江蘇蘇05井、蘇06井水溫近年來典型異常特征分析及其機理討論1

葉碧文 王 維 繆阿麗 李 峰

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江蘇蘇05井、蘇06井水溫近年來典型異常特征分析及其機理討論1

葉碧文 王 維 繆阿麗 李 峰

（江蘇省地震局，南京 210014）

近10年歷史震例的分析表明，江蘇蘇05井、蘇06井水溫觀測資料異常與江蘇及鄰省中等地震有很好的對應關系。本文對2010年后兩口井的觀測數據進行分析，總結了蘇05井、蘇06井水溫測項在震前的典型異常特征：①異常表現為打破上升趨勢的下降變化；②震前異常持續時間為2—3個月左右，映震范圍在300km左右；③兩口井的震前異常幅度在0.003℃左右。根據總結的異常特征并結合水溫與井孔結構關系、水溫與水位的關系、不同層位水溫觀測原理以及水化分析結果等，對異常可能的成因進行了初步探討。

水溫觀測 異常特征 異常成因

引言

在中強地震前，地下流體水溫觀測能夠表現出相應的異常變化，這對地震預測預報有實質性的指示意義。在前人的研究結果中發現，水溫的異常變化在中強震時段會更加明顯，如1988年云南瀾滄-耿馬7.6級地震（楊繼登等，1999）、1995年云南孟連中緬邊界7.3級地震（付虹等，1997）、1989年大同6.1級地震（車用太等，2008）、1998年張北6.2級地震（車用太等，2003）以及2005年九江5.7級地震（徐桂明等，2010）等。云南瀾滄-耿馬7.6級地震震前有7個觀測點記錄到水溫前兆異常，異常反應以景谷最為突出，震前溫度大幅突降；張北6.2級地震震前水溫出現顯著的大幅突升異常變化；2005年九江地震前蘇05井水溫出現幅度較大的下降異常變化。這些異常變化在觀測過程中發揮了重要的作用，說明水溫觀測對地震預測預報具有重要意義。根據前人的研究結果，目前對地下流體水溫前兆異常的機理解釋有地下熱異常上升模式（蔡永恩等，1992）、應力-耗散模式（王慶良等，1998）和水動力學模式（魚金子等，1997；車用太等，2008），每個模式對解釋震前水溫的異常變化都有一定的合理性。本文主要討論了蘇05井、蘇06井水溫測項震前的異常變化特征和地震的關系，并總結歸納蘇05井、蘇06井水溫2010年以來的典型前兆異常特征。通過多種分析方法及前人的研究結果來初步探討蘇05井、蘇06井水溫前兆異常的機理。

1 井孔概況及異常特征分析

1.1 蘇05井、蘇06井概況

江蘇蘇05井觀測站位于宿遷市關廟鎮農科村，在地質構造上位于郯廬斷裂帶東側，沭陽凹陷內，為沭陽凹陷南緣次一級凹陷盆地，距離郯廬斷裂帶約23km。觀測站周圍為農田，觀測環境無明顯干擾，含水層埋藏于573m以下，埋藏較深，缺乏直接補給，水循環緩慢，其上泰州組地層構成良好的隔水頂板，使該含水層具有一定的封閉性，不受表層水影響。該井井深976.26m，套管深975m，觀測層埋深827—862m，射孔部位833—857m。蘇05井水溫觀測儀器為SZW-1A數字水溫儀，分辨力為0.0001℃，采樣周期為1分鐘，含水層巖性主要為細砂巖（圖1）。水溫的日變形態為震蕩型（圖2），年動態為緩慢上升變化，水溫受降水、氣壓影響較小。

