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  地震地磁观测与研究  2019, Vol. 40 Issue (2): 123-130  DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2019.02.017
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引用本文  

刘迁, 栗宁, 胡发瑞, 等. 钟祥马岭井水温观测数据“V”型异常分析[J]. 地震地磁观测与研究, 2019, 40(2): 123-130. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2019.02.017.
Liu Qian, Li Ning, Hu Farui, et al. Analysis on the "V" type anomaly of water temperature observation data of Maling well in Zhongxiang[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research, 2019, 40(2): 123-130. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2019.02.017.

基金项目

湖北省地震局基础科研基金项目(项目编号:IS201866292-34)

作者简介

刘迁(1989-), 男, 湖北随州人, 硕士, 助理工程师, 主要从事地震监测、分析预报工作。E-mail:qliu2013@163.com

文章历史

本文收到日期:2018-08-29
钟祥马岭井水温观测数据“V”型异常分析
刘迁 1,2, 栗宁 1,2, 胡发瑞 1,2, 万禹 1,2     
1. 中国武汉 430071 湖北省地震局;
2. 中国武汉 430071 地震预警湖北省重点实验室
摘要:以钟祥马岭井历年水温观测资料为研究对象,发现2套SZW-1A型数字水温仪记录的数据曲线自2016年7月以来均具有“V”型异常特征,从观测系统、地震、降雨等因素进行分析,排查干扰因素,并分析水温变化的可能机理,认为现该异常应为降雨干扰所致。干扰机理如下:降雨量累积值达40 mm以上,降雨迅速补充地下水,浅层冷水经井段223—246 m处存在的岩石裂隙、断层、溶洞等渗入井孔,造成静水位迅速上升,井水温度随之下降,上下层冷—热水之间的热传导使得位于井孔深部的水温下降;降雨结束,地表水渗入量减少,水温逐渐恢复正常。
关键词水位    水温    降雨累积值    干扰因素    “V”型异常    
Analysis on the "V" type anomaly of water temperature observation data of Maling well in Zhongxiang
Liu Qian 1,2, Li Ning 1,2, Hu Farui 1,2, Wan Yu 1,2     
1. Hubei Earthquake Agency, Wuhan 430071, China;
2. Hubei Key Laboratory of Earthquake Early Warning, Wuhan 430071, China
Abstract: In this paper, we mainly study the historical water temperature observation data of Maling well in Zhongxiang. It is found that the data curves recorded by two SZW-1A digital water temperature meters have "V" type abnormal characteristics since July 2016. So we analyse the possible mechanism of water temperature changes and screen interference factors, which include the observation system, earthquake, rainfall and other factors. It is believed that the "V" type anomaly should be caused by rainfall disturbance. The interference mechanism is as follows:When the rainfall accumulation is more than 40 mm, the rainfall replenishes the groundwater rapidly, the shallow cold water penetrates into the well through rock fissures, faults, karst caves at 223-246 m of the well. As a result, the static water level rise rapidly and water temperature drops. The heat transfer between the upper and lower cold-hot water causes the temperature of deep water to drop. After the rainfall, the infiltration of surface water decrease and the water temperature gradually return to normal.
Key words: water level    water temperature    rainfall accumulation    influencing factor    "V" type anomaly    
0 引言

地球内部蕴藏着巨大能量,随时向地表释放热量,在地球表面产生热流。在大地热流的作用下,赋存在固体介质孔隙间的地下水也具有一定温度,一般称为水温(车用太等,2008)。水温是地下水物理特性的一项重要指标,其变化特征可在一定程度上揭示地下介质构造的变化,有利于开展地震分析预报工作。目前,水温观测手段已发展成为地震地下流体学科的一个重要分支。在地震孕育过程中,地质构造活动导致含水层岩石受力状态发生改变,可能引起观测井水温发生微弱变化,监测水温的异常变化,可达到预报地震的目的(张彬等,2014)。

井水温动态变化除受到地质构造活动影响,也可能由其他干扰引起。现已查明的影响因素有降雨、地下水补给、地震波、地下水开采、固体潮等。针对水温异常变化特征及机理,各专家学者做了大量工作,如:陈大庆等(2007)石耀霖等(2007)车用太等(2008, 2014)、武安绪等(2010)针对水温的同震效应进行了研究;刘成龙等(2003)分析了地下水开采对井水温度的影响;车用太等(2004)韩孔艳等(2017)讨论了降雨补对水温的影响。水温出现异常的影响因素较多,如何有效排除干扰,提取准确的地震异常信息,是地震预报成功的关键。

自2016年7月以来,钟祥马岭井2套水温观测系统多年水温观测曲线均出现“V”型异常,从异常出现同期降雨、井水位、仪器状态、周边环境、地震事件等进行分析,排查干扰因素,分析水温变化的可能机理,寻求异常出现的原因,以便有效识别井水温动态变化特征,加强水温观测资料在地震分析预报中的预报效能,为井水温异常核实及判定提供科学依据。

