0 引言

在地热异常变化与地震关系的研究中，人们很早就认识到地震活动区往往也是地热异常带，地震前地温、地下水温有明显变化，多位学者对水温变化与地震的关系及机理进行了研究(蔡永恩等，1992；强祖基等，1997；鱼金子等，1997；王庆良等，1998；车用太等，2008；何案华等，2012)，但对于震前水温的变化机理仍没有明确结论。江苏及邻近地区是中强地震活跃区，地震活动与地下水温变化有相应关系，苏06井400 m深度水温变化与地震活动关系更为明显(杨从杰等，2008；徐桂明等，2010)，但对800 m深度的水温变化研究不多。本文研究目的是，利用苏06井记录的400 m、800 m深度水温观测数据，分析不同深度的水温变化特征，以期对利用水温记录预测地震有一定帮助。

1 苏06井概况

苏06井位于江苏省淮安市金湖县陈桥镇振兴村。构造上处于郯庐断裂带东侧、金湖凹陷刘庄构造兴隆集高点，北面有NE向万集—高桥断裂分布，南面有NNE向石港断裂分布，东北约6 km处为白马湖，南约1 km处为老三河[图 1(a)]。苏06井建于20世纪70年代末，井深2 364.5 m[图 1(b)]，套管直径139.7 mm，深度2 008.5 m。1980年1月正式投入水位模拟观测，1999年底完成数字化改造，2000年1月正式投入数字化观测，主要观测项目为水位、水温，辅助观测项目有气压、气温、降雨。观测含水层为岩溶裂隙承压水，水温观测深度分别为400 m和800 m，其中800 m深度水温观测始于2008年1月。

苏06井观测静水位变化，水面距离井口34 m；采用SWZ-1型水温观测仪在400 m与800 m深度进行观测，采集分钟值数据，通过数据传输方式传送至监测中心处理。苏06井附近多年平均降水量约970 mm。大范围内未出露地表，缺乏直接补给，水循环缓慢，观测含水层埋于2 003 m以下，属于寒武纪灰岩，该含水层具有一定封闭性。

2 资料选取

苏06井400 m深度水温仪器投入观测时间较早，800 m深度水温观测2008年投入观测，为便于对比分析，资料时段选取2008年1月18日至2016年12月31日。由于苏06井400 m深度水温观测仪器于2009年8月和2010年3月发生故障，仪器修复后水温观测数据发生变化，观测曲线出现台阶，计算台阶后，对故障期间的跨日台阶进行预处理，缺失数据采用插值方法解决。

3 不同深度水温观测资料变化特征 3.1 长期变化特征

苏06井400 m和800 m深度水温的长期变化与水位具有很好的同步性，见图 2。本质上水位变化起主导作用，2008年以来主要可以分为4个阶段：①2008年至2010年4月，水位平缓趋势下降，400 m深度水温呈快速上升变化，平均年变率为0.016 248 6℃，800 m深度水温呈下降变化，平均年变率为-0.003 048 4℃；②2010年4月至2012年底，水位加速下降，400 m深度水温由快速上升转为平缓上升，平均年变率为0.007 223 9℃，800 m深度水温转折缓慢上升，平均年变率为0.001 405 9℃；③2013年初至2015年底，水位由快速下降转为平缓趋势下降，400 m深度水温平缓上升，平均年变率0.004 005 9℃，800 m深度水温平缓上升，平均年变率为0.003 062 4℃；④2016年初至年底，水位呈转折趋势上升，400 m深度水温转折加速上升，年变率为0.008 285 9℃，800 m深度水温转折平稳变化，年变率为0.001 775 4℃，见表 1。

仔细分析上述4个阶段，发现不同深度水温变化本质上由水位变化起主导作用。以水位做参照物，水位、不同深度水温存在明显的同步变化特征，从相对变化看，包括变化速度在内的相对变化，苏06井400 m和800 m深度水温基本是反相关变化。也就是说，400 m深度水温相对上升较快，800 m深度水温就会相对下降。由图 3可以理解为，造成水位上升或下降的水流来自400—800 m深度，否则可能出现400 m和800 m深度水温的同向变化，即400 —800 m深度的含水层变化是水温变化的主要原因。

(1) 2008年至2010年4月：①水位平缓趋势下降与苏北地下水开采有关(王维等，2016)。地下水开采后，上层水位下沉，下层水位上升，发生一定交换补充，此时水温变化与水温梯度、开采位置和补充来源等有关。从实际观测结果看，因为苏北地下水的开采，上层水下沉、下层水上升补充可能同时发生，并在水深400—800 m范围内发生交换，交换后水温高于原400 m深度水温，低于原800 m深度水温，因此出现400 m深度水温上升，800 m深度水温下降现象；②受构造应力场影响。同一口井中不同层位的水温具有不同变化形态(张慧等，2011；汪成国等，2012)，水温与观测层位的地质水位条件、水力性质有着密切关系。图 1(b)中苏06井水深400 m与800 m处岩性结构的含水性质不同，构造应力场对2个深度的水温变化影响存在差异。统计发现，400 m深度水温异常对应的地震大都集中在东边，以南黄海附近为主；800 m深度水温异常对应的地震则更远。说明800 m深度水温变化主要受远场构造应力影响。2008年5月12日汶川8.0级地震前后，大华北地区应力场发生变化(杨丛杰等，2011)，大华北东南部压应力降低，是导致苏06井800 m深度水温快速下降的原因之一。