江蘇蘇06井位于江蘇淮安市金湖縣陳橋鎮，地質構造上位于郯廬斷裂帶東側、金湖凹陷劉莊構造興隆集高點，井深2364 m，套管深2008 m，水溫探頭埋深400 m，觀測含水層埋深大于2000 m，大范圍內未出露地表，缺乏直接補給，水循環緩慢，該含水層具有一定的封閉性，因此該井水溫觀測數據受降水的影響較小。蘇06井水溫觀測儀器為SZW-1數字水溫儀，采樣周期為1分鐘，含水層巖性主要為灰巖（圖1）。日變形態為震蕩型，年動態為緩慢上升型（圖2）。蘇05井、蘇06井在2000年進行過數字化改造，自2001年開始其觀測資料用于地震分析預報工作。改造后的觀測資料表明水溫儀性能穩定、采樣率高、故障率低，資料連續可靠。

圖1 蘇05、06井井孔柱狀圖（江蘇省地震局，2008）

圖2 蘇05井、蘇06井整點值波動變化

1.2 異常基本特征分析

1.2.1 資料的選取

本文選取的水溫資料為蘇05井和蘇06井的整點觀測值，選用的時間段為2010年1月1日—2016年11月30日的前兆觀測資料，地震資料從全國地震目錄中逐級檢索。檢索標準比繆阿麗等（2014）以及《地震地下流體理論基礎及觀測技術》（中國地震局監測預報司，2007）和《地下流體地震預報方法》（國家地震局預測預防司，1997）中對區域內中等地震預測能力普適性選取原則的檢索范圍稍作放寬，對研究區域（29.5°—35.5°N，115.5°—122.5°E）內發生的L≥3.9地震進行了選取，在研究區域內的19次3.9級以上地震中選取12次理論上對預報效能有所貢獻的地震（圖3）。

圖3 選取地震的震中分布圖

1.2.2 蘇05井、蘇06井典型異常特征分析

如圖4所示，蘇05井水溫從2010年初開始整體呈現緩慢上升的趨勢，而在某些時間段出現下降變化。在這些下降變化過程中，有8次對應了江蘇及鄰區發生的中等地震，分別為2011年1月19日安徽安慶L4.8級地震、2011年10月15日黃海L3.9級地震、2012年7月20日江蘇高郵寶應L5.3級地震、2012年8月25日黃海L4.8級地震、2013年11月23日山東萊州L4.9級地震、2014年4月20日安徽霍山L4.7級地震、2015年5月22日山東文登L4.6級地震和2016年10月20日江蘇射陽L4.7級地震。其中2012年7月20日江蘇高郵寶應L5.3級地震前的異常現象較為突出，蘇05井水溫觀測數據自2012年2月開始出現轉平跡象，該現象維持到2012年6月19日，2012年6月20日出現快速下降變化，7月20日發生地震。地震前的短臨異常持續時間約為30天，下降幅度為0.003℃。

蘇06井水溫2011年以來整體呈緩慢上升的趨勢變化（圖5），在2011—2016年期間江蘇及鄰區發生的地震中有11次與06井水溫異常變化有較好對應關系，分別為2011年10月15日黃海L3.9級地震、2012年4月8日江蘇金湖L4.1級地震、2012年7月20日江蘇高郵寶應L5.3級地震、2012年8月25日黃海L4.8級地震、2013年1月19日江蘇灌云L3.9級地震、2013年11月23日山東萊州L4.9級地震、2014年4月20日安徽霍山L4.7級地震、2015年3月14日安徽阜陽L4.7級地震、2015年5月22日山東文登L4.6級地震、2015年8月26日黃海L4.3級地震和2016年10月20日江蘇射陽L4.7級地震。其中2011年10月25日黃海L3.9級地震前異常現象較為突出，水溫觀測數據在2011年9月中旬出現快速下降，短臨異常持續時間約為22天，下降幅度為0.0015℃。

圖4 蘇05井水溫幾次中等地震典型異常圖

圖5 蘇06井水溫幾次中等地震典型異常圖

我們在對蘇05井、蘇06井自2010年以來的水溫觀測資料進行梳理的過程中發現，蘇05井水溫在觀測過程中出現9次水溫異常，其中有8次和周圍發生的中等地震有較好的對應關系，1次漏報。蘇06井水溫在觀測過程中出現了16次水溫異常，其中有11次和周圍發生的中等地震有較好的對應關系，5次漏報。根據總結的資料進行了統計分析，得出一些結果（表1）。