1 观测井概况

钟祥马岭井位于钟祥市东桥镇兔子冲村,于2012年10月11日开工建设,2013年1月1日成井,钻井深度349.93 m,下设套管至272.44 m。该井井点地处NW向大洪山南缘,低山高丘与垄岗、江汉平原的过渡地带,地质构造上处于襄广断裂南部、胡集—沙洋断裂中段,晚燕山期,在NNW向胡集—沙洋断裂控制下,断坳盆地发育,并出露于钟祥马岭台站西部,井孔地层岩性主要为硅质灰岩及少量的碳质、白云质灰岩[图 1(a)]。

图 1 钟祥马岭井孔柱状及水温梯度 (a)井孔柱状图;(b)水温梯度测量 Fig.1 The columnar section and water temperature gradient of Maling well in Zhongxiang

2013年1月16日、19日,采用BSW-1数字测温仪,自井下20 m开始,以5 m为间隔,对马岭井水温进行梯度测量,见图 1(b),可见井孔水温变化范围为16.3℃—23.5℃,其中:20—230 m及250—349.93 m井段为温度正梯度段,增温幅度达0.019℃/m;水温在230—250 m井段出现起伏异常变化,在240—245 m达最大值。结合水文地质、井孔地层情况可知,192—250 m井段为观测井含水层,223—227 m井段为溶洞,235—246 m井段为断层,裂隙较发育。由于井孔是开放系统,井水中的热不断发生液体—气体界面上的热扩散,使井水温度常常低于含水层中地下水的温度(车用太等,2008)。在230—250 m井段,由于溶洞及断层带涌水量较大,水温较高的含水层地下水不断与井孔套管接触,并进行热传导,从而导致水温起伏变化。

马岭井2013年4月10日安装SWY-Ⅱ型水位仪、SZW-1A型数字水温仪(位于井孔测点2,下文分析以测点2指代该测温仪),其中水位探头放置深度38 m,水温探头放置深度346 m。2016年6月28日再次安装1套SZW-1A型数字水温仪(位于井孔测点4,下文分析以测点4指代该测温仪),水温探头放置深度290 m,以进行同井水温对比观测。自2014年1月钟祥马岭地下流体观测站正式并网运行以来(测点4水温观测数据2016年10月1日并网运行),观测仪器工作状态良好,连续运行率达99%以上,观测数据数量较高。

2 水温“V”型异常动态

马岭井2套水温仪观测数据连续率较高,测点2和测点4水温长期动态变化曲线见图 2,可见在相同观测时段内,2个测点均同步出现“V”型数据变化形态。其中:①测点2水温(2014年1月—2018年6月)数据曲线2016年7月产生巨大“V”型数据畸变,并以此为界,前后观测时段呈反向变化,具体表现为:2014年1月—2016年7月观测曲线呈缓慢上升趋势,水温年均变化幅度约0.007 04℃,而2016年7月—2018年6月观测曲线反向下降,水温年均变化幅度约-0.018 55℃;②测点4水温观测数据(2016年10月1日—2018年6月)曲线呈较好的年变下降趋势,年均变化幅度约-0.005 56℃,比测点2变化幅度小。

图 2 钟祥马岭井水温观测曲线 Fig.2 The water temperature curves of Maling well in Zhongxiang
3 异常排查

2套水温仪记录均同步出现“V”型异常变化,可能受到以下因素影响:人为干扰、同震响应、气压、气温、降雨等。

3.1 人为干扰

查阅钟祥马岭台历年维修记录发现,该井点SWY-1型水位仪、SZW-1A型水温仪工作状态良好,连续运行率可达99%以上,故障率较低,2015年9月29日更换水位仪、2017年7月12日—15日维修并更换测点4水温仪,造成部分时段缺数。因此,水温观测数据发生“V”型变化,非仪器维修、更换等人为活动所致,排除此类干扰。

3.2 同震响应记录影响

根据钟祥马岭井地下流体M 6.0地震的映震能力下限(徐久晟,2018),收集整理2014年1月至2018年6月全球6级以上地震目录,分析并提取该井点水位、水温记录的发生同震响应的地震目录。统计发现,该时段内全球共发生M6.0地震以上602次,钟祥马岭井静水位观测记录到84次地震,2套水温仪仅记录到2015年5月30日日本M8.0地震,其中水温下降0.028 ℃,持续时间140 min(表 1)。可见,钟祥马岭井水温测项对全球大震响应不灵敏,不足以引起2套水温仪观测曲线多次呈现“V”型畸变,排除同震响应影响。

表 1 钟祥马岭地下流体同震响应记录 Tab.1 The coseismic response recordings of subsurface fluid for Maling well in Zhongxiang
3.3 气温、气压影响

绘制2014年1月—2018年6月马岭井水温、水位、气压、降雨、气温观测曲线,以对比分析水温变化影响。观测曲线见图 3

图 3 钟祥马岭井观测曲线 (a)测点2水温;(b)测点4水温;(c)静水位;(d)气压;(e)降雨量;(f)气温 Fig.3 The observation curves of Maling well in Zhongxiang

