曲江地震觀測(cè)井水溫變化的實(shí)驗(yàn)分析

張立 蘇有錦 張磊 田雷 高文斐 應(yīng)繞睿 王云

摘要：通過(guò)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，對(duì)云南曲江地震觀測(cè)井水溫觀測(cè)出現(xiàn)的持續(xù)升溫變化進(jìn)行了成因分析，證明了觀測(cè)井泄流口的“堵塞”或“疏通”可產(chǎn)生水溫持續(xù)的變化。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)水溫可以記錄到固體潮效應(yīng)，對(duì)地殼動(dòng)力作用有響應(yīng)，地震觀測(cè)井水溫變化可用作地殼應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的分析。最后建議重新放置水溫探頭到更適宜的位置，以提高該井水溫觀測(cè)的映震能力。

關(guān)鍵詞：水溫；持續(xù)升溫；固體潮；曲江地震觀測(cè)井

中圖分類號(hào)：P315.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-0666（2018）02-0273-07

0 引言

在地下流體動(dòng)態(tài)觀測(cè)中，井水溫度對(duì)地震活動(dòng)的響應(yīng)很敏感（孫小龍，劉耀煒，2006），水溫微動(dòng)態(tài)過(guò)程能夠很好地反映地震孕育、發(fā)生及震后調(diào)整狀態(tài)。人們?cè)诶碚撋险J(rèn)為：地震是由于震源材料軟化所導(dǎo)致的。假設(shè)區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)在地震孕育過(guò)程中基本不變，震源區(qū)震前就存在著熱異常（蔡永恩等，1992）。有不少文獻(xiàn)描述地震前的地下熱異?，F(xiàn)象：如邢臺(tái)、海城地震前，震中區(qū)某些地方出現(xiàn)了凍土解凍；1976年云南龍陵7.3、7.4級(jí)地震前出現(xiàn)過(guò)震中溫泉水溫上升10℃以上；通海、唐山等地震前出現(xiàn)明顯地溫升高等（馬宗晉等，1982）。

因此，監(jiān)測(cè)捕捉地震孕育過(guò)程中的應(yīng)力一應(yīng)變過(guò)程所引起的地下水溫變化對(duì)于地震前兆觀測(cè)來(lái)說(shuō)尤為重要。由于地下水溫的觀測(cè)靈敏度較高，受外部環(huán)境影響等多方面因素較多，使水溫觀測(cè)資料的準(zhǔn)確分析變得復(fù)雜。為了得到盡可能準(zhǔn)確的異常分析結(jié)論，排除掉各種非地震干擾因素十分必要。本文通過(guò)對(duì)云南曲江地震觀測(cè)井水溫持續(xù)升溫這一重要現(xiàn)象進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、資料分析等，找到了引起典型干擾變化的原因，為分析地震地下水異常、研究地震水溫動(dòng)態(tài)觀測(cè)、排除干擾等觀測(cè)資料的分析提供了一個(gè)典型實(shí)例。

1 曲江地震觀測(cè)井概況

1.1 曲江地震觀測(cè)井背景

曲江地震觀測(cè)井（以下簡(jiǎn)稱曲江井）位于云南建水縣曲江盆地東南曲江鎮(zhèn)溫泉內(nèi)，距離建水縣約60km，處于通海山字形構(gòu)造前弧北西向曲江斷裂帶以南5km（圖1）。1982年3月成井，屬于自流型溫泉，井孔標(biāo)高1360m，井深101.23m，出水口水溫57.0℃，流量0.063L/s，觀測(cè)位置段為21.86～89.04m（篩管）。其地層巖性為石英砂巖，含少量泥質(zhì)及粉砂質(zhì)角礫，有少量細(xì)小裂隙緊接高溫?zé)嵩磾嗔褞?，裂面上有灰白色云母片，水質(zhì)類型為HCO3-Na，屬裂隙承壓水。

井孔處于高溫?zé)崴惓^(qū)內(nèi)，該自流熱水沿曲溪盆地邊緣，瀓江組砂巖與第三系接觸帶及砂巖中斷裂帶出露，井孔所處地形為中山地形區(qū)邊緣之溝谷（云南省地震局，2005）。