表1 蘇05井、蘇06井水溫典型異常基本特征

（1）蘇05井、06井水溫觀測值的正常時段呈趨勢緩慢上升形態，正常時段的日值一階差分變化小于0.0003℃。兩口井的異常特征形態類似，所有異常都表現為打破上升趨勢的下降變化，地震發生在下降或者恢復的過程中。

（2）蘇06井水溫的震前異常持續時間基本在1個月左右，而部分地震的震前異常只有10天左右，異常具有很大的短臨突變特征，蘇05井水溫的震前異常持續時間基本在2個月左右。

（3）與徐桂明等（2010）的2001—2007年度蘇05井、蘇06井水溫觀測資料統計結果進行對比時發現，蘇05井水溫的異常幅度在2011年為0.01—0.1℃左右，2011年后則是在0.001—0.004℃左右。2007年以前蘇06井水溫異常幅度在0.003—0.007℃左右，2011年以后在0.003℃左右（圖6）。針對這種現象，我們將在后續分析中給出解釋。

（4）徐桂明等（2010）的分析結果認為，2001—2007年蘇05井、蘇06井異常映震震級基本在L3.5以上，利用其數據和本文總結的2011后的數據，我們對兩口井異常幅度和震級關系進行對比，結果顯示2001—2007年蘇05井、06井的異常幅度和震級關系不明確（圖6），從異常時間與震中距關系來看，震中距較遠的一般異常時間也較長（圖7）。

圖6 異常幅度和震級關系

圖7 異常時間和震中距關系

2 水溫異常變化相關問題的分析

2.1 干擾因素排除

2.1.1 觀測井的封閉性

蘇05井井深976.26m，套管深975m，觀測含水層在573m以下。蘇06井井深2364m，套管深2008m，水泥固井，觀測含水層埋藏于2000m以下。這兩口井都缺乏直接補給源，循環滯緩，具有很好的封閉性。這種封閉性也體現在日常的水位和水溫觀測中，即水位因長時間的緩慢滲透和承壓作用出現規則的年變特征；水溫觀測曲線正常時段變化幅度非常小，無年變，也不受降雨影響。另外，水位和水溫都未發現存在同震響應和震后階躍現象。這些都說明這兩口井的封閉性很好，水位和水溫基本不受周圍淺層水的短期干擾影響。

2.1.2 水溫與水位的同步變化

蘇05井、蘇06井水位存在長期下降趨勢，水溫存在上升趨勢（圖8、圖9）。水位的下降趨勢和江蘇周圍的地下水開采有關。整體上蘇南大部分地區停止開采地下水，而蘇北大部分地區在2014年前仍然存在嚴重的地下水開采情況，這種情況導致蘇南水位普遍上升，蘇北地區水位普遍下降。因存在地下水開采不均衡的情況，就水溫觀測而言，在短時間內，水位出現下降變化后，上層冷水效應減弱，水溫呈現緩慢上升變化。從長期觀測結果來看，觀測數據顯示當水位出現年變化時，水溫并沒有明顯年變化。簡單計算得出，蘇05井、蘇06井水溫水位的趨勢變化幅度比值約為0.012℃/m，參考這一比值，若水位的年變化幅度約為0.3m，水溫應該變化0.0036℃。但實際觀測顯示，水溫呈線性上升，沒有年變，水位的年變化幅度沒有導致相應的水溫變化，水溫日常變化受水位影響很小。而水溫出現低值異常時，水位本身沒有明顯變化，因此水溫的這種異常和水位的變化無關。

