汶川地震前井水溫度異常信息的識別及其特征

王軍 何案華 趙剛 鄧衛平 車用太

1）中國地震臺網中心，北京市西城區三里河南橫街5號 100045

2）中國地震局地殼應力研究所（地殼動力學重點實驗室），北京 100085 3）北京市地震觀測工程技術研究中心，北京 100085

4）中國地震局地質研究所，北京 100029

0 引言

地震預測是當今世界的科學難題。地震可不可以預測，關鍵是震前能否捕捉到與地震孕育、發生過程有關的前兆異常信息。汶川地震之后，我國的一些學者一直在努力尋找這種信息，特別是地下流體學科的專家們一直關注與研究地下流體的前兆異常信息（車用太等，2008；劉耀煒等，2008、2015；徐桂明等，2010；何案華等，2012；張彬等，2014；孫小龍等，2016），其關注與研究領域主要涉及到井水位、井水溫度與水氡異常等；國際上則主要集中在對水位和水化進行地震預測探索等方面的研究（Hauksson et al，1981；Wakita et al，1988；King et al，1999；Hartmann et al，2005）。而水溫可能受水的運動、氣的運動、地熱活動性等多方面的影響，觀測機理較為復雜，開展的研究與實驗相對較少。除日本與中國臺灣地區有專門用于地震研究的溫度觀測之外，其它國家和地區鮮有專門的溫度監測網絡（Asteriadis et al，1989）。為此，筆者收集了全國2008年所有數字化井水溫度（簡稱水溫）的觀測數據，提取與辨明汶川地震前的水溫異常，分析了異常的特征、可能存在的機理及其與地震預測相關的一些問題。

我國地震地下流體觀測網分為井水位觀測網、井水溫度觀測網以及水文地球化學觀測網，觀測井（點）總數約700個。絕大多數觀測井是水位與水溫同時進行觀測，個別井在不同位置安裝了多個溫度傳感器。水溫觀測井很不均勻地分布在我國大陸32個省、自治區和直轄市。在地震活動頻次高、強度大的西部地區，尤其是青藏高原及其邊緣地區，水溫觀測點極少。

水溫觀測采用的儀器主要為SZW系列數字石英溫度計。該系列溫度計的分辨率為0.0001℃，觀測精度為±0.03℃，數據采樣率為1次/分鐘。水溫觀測數據通過網絡匯集到國家前兆臺網中心數據庫。

2008年5月12日14時28分04秒發生了汶川MS8.0地震，震中位于31.01°N，103.42°E，震源深度為14km，持續時間約2m in，地震烈度達到Ⅺ，破壞性巨大。由于印度洋板塊以每年約40mm的速度向北移動，使亞歐板塊受到壓力，造成青藏高原快速隆升。此外，青藏高原東面因為受重力影響，沿龍門山逐漸下沉，又面臨著四川盆地的頑強阻擋，造成構造應力能量的長期積累，最終壓力在龍門山北川至映秀地區突然釋放，造成了逆沖、右旋、擠壓型斷層地震（王衛民等，2008；徐錫偉等，2008；張培震等，2008）。汶川地震發生時地下流體觀測網共有273口水溫觀測井。

1 觀測數據的處理與異常辨別

數據匯集：通過中國地震前兆數據庫調取2008年全國所有的水溫、水位觀測數據，并按2008全年、2008年5月、2008年5月11～13日3個時間段進行曲線繪制，在此基礎上進行下一步的數據處理，處理過程主要分為如下幾步。

去趨勢：水溫觀測數據普遍存在著漂移現象，而這種漂移現象源自觀測系統、觀測部位自身的溫度漂移或反映出構造活動性等暫無定論（何案華等，2017）；但是漂移的存在，會掩蓋細節信息動態，因此在進行水溫異常信息辨別之前，采用一階擬合等方法進行去趨勢。以云南江川臺水溫為例（圖1），水溫以－0.4℃/a的速率下降，未去趨勢前，較難分辨震前的急劇下降以及同震與震后過程（圖1（a））；去趨勢后，可明顯看出震前的急劇下降異常以及汶川地震的同震與震后調整過程（圖1（b））。

