同井不同層位水溫觀(guān)測(cè)同震變化機(jī)理分析

周 洋,王 俊,林 俊

(1.中國(guó)地震局地震研究所(地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室),湖北 武漢 430071;2.湖北省地震局,湖北 武漢 430071;3.中南民族大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院,湖北 武漢 430071)

0 引言

地球是巨大的熱庫(kù),由內(nèi)部向地表釋放熱量,在地球表面產(chǎn)生熱流,即大地?zé)崃鱗1]。它影響著當(dāng)今地球內(nèi)部發(fā)生的各種動(dòng)力作用,其中就包含地震孕育與發(fā)生過(guò)程。我國(guó)地震部門(mén)自1985年開(kāi)始井水溫度高精度觀(guān)測(cè)以來(lái),已記錄到一批有地球動(dòng)力學(xué)意義的水溫微動(dòng)態(tài)現(xiàn)象:全國(guó)有多口井觀(guān)測(cè)到水溫潮汐現(xiàn)象[2];多次全球大震前,全國(guó)均有多口井記錄到了水溫同震響應(yīng)及其震后調(diào)整過(guò)程[3-4];在幾十次MS≥5.0地震前記錄到較為清晰的震前異常,特別是1977年耿馬、瀾滄地震[5]以及2007年寧洱地震[6]前,區(qū)域范圍內(nèi)將近10口井記錄到同步短臨異常,趨勢(shì)十分顯著。借助這些異常信息,曾在一些破壞性地震前提出過(guò)短臨預(yù)測(cè)意見(jiàn),部分實(shí)現(xiàn)了成功預(yù)報(bào)。而世界范圍內(nèi)雖未有國(guó)家(地區(qū))像中國(guó)一樣建立起規(guī)模化的地?zé)崆罢子^(guān)測(cè)臺(tái)網(wǎng),但早有一大批學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究:Shimamura等[7]發(fā)表了關(guān)于水溫震前異常與同震響應(yīng)的文章,該文可能是第一個(gè)關(guān)于水溫微動(dòng)態(tài)觀(guān)測(cè)與地震活動(dòng)關(guān)系的論述;Kitagawa等[8]計(jì)算得出體應(yīng)變釋放過(guò)程中引起的水溫變化幅度是地球固體潮汐、大氣壓力引起的水溫變化幅度約10倍;Bonfanti等[9]提出了水溫的震前中長(zhǎng)期異常;Arabelos等[10]甚至開(kāi)發(fā)了一套相應(yīng)的軟件計(jì)算異常幅度等。

雖然國(guó)內(nèi)外圍繞井水溫度與地震關(guān)系開(kāi)展了不少研究,但我們?nèi)砸宄卣J(rèn)識(shí)到,對(duì)于井水溫度動(dòng)態(tài)機(jī)理仍處在未知狀態(tài),車(chē)用太等[11]曾提出井水溫度的熱動(dòng)力學(xué)與水動(dòng)力學(xué)機(jī)制;張光順等[12]認(rèn)為井水溫度動(dòng)態(tài)取決于井-含水層結(jié)構(gòu),而同震響應(yīng)時(shí)更是受制于含水層橫向水溫梯度。但這些認(rèn)識(shí)大部分都只是基于某一口井、或某一個(gè)事件而得出,并不具備有很強(qiáng)的普適性,或者說(shuō)需要更多的事件來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。本文從積累震例、積累資料的角度,對(duì)房縣三海村臺(tái)2015年至2019年兩個(gè)不同層位的井水溫度動(dòng)態(tài)特征,以及同震響應(yīng)過(guò)程進(jìn)行分析,結(jié)合水溫梯度以及井孔結(jié)構(gòu),對(duì)房縣井水溫動(dòng)態(tài)機(jī)理進(jìn)行初步分析。

