0 引言

中国高精度井水温度观测自20世纪80年代末开始，目前已成为中国地震地下流体监测台网第二大测项。除了在多次强震前观测到可信度较高的水温前兆异常外，还在上百口井中观测到水温的同震响应，在几十口井中观测到水温固体潮汐效应，这些水温微动态信息（车用太等，2014）说明水温观测对地球动力作用具有较强的响应能力。

从理论上分析，产生水温数据异常主要有3个原因：①观测系统受到外界干扰，如仪器本身故障、台站供电故障、仪器接地问题、仪器相互之间的干扰等；②观测条件受到干扰，如某些观测井的水位变化会直接影响到水温数据；③深部因素，主要分为附加地热场因素和其他地球物理因素，其中附加地热场也就是地热前兆异常（何案华等，2009）。而现实观测发现，每一口井所处的地理位置不同、观测环境不同、井孔条件不同、井—含水层系统不同、水温传感器置深不同等因素，导致观测的水温微动态特征差异较大。形成各种微动态的原因较为复杂，只有针对每口井的观测资料进行详细分析、总结归纳，选用多套仪器做对比观测，对微动态形成给出合理解释，才能在资料应用中排除干扰，提取有用信息。

本文针对九江1井水温观测资料，分析总结其日动态、年动态、长期动态、同震响应等不同动态特征，并通过2套仪器对比说明观测资料的可信度，为寻找九江地区地震短临前兆测项做资料积累。

1 观测环境及观测系统

九江地震台地处庐山西北侧，大地构造上位于扬子陆块下扬子地块中部。九江地区自古元古代以来，历经多期次地壳运动，形成一系列规模不等、性质不同的断裂，其主体方位呈NNE向。本区主要断裂为夏家—威家岭左行走滑断裂带，呈NE向延伸，宽约1—1.5 km，总体倾向320°—330°，倾角60°—70°，北西盘（上盘）向南西下滑（江西地质矿产勘查开发局，1993）。

九江地震台院内有2口流体观测井（九江1井、九江2井）。九江1井于2004年成井，原为自流井，2007年5月用于水物理和水化学综合观测，2012年水化观测移至九江2井。2013年11月18日九江1井由动水位改为静水位观测。九江2井于2008年11月成井，为自流井。2012年1月起在九江2井进行水化学观测和泄流（观测前泄流口关闭）。九江2井在九江1井正北方向，井口较九江1井低约3 m。2口井水平距离约10 m，深度均约70 m。经多次实验，证明2口井具有连通效应。

九江1井钻孔报告显示：井深71.69 m；围岩为砂岩，岩芯较破碎；13.26—13.38 m分布有硅质岩；套管深11.38 m。井孔有3个含水层，为基岩裂隙承压水。2016年4月25日应用井下电视查看井孔发现：井深69.3 m，井底无淤泥；井孔33 m下围岩较破碎。水温传感器置于67.8 m。2016年3月25—26日、4月26—27日对该井进行2次水温梯度测量，每个深度测量时间30 min以上。钻孔柱状图及井下电视和水温梯度见图 1。

2 观测资料动态特征

九江1井水温观测使用中国地震局地壳应力研究所生产的SZW-1A V2004数字式温度计。该温度计采用晶体振荡器作为敏感元件，分辨力为0.000 1℃，在地震行业应用广泛。

自SZW-1A V2004数字式温度计运行以来，九江1井水温日变稳定，由2008—2016年6月水温动态变化曲线（图 2）可以看出，多年趋势呈上升变化。由图 2可见：①2008—2009年小幅突跳较多；②2010—2016年有几次阶跃，其中2010年12月20日阶变-0.038 ℃、2011年1月17日阶变+0.037 ℃、2015年11月25日阶变-0.004 ℃、2016年3月26日阶变+0.004 ℃、2016年4月26日阶变-0.002 ℃，且2010年12月20日、2011年1月17日、2016年3月26日水温与水位阶变同时发生，2016年4月26日水温阶变由对比试验水温仪梯度干扰引起，2015年11月25日水温阶变原因不确定。与九江地震台多年气温观测曲线对比，发现水温与气温变化无明显关系。

