青海玉樹與德令哈地熱觀測井在汶川與玉樹地震前的異常特征

何案華，趙 剛，劉成龍，范良龍

1中國地震局地殼應力研究所，北京 100085 2中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029

青海玉樹與德令哈地熱觀測井在汶川與玉樹地震前的異常特征

何案華1，趙 剛1，劉成龍2，范良龍1

1中國地震局地殼應力研究所，北京 100085 2中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029

本文較為系統(tǒng)地分析了青海省玉樹與德令哈二口地熱觀測井自2007年以來的水溫觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)這兩口井對2008年5月12日四川汶川MS8．0級和2010年4月14日青海玉樹MS7．1級地震前均有較明顯的前兆異常，此外某些強地震前也有類似的異常信息．進一步對每口井的水溫異常信息（諸如異常幅度、持續(xù)時間）進行了定量分析，以及每口井對應不同地震的異常曲線形態(tài)對比、異常數(shù)據(jù)的相關性分析，得出這兩口井在不同地震前的水溫異常形態(tài)表現(xiàn)出高度相似性；通過對這些曲線形態(tài)的認識與分析，為今后利用水溫數(shù)據(jù)進行經(jīng)驗預報地震的探索開辟一條新路徑．另外得出玉樹井水溫異常的幅度隨震級與震中距的不同呈規(guī)律性變化，具體表現(xiàn)在震級越大、井震距越小，對應的異常幅度越大、異常持續(xù)時間也越長，且玉樹井的異常主要是中長周期的異常，這種特性對利用水溫異常特征判斷未來地震的強度有重要意義；德令哈井則呈現(xiàn)出短臨異常特性十分明顯的特點，這種特性對利用該井水溫數(shù)據(jù)來判斷發(fā)震時間有著重要意義．

水溫觀測，前兆異常，玉樹井，德令哈井，汶川地震，玉樹地震

1 引 言

地熱一般是指地殼熱狀態(tài)，在地震孕育與發(fā)生過程中，一方面與地殼的熱狀態(tài)密切相關，另一方面又會引起地殼熱狀態(tài)的改變，因此通過對反映地殼熱狀態(tài)的井水溫度或井孔圍巖溫度的觀測，有可能捕捉到地震前地殼熱狀態(tài)異常變化信息［1－7］，用于地震監(jiān)測預報的探索．

我國的地熱觀測始于20世紀80年代，經(jīng)過30多年的發(fā)展在我國大陸形成了具有300多個地熱觀測臺站（點）的地熱前兆觀測臺網(wǎng)，其中大部分的臺站都采用具有0．0001℃高分辨率、高精度的石英溫度計；這些觀測井（點）中除青海有若干無水井中觀測地溫之外，其他都是觀測井水溫度；在這些觀測井（點）中已經(jīng)積累了為數(shù)不少的水溫與少量地溫的地震前異常實例［8－12］，為我國的地震監(jiān)測與預測，尤其是在短臨預測與實現(xiàn)有一定減災實效的地震預報提供了重要數(shù)據(jù)．但對于地熱異常特征，目前多處于定性研究階段，主要是水（地）溫異常與地震的對應關系的定性分析［10－12］，定量的研究較少，特別是異常形態(tài)的相似性方面定量研究尚未見報道．

本文研究區(qū)域［13－15］如圖1所示，位于我國大陸西南部青藏塊體的東北部，2008年5月12日在塊體東部邊緣發(fā)生MS8．0級地震，2010年4月14日在塊體內(nèi)部二級塊體邊緣發(fā)生MS7．1級地震．這兩次地震前，在青海省德令哈與玉樹地熱觀測井中都記錄到非常顯著的水溫異常［16－18］，異常基本形態(tài)呈“V”字型（或“」”型），這種異常，在其他震例中很少見到（表1）．

本文利用一定的數(shù)學方法進行適當數(shù)據(jù)處理，對青海玉樹和德令哈井在不同地震前溫度異常曲線通過時間平移、曲線重疊和數(shù)字濾波等方法，定量分析了異常信息的相似性與差異．

