0 引言

20世纪80年代初期，随着我国SZW系列高精度石英温度计的研制成功与推广应用，地震地下水温度测量方法得到飞速发展。自开展水温观测以来，已积累大量异常变化实例。研究表明，地下水温度异常在地震前表现出较高灵敏性，存在可靠异常变化信息，如：刘耀炜等（2008）分析宁洱6.4级地震认为，地震前云南地区出现群体性水温异常变化，临震表现为温度升高异常，中期为上升转折性异常；何案华等（2012）通过对青海省玉树与德令哈2口井水温数据进行分析，认为玉树井水温异常幅度随震级与震中距的不同呈规律性变化，具体表现在：震级越大，井震距越小，对应异常幅度越大，异常持续时间越长；蒲小武等（2014）利用一阶差分值、月变差率等方法，对甘东南4井进行定量分析，发现汶川地震前水温测值均出现明显地快速上升变化；夏开平等（2016）对澄江井水温多年异常进行分析，认为澄江井水温以突降型短临异常为主；杨晓霞等（2016）分析尼泊尔8.1级地震认为，地震前玉树井水温打破原有年变趋势，加速上升；王凤琴等（2016）对盖州市4.3级地震进行分析，认为地震前岫1井水温异常升高，转为平缓趋势时发生地震；何案华等（2017）通过川03井不同层位水温对汶川地震的响应过程，提出底层（765 m）水温在地震前50天前后存在明显下降异常，地震后恢复。

以上对地下水温度在地震前存在的异常变化尚处于定性分析阶段，无相关定量分析结果，且多涉及远场（或中间场，井震距大于100 km）地震，而对于近场（或井震距＜100 km）地震（近震）鲜有报道。

北京时间2018年2月12日河北省廊坊市永清县发生M_S 4.3地震。据统计，震中周边200 km内近5年来共发生11次3级以上地震，最大地震为2014年9月6日河北省张家口市涿鹿县4.3级地震（距本次震中150 km），据中国地震台网中心副主任刘桂萍介绍，1900年以来，震中区50 km范围内未记录到5级以上地震，距离最近的5级以上地震为2006年7月4日河北文安5.1级地震，距本次震中区约60 km。此次永清M_S 4.3地震发生前，永清地震台观测井水温测项（井震距＜30 km）出现异常，本文主要阐述该异常与此次永清地震的相关性。

1 井孔概况

华北平原沉降带冀中拗陷部位是新生代以来的沉降区，主要地层包括震旦亚界震旦系中统、第三系、第四系等，存在2条重要活动断裂，即NNE向河西务断裂和NE向牛东断裂，永清井即位于华北平原沉降带冀中拗陷北部牛东断裂带[图 1(a)]。

永清井位于永清县城西南约10 km罗家营村东北，终孔井深1 274.11 m，井口标高67 m，套管深度1 061 m，直径216 mm，裸眼段出水，顶板埋深1 065.3 m，裸孔过水段208.8 m，含水层岩性为震旦系白云岩，地下水类型为震旦亚界雾迷山组岩溶承压水。成井时为自流热水井，泄流口水温72℃，受地热开发影响，1995年底观测井断流，改为静水位观测。

永清井水温观测采用SZW-1A型石英晶体温度计，分辨力为0.000 1℃，观测精度为0.03℃，数字化水温探头放置在井下185 m处[图 1(b)]；水位观测采用ZKGD3000NL水位仪，其分辨力为0.001 m；2套仪器数据采集率均为1次/min。

永清井水温度年变曲线正常，变化趋势为冬季下降，春秋上升，年变曲线具有稳定下降型动态。

2 数据处理及异常信息提取 2.1 数据变化正常背景

（1）长趋势变化。选取2012年至2018年初永清井水位、水温观测数据，对比分析观测数据长期变化趋势，观测曲线见图 2。由图 2可见，水位以8.17 m/a的速率下降[图 2(a)，图 2(b)]，同时水温以0.07 ℃/a的速率下降[图 2(c)，图 2(d)]；二者下降速率比为0.857 ℃/hm，单纯从该数值而言，与水温梯度6.33 ℃/hm关系不大；在井水位多年变化趋势中，年变化幅度约20 m，且呈较强年变规律（水位受附近抽水开采、降雨条件影响较大）；水温显示出较弱的年变规律，去趋势后年变幅度在[-0.015 0.015]区间。