2.1 水温正常动态

水温变化的正常动态主要包括日动态、月动态、年动态和长期动态。九江1井2008—2016年水温正常动态特征统计见表 1。由表 1可知：①九江1井水温日变较稳定，变化幅度不大，2008—2011年日变幅度在0.000 2℃—0.000 3℃，2012—2016年日变幅度在0.000 1 ℃—0.000 2℃；②水温月变化差异较大，有时为正（上升）、有时为负（下降）；③水温年动态以上升为主，2010—2016年逐渐呈现先峰后谷的规律变化，峰值出现在3—4月，谷值出现在8—9月；④水温长期动态为趋势性上升，2008—2015年总体上升0.061 7 ℃。

对于水温长期趋势变化，很多学者做过分析，如：邱永平（2011）对宁波地震台ZK03井水温的平行观测表明，该井水温10年来长期趋势性上升原因并非井水温度变化，实为水温仪漂移所致；车用太等（2013）汇总了水温趋势性变化的相关统计，结果表明，约有超过统计数1/3的水温动态为趋势性上升或下降，其中一些可能与水温仪零漂有关；马玉川（2015）统计了中国380个数字化水温观测点，发现92个为长期趋势性变化（占24%），74个为趋势上升，变化幅度每年0.01℃—0.099℃，占趋势上升的65.22%。上升形态表现为匀速（直线上升）和变速（近抛物线）2种，其中一部分为水温客观反映，另一部分为仪器零漂反映。

九江1井水温传感器位置靠近井底，自观测以来400 km范围内无5级以上地震发生。多年变化形态在去除突跳、阶变和叠加的峰谷年动态后为典型的变速趋势上升，初始上升速度大，运行几年后速度变小，逐渐接近匀速变化。初步判断，水温长期趋势上升为仪器自身零漂引起。为证实该论点，2016年5月25日—7月10日，笔者采用同样的水温仪对该井水温进行对比观测。对比传感器置于井下65 m处，较观测传感器浅2.8 m。对比观测发现，该时段水位上升、水温下降，2套仪器变化趋势一致；整点值数据拟合直线斜率差0.000 01。但是对比仪器第一天测值与观测仪器2008年1月1日测值相差-0.242 7℃，厂家认为存在仪器系统误差。

2.2 水温年变动态与水位、降水变化关系

笔者发现，2010年后九江1井水温趋势上升速度变小，且在上升趋势中叠加了较规律的年变。截取2010—2015年水温观测曲线，假设水温随时间趋势上升的漂移符合直线变化，对该段数据应用K—L法最佳直线拟合，水温拟合残差与水位变化进行对比，见图 3。由图 3可见，水位上升对应水温下降，水位下降对应水温上升，二者负相关关系明显，水温变化较水位有一定延迟，且水位越高，引起水温反向变化的延迟时间越短、幅度越大。在2016年5月25日至7月10日水温对比观测试验期间，水位上升，2套水温仪同时观测到水温下降且速度相当，说明水温与水位的反向变化是真实的。

由图 3可见，2010年以来九江1井低水位值持续上升，最高水位值变化不大，主要由2008年九江2井钻井时大量泄流（九江1井水位至最低）导致含水层含水量失衡造成。随着降水逐年补给，含水层水量逐渐恢复。2013年11月18日关闭九江1井泄流口，泄流水压集中到九江2井。2014年6月九江2井井口大量喷水，2014年年底加高井管，2015年6月该井再度井喷，水位较高、水压大、井口和泄流口同时泄流，高温水大量流出，至2015年4月、11月出现2次水温下降现象。

同时观测九江1井水位与水温，发现水位受降水影响明显。为进一步分析水温变化与降水的关系，笔者对2010—2015年降水量月累积值、水温月底相对月初的变化量进行统计，见图 4，经相关分析，得：r = -0.47，p = 0。p = 0表明有统计学意义，r = -0.47表明2组数据接近中度相关。