2 玉樹井水溫異常特征

2．1 玉樹井水溫正常動態(tài)特征

玉樹井位于青海省玉樹縣結(jié)古鎮(zhèn)團結(jié)村，井點坐標為97．02°E，33．01°N．地熱觀測井深105m，井內(nèi)套管下設深度100m，水溫觀測儀器為SZW－1A型數(shù)字式溫度計，傳感器放置深度為100m，此處為中生代侏羅紀花崗巖，井內(nèi)有水，觀測的是水溫．

玉樹井水溫數(shù)據(jù)自2007年8月5日開始數(shù)據(jù)正常入庫以來，到2010年6月6日，連續(xù)觀測1035天，以整點值計算，數(shù)據(jù)完整率為93．05%；2009年因儀器故障，數(shù)據(jù)缺失較多．

自觀測以來，水溫動態(tài)呈上升趨勢［8，18］（見圖2）．對上升的趨勢可用一階函數(shù)表示如下：

T＝5×10－6t＋9．7035（時間起點為2007－08－06）其中T為地下水溫度，t為時間（時）．

由圖2可見，該井水溫的短、長期動態(tài)較為穩(wěn)定，年變化幅度不超過0．07℃．

2．2 水溫的異常變化與地震關系

由圖2還可以看出，在玉樹井水溫多年趨勢上升正常動態(tài)背景上，有4次（如圖2中A段、B段、C段、D段所示）出現(xiàn)水溫陡降—緩升的非對稱“V”字型變化，這種變化與同期一定范圍內(nèi)的地震活動有一定的對應關系（見表1）．

圖1 研究區(qū)域大地構(gòu)造背景及地震與觀測井示意圖Fig．1 The schematic diagram of tectonic setting，earthquake and observation well

系統(tǒng)分析結(jié)果表明，在2008年5月12日汶川MS8．0、2009年12月21日德令哈MS5．0、以及2010年4月14日玉樹MS7．1等地震前都出現(xiàn)這種V字型異常，即4次異常中3次（對應B段、C段、D段）有地震出現(xiàn)（筆者認為，A段V字型異常可能跟儀器安裝初期處在儀器平衡過程有關）；數(shù)據(jù)正常入庫期間共發(fā)生14次地震，其中MS≥7．0的2次，MS6．0～6．9級3次，MS5．0～5．9級9次，而其中2次MS≥7．0的地震均出現(xiàn)此類異常，因此有理由提出這種V字型變化可能是與區(qū)域內(nèi)大震活動有關的地震前兆異常．

2．3 玉樹井水溫異常的基本特征

為了進一步分析3次地震前V字型異常變化的基本特征，對圖2中的B段（2008－02－11—2008－05－11共90天，可能與汶川MS8．0級地震有關）、C段（2009－10－12—2010－01－09共90天，可能與德令哈MS5．0級地震有關）、D段（2010－01－13—2010－04－14共90天，可能與玉樹MS7．1級地震有關）的V字型異常段經(jīng)時間平移，把動態(tài)曲線疊加［19－20］在一起，得到異常形態(tài)的對比如圖3a所示．設計一6階、截止頻率為128h的巴特沃斯低通濾波器［20］對圖3a曲線進行濾波后曲線形態(tài)對比如圖3b；對于V字型異常拐點附近局部放大的曲線形態(tài)對比如圖3c所示．

由圖3可見，3次地震前出現(xiàn)的3次V字型異常的形態(tài)特征“驚人”地相似．對這種相似性進行定量計算，利用局部放大的曲線段（圖3c）數(shù)據(jù)系列進行相關性分析，用下式求得相關系數(shù)r：

其中A、B分別表示為兩個矩陣（在這也就是分別代表兩條曲線數(shù)據(jù)序列）；分別為兩矩陣的均值．計算結(jié)果表明，圖1中B段異常與C段異常相關系數(shù)為0．9939，B段與D段相關系數(shù)為0．9592，C段與D段異常相關系數(shù)為0．9804．由此可見，3段曲線異常形態(tài)特征具有高度相似性；然而異常幅度上有著明顯差異（見圖3c），總體說來震級大、與震中距越小的地震震前異常幅度大，汶川MS8．0級地震（井震距643km）異常幅度為0．0241℃，玉樹MS7．1級地震（井震距46km）異常幅度為0．0219℃，德令哈MS5．0級地震（井震距508km）異常幅度僅為0．0156℃．