1 觀(guān)測(cè)井基本情況

三海村臺(tái)位于房縣城關(guān)鎮(zhèn)三海村,臺(tái)站高程497 m,臺(tái)址地貌屬中高山區(qū),溪溝邊寬緩山坡上。臺(tái)站屬亞熱帶季風(fēng)氣候,年平均氣溫14 ℃,極端最高氣溫40 ℃,極端最低氣溫零下17 ℃,無(wú)霜期220天,平均年降水量910 mm。臺(tái)站周邊以農(nóng)村民居為主,無(wú)大型湖泊、礦山開(kāi)采、大型廠(chǎng)礦等,干擾因素相對(duì)較少,觀(guān)測(cè)環(huán)境優(yōu)良。

房縣三海村井位于南秦嶺構(gòu)造帶南翼,北大巴山加里東期褶皺帶北緣。北西向的安康—竹山—房縣斷裂帶在房縣中新生代盆地西側(cè)與青峰斷裂帶交匯,觀(guān)測(cè)井位于該斷裂帶東段之上。青峰斷裂南盤(pán)為震旦系燈影組灰?guī)r,裂隙非常發(fā)育,形成小湯池溝內(nèi)震旦系百未厚層硅質(zhì)灰?guī)r上部眾多泉水通道。斷裂北盤(pán)上部為第四系沖積層,下部為白堊—第三系紅層,均為不透水層或滲透系數(shù)極小。二者共同構(gòu)成了水文地質(zhì)上所稱(chēng)的開(kāi)放—閉合系統(tǒng)和地殼形變差異體系。1742年秋房縣發(fā)生M5.0地震,震中烈度為Ⅵ度,造成房屋損壞。圖1為房縣井外觀(guān)及區(qū)域水文地質(zhì)圖。

圖1 房縣井外觀(guān)及區(qū)域水文地質(zhì)圖Fig.1 Appearance and regional hydrogeological map of Fangxian well

觀(guān)測(cè)井于2013年4月7日正式開(kāi)工,5月22日完成鉆井工程,完井后井深118.73 m。該井套管總長(zhǎng)為118.73 m,套管外徑127 mm(內(nèi)徑114 mm),其中無(wú)縫鋼管長(zhǎng)度為56.37 m,濾管長(zhǎng)62.36 m(圖2)。

圖2 房縣井成井圖Fig.2 Fangxian well completion drawing

采用SZW-1A V2004數(shù)字式溫度計(jì)20060934號(hào)石英晶體溫度傳感器對(duì)房縣三海村井完成溫度梯度測(cè)量。該溫度計(jì)的水溫分辨力為0.000 1 ℃,儀器的短期穩(wěn)定性為0.000 1 ℃/d,采樣率為分鐘采樣。測(cè)量步進(jìn)10 m,每個(gè)測(cè)量時(shí)間間隔30 min,其結(jié)果如圖3所示[10]。

圖3 房縣井水溫梯度、圍巖特性以及含水層分布Fig.3 Water temperature gradient,surrounding rock characteristics and aquifer distribution of Fangxian well

從該井水溫梯度曲線(xiàn)可見(jiàn),其平均梯度為2.362 7 ℃/hm,而梯度分布也較為不均勻,在50～60 m處,出現(xiàn)一梯度極大值,幅度達(dá)7.548 ℃/hm,然后梯度趨于下降,井下90～110 m處,出現(xiàn)負(fù)溫度梯度現(xiàn)象,最低值為-4.051℃/hm;80～90 m為井水溫梯度拐點(diǎn),說(shuō)明此層位間水的上下交替活動(dòng)較大;從90 m出現(xiàn)負(fù)梯度至井底111.5 m處又恢復(fù)為正溫度梯度。據(jù)此可推測(cè),90 m處存在一淺循環(huán)含水層,從而由于低溫水導(dǎo)致負(fù)梯度段的存在[12]。當(dāng)時(shí)確定105 m為水溫測(cè)點(diǎn)2傳感器的放置深度。