圖1 水溫數據進行去趨勢

觀測環境干擾的剔除：這是異常提取過程中最為繁瑣、也是最為關鍵的一步。一般來說，水溫受水位變化影響較小，如山西祁縣井水位年振蕩幅度為12m，但水溫年振蕩幅度在0.02℃（圖2（a））；也有部分觀測井水溫極易受水位擾動的影響，如山西介休井在震前2天，水溫受水位的影響出現明顯上升異常（圖2（b））；遼寧昌圖井在汶川地震前幾次水溫的急升異常都是伴隨著水位的急升過程而發生（圖2（d））；德令哈井水溫在汶川地震與玉樹地震前都出現反“L”型上升異常（圖2（c）；何案華等，2012），但由多年的觀測資料積以及臺站人員的反饋信息得知，該異常是離觀測井20m左右的一公園人工湖注水所致（邱鵬成等，2010；文勇等，2014）。為減少工作量，本文暫不討論水位引起的異常問題，所以圖2（b）、2（d）的異常信息暫未列入這次討論范圍。

圖2 由于觀測環境的干擾而導致的水溫異常

在進行去趨勢、去環境干擾后，接下來需要剔除的是非地震事件引起的重復性異常信息：如北京左家莊井水溫（圖3），單從2008年曲線來看，震前20天（2008年4月20日）溫度出現明顯下降趨勢，汶川地震后上升恢復到異常前水平（圖3小窗）；從該井多年連續曲線來看，其下降異常經常重復出現，且這些異常與地震事件之間沒有必然聯系，可見在異常辨認時需從多年曲線中剔除這些非地震事件的重復性異常信息。

通過查閱臺站觀測日志或與臺站人員溝通，對降雨滲入、儀器故障、臺站檢修或水位校測、供電等其它因素造成的水溫動態異常進行剔除；在經過上述步驟對異常信息進行提取和篩選后，我們采用動態圖像識別的方法（魚金子等，1987；嚴尊國等，2000）對汶川地震前存在的水溫異常進行辨別并確認。

2 汶川地震前水溫異常

利用上述方法對汶川地震前水溫異常進行辨認，最終確定10口觀測井有明顯的震前異常信息，其詳細信息見表1，異常形態見圖4。

由表1可見，汶川地震前水溫異常井空間分布范圍較大，井震距小于1000km的占70%，井震距在1000～2000km的占30%，相對來說，距震中越近，異常出現次數越多；遠離震中，異常出現次數較少。異常形態上，觀測井分為“急降—平穩”型5個、“‘V’字”型1個、“急升—緩降”型2個、“持續下降”型1個以及“緩降—急升”型1個；幾乎沒有2個異常是同一形態的情況。異常持續時間跨度為6h～106d，大多數（90%）在震前3個月內，可見異常性質多為短臨異常；而地震發生時間與異常過程間的關系較為復雜，只有祁連井是異常還在進行中時發生地震的，其余井都是異常過程已經結束后才發生地震的。異常幅度為0.004～0.244℃，50%的異常幅度在千分之幾度的量級，另50%在百分之幾度的量級。從井震距與異常幅度間的關系來看（圖5（a）），異常幅度與井震距間沒有明顯關系；而從異常的時空演化來看（圖5（b）），異常都落在藍線之內，呈現出井震距越大、持續時間越短，井震距越小、持續時間越長的特點。