圖2 青海玉樹地震臺2007－08－05—2010－06－06水溫數(shù)據(jù)曲線Fig．2 The water temperature data curve of Qinghai Yushu seismic station from 2007－08－05to 2010－06－06

表1 玉樹井水溫V字型異常變化與外圍800km范圍內(nèi)MS5．0級以上地震對應關系Table 1 The corresponding relationship between the Yushu well V shaped temperature anomaly and within 800kilometers with external MS5．0

異常出現(xiàn)到發(fā)震時刻的間隔，即異常持續(xù)時間與地震的震級也表現(xiàn)一定的規(guī)律性，總的趨勢是震級越大、井震距越小，異常持續(xù)時間越長，汶川地震前異常特征持續(xù)時間為82天，玉樹地震前異常持續(xù)時間為84天，而德令哈地震前異常持續(xù)時間為23天．

3 德令哈井水溫異常特征

3．1 德令哈井及其水溫正常動態(tài)特征

德令哈地震臺位于青海省海西州德令哈市（97．38°E，37．37°N）．德令哈市位于青藏高原柴達木盆地北部邊緣，祁連山北緣斷裂帶中段；德令哈地震臺位于合黎山—龍首山褶皺帶南緣與走廊斷陷的分界處，河西系德令哈—榆木山隆起與祁呂西褶皺外緣與古北西向構(gòu)造斜撞復合部位．地熱觀測井深98m，觀測儀器為SZW－1A型數(shù)字式溫度計，傳感器放置深度為80m，此處為海西期花崗巖，井內(nèi)有水，觀測的是水溫．

德令井水溫數(shù)據(jù)自2007年5月23日開始數(shù)據(jù)正常入庫以來，到2010年6月6日，連續(xù)觀測1110天，以整點值計算，數(shù)據(jù)完整率為99．52%，該臺數(shù)據(jù)完整率較為理想．

自觀測以來，該井水溫動態(tài)呈上升趨勢（見圖4），其上升速率較為穩(wěn)定［21］．對上升的趨勢可用一階函數(shù)表示如下：

T＝4×10－6t＋9．6198（時間起點為2007－5－30）其中T為地下水溫度，t為時間（時）．

由圖4可以看出，該井水溫的短、長期動態(tài)特別穩(wěn)定，年變化幅度不超過0．04℃．

3．2 德令哈井水溫異常變化與地震關系

由圖4還可以看出，在德令哈井水溫多年趨勢上升正常動態(tài)背景上，有3次近似“」”型的急升過程（B1段、C1段、D1段）和3次回歸過程（A2段、B2段、C2段）的非穩(wěn)態(tài)變化．對于3次“」”型急升的變化過程，經(jīng)過分析得出，除C1可能是由于外部觀測環(huán)境原因之外，其他2次與同期一定范圍內(nèi)的地震活動有明顯的對應關系（見表1）．

系統(tǒng)分析結(jié)果表明，在2008年5月12日汶川MS8．0、2010年4月14日玉樹MS7．1等地震前幾天出現(xiàn)臨震“」”型急升異常，即3次“」”型急升中2次有地震出現(xiàn)；在觀測期間所發(fā)生14次地震中，對其中的2次MS≥7．0的地震前均出現(xiàn)此類異常，因此對于德令哈水溫井有理由認為“」”型急升的變化可能是與區(qū)域內(nèi)大震活動有關的地震前兆異常．

3．3 德令哈井前兆異常的基本特征

圖3 玉樹井水溫3次V字型異常曲線與疊加圖Fig．3 The three V shaped anomaly water temperature curves and overlay map in Yushu well

為了進一步分析3次臨震的“」”型異常變化基本特征，對圖4中的B1段（2008－05－08—2008－05－12共5天，可能與汶川MS8．0級地震有關）、C1段（2009－05－15—2009－05－19共5天，可能儀器受外部干擾）和D1段（2010－03－31—2010－04－04共5天，可能與玉樹MS7．1級地震有關）的“」”型異常段（分鐘值）經(jīng)時間平移，把動態(tài)曲線疊加在一起，得到異常動態(tài)的對比圖如圖5a所示．設計一6階、截止頻率為128min的巴特沃斯低通濾波器，對圖5a曲線濾波后曲線形態(tài)對比圖如圖5b所示；對于“」”型異常，拐點附近局部放大的曲線形態(tài)對比圖如圖5c所示．

