宿遷蘇05井中層水溫異常判定

董傳雷，郝 冉，倪昊琦

（江蘇省地震局，江蘇 南京 210000）

0 引言

構(gòu)造地震是地球內(nèi)部應(yīng)力不斷積累超過巖石強度極限時，巖石突然破裂而產(chǎn)生的一種自然現(xiàn)象。在構(gòu)造地震孕育過程中，巖石中微破裂大小和數(shù)目會發(fā)生變化，從而導致地殼流體的熱平衡狀態(tài)被打破。地下流體水溫觀測是反應(yīng)地下熱平衡變化的一種觀測手段。在地震孕育及發(fā)生的過程中，觀測點的熱平衡狀態(tài)被打破，從而造成地下水溫前兆異常。因此地下水溫度異常作為一種有效的地震短臨預報方法，特別是在短臨預報中發(fā)揮了重要作用，歷來受到國內(nèi)外學者的關(guān)注。無論是對水溫同震響應(yīng)的研究[1-5]，還是水溫在震前的異常特征分析[6-9]，水溫異常變化與地震的關(guān)系已成為研究熱點。劉蓮花[10]、付子忠[11]、葉秀薇等[12]人研究發(fā)現(xiàn)，造成水溫異常的因素主要有三種：一為觀測系統(tǒng)受到外界干擾導致水溫異常變化，如儀器故障，供電故障等；二是觀測環(huán)境遭受破壞導致水溫異常變化，如抽、注水，大型深挖等；三是地熱場發(fā)生變化導致水溫異常變化，即我們所熟知的地震前兆異常，此種異常是我們研究的重點，也是難點。

本文針對宿遷蘇05 井2020 年4 月初開始出現(xiàn)的中層水溫異常變化，運用基本數(shù)據(jù)分析、離散小波分析、地震前兆分析、輔助探頭對比觀測等多種方式對蘇05 井中層水溫異常變化進行分析，探討異常成因。

1 臺站基本信息

江蘇宿遷蘇05 井位于江蘇省宿遷市宿城區(qū)關(guān)廟鎮(zhèn)農(nóng)科村西南（圖1），地質(zhì)構(gòu)造上位于郯廬斷裂帶以東約23 km，沐陽凹陷內(nèi)平原地區(qū)。蘇05井鉆井深976 m，套管深度975 m，由于井內(nèi)沉淤，當前井深934 m，觀測段為827~862 m，系白堊紀赤山組細沙巖。主測項為靜水位與中層水溫，其中水位埋深約6.2 m，水位探頭距井口11.96 m；中層水溫探頭最初下放時距井口距離165 m，但由于長期觀測，吊裝線纜會產(chǎn)生一定拉伸，使吊裝線纜長度增加，探頭深度會相應(yīng)增加，水溫為19 ℃~20 ℃左右。蘇05 井觀測站附近無大的地表水體，觀測含水層埋深較深，含水層埋藏于570 m 以下，缺乏直接補給，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。但由于水泥固井質(zhì)量欠佳（可能存在裂隙），井水與地表水有一定聯(lián)系。除主測項為水位、水溫外，蘇05 井還配套建有輔助測項，氣溫、氣壓與降水量。蘇05 井水溫異常變化前，采用DRSW-2綜合儀進行數(shù)據(jù)觀測，水溫的日變形態(tài)為震蕩型，年動態(tài)為緩慢下降。

圖1 蘇05井歷史地震（2010－2021年）Fig.1 Historical earthquake of Su 05 Well（2010－2021）

2 水溫數(shù)據(jù)異常變化特征

2020 年4 月初，蘇05 井中層水溫數(shù)據(jù)開始出現(xiàn)加速下降異常變化（圖2），至4 月中旬，下降速率增快，并開始保持恒定速率下降。2021 年1 月到3 月數(shù)據(jù)由下降轉(zhuǎn)為上升，在此期間下降幅度為58‰℃。水溫轉(zhuǎn)折過程中發(fā)生了2021年1月4日安徽廣德ML4.3地震，震中距蘇05 井339 km。2021 年3－6 月數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定，7 月開始再次出現(xiàn)下降變化，且下降速率與下降幅度均大于第一次下降速率與幅度，截至2021 年12 月底，最大變化幅度已達124‰ ℃。第二次下降過程中測點周邊共發(fā)生三次規(guī)模型地震，分別為2021 年11 月11 日江蘇大豐海域ML5.4 地震，震中距蘇05 井295 km；2021 年12月8 日江蘇大豐海域ML4.5 地震，震中距蘇05井292 km；2021 年12 月22 日江蘇天寧ML4.8 地震，震中距蘇05井290 km。震后水溫仍呈現(xiàn)持續(xù)下降狀態(tài)，變化幅度之大是宿遷蘇05 井有記錄以來第一次出現(xiàn)。