圖3 北京左家莊井非地震事件的重復性異常信息

表1 汶川地震前水溫異?；拘畔?/p>

除個別井未收集到詳細的水溫傳感器安裝深度之外，從現有的資料來看，異常與井深、傳感器安裝深度間關系不明顯；從觀測井的基巖巖性來看，主要是不同時代（γ2～γ5）侵入成巖的花崗巖與不同時代（Z～N）沉積成巖的沉積巖（砂巖、灰巖、粉砂巖、凝灰巖）及第四紀（Q）噴出成巖的玄武巖，異常與觀測層地層巖性間的關系多樣且呈無規律性；而井水位類型為自流井4口、靜水位5口以及干井1口，本次分析的273口水溫觀測井中，其中45口為自流井，可見自流井中出現異常的概率（4/45＝8.9%）高于靜水位井（7/228＝3.1%）。

圖4 10口觀測井記錄到的汶川地震前水溫異常形態

圖5 異常幅度、持續時間與井震距間的關系

圖6 井孔井-含水層結構決定水位與水溫異常

3 認識與討論

從地震預測角度來看，一次具有實效性的預測意見需具備對地震3要素（震中位置、震級大小、發震時間）都相對準確地提出預測意見。但從本次總結的結果來看，雖然空間上呈現相對來說井震距越小異常概率越大，時間具有短臨性質等簡單的規律性（異常的時長跨度從幾小時到幾個月），但無論從空間上還是時間上，利用極少的異常信息進行地震要素的判別幾乎不可能實現。異常形態多樣、異常幅度不一，這些可能取決于觀測井的井-含水層系統結構以及井-含水層系統的力學或熱力學異常狀態不同。通過玉樹井的實例來看，井-含水層系統也可能會受到構造活動的沖擊而發生改變（何案華等，2012；Sun et al，2018），從而導致同一口觀測井對不同地震出現的異常形態都不同的情況。異常幅度為0.004～0.244℃，幅度大小取決于井-含水層系統參數（含水層橫向水溫梯度、滲透性、厚度等）（He et al，2017），而與地震震級大小無關，這些因素決定利用異常形態、異常幅度來進行地震震級預測幾乎不可能實現。

筆者通過川03井進行精細溫度測量以及多層位溫度動態觀測，結合汶川地震全國井水位與水溫的同震響應分析（He et al，2017），參考國際上含水層滲透性對于水位同震響應的決定作用這一認識（Rojstaczer et al，1992；Piombo et al，2005；Jean et al，2006；Shi et al，2013；Sun et al，2015），提出水溫異常取決于井-含水層結構以及觀測井所處的水系單元位置這一觀點。

當觀測井靠近補給區、遠離排泄區時，含水層的滲透性增大，從補給區到井孔徑流路徑中阻力減小，而由于遠離排泄區導致井孔到排泄區間的阻力幾乎不受影響，這使得補給區水源更易注入到井孔中，導致井水位上升異常。而水溫上升或下降，則取決于含水層的橫向溫度梯度：如果含水層補給段為淺循環層，則會導致水溫下降異常；如果含水層補給段為深循環層，則會導致水溫上升異常。相反，當觀測井靠近排泄區、遠離補給區時，含水層的滲透性增大，由于井孔遠離補給區而導致井孔到補給區間的阻力幾乎不受影響，但排泄區到井孔間阻力減小，從而使井孔周圍的水更易于排泄，導致井水位下降異常。且由于井孔內注水量幾乎不變，從而導致水溫幾乎不變。當觀測井距排泄區與補給區都較遠時，含水層的滲透性變化對于井水位影響不大，不會產生相應的水位與水溫異常信息。

利用這一認識，可以解釋異常的多樣性、復雜性，但由于缺少實驗室或實驗場的量化實驗數據，對于該認識的完善有待更多的實驗與震例總結。

4 結論

汶川地震前，我國專業地震地熱臺網記錄到客觀的異?，F象。這些異常具有如下特點：異常觀測點在空間上相對集中；異常幅度差異較大；異常的出現時間具有短臨性質，且呈井震距越大持續時間越短、井震距越小持續時間越長的規律；自流井記錄到的異常概率遠高于靜水位井，不過干井也可以記錄到異常信息。在此基礎上，提出了水溫異常取決于井-含水層結構以及觀測井所處的水系單元位置這一認識。