三海村井井孔地層柱狀圖顯示(圖3),該井主要為硅質(zhì)巖、硅質(zhì)灰?guī)r以及硅質(zhì)白云巖,局部為白云質(zhì)灰?guī)r,其中硅質(zhì)巖貫穿整個(gè)鉆進(jìn)地層中,硅質(zhì)巖致密堅(jiān)硬且性脆,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,抗風(fēng)化能力強(qiáng)。其中,1～26.47 m為灰?guī)r,細(xì)粒-隱晶結(jié)構(gòu),裂隙較為發(fā)育;26.47～36.35 m為硅質(zhì)巖,隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu),裂隙一般發(fā)育;36.35～37.97 m為砂巖,粉細(xì)粒結(jié)構(gòu),裂隙一般發(fā)育,較為堅(jiān)硬;36.35～51.57 m為硅質(zhì)灰?guī)r,細(xì)晶質(zhì)結(jié)構(gòu),裂隙發(fā)育;51.57～63.97 m為硅質(zhì)白云巖,細(xì)晶結(jié)構(gòu),裂隙一般發(fā)育,局部斷面存在明顯的水蝕現(xiàn)象;63.97～91.90 m硅質(zhì)灰?guī)r細(xì)晶結(jié)構(gòu),裂隙一般發(fā)育;91.90～118 m為硅質(zhì)白云巖,微-細(xì)晶結(jié)構(gòu),裂隙一般發(fā)育,局部斷裂被紅褐色礦物質(zhì)浸染。井內(nèi)51.57～63.97 m的硅質(zhì)巖層風(fēng)化作用較低、巖層完整,巖石強(qiáng)度大,形成隔水性良好的蓋層,經(jīng)測(cè)試該井滲透系數(shù)0.03 m/d。

為了對(duì)該井井水溫進(jìn)行同井對(duì)比觀(guān)測(cè),2014年10月27日新增一套SZW-1A V2004數(shù)字式溫度計(jì)為4號(hào)測(cè)點(diǎn)。原有SZW-1A V2004數(shù)字式溫度計(jì)(水溫傳感器投放深度為105 m)為2號(hào)測(cè)點(diǎn);4號(hào)測(cè)點(diǎn)水溫起始投放深度為65 m,2014年11月17日將水溫探頭投放深度由65 m調(diào)整至105 m,進(jìn)行同層位對(duì)比觀(guān)測(cè);2014年12月11日將探頭投放深度由105 m恢復(fù)至65 m。

2 同震響應(yīng)事件分析

2.1 提升小波變換的改進(jìn)算法

正向小波變換提升實(shí)現(xiàn)的改進(jìn)算法[13]。

(1) 懶小波變換

(2)m步提升及對(duì)偶提升

l=0,1,…,N/2-1;i=1,2,…,m-1

(3) 比例縮放變換

最后得到的s和d分別為小波分解的低頻和高頻分量。其中:s={s0,s1,…,sN/2-1},d={d0,d1,…,dN/2-1}。通過(guò)對(duì)正向小波變換按照相反的步驟操作,同時(shí)改變正負(fù)號(hào),即可得到相應(yīng)的逆變換。通過(guò)信噪比(SNR)和均方根誤差(RMSE)來(lái)衡量小波閾值算法的去噪效果[14]。本文選取2015年5月12—13日4測(cè)點(diǎn)(淺層)水溫?cái)?shù)據(jù),利用提升小波變換算法、小波閾值去噪算法及傅里葉濾波分別計(jì)算與分析,結(jié)果如圖4。

由圖4可看出提升小波變換算法的濾波效果強(qiáng)于小波閾值去噪及傅里葉濾波,而且最大限度地保留了原始信號(hào)的信息。表明該算法能很好地抑制原始數(shù)據(jù)中的噪聲,保留信號(hào)的優(yōu)勢(shì)頻段。3種算法的去噪性能指標(biāo)比較列于表1。

表1 去噪前后評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比Table 1 Comparison between evaluation indicators before and after denoising

圖4 3種算法對(duì)比圖(2015年5月12—13日)Fig.4 Comparison between three algorithms (May 12—13,2015)

從SNR和RMSE的定義可知,SNR值越大,去噪效果越好;RMSE反之[14]。故本文采用提升小波變換算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析。