(2) 2010年5月至2012年底：水位加速下降明显，800 m深度水温转折缓慢上升，400 m深度水温由快速上升转为平缓上升。同样是水位的下降变化，与第一阶段相比，水温变化相反，可见水位下降不仅在于地下水开采，苏06井周围构造也可能发生了变化，即周围应力场出现张性变化，井水向岩石渗透，上层冷水渗透造成400 m深度水温由2008—2010年的快速上升转为平缓上升(水温下降异常的一种解释，刘耀炜等，2008)。根据图 1(b)显示的岩性结构，400 m深度以下为非含水层，水位下降后，井中下层水的补充导致800 m深度水温上升(与第一阶段不同的是，此时井中无上层水下沉)，该过程可以理解为周围应力场的张性变化。之后于2012年7月20日发生高邮—宝应4.9级地震，是江苏省1990年以来的显著地震。同期，2011年3月11日日本9.0级地震使中国东部挤压应力增加，导致苏06井800 m深度水温出现转折上升变化，仇中阳等(2013)分析认为该地震的孕育时间从2010年4月开始，与图 2中800 m深度水温转折时间一致。此阶段800 m深度水温上升速度不快，应为汶川8.0级地震应力场调整仍未结束，消减了日本9.0级地震的部分压应力所致。

(3) 2013年初至2015年底：水位恢复缓慢下降后，水温在400 m和800 m深度均呈现缓慢上升态势，800 m处水温相对上升较快，反映下层水位的补充效应更加明显，体现了地下水开采减缓现象(苏北地下水开采于2013—2014年部分停止)(王维等，2016)，该过程与第一阶段地下水开采解释接近，呈相反变化。

(4) 2016年：水位出现转折上升，同时400 m深度水温加速上升，800 m深度水温由上升转折变为平稳变化，于2016年10月20日发生射阳4.4级地震。该过程与2010年初至2012年底的变化相反，体现了周围应力场的压性变化。

值得注意的是，高邮—宝应4.9级地震和射阳4.4级地震均可认为与周围构造发生变化有关，但高邮—宝应地震是在苏06井周围应力场张性变化下发生的，射阳地震则是在苏06井周围应力场压性变化下发生的。考察2次地震的发震构造和震源机制，发现苏06井与射阳地震均与洪泽沟墩断裂有关，因此射阳地震前更多体现出苏06井流体变化与源兆有关，而高邮—宝应地震前苏06井流体变化更多属于场兆变化。

3.2 日均值差值及和值分析

差值分析法是检验2种观测数据在相同时间和空间内是否同步的有效方法之一。图 4为400 m与800 m深度水温差值及和值曲线。同一口井所受外在影响相同，井内不同深度的水温变化相差不大，其差值应在一定范围内。图 4(a)显示的差值结果与图 2一致，即2008—2016年苏06井不同深度的水温长期变化可以划分为4个阶段：①2010年4—6月前，800 m与400 m深度水温差值变化呈明显的加速上升趋势，原因为400 m深度水温明显上升，800 m深度水温下降，水温变化与地下水开采层位有一定关系，也可能是2008年5月12日汶川8.0级地震前后，大华北地区应力场发生变化，对深层水温产生影响所致；②2010—2012年2个深度水温的差值变化由快速上升变为平缓上升，说明除地下水开采，其构造水位也在发生变化，应与2011年3月11日日本9.0级地震对中国东部挤压应力增加以及2012年7月高邮—宝应地震有关；③2013年后，苏北地下水开采缓减至停止，使得不同深度的水温差值进入平衡期；④ 2015年10月开始，2个深度水温差值变化出现加速上升趋势，此时400 m深度水温上升速度较快，可能反映了周围构造应力的增强，应与2016年10月射阳地震引起构造水位变化有关。差值曲线在长期趋势上可以理解为共发生2次转折，分别是2011年初及2016年初，转折之后发生高邮—宝应4.9级地震和射阳4.4级地震，体现了构造水位的作用。

图 4(b)为苏06井400 m和800 m深度水温日均值相加后的曲线，从图中可以看出，在苏北地下水开采背景下，水位逐渐下降，水温则接近线性趋势上升。比较400 m、800 m深度水温变化及差值曲线，发现均具有趋势转折变化，可以理解为400 m和800 m深度水温的趋势转折均未影响和值保持的趋势变化，说明水温长期变化由水位变化起主导作用。在细节上，趋势斜率有所变化，包含构造水位变化。