（2）年变化。选取2012年永清井水位与水温观测数据对比变化规律，去趋势后观测曲线见图 3。由图 3可见，水位年最低值出现在3月中旬，最高值在10月中旬；水温年变规律较弱；井水温度的长期下降趋势变化，独立于水位变化，而温度下降原因，有待进一步分析（何案华等，2017）。

结合图 2、图 3可知，水温多年变化（去趋势后）稳定，2016年9月由于永清站装修，温度传感器重新安装，井水观测温度出现小幅度抬升，但仍保持原有变化趋势，说明水温仪工作正常，仅观测位置出现细微变化。2017年12月30日起，永清井观测温度急剧下降，因水温独立于水位发生变化，下文仅就该温度下降变化进行分析。

2.2 水温梯度测量

为落实永清井水温下降异常，笔者于2018年6月5日—6日对水温梯度进行精细测量，对于井下50—400 m，采用20 m深度步长进行温度梯度测量，其中50—110 m共4个测量点处于空气段，130 m以下温度传感器入水；180—195 m段进行加密观测，测量步进为2 m。温度梯度测量结果见表 1、图 4。

由表 1、图 4可见，井下50 m处明显受气温影响，在温度梯度测量曲线中予以剔除；全井温度梯度处于正梯度，平均数值为6.33 ℃/hm，明显高于平均地温梯度（约2.5 ℃/hm—3 ℃/hm），说明永清井地处地热异常区，经查证，2013年1月，永清县经国土资源部批准，被命名为全国第三批“中国温泉之乡”；梯度最高点出现在井下200 m附近，达8.74 ℃/hm，因缺少井孔含水层分布的详细资料，据He等（2016）经验推测，此处可能存在相对高温（深循环）含水层；井下180—195 m加密段温度梯度区间为4.5 ℃/hm—6.5 ℃/hm，呈宽幅振荡趋势，说明该深度段含水层水流横向交替比较剧烈，而纵向交替相对较弱，可见永清井地下水温度测项对于地壳活动的观测较灵敏。

2.3 水温异常

由永清井多年水温观测曲线[图 2(c)，图 2(d)]可知，观测井水温比较稳定，2017年10月25日出现异常波动，12月30日前后异常加速（图 5），2018年2月6日—8日温度传感器因装修导致电缆受损而进行维修，2月12日18时31日发生永清M_S 4.3地震，井震距28.8 km，可采用以下类似傅里叶展开的模型对异常信息进行量化计算。

$ y = \sum\limits_{i = 1}^n {{a_i} \cdot \sin \left({{b_i}x + {c_i}} \right)} $

(1)

式中，a为幅度，b为频率，c为每个正弦分量的相位常数，n为正弦分量数据。与傅里叶变换不同，该模型不包含常数项。采用该模型，对永清井2017年7月21日至2018年5月25日水温观测数据进行去趋势分析，并选取2017年10月25日水温异常出现至永清M_S 4.3地震发生后2018年2月26日的一段数据进行量化计算，结果见图 5，图中红线是拟合曲线，蓝色线是日均值曲线。

采用上述模型，对永清井水温观测数据进行3阶拟合，得到决定系数R₂ = 0.992 5。3阶拟合系数见表 2。由表 2可见，3阶拟合系数主要由前2项决定（i =1，2），当i = 2时，幅度为0.042 13，相应周期为965.3小时，约40.22天，从实际情况看，对应时段为2017年12月30日至地震发生的2018年2月12日；当i =1时，幅度为0.018 62，相应周期为402.6小时，约16.77天。