2.2 震例分析

通過(guò)上述改進(jìn)的提升小波變換算法對(duì)房縣三海村井水溫度在2015年5月12日尼泊爾7.3級(jí)地震、2019年4月18日臺(tái)灣花蓮6.1級(jí)地震、2019年6月17日四川長(zhǎng)寧5.8級(jí)地震3次地震的同震變化進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。

以2015年尼泊爾地震(M7.39,井震距離2 416 km)為例,地震引起井水位振蕩,兩個(gè)層位的水溫都引起了同震響應(yīng)。綜合多次震例表明,房縣井水位同震響應(yīng)形態(tài)均為振蕩,但由于采用的為分采樣數(shù)據(jù),其振蕩幅度嚴(yán)重失真,因此無(wú)法對(duì)井水位振蕩進(jìn)行量化分析。本文側(cè)重于對(duì)井水溫度同震響應(yīng)分析。

尼泊爾地震引起淺層水溫(65 m)階降0.017 ℃,而深層水溫(105 m)處上升0.013 ℃;兩者溫度變化幅度相當(dāng),但方向相反。另外,淺層水溫震后8小時(shí)左右恢復(fù)到震前水平,而深層水溫經(jīng)過(guò)20小時(shí)左右才恢復(fù)到正常水平(圖5)。

圖5 尼泊爾地震淺層及深層水溫同震響應(yīng)Fig.5 Coseismic response of shallow and deep water temperature during Nepal earthquake

2019年4月18日臺(tái)灣花蓮6.1級(jí)地震(圖6),淺層水溫(65 m)階降0.008 ℃,而深層水溫(105 m)處上升0.005 ℃;兩者溫度變化幅度相當(dāng),但方向相反。另外,淺層水溫震后3小時(shí)左右即恢復(fù)到震前水平,而深層水溫經(jīng)過(guò)24小時(shí)左右才恢復(fù)到正常水平。

圖6 臺(tái)灣花蓮地震淺層及深層水溫同震響應(yīng)Fig.6 Coseismic response of water temperature in shallow and deep earthquakes in Hualian,Taiwan

由于淺層水溫背景噪聲較大,所以導(dǎo)致其同震響應(yīng)不及深層水溫清晰。這一點(diǎn),從其他震例可以看出,如2019年6月17日長(zhǎng)寧地震,淺層水溫的同震響應(yīng)信號(hào)幾乎被掩沒(méi)在噪聲中(圖7)。

圖7 四川長(zhǎng)寧地震淺層及深層水溫同震響應(yīng)Fig.7 Coseismic response of shallow and deep water temperature during Changning earthquake in Sichuan Province

淺層水溫與深層水溫同震響應(yīng)形態(tài)不盡相同:淺層水溫表現(xiàn)為階降,深層水溫則表現(xiàn)為階升;深層水溫同震響應(yīng)持續(xù)時(shí)間相對(duì)更長(zhǎng);變化幅度則與震級(jí)大小、震中距有關(guān),震級(jí)越大,變化幅度越大,當(dāng)震級(jí)小于某一特定級(jí)別時(shí),淺層水溫同震響應(yīng)則不明顯。

通過(guò)對(duì)這3次地震及2017—2019年M≥6.0地震水溫同震響應(yīng)分析可得出,溫度變化幅度(T)與震級(jí)(M)及震中距(E)呈現(xiàn)線(xiàn)性關(guān)系:T=6.13×10-3M+1.67×10-6E-0.032。結(jié)果列于表2,T與M及E的線(xiàn)性關(guān)系如圖8所示(隨機(jī)選取前10個(gè)地震為例)。

圖8 T與M及E的線(xiàn)性關(guān)系圖Fig.8 Linear relationship of T,M and E

表2 房縣三海村井水溫同震響應(yīng)Table 2 Coseismic response of water temperature in Sanhaicun well of Fangxian County