1.2 觀測(cè)系統(tǒng)及歷史資料

曲江井觀測(cè)項(xiàng)目（含輔助觀測(cè)）有：模擬水氡、氣壓，“九五”數(shù)字化水位、水溫、氣氡、氣汞及氣象三要素，新增數(shù)字化水位、水溫及氣象三要素等（表1）。該井在開(kāi)始觀測(cè)時(shí)，水位可以觀測(cè)到固體潮效應(yīng)，而水溫則記錄不到。

新增的數(shù)字化水溫放置探頭測(cè)的溫度隨深度變化如圖2所示，該井的最高溫度位置在20m左右深度處，為熱水補(bǔ)給型。在30～50m段水溫隨深度加深而上升，為正梯度變化；在20～30m段及50m以下段溫度則隨深度加深而下降，為負(fù)梯度變化。

2 曲江井水溫持續(xù)升溫特征

多年觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，曲江井水溫正常時(shí)動(dòng)態(tài)屬于平穩(wěn)變化，具有平穩(wěn)變化特征。而在2014年12月31日至2015年1月3日，水溫變化幅度顯著，出現(xiàn)持續(xù)上升的異常情況，共上升0.14℃，這段時(shí)間數(shù)據(jù)是非平穩(wěn)變化的（圖3a-1）。為了便于分析與比較，圖3a-2為圖3a-1的局部放大圖，下同。

通過(guò)新增的并行觀測(cè)數(shù)字化水溫記錄發(fā)現(xiàn)，其水溫變化走高趨勢(shì)與前者變化是一致的，變化幅度也大致相當(dāng)，其變化形態(tài)見(jiàn)圖3b-1所示。而自2014年3月26日該井新?lián)Q水溫探頭以來(lái)，在2014年10月6日景谷6.6級(jí)地震及12月7日景谷5.8、5.9級(jí)強(qiáng)震前2個(gè)月內(nèi)，該水溫出現(xiàn)過(guò)顯著波動(dòng)及持續(xù)下降2次明顯異常變化（圖3a-1，表2）。

對(duì)曲江井水溫、水位等觀測(cè)資料與其附近歷史地震的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象與車用太等（2008）在對(duì)1988年11月6日云南耿馬—瀾滄7.6級(jí)地震前云南景谷、大姚、彌渡、小哨等觀測(cè)井記錄到的顯著異常特征是相一致的，即“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。異常幅度一般為正常起伏幅度的幾至幾十倍，異常顯著而易識(shí)別，因此在地震短臨監(jiān)測(cè)中表現(xiàn)出特有的優(yōu)勢(shì)”。

3 水溫變化分析及實(shí)驗(yàn)

針對(duì)2014年12月31日至2015年1月3日曲江井水溫持續(xù)上升0.14℃這一顯著異常變化，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析組除了通過(guò)對(duì)儀器故障的排除、對(duì)環(huán)境改變可能引起干擾的分析以外，還進(jìn)行了4項(xiàng)實(shí)驗(yàn)及分析，以進(jìn)一步確認(rèn)水溫持續(xù)升高的原因。

3.1 泄流口堵塞-疏通實(shí)驗(yàn)

2015年1月15日，觀測(cè)人員發(fā)現(xiàn)泄流口水流量非常小，接近斷流，在16時(shí)43分疏通泄流口后，觀察到其后水溫持續(xù)下降，而水位先下降后反向上升，泄流口水溫也出現(xiàn)隨著流量增減而升降的過(guò)程，詳細(xì)變化記錄見(jiàn)圖3a-2、b-2、c-2、d-2中曲線。這一實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)泄流口的“堵塞”與“疏通”過(guò)程可使水溫產(chǎn)生升降。

結(jié)合井口裝置（圖4）和水溫隨深度變化曲線（圖2）來(lái)分析以上變化過(guò)程：通常情況下，該井水溫的最高溫度在20m左右深度處，為熱水補(bǔ)給型，溫度隨深度加深而下降。主井井口是封閉的，當(dāng)泄流口被堵塞時(shí)，主井水面上的熱水蒸汽氣壓增大，使得水位下降。高溫水增加并向下運(yùn)移，導(dǎo)致探頭觀測(cè)水溫上升，而泄流口水溫則隨流量減小而降低。疏通泄流口后水流量增加，泄流口溫度上升，高溫水外泄增加，探頭處觀測(cè)水溫下降，水位在主井水面上的熱水蒸汽氣壓降低后反向上升（圖3a-2，b-2，c-2，d-2）。因此，本文認(rèn)為水溫升高是泄流口堵塞所致。