3.3 水温短期异常变化特征

水温观测曲线形态能直观反映水温变化。图 5是2008年1月18日至2016年12月31日苏06井400 m与800 m深度水温日变曲线。对比可知，400 m及800 m深度水温短期异常较少出现同步变化，一致性较差，仅出现的6次同步变化中，2010年11月5日及2016年3月18日均因检查水温探头引起。非同步变化无固定规律可寻，表现形式不一：① 400 m深度水温异常变化在前，800 m深度水温异常变化滞后，如：2011年8月5日400 m深度水温出现下降异常，5日后800 m深度水温出现下降异常；2013年10月14日400 m水温深度出现下降异常，25天后11月8日800 m深度水温出现下降异常；②800 m深度水温异常变化在前，400 m深度水温变化异常滞后，如：2011年5月6日800 m深度水温出现下降异常，5月27日400 m深度水温出现下降异常；2014年3月4日800 m深度水温出现下降异常，4月14日400 m深度水温出现下降异常；③400 m深度水温发生异常变化，而800 m处无异常，或发生相反变化，如：2013年3月2日、2015年6月16日400 m深度水温发生异常，800 m处无异常；2010年3月8日800 m深度水温发生异常，400 m处无异常。

2个深度的水温短期变化不同步与苏06井不同方位的地震活动有关。表 2给出2011年以来，苏06井周边500 km方位内4.0级以上地震统计结果。由表 2可见，400 m深度水温异常对应的地震大多集中在东边，以南黄海附近为主；800 m深度水温异常对应的地震则更远。由图 2可知，与地震有关的水温长期变化更多体现了构造水位的变化，与周围区域应力场有关。水温短期下降变化与水位无明确同步性，更多体现了震前水流的扰动变化，即在地下构造应力的张性作用下，裂隙增加导致浅层水位渗流造成。

3.4 不同深度水温梯度小波变换对比

苏06井水温仪采集分钟值数据，由于数据采集量大，即使将日均值绘制曲线，也很难判断异常变化的起始时间。用水温梯度变化来描述水温随时间的变化，可以克服上述缺点。另外，水温数值变化包含仪器噪声、环境和气压等影响，剔除干扰常用傅氏变换、滤波、小波变换等方法。本文根据小波变换原理(董长虹等，2004)，对400 m与800 m深度水温梯度值进行小波变换。小波变换的相似部分可以消除仪器噪声、环境和气压等影响，细节部分可以清晰分辨异常信号的起始时间。

苏06井不同深度水温梯度值的小波变换细节部分见图 6。图 6(a)为400 m深度水温梯度小波变换的1—5阶细节图，图 6(b)为800 m深度水温梯度小波变换的1—5阶细节图，对比图中的同阶细节系数，可以看出，除2009年8月因更换仪器引起800 m深度水温梯度小波变换细节系数数值较大外，400 m深度水温异常信号较多，且强度较大；400 m和800 m深度水温异常信号起始时间无确定规律，既有同时发生，也互有先后发生。

4 结论与讨论

根据对2008年以来苏06井400 m与800 m深度水温数据对比分析，得出以下结论。

(1) 苏06井水位、水温受地下水开采影响，400 m和800 m深度水温的长期变化具有较好的同步性，呈负相关关系。本质上水温的长期变化受水位控制，水位变化趋势发生变化时，不同深度水温也发生同步变化，由构造水位引起的变化与周围显著地震的发生有关。

(2) 苏06井不同深度水温短期异常变化与周围500 km范围内4.0级以上地震存在一定短期关系，显示应力场作用下渗流场对水温的影响，这种作用在不同深度水温观测上基本不同步，对揭示流体在地质过程中应力场—渗流场—温度场之间整体内在联系有一定启示。

(3) 苏06井不同深度水温梯度值的小波变换分析表明，400 m深度水温异常信号较多，且强度较大。

地下水温度变化主要受地下应力场作用。在应力场作用下，井孔周围岩体裂隙、节理、断裂、溶洞及空隙里的流体发生变化，进而导致流体温度变化。苏06井为承压井，在地下2 003 m处含水层水温变化不像自流井那样在井内快速传递，因此在传递温度过程中会出现不同深度的水温变化，出现不同步现象。另外，不同构造地区发生地震，其应力方式对水温探头周围岩体产生作用不可能完全一致，导致同一井内不同深度的水温发生不同变化。苏06井不同层位的水温在震前表现不同，显示异常变化与观测井的系统装置、岩性结构、周围环境等有关。从苏06井和江苏省观测井网可知，水温探头并非越深越好，到一定深度后映震效果反而不理想，在水温观测系统建设中必须充分考虑，结合测井含水层结构等进行合理设置。