九江1井井孔围岩为砂岩，较破碎，含水层埋深浅，补给点较近，降水后地下水快速得到补给，水位上升。结合水温梯度，承压含水层的水温高于表层水温，随着降雨入渗补给，冷水加入水温高的地下水系统，引起水温下降。据刘耀炜等（2010）的研究，雨季水位高、水温低的同步反向协调性变化可以解释九江1井水温与水位的负相关变化。九江2井开始水化观测后，2口井充分连通，高水位时水压大、泄流增大，高温水大量流出，进一步打破井水原有的温度平衡，成为导致水温降低的另一因素。九江地区一般下半年为枯水期，降水补给量少，水位缓慢下降，含水层水温逐渐回复，叠加仪器零漂，水温观测曲线呈上升变化。

2.3 水温同震响应特征

统计2008—2015年61个远大地震(M≥7.5)与九江1井水温、水位观测的同震响应结果，见表 2，其中，水温测项出现同震响应24次，水位测项出现同震响应45次。2012年九江2井开始水化观测、泄流后，水温和水位测项的同震响应数量明显减少。

九江1井水位、水温同震响应特征见图 5。由图 5可见：①震后水温以突降—恢复为主，即快速降至最低点后逐渐恢复正常，恢复时间一般比突降时间稍长。突降幅度不一（-0.001 7 ℃—-0.000 1 ℃），震中距越小、震级越大的地震，水温突降幅度越大；②同井水位同震响应以震荡为主，即水震波。与水位相比，水温响应滞后且时间短，水震波时长较长时，水温同震响应时长也较长；水震波幅度大，水温突降幅度也较大；一般水位震荡至最低时，水温降到最低水平。在24次水温同震响应中，仅2008年5月12日汶川8.0级地震水温出现阶升后逐渐恢复。

前人对水温同震响应机理有一定研究，如：陈大庆等（2007）提出同震水温下降的气体脱逸模式；孙小龙等（2008）指出，水温突降—缓升型的响应机理主要有气体逸出说、井内水体热弥散说和冷水下渗说3种；车用太等（2008）认为，井水的“高”频振荡一方面导致井水扰动，促使低温水与高温水反复对流，使不同温度的井水发生混合，另一方面加剧井水面上热扩散作用，从而导致井水温度下降。结合水位同震响应特征，九江1井水温同震响应比较符合冷水下渗或低温水混合高温水的情况，即井水高频震荡，引起上层低温水与观测层高温水混合造成水温突降，之后水位震荡缓和，水温恢复正常。

汶川8.0级地震后，九江1井水温阶升0.000 8℃、水位震荡且上升0.1 m，对于此同井水位、水温同震响应特征较一致的现象，据Brodsky等（2003）提出的地震波引起含水层渗透性增大的结论，地震波移除裂隙中的障碍体，使得裂隙中流体通道畅通，从而增大含水层的渗透系数，导致水位上升，而含水层的高温水进入井孔，使得水温同步升高，震后井孔—含水层系统恢复平衡状态，水温随之恢复。

对于2012年以来，九江1井水温映震能力变弱的现象，分析认为：九江2井地势低、泄流大，2口井联通性加强，减弱了含水层的承压性能，水位同震响应能力降低，同震级远大地震水震波幅度变小，冷水混合现象较之前不明显，水温响应能力下降。

3 结论

通过对九江1井水温观测资料动态特征进行分析，综合同井水位观测资料变化，得出以下结论。

（1）九江1井水温日常动态稳定、变幅较小，多年趋势向上，水温传感器位置靠近井底，且自观测以来400 km范围内无5级以上地震发生，依据前人分析和统计，初步判断该井水温长期趋势上升为仪器零漂所致。

（2）自2010年，九江1井水温年变逐渐呈现先峰后谷的波动特征，年变特征与水位、降水呈负相关关系，峰谷出现的月份与幅度取决于降水补给地下水的早晚和量值大小。

（3）九江1井水温远大地震（M≥7.5）同震响应明显，以突降—恢复特征为主。结合水位同震响应特征，认为该井水温同震响应主要由井水高频震荡引起上层低温水与下层高温水混合，造成水温突降，后水位震荡缓和，水温恢复正常变化。

（4）汶川8.0级地震是水温记录到同震响应的第1个地震，水位、水温同震响应特征与其他大震不同，引起同震响应的机理也不相同。