為了進(jìn)一步證實(shí)泄流口“堵塞”、“疏通”對(duì)水溫、水位變化的分析結(jié)果，分析組于2015年I月24日12時(shí)進(jìn)行泄流口堵水實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)12時(shí)32分水溫開(kāi)始上升，至27日8時(shí)20分水溫上升了0.184℃。1月27日16時(shí)34分打開(kāi)出水口，16時(shí)38分水溫快速下降，至2月1日恢復(fù)至平常狀態(tài)。在這個(gè)過(guò)程中，水位也產(chǎn)生了相應(yīng)的微小變化（圖3a-2，b-2，c-2，d-2）。

前后2組實(shí)驗(yàn)變化過(guò)程都很相似。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了水溫持續(xù)升溫是由泄流口堵塞引起。

在實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的同時(shí)，筆者也觀察到了相應(yīng)的固體潮汐變化。在泄流口堵塞水溫上升時(shí)段的觀測(cè)曲線上，可見(jiàn)類似固體潮的日變化（圖5a）。與水位資料對(duì)比，其日變化與水位潮汐變化相似，但相位相反，以此判定水溫上升可產(chǎn)生固體潮效應(yīng)，而且放置在不同深度的“九五”和新增并行觀測(cè)數(shù)字化水溫探頭均記錄到同步固體潮日變化（圖5c）。這種情況與楊竹轉(zhuǎn)等（2010）分析認(rèn)為水溫探頭處于負(fù)梯度段內(nèi)水溫潮汐與水位反向變化是一致的。

通過(guò)分析，認(rèn)為水溫觀測(cè)能夠記錄到固體潮效應(yīng)，表明井水溫對(duì)地殼動(dòng)力作用有響應(yīng)。這是地殼應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系密切的標(biāo)志，有觀測(cè)地球物理效應(yīng)的重要意義和價(jià)值，可為判定地震前兆提供重要的觀測(cè)依據(jù)（馬玉川等，2010）。

3.2 降雨影響分析

根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕涤炅抠Y料，分析組分析了降雨量增加對(duì)水溫產(chǎn)生的影響。由曲江水溫、水位與江川雨量記錄圖（圖3a-1，c-1，e-1）可見(jiàn)，在雨季6-9月降雨量增加時(shí)，水位、水溫沒(méi)有明顯的季節(jié)上升變化，表明井水溫受地表水的影響較小。而在12月31日水溫出現(xiàn)持續(xù)上升變化時(shí)并沒(méi)有突出的降雨，所以水溫上升不受降雨影響。

3.3 地下水來(lái)源分析

曲江并溫泉水為HCO3一Na化學(xué)類型，主要由CO2氣體在地殼深部缺氧條件下溶解產(chǎn)生的弱酸性水溶液在沿裂隙上升過(guò)程中與富含Na+的長(zhǎng)石礦物發(fā)生水巖反應(yīng)而形成（晏銳等，2015）。

分析組通過(guò)分析氫氧同位素（δ2H-δ18O）研究曲江井泉水的來(lái)源。2015年1月18日采集了曲江并溫泉水樣品，對(duì)樣品同位素進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明，樣品的δ2H-δ18O同位素分布在全球大氣降水線富含δ18O同位素的一側(cè)（圖6），說(shuō)明泉水主要來(lái)源于大氣降水與不同來(lái)源水的混合。該井水溫度接近60℃。分析認(rèn)為該井水存在著水巖相互作用，是地震觀測(cè)的良好井。

3.4 大地震事件影響

從曲江井水溫觀測(cè)歷史資料可見(jiàn)（圖7），在2的8年5月12日汶川8.0級(jí)地震時(shí)，水溫可同時(shí)記錄到明顯的同震響應(yīng)。地震時(shí)水溫大幅度上升，同震變化圖像與此次水溫持續(xù)上升變化類似，水溫變化具備熱水補(bǔ)給型特征。經(jīng)查閱地震目錄，2014年12月31日全國(guó)及周邊并無(wú)大于M≥7地震事件發(fā)生。