圖5 德令哈水溫3次“」”型上升異常曲線與疊加圖Fig．5 The three“」”shaped anomaly water temperature curves and overlay map in Delingha well．

由圖5不難看出，唯有C1段曲線在急劇上升后出現(xiàn)一系列的不規(guī)則高頻信號，應該是由于觀測環(huán)境（包括儀器故障、外部干擾等）的改變而引起的數(shù)據(jù)異常波動，由此判斷該上升段并非為前兆信息．求得B1段和D1段的相關系數(shù)為0．9804，這兩段異常形態(tài)特征具有高度相關性．

圖4 德令哈地震臺2007－05－23—2010－06－06水溫數(shù)據(jù)曲線Fig．4 The water temperature data curve of Qinghai Delingha seismic station from 2007－05－23—2010－06－06

為了進一步確認數(shù)據(jù)異常的具體成因，對其下降A2段（2007－12－08—2008－02－02共62天，其上升階段懷疑在儀器安裝前已經(jīng)完成）、B2段（2009－02－20—2009－04－22共62天，對應B1段的上升過程）、C2段（2009－05－20—2009－07－20共62天，對應C1段上升過程）進行對比分析，筆者認為D1段上升過程其對應的下降過程還未出現(xiàn)．對其3次下降過程進行時間平移、曲線疊加如圖6所示，由圖6不難看出，其C2段下降過程明顯不同于其他兩次正常的下降過程，其下降過程只持續(xù)1h左右，呈現(xiàn)一種陡然下降趨勢，從而再一次確認其對應的上升過程C1段為非地震前兆異常信息，而是儀器受外部干擾產(chǎn)生的一種干擾信號．

4 認識與討論

通過上述分析，得出如下基本認識：

（1）青海省玉樹井與德令哈井水溫在汶川MS8．0級地震與玉樹MS7．1級地震前均表現(xiàn)出可信度較高的異常變化［16，22］．

（2）玉樹井的異常變化其基本形態(tài)是呈非對稱V字型，而德令哈井的異常變化呈急劇上升趨勢，并且兩次地震前的異常形態(tài)具有高度的相似性．

（3）玉樹井的異常幅度、異常持續(xù)時間與對應地震的震級大小、井震距等因素表現(xiàn)出一定的規(guī)律性，總體上震級越大、井震距越小，異常幅度越大、異常持續(xù)時間越長；且玉樹井的異常主要是中長周期的異常，這種特性對利用水溫異常特征判斷未來地震的強度有重要意義［23－24］．

（4）德令哈井對小于MS7．0級地震未表現(xiàn)出明顯異常信息，且異常幅度、異常持續(xù)時間與震級大小、井震距之間關系也不十分明顯，但其短臨異常特性十分明顯，這種特性對利用該井水溫資料來判斷發(fā)震時間有著重要意義［23－24］．

得到上述基本認識的同時，還有如下問題值得進一步討論：

（1）為什么兩口井水溫對兩個不同的地震前都表現(xiàn)出相似的異常形態(tài)特征？作者認為，可能與人們認為的地震前兆一般都不是來自震源的信息有關．一些學者認為［25］，地震前兆可分為源兆與場兆，源兆來自震源的異常，場兆則指與孕震過程伴生的區(qū)域構(gòu)造活動的異常，而一個地區(qū)的構(gòu)造活動又具有一定的繼承性，因此有可能對不同的地震前可表現(xiàn)出相似的異常變化．

（2）為什么兩口井水溫對發(fā)生在同個地區(qū)、不同震級的地震異常反映不同，甚至較大地震（MS6．0）前無異常，而較小地震（MS5．0）前有異常？作者認為，這正是地震前兆及其機理復雜性的表現(xiàn)，某一個地震孕育與發(fā)生過程及其前兆表現(xiàn)特征［1，26－27］，涉及到很多的條件與環(huán)節(jié)，除孕震過程對前兆觀測點的影響有大小之外，還涉及到前兆異常信息的生成、傳遞與表現(xiàn)條件及其機理等，而各個條件與機理上的任何差異，都可能使表現(xiàn)出的異常特征不同．目前，對此問題，給出科學的解釋還差得很遠，是需要長期深入探討的問題．