3 溫度同震機(jī)理分析

溫度同震過(guò)程的動(dòng)力機(jī)制:根據(jù)車(chē)用太描述,井水溫度動(dòng)態(tài)其動(dòng)力源于熱動(dòng)力學(xué)和水動(dòng)力學(xué)[11]。熱動(dòng)力學(xué)認(rèn)為井水溫度動(dòng)態(tài)受巖土中大地?zé)崃髯饔没驘醾鲗?dǎo)引起的井水溫度變化。

井水溫度與井水位關(guān)系分析:從所有震例來(lái)看,井水位同震響應(yīng)形態(tài)均為振蕩型,未產(chǎn)生階變?？梢?jiàn),井水溫度的同震變化,只能來(lái)源于不同溫度水的混合所導(dǎo)致。

淺層水溫(65 m)處于溫度正梯度段,深層水溫(105 m)處于溫度負(fù)梯度段,但與一般觀(guān)測(cè)井響應(yīng)不同的是,正梯度段井水溫度同震響應(yīng)為下降,而負(fù)梯度內(nèi)井水溫度同震響應(yīng)為上升。從井孔結(jié)構(gòu)來(lái)看,兩個(gè)傳感器均處于井孔濾管段,可以認(rèn)為,觀(guān)測(cè)層位井-含水層間具有交替的可能。根據(jù)井孔資料、溫度梯度測(cè)量結(jié)果可以把房縣三海村井用一簡(jiǎn)化井-含水層模型來(lái)表示(圖9)。

圖9 井-含水層模型Fig.9 Well-aquifer model

90 m處有一淺循環(huán)低溫含水層(溫度梯度推斷),大約60 m處有一漏失層;根據(jù)測(cè)井的滲透率(據(jù)上述該井滲透系數(shù)計(jì)算)可知90 m處冷水層其補(bǔ)給區(qū)在約幾十米處。房縣三海村井兩個(gè)不同層位溫度呈現(xiàn)出不一致的溫度異?，F(xiàn)象,是冷水層受控于降雨效應(yīng)、以及井孔周?chē)涤旰奢d效應(yīng)的雙重作用。

結(jié)合前面3次地震中水溫變化前后降雨量變化的數(shù)據(jù),同時(shí)為了展示三海村井水溫與降雨之間的關(guān)系,分別對(duì)該井的水位、2個(gè)水溫(去趨勢(shì)后)與降雨之間的關(guān)系進(jìn)行了同軸曲線(xiàn)繪制(圖10),可見(jiàn)為降雨量與地震響應(yīng)共同作用的結(jié)果。

圖10 水溫與降雨之間的關(guān)系Fig.10 The relationship between water temperature and rainfall

對(duì)于65 m處溫度傳感器,由于90 m處低溫水與60 m處漏失層間形成冷水環(huán)流回流,從而當(dāng)區(qū)域有降雨發(fā)生時(shí),降雨沿冷水層在90 m處注入到井孔,導(dǎo)致井水位上升的同時(shí)冷水沿井孔往上經(jīng)60 m處漏失層流出,從而形成冷水環(huán)路,導(dǎo)致65 m處水溫伴隨著降雨而下降,一旦降雨減小或停止時(shí),溫度恢復(fù)。而井水位的大氣降雨荷載效應(yīng)是指在平原地區(qū)降雨積水荷載作用引起的深井水位的變化,是屬于井水位微動(dòng)態(tài)類(lèi)型。這種效應(yīng)的產(chǎn)生是大面積大雨時(shí),由于地表排水不暢,使雨水匯集在相對(duì)低凹的地區(qū),對(duì)地面施加荷載作用;雖然荷載不大,但由于荷載分布面積較大,按Boussinesz定律(即地面荷載向下傳遞時(shí)隨深度衰減的程度與荷載作用面積密切相關(guān),面積越大衰減越小,面積無(wú)窮大時(shí)幾乎無(wú)衰減地可傳遞到深部),該荷載向地下可傳遞很深,完全可以作用到深埋的承壓含水層并使含水層受壓變形,孔隙壓力升高,由此引起井水位上升變化。隨著匯集的積水流失與蒸發(fā),荷載作用消失,井水位緩慢下降,恢復(fù)到原來(lái)的水位。這種井水位上升過(guò)程,會(huì)導(dǎo)底部相對(duì)熱水上涌,從而出現(xiàn)105 m處水溫伴隨著降雨緩升,而隨著降雨荷載的消失溫度恢復(fù)的過(guò)程。