以上分析排除了此次水溫變化是降雨影響及大震事件的同震響應(yīng)。通過(guò)泄流口堵水試驗(yàn)，分析水溫、水位及泄流口水溫變化及其相互關(guān)系，確認(rèn)了水溫變化是泄流口堵塞所致，不存在前兆異常，為準(zhǔn)確判斷水溫變化異常提供了科學(xué)依據(jù)。

4 井水溫持續(xù)升溫及固體潮關(guān)系的理解與解釋

在對(duì)曲江井水溫的觀察研究中同時(shí)發(fā)現(xiàn)：該觀測(cè)并中也記錄到了水溫固體潮現(xiàn)象，水溫的日起伏變化與重力理論固體潮的日起伏是相一致的。當(dāng)潮汐引力為壓性時(shí)，井水位上升，水溫也同步上升；當(dāng)潮汐引力為張性時(shí)，井水位下降，水溫也同時(shí)下降；水溫的升降幅度同潮汐引力大小成正比關(guān)系。

根據(jù)流體熱傳導(dǎo)與熱對(duì)流相關(guān)的理淪（滕吉文，2003），井內(nèi)水與外圍巖石間熱傳導(dǎo)的基本方程為：式中：T為溫度；t為熱傳導(dǎo)時(shí)間；r為圓柱坐標(biāo)中由井壁到外圍的徑向距離；φ為圓柱坐標(biāo)中的角度；k為巖石熱傳導(dǎo)系數(shù)；z為垂直距離。

在并—含水層之間水流運(yùn)動(dòng)與并筒內(nèi)水流運(yùn)動(dòng)引起的熱對(duì)流基本方程為：式中：xi為水流遷移距離；vi為水流速度；ρ為水體密度；Cρ水的熱容量（Kcal/m·℃）：T為溫度；t為時(shí)間。

井水面上，井水與大氣之間熱擴(kuò)散的基本方程為：

q=α（T水-T氣）（3）式中：q為熱流值；T水、T氣分別為井水面附近的水溫及氣溫；α為界面上的熱擴(kuò)散系數(shù)。

通過(guò)以上分析可以看到：當(dāng)含水層受到潮汐引力作用而被壓縮變形時(shí)，含水層中地下水流入井內(nèi)，井水得到熱而使水溫升高，而又由于井水位的上升使得溫度相對(duì)高的水向上遷移，從而使水溫梯度線向上平移，導(dǎo)致傳感器所處的溫度升高。而當(dāng)含水層受到潮汐引力作用膨脹變形時(shí)，井中的水流入含水層，井水位的下降使得水溫梯度線向下移動(dòng)，這樣反復(fù)交替過(guò)程產(chǎn)生了與井水位潮汐同步變化的井水溫度潮汐效應(yīng)。因此，這個(gè)現(xiàn)象與以上流體熱傳導(dǎo)及熱對(duì)流、熱擴(kuò)散在理論上是一致的，可以解釋本文發(fā)現(xiàn)的這種井水持續(xù)升溫及固體潮等現(xiàn)象。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)曲江地震觀測(cè)井水溫持續(xù)升溫異常進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，得出以下結(jié)論：

（1）通過(guò)理論分析及實(shí)驗(yàn)過(guò)程，證明觀測(cè)井水溫的變化可由泄流口的“堵塞”與“疏通”狀態(tài)改變所產(chǎn)生。遇此類情況，需首先檢查泄流口狀態(tài)的近期變化，也可通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法找到水溫變化的真實(shí)原因。

（2）在井水溫異常變化的分析中，還需排除儀器故障、環(huán)境干擾、降雨及大震事件的同震響映等影響，分析溫泉水主要來(lái)源，排除前兆異常的可能，以得到正確的分析結(jié)論。

（3）實(shí)驗(yàn)還證明，水溫可以記錄到固體潮變化。因此建議可重新放置該井水溫探頭位置，提高水溫的映震能力。

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