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  地震地磁观测与研究  2017, Vol. 38 Issue (6): 64-71  DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2017.06.012
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引用本文  

陈健, 仇中阳, 刘江斌, 等. 苏06井不同深度水温变化特征[J]. 地震地磁观测与研究, 2017, 38(6): 64-71. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2017.06.012.
Chen Jian, Qiu Zhongyang, Liu Jiangbin, et al. Characteristics of water temperature variation at different depths in Su 06 well[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research, 2017, 38(6): 64-71. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2017.06.012.

基金项目

中国地震局监测、预测、科研三结合课题中震测函[2017]2号(课题编号:CEA-JC/3JH-161004)

作者简介

陈健(1976—), 女, 工程师, 主要负责地震监测预报工作

文章历史

本文收到日期:2017-08-31
苏06井不同深度水温变化特征
陈健 1, 仇中阳 1, 刘江斌 1, 李松华 1, 李子威 1, 杨彦兵 2     
1. 中国江苏 223001 淮安地震台;
2. 中国江苏 223001 淮安市地震局
摘要:根据2008—2016年苏06井400 m和800 m深度的水温观测数据,分析不同深度的水温年变速率及日变曲线形态,并运用差值、水温梯度的小波变换方法,对2个不同深度的水温变化特征进行分析,发现:苏06井不同深度水温的长期变化与水位变化具有一定同步性,事实上水位变化起主导作用,构造引起水位变化使不同深度水温的表现不同,对周围近距离显著地震发生有一定意义;从短期变化看,不同深度水温之间很少出现同步变化;400 m深度水温异常信号频度及强度高于800 m深度水温异常信号。
关键词水温    长期变化    短期变化    小波分析    
Characteristics of water temperature variation at different depths in Su 06 well
Chen Jian1, Qiu Zhongyang1, Liu Jiangbin1, Li Songhua1, Li Ziwei1, Yang Yanbing2     
1. Huaian Seismic Station, Jiangsu Province 223001, China;
2. Huaian Earthquake Agency, Jiangsu Province 223001, China
Abstract: According to the water temperature observation data at two different depth of 400m and 800m in Su 06 well, the annual change rates and diurnal variation curves of water temperature in different depth are analyzed. And using wavelet transform method, the difference of temperature gradients in two different depth are studied. It is found to that the long-term change of water level and water temperature in different depth in Su 06 well are synchronous, and the water level changes in fact plays a leading role. The water level changes caused by tectonism elicit different water temperature changes at different depth, showing some significance to the remarkable earthquakes occurred around short distance. Short-term variation, synchronous changes rarely occur between the water temperatures at different depth. The frequency and intensity of temperature anomaly signal of 400 m is higher than that at 800 m.
Key Words: water temperature    long-term changes    short-term changes    wavelet analysis    
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。

图 1 苏06井地质构造和井孔柱状 (a)地质构造;(b)井孔柱状 Fig.1 Geological structure and well bore log of Su 06 well

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

图 2 2008—2016年苏06井水温日变曲线 Fig.2 The water temperature curve of Su 06 well from 2008 to 2016
表 1 苏06井400 m与800 m深度水温年变率统计 Tab.1 The annual change rate of the 400 m and 800 m depth of water temperature in Su 06 well

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。

图 3 苏06井水位、水温探头放置 Fig.3 Water level and water temperature probe in Su 06 well

(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 苏06井800 m与400 m水温差值及和值曲线 Fig.4 Water temperature difference and value curve for 800 m and 400 m depth in Su 06 well

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。

图 5 苏06井400m与800m水温日变曲线对比 (a)2008—2009年;(b)2010—2011年;(c)2012—2013年;(d)2014—2015年;(d)2016年 Fig.5 Comparison of daily variation curves of water temperature at 400 m and 800 m depth in Su 06 well

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。

表 2 苏06井400 m与800 m深度水温异常与地震关系对应 Tab.2 Comparison of temperature anomaly and earthquake at 400m and 800 m depth in Su 06 well
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。

图 6 苏06井400 m与800 m深度水温小波变换对比 (a) 400 m深度;(b) 800 m深度< Fig.6 Comparison of wavelet transform of water temperature at 400 m and 800 m depth in Su 06 well
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。

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