地震導(dǎo)致含水層滲透性增強(qiáng)[15],從而使井-含水層間水的交替加劇。對(duì)于65 m處,其注入的含水層交替水為相對(duì)冷水(65 m處水溫高于90 m處),從而導(dǎo)致水溫同震響應(yīng)為階降;對(duì)于105 m處,其注入的含水層交替水為相對(duì)熱水(90 m處水溫高于105 m處),從而導(dǎo)致水溫同震響應(yīng)為階升。而隨著同震過(guò)程的結(jié)束,兩者都恢復(fù)至正常水平。而恢復(fù)的速度可能與兩者較含水層距離相關(guān),越近恢復(fù)越慢,越遠(yuǎn)恢復(fù)越快。故105 m處恢復(fù)相對(duì)較慢,65 m處恢復(fù)相對(duì)較快。如果水溫異常是深部震源過(guò)程熱的直接反映,那么無(wú)論如何不可能形成下降型異常[14]。對(duì)于井水溫度同震響應(yīng)來(lái)說(shuō),其動(dòng)力學(xué)機(jī)制可以比較確定地認(rèn)為由于水的流動(dòng)產(chǎn)生的熱對(duì)流引起的變化。由于不同層位的井水溫度,其變化趨勢(shì)完全相反,與熱動(dòng)力學(xué)機(jī)制不符。因此,本文認(rèn)為房縣井水溫度異常機(jī)制,不是熱傳導(dǎo)或熱對(duì)流,而是水動(dòng)力學(xué)作用。

4 認(rèn)識(shí)與結(jié)論

通過(guò)對(duì)房縣三海村臺(tái)兩個(gè)不同層位的井水溫度動(dòng)態(tài)特征、同震響應(yīng)過(guò)程及機(jī)理進(jìn)行分析,得出以下初步認(rèn)識(shí):

(1) 水溫同震響應(yīng)形態(tài)、幅度、持續(xù)時(shí)間不盡相同:淺層水溫表現(xiàn)為階降,深層水溫則表現(xiàn)為階升;淺層水溫同震響應(yīng)后相對(duì)深層水溫恢復(fù)較快,可能與離含水層距離相關(guān),深層水溫離含水層較近;變化幅度則與震級(jí)大小、震中距有關(guān),震級(jí)越大,變化幅度越大,當(dāng)震級(jí)小于約6.0級(jí)時(shí),淺層水溫因噪聲干擾同震響應(yīng)不清晰。溫度變化幅度(T)與震級(jí)(M)及震中距(E)呈現(xiàn)某種線(xiàn)性關(guān)系。

(2) 從兩個(gè)傳感器響應(yīng)的清晰度來(lái)說(shuō),溫度傳感器處于背景值較小處,可記錄到更清晰的地殼活動(dòng)信息,但該認(rèn)識(shí)是否具有普適性,還有待更多井孔觀(guān)測(cè)的總結(jié)。從房縣兩個(gè)層位井水溫度所反應(yīng)的動(dòng)態(tài)意義來(lái)說(shuō),溫度傳感器安裝于近含水層、且位于含水層底板下面具有較好觀(guān)測(cè)效果。井水溫度動(dòng)態(tài)可反映井-含水層間水的交替運(yùn)動(dòng),且運(yùn)動(dòng)過(guò)程參數(shù)與含水層間距相關(guān)。

(3) 對(duì)于房縣井水溫度同震響應(yīng)來(lái)說(shuō),其符合水動(dòng)力學(xué)機(jī)制,即由于水的流動(dòng)產(chǎn)生的熱對(duì)流引起的變化。