3 异常机理

由于SZW石英晶体温度传感器采用频率信号传输，长距离传输过程中信号幅度衰减对测量结果不会产生附加误差，加上永清井多年稳定下降的年变规律，可得出，2016年9月永清台装修对传感器电缆造成的损坏，未影响传感器正常使用，从传感器重新安装（2016年9月）到异常出现（2017年12月）水温观测动态曲线[图 2(d)]可见，仪器仍处于正常工作状态。因此，由水位未造成水温异常以及传感器工作正常状态可知，此次水温异常确信度较高。

由永清井温度梯度测量结果可知，永清井处于地热异常区，井下200 m可能存在相对高温（深循环）含水层，传感器观测段（180—195 m）温度梯度呈宽幅振荡，说明永清井地下水温度测项对地壳活动观测灵敏度较高。

永清井水温2017年12月30日起下降速率增大，2017年7月1日至12月30日下降速率（按日均值计算）为2.796 7×10^-4 ℃/d，2017年12月30日至2018年1月10日下降速率约2.763 6×10^-3 ℃/d，2018年1月10日起下降速率约1.477 8×10^-3 ℃/d。可见，2017年12月30日前后水温下降速率相差约1个量级，通过对异常时段进行量化分析，得到相应周期为965.3小时，约40.22天，对应时间段为2017年12月30日至地震发生（2018年2月12日）。依据公式（1）建立的预测模型，为利用地下水温度进行可量化异常信息提取开辟了新思路，对于经验预报、统计预报而言，尤为重要，有待积累更多震例进行验证与完善。永清井浅层水温观测数据自2018年2月12日永清M_S 4.3地震发生后在正常范围内变化，处于稳定状态，数据多用于年度趋势会商，未进行地震短临预测，水温下降是否对应近场地震，有待进一步查证。

综上所述，此次永清井水温异常变化对近场地震（井震距＜30 km）可信度较高，对于温度异常的认识，前人曾提出地下热流面抬升导致地下气体逸出（Gorny et al，1988；Salman et al，1992）、板块蠕变摩擦（Fulton et al，2013）、电磁场异常（Freund，2002）以及马瑾院士团队提出的岩石亚失稳阶段的升温等假说（马瑾等，2010；陈顺云等，2013；任雅琼等，2013），尚需密集实验场数据支撑。由永清井温度梯度变化可知，温度传感器安装位置在井—含水层水流交替较剧烈段，传感器温度受制于含水层的渗透性，一旦区域受压应力状态控制，渗透性将减弱，带来的热水也将减少，导致传感器所测温度降低；地震发生以后，应力状态恢复，井水温度恢复到正常变化状态。以上结论根据温度梯度测量结果进行推断，需要密集的水文地质资料及应力应变观测数据支撑，而以现有观测水平远未达到量化机理研究。从应力状态到含水层渗透率的微变化，从而间接产生水温的异常变化，从温度异常与持续时间比来看，其变化缓慢，推断含水层参数（渗透率）变化微小，甚至未影响到水位波动，或者水位的缓慢变化被上层其他含水层中和（渗漏）。

假设上述应力状态控制含水层渗透性、含水层渗透性影响水温变化机理成立，则应力变化幅度多大才会影响含水层渗透性变化，且可影响的三维空间多大、应力积累时间尺度如何界定等，一系列关系到利用水温异常进行地震预测、预报的问题有待解决，有待高密度台网监测数据支持。

4 结束语

由仪器观测原理、永清井精细温度梯度测量以及长期温度动态背景可知，永清井水温2017年12月开始的加速下降，是少数井震距在30 km以内的异常信息，作为永清M_S 4.3地震异常的可信度较高。由于缺少高密度观测网，对于小量级地震产生的异常范围及出现异常的观测手段，暂无法给出明确答案。因此，异常机理尚只能由单井单手段“推测”。然而，至少可以说明：水温对于临震的异常表现出较高可信度（车用太等，2003；鱼金子等，2012；车用太等，2013）；多手段、高密度布网，可为异常信息的捕捉、分析提供丰富数据，今后应致力于高密度台网的建设。