3 異常調(diào)查分析

3.1 觀測系統(tǒng)檢查

對蘇05井觀測系統(tǒng)進行檢查，發(fā)現(xiàn)蘇05井儀器運行正常，數(shù)據(jù)可以正常采集且沒有異常數(shù)據(jù)。供電系統(tǒng)（交流電壓224.5 V，直流電壓12.17 V）、防雷系統(tǒng)（接地電阻0.4 Ω）運行正常，無斷電、雷擊痕跡。同時還測試網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運行正常，傳輸延時9ms，數(shù)據(jù)可以正常傳輸，井孔未出現(xiàn)垮塌、套管變形、位置固定設(shè)施故障等現(xiàn)象，除每季度水位校測外，未移動井口蓋板，井孔自身條件未發(fā)生改變。排除觀測系統(tǒng)故障引起數(shù)據(jù)變化。

為進一步了解觀測系統(tǒng)工作情況，2020 年5 月14 日—5 月27 日先后對觀測主機進行檢查與更換，更換后改用RTP-2 觀測主機進行數(shù)據(jù)記錄。兩次對觀測主機的維修，基本排除主機故障造成數(shù)據(jù)異常的情況。6月4日，將溫度探頭上提1 m，靜置5小時，待觀測數(shù)據(jù)穩(wěn)定記錄后將探頭歸于原位，在此期間中層水溫上升22.8‰ ℃，符合當前深度地溫梯度變化水平，對于短時間、低溫差環(huán)境，探頭靈敏度真實可靠。

3.2 周邊環(huán)境干擾調(diào)查

對附近觀測場地、觀測環(huán)境變化、人為干擾進行調(diào)查。其中，距離觀測點50 m 灌溉水渠蓄水量未發(fā)生改變；周圍未見大型在建項目，無注水、抽水、深挖等大型施工作業(yè)。在觀測場地周圍，西北方向45 m 處和東北方向50 m處，當?shù)鼐用駷楦纳婆盼巯到y(tǒng)，挖掘長寬高分別為3 m、1 m、2 m 排污井坑，但排污坑為淺表工程，未形成積水。排除觀測場地、觀測環(huán)境變化、人為干擾引起數(shù)據(jù)變化。

3.3 歷史震例分析

蘇05井中層水溫從2010年初整體呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢，在整體上升趨勢背景下，不定時段會出現(xiàn)下降變化。通過歷史震例歸納總結(jié)發(fā)現(xiàn)（表1），在下降變化過程中，5 次映震效應(yīng)明顯。5 次地震發(fā)生前一周至三個月內(nèi)蘇05 井中層水溫出現(xiàn)異常變化，異常均表現(xiàn)為中層水溫的下降變化，下降幅度保持在3‰ ℃左右，最高下降幅度未超過5‰ ℃。地震發(fā)生在下降變化轉(zhuǎn)折點或持續(xù)下降變化過程中，在地震發(fā)生后一至兩周內(nèi)中層水溫數(shù)據(jù)恢復到異常變化前水平，并保持整體緩慢上升的趨勢。

2020 年4 月初，蘇05 井數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常下降變化，此次下降變化相比于歷年地震前兆異常變化均有所不同。首先是下降幅度，此次異常變化幅度遠高于歷年地震前兆異常平均變化幅度，最高達到25 倍；其次是異常持續(xù)時間，此次下降變化雖中間時段有所緩和，但整體異常變化時間持續(xù)近兩年，是歷年地震前兆異常平均變化時間的24 倍；最后是震后恢復情況，此次異常變化期間共發(fā)生4次地震，4次地震均發(fā)生在下降或下降轉(zhuǎn)折階段，相比于歷年地震前兆異常震后恢復的規(guī)律，此次異常變化在震后均未恢復至原有水平，而是保持原有變化規(guī)律。從分析中可以看出，此次異常變化相比于歷年地震前兆異常變化，映震效應(yīng)不明顯，初步懷疑為非地震引起的異常變化。

