新打井抽水所致。

致謝：在資料收集及論文寫作過(guò)程中得到了阜新臺(tái)有關(guān)人員的大力協(xié)助，在此表示感謝。