（3）我國高精度水溫連續(xù)觀測，雖然已經(jīng)建成了初具規(guī)模的地熱觀測網(wǎng)絡，但仍處在科學探索階段，其觀測技術(shù)也不完全成熟，如尚未解決儀器現(xiàn)場標定（暫只能進行實驗標定）、觀測數(shù)據(jù)可靠性現(xiàn)場校測等技術(shù)環(huán)節(jié)．這種狀況，無疑影響對水溫正常動態(tài)規(guī)律的認識及提取的異常動態(tài)可靠性的把握，這些問題的解決，尚等現(xiàn)場標定技術(shù)的完善，未來的觀測技術(shù)發(fā)展［8］．

致 謝本次研究數(shù)據(jù)來源于國家地震臺網(wǎng)中心前兆數(shù)據(jù)庫，其技術(shù)思路得到車用太研究員、付子忠研究員的指導，數(shù)據(jù)分析方法得到地殼應力研究所預報室同仁的大力支持，在此一并表示感謝．

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The anomaly characteristics before Wenchuan earthquake and Yushu earthquark in Qinghai Yushu and Delingha geothermal observation wells

HE An－Hua1，ZHAO Gang1，LIU Cheng－Long2，F(xiàn)AN Liang－Long1

1 Institute of Crustal Dynamics，China Earthquake Administration，Beijing100085，China 2 Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing100029，China

In this paper，the data of water temperature observed in Yushu and Delingha（Qinghai Province）geothermal observation wells since 2007were analyzed systematically，by which precursory anomalies were found in both wells right before the Wenchuan Earthquake（Sichuan Province）and Yushu Earthquake（Qinghai Province）occurred on 12thMay 2008and 14thApril 2010respectively，and similar abnormal phenomena were also detected before other violent earthquakes happened．Furthermore，the information of the precursory anomalies such as anomaly amplitude and duration were analyzed quantitatively，the anomaly curves of each well fordifferent earthquakes were compared in terms of shape，and the correlation of abnormal data was studied．It can be concluded that the shapes of precursory anomaly curves of the two wells for different earthquakes have many similarities．The exploration of the precursory anomalies and their curves will break new ground for earthquake prediction by means of water temperature．Besides，the author discovered that the water temperature anomaly amplitude of Yushu Well varied with earthquake magnitude and epicentral distance，which can be described in detail as follows：the greater the magnitude，the shorter the epicentral distance，while the greater the anomaly amplitude and the longer the anomaly duration．Also the Yushu Well is dominated by medium and long－term anomalies，which will have significant impact on predicting magnitude of earthquakes using water temperature anomalies．On the other hand，the anomalies of Delingha Well were short term and imminent，and this feature will be very useful when estimating the occurrence time of an earthquake by analyzing data of water temperature．

Water temperature observation，Precursory anomaly，Yushu well，Delingha well，Wenchuan earthquake，Yushu earthquake

P314收修定稿2011－10－25，2012－02－18收修定稿

中國地震局地殼應力研究所中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務專項（ZDJ2011－07）、國家自然科學基金（41104051）資助．

何案華，1979生，男，2008年畢業(yè)于中國地震局地殼應力研究所，獲碩士學位，現(xiàn)主要從事地震前兆觀測技術(shù)研發(fā)、地熱資料分析與處理．E－mail：hua98611＠163．com

何案華，趙剛，劉成龍等．青海玉樹與德令哈地熱觀測井在汶川與玉樹地震前的異常特征．地球物理學報，2012，55（4）：1261－1268，

10．6038／j．issn．0001－5733．2012．04．021．

He A H，Zhao G，Liu C L，et al．The anomaly characteristics before Wenchuan earthquake and Yushu earthquark in Qinghai Yushu and Delingha geothermal observation wells．Chinese J．Geophys．（in Chinese），2012，55（4）：1261－1268，doi：10．6038／j．issn．0001－5733．2012．04．021．

10．6038／j．issn．0001－5733．2012．04．021

（本文編輯 胡素芳）