3.4 對比觀測

為更好地監(jiān)測數(shù)據(jù)變化，經(jīng)過專家討論決定，在不影響觀測條件的前提下，另下放一支探頭實施對比觀測。2020 年6 月4 日，宿遷蘇05 井下放新探頭，下放深度為距井口165 m，保證原探頭與新探頭同層位記錄，并采用同一主機記錄觀測數(shù)據(jù)，充分保證原探頭與新探頭觀測環(huán)境的一致性。為保證新探頭數(shù)據(jù)記錄的平穩(wěn)性，采用記錄1 個月后的數(shù)據(jù)進行對比分析，剔除人為干擾處理后繪制對比觀測圖（圖3），從圖中可以看出，原探頭與新探頭二者數(shù)據(jù)記錄趨勢截然不同。原探頭整體趨勢呈現(xiàn)不規(guī)則變化，新探頭整體趨勢呈勻速上升趨勢。通過相關(guān)性計算得到二者的相關(guān)系數(shù)為-0.17，呈極低的負相關(guān)關(guān)系[13]。

4 數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過長達兩年的跟蹤分析，結(jié)合蘇05 井歷史動態(tài)監(jiān)測能力，采用同井測項分析、近臺同測項對比分析、離散正交小波分析等分析手段，以達到進一步了解數(shù)據(jù)變化實質(zhì)的目的。

4.1 同井測項對比分析

對于單臺數(shù)據(jù)分析而言，最直觀、快速的數(shù)據(jù)分析方法是同井多測項對比分析。蘇05 井觀測系統(tǒng)中除中層水溫測項外，還包括同井靜水位測項與輔助觀測測項，且靜水位數(shù)據(jù)與中層水溫數(shù)據(jù)呈負相關(guān)關(guān)系，即夏季雨季靜水位數(shù)據(jù)相對上升，中層水溫數(shù)據(jù)小幅下降。從蘇05 井同井測項對比分析中發(fā)現(xiàn)（圖4）。2017－2021年期間，在蘇05井中層水溫數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常過程中，同井靜水位數(shù)據(jù)并未發(fā)生明顯相應(yīng)變化，受季節(jié)性降雨影響，靜水位數(shù)據(jù)保持夏高冬低的年變化趨勢，整體趨勢上升，符合歷年來水位持續(xù)下降特性。

對蘇05 井中層水溫與降水量、氣壓數(shù)據(jù)進行對比分析，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)2020 年年降水量與其他年份年降水量總體持平，未出現(xiàn)雨季提前、滯后等情況。2020 年4 月中層水溫異常變化期間，蘇05 井地區(qū)也未出現(xiàn)雷暴、低氣壓等極端天氣，未出現(xiàn)持續(xù)性、大范圍降雨，故認為蘇05 井中層水溫異常變化與降雨、低氣壓等極端天氣無關(guān)。

4.2 同測項數(shù)據(jù)對比分析

相對于同井多測項對比分析，不同觀測點同測項對比分析是數(shù)據(jù)分析的一種常用方法，相對于同井多測項對比分析更具全面性。結(jié)合歷史震例信息，本文特別選取與蘇05 井位置相近，映震記錄效果較好的蘇02井、蘇06井中層水溫數(shù)據(jù)與蘇05 井中層水溫數(shù)據(jù)做進一步對比分析。蘇02 井與蘇05 井之間的距離約90 km，蘇02 井地質(zhì)構(gòu)造上位于廢黃河斷裂帶上，為灰?guī)r裂隙承壓水，水循環(huán)條件較好，映震效果明顯。蘇06 井與蘇05 井之間的距離約100 km，蘇06 井地質(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，為寒武紀灰?guī)r巖溶裂隙承壓水，缺乏直接補給[14]。如圖5 所示，在蘇05井中層水溫發(fā)生異常變化時，蘇02井中層水溫除人為干擾造成數(shù)據(jù)階躍性變化外，整體表現(xiàn)為平穩(wěn)狀態(tài)。蘇06 井除發(fā)生小幅度階躍變化隨后又恢復外，整體保持勻速上升的年變趨勢。從3 臺同測項對比中可以發(fā)現(xiàn)，當蘇05井發(fā)生“下降－上升－下降”變化時，蘇02井、蘇06井均未發(fā)生相應(yīng)變化。

5 結(jié)論

從異常調(diào)查、歷史震例、同井測項對比分析來看，蘇05 井水溫變化為單一測項變化，無同步異常配套，且異常變化幅度巨大。結(jié)合探頭年限及井孔完整性，造成蘇05 井水溫變化的原因可能為探頭元器件老化所致，觀測時間越長越放大其不穩(wěn)定性。綜上所述，蘇05 井水溫變化為前兆異?？赡苄圆淮?。