圖8 蘇05井水位和水溫日值曲線

2.2 區域應力加載作用

2.2.1 水化學分析

杜建國等（2000）、張煒斌等（2013）認為地下流體在巖石圈尺度能量傳遞和物質運移方面有著重要作用，在此過程中攜帶的大量信息也能夠反映一些地震活動特點；地下水在循環過程中發生水巖反應，改變熱水組分的濃度，不同含水層或是相同含水層不同部位的地下水化學類型大不相同（Giggenbach，1988）；蘇鶴軍等（2006）認為氫氧同位素的研究對于跟蹤流體-巖石相互作用過程中流體的時間積累、流量、流動方向和組成具有重要意義，這為地震地下流體的研究提供了重要的理論依據。

圖9 蘇06井水位和水溫5日值曲線

2015和2016年中國地震臺網中心專家和江蘇省地震局相關人員一起對蘇06井及周圍水體進行了樣本采集（因井孔觀測裝置原因，無法對蘇05井采集水樣），水樣離子組分濃度分析和同位素測試在中國地震局地殼應力研究所完成2。遵循周志華等臺網中心專家們的研究思路，我們采用本次水化學采樣分析結果對蘇05井、蘇06井水溫異常變化做更進一步的探索。Schoeller圖（圖10）顯示，蘇06井和其附近淺表水體成分差異大，不具相關性，這說明蘇06井水體與周圍淺表水體不存在水動力聯系；Na-K-Mg三角圖（圖11）顯示蘇06井水樣離子向部分平衡水靠近，說明存在深層水的補給；氫氧同位素結果（圖12）顯示，蘇06井水樣氫氧同位素比值遠離大氣降水線，這表明蘇06井水體存在一定程度水巖作用。離子檢測結果也表明其Cl-、Ca+含量非常高，TDS超過5.5g/L，符合來源于深部封閉環境下水化學分帶特征。因此，根據前人的研究認識結合蘇06井的水化學分析結果，我們認為蘇06井周圍存在一定程度的區域構造活動，而是否與地震活動有關，還需要更多的證據佐證。

2.2.2 水溫異常幅度的變化

從地震活動性來看，2011年3月11日發生日本宮城9級地震后，江蘇及鄰區的地震活動明顯增強（圖13），許多前兆觀測數據在2012年前后出現了明顯的轉折變化（圖14），王敏等（2011）通過GPS觀測資料分析日本宮城9級地震對中國大陸構造形變場的同震影響，結果顯示地震造成我國東北和華北地區產生毫米至厘米級的同震水平位移，最大值為35mm。通過應變分析發現，地震導致東北和華北地區一系列北北東走向的斷裂產生了不同程度的張性應變；張風霜等（2012）認為日本大震后我國東部地區部分GPS基線開始轉折拉伸，因而一定程度上緩解了這些基線的趨勢性縮短，但是東部地區仍然有部分GPS基線的變化趨勢基本不受日本地震的影響，近幾年以來的趨勢性異常至今仍然存在。楊少敏等（2011）認為我國東部地區距離日本W9.0地震的震中約2000—3000km，如果受到此次日本地震的影響，那么主導我國東部地區地震活動性的郯廬斷裂帶的構造活動則十分值得關注，且郯廬與日本海溝地震帶的地震活動性在時間分布上具有一致性。結合江蘇地區地震活動性的變化和前兆觀測手段異常情況以及各位專家的研究成果，本文認為此次日本地震發生后，江蘇及鄰區處于區域應力場震后調整的過程中。而該地震導致的觀測環境的變化是前文中提到的蘇05井、蘇06井水溫異常幅度判據指標在2011年后發生變化的主要原因之一。

圖10 Schoeller圖

圖11 Na-K-Mg三角圖

圖12 氫氧同位素結果

2.2.3 蘇06井水溫異常變化成因分析

蘇06井同時設有兩個層位的水溫觀測探頭，分別位于400m和800m（圖15），在長期觀測中發現，400m和800m水溫的年動態變化、多年動態變化并不完全一致（圖16），馬玉川等（2015）也對類似現象做過統計分析。但蘇06井兩個層位水溫異常形態均表現為快速下降變化，400m水溫震前的短臨變化尤為明顯，從異常的時間特征來看，異常變化通常發生在震前幾天到幾十天不等。陸明勇等（1995，2004）、馮英等（2013）認為在孕震過程中，由于應力長期積累，巖石出現微小裂縫并破裂和串通，一方面導致巖石體積膨脹（即擴容），產生地殼變形；另一方面為地殼中包含的各種流體開通其活動和流通的渠道，從而使地下水等地下流體位置發生變化，并進而影響地震的發生和前兆異常的產生。我們認為蘇06井在地震前出現水溫的異常變化，特別是在地震前短臨階段，觀測到的顯著水溫異常變化與構造應力的作用下裂隙破裂和串通有關（米雅奇金，1983）。

圖13 江蘇及鄰區地震M-T和頻度圖（118°—124°E，33°—35°N）

圖14 江蘇及鄰區形變及電磁前兆異常圖像

圖15 震前水溫變化示意圖

圖16 蘇06井400m和800m水溫日值曲線

3 結論

本文在前人工作的基礎上，重新歸納總結了蘇05井、蘇06井水溫在震前的典型異常特征，并對震前水溫異常變化的可能原因進行了討論，得到以下幾點認識：

（1）蘇05井、06井水溫觀測值呈趨勢上升變化，這種變化與當地地下水開采導致的水位下降無關，不排除與區域構造活動有關。兩口井的水溫觀測值正常時段短期擾動變化較少，長期呈趨勢上升形態，水溫的異常下降變化與周圍的中小地震關系密切。

（2）蘇05井、06井水溫震前表現為下降異常，2011年以后蘇05井、蘇06井水溫異常幅度判據指標發生變化可能與2011年3月日本地震前后周圍應力場調整導致的觀測環境的變化有關。而不同應力作用周圍的裂隙狀態不同，因此不同構造背景應力階段、不同震級的地震前觀測測項的異常變化幅度可能并不一定存在規律性，做震例分析時有必要做更多的考慮。

（3）震前，構造應力作用導致了裂隙的破裂和串通，開通表層水活動和流通的渠道，進而引起蘇06井水溫出現異常變化。而06井不同層位的水溫在震前表現不同，這一點也體現出異常的變化與觀測井的系統裝置、巖性結構、周圍環境等都有關系，水溫探頭的放置應根據測井的含水層結構等情況進行合理的設置。

致謝：感謝中國地震局臺網中心周志華副研究員提供的水化學分析結果。

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Characteristic Anomalous and Mechanism of Water Temperature of the Jiangsu No.05 well and No.06 Well before Earthquake

Ye Biwen, Wang Wei, Miao Ali and Li Feng

（Jiangsu Earthquake Agency, Nanjing 210014, China）

By analyzing history earthquakes occurred during recently 10 years we found that the water temperature anomalous of the Jiangsu Su No.05 well and Su No.06 well have good relationship with mid-earthquakes occurred in Jiangsu and neighboring province. In this paper we analyzed the data of the two wells since 2010 and summarized the typical characteristics of the water temperature of Su No.05 well and Su No.06 well as follows: 1) the anomalous shows decreasing trend, 2) the during time is among 2—3 months and the epicentrals are about 300km, 3) the anomalous amplitude is about 0.003℃. Finally we discussed the probable mechanism according to borehole structure, the relationship between water level and water temperature, the water temperature value observed in different levels and hydration analysis etc.

Water temperature observation；Short-term anomaly；Mechanism

葉碧文，王維，繆阿麗，李峰，2018．江蘇蘇05井、蘇06井水溫近年來典型異常特征分析及其機理討論．震災防御技術，13（1）：125—137．

10.11899/zzfy20180111

江蘇省地震局青年科學基金項目（201509QY）資助

2 源自周志華2016年11月PPT《江蘇、安徽、山東異常核實地球化學分析》

2017-02-07

葉碧文，女，生于1987年。工程師。主要從事地震地下流體預報相關工作。E-mail：ybw585858@163.com