图 3可见,2014—2018年钟祥马岭台气温、气压数据曲线呈周期性年变规律,气压一般在1月前后达最大值,7月前后达最小值,而气温变化则相反,二者呈较好的负相关性。与钟祥马岭井水位、水温数据曲线对比发现,井水位、水温“V”型变化形态并未呈现一定的周期性年变规律,与气温、气压关系不大,排除气温、气压影响。

3.4 降雨影响

图 3中测点2和测点4水温观测数据均经滑动平均处理,滑动步长分别为7 h、5 h。由图 3可见:在相同时段内,2套水温仪观测曲线呈相同的“V”型形态,水位则呈反向“V”型形态;在不同时段内,水温、水位“V”型曲线形态大小不一,当水位增长幅度较大时,水温下降幅度大,而水位增长幅度较小时,水温下降幅度小,二者呈较好的负相关性。观察同一时段内降雨量值,可知水温、水位“V”型曲线形态与降雨量大小有关,当降雨量持续增大,井水位上升,水温下降;无降雨或少降雨时,井水位回落,水温恢复正常年变。因此,水温与水位呈负相关,水位与降雨量呈正相关,水温与降雨量呈负相关,三者之间具有良好的相关性。可见,马岭井水温观测中出现的“V”型形态,应为降雨所致。

4 降雨干扰分析

统计马岭井水温或水位受降雨影响的27次干扰事件,分析降雨对二者的影响。统计结果见表 2,可知降雨累积量达到一定程度时,井水位一般会发生变化,水温则不一定发生变化,但水温变化幅度主要伴随水位的变化而改变。

表 2 钟祥马岭井水位、水温测项降雨影响统计 Tab.2 The statistics of the influence of rainfall on water level and water temperature for Maling well in Zhongxiang

为研究钟祥马岭井水位、水温与降雨量的变化关系,将水位变化幅度、水温变化幅度与降雨累积值绘制在坐标系中,进行线性拟合,得到水位、水温变化幅度与降雨累积值得线性方程。

水位变化幅度(m)与降雨累积值(mm)的线性方程

$y=0.02712 x-1.08376$

水温变化幅度(℃)与降雨累积值(mm)的线性方程

$y=-0.00023 x+0.01096$

马岭井水位、水温变化幅度与降雨累积值关系见图 4,可知:①当降雨累积值达到约40 mm时,水位、水温才开始发生变化。降雨累积值每增加1 mm,水位上升约0.027 12 m,测点2水温下降约0.000 23 ℃,测点4水温统计样本较少,暂不作考虑;②当降雨累积值低于40 mm时,水位、水温并无变化,可能与降水渗透地表以下,停留包气带内土壤、岩石孔隙中,无法补充潜水面以下的地下水有关。

图 4 水位、水温变化幅度与降雨累积值对应关系 Fig.4 Comparison of rainfall accumulation and the variation amplitude of water level and temperature

绘制水位、水温变化起点与降雨起点的时间差曲线,见图 5,可见水位、水温变化点基本出现在降雨起始点2—60 h以后,时间长短不一,应与降雨急缓有关。当短期内降雨达到40 mm时,水位、水温迅速发生变化;若降雨持续数天达到40 mm,则水位、水温变化相对迟缓,且变化量相对较小。井水温变化往往缓于水位变化,2套水温仪水温观测数据变化时间相差不大。钟祥马岭井在井下223—246 m存在溶洞、断层等,且岩石裂隙较为发育,渗水严重,井下水温梯度显示,水温沿井孔自上而下呈缓慢上升趋势,到达溶洞、断层等区段时呈迅速上升—下降变化趋势,后恢复正常梯度曲线。由此可知,该井溶洞、断层附近岩石孔隙、裂隙中地下水温相对较高,流动性较大。当降雨量达到阈值时,降雨渗透过包气带,迅速补充地下水,浅层地下水通过岩石孔隙、裂隙、断层或溶洞等,渗透到井孔,造成井水位迅速上升。同时,浅层冷水下渗且流入量变大,造成该区段井水温度下降,上下层冷—热水之间的热传导,使得位于井孔深部的水温下降,从而呈现“V”型曲线形态。随着降雨结束,地表水渗入量减少,水温恢复正常变化趋势。

图 5 钟祥马岭井水位、水温延时曲线 Fig.5 The delay curves of water level and temperature for the Zhongxiang Maling well
5 结论

综上所述,可知钟祥马岭井水温观测曲线“V”型异常主要由降雨所致,具体结论如下。

(1)马岭井水温“V”型异常受大气降雨影响较为明显,其他干扰影响因素相对较少,主要表现在:降雨累积值达40 mm以上,水位快速上升,水温下降,后因降雨量减少,水位下降,水温上升并恢复平稳,三者之间具有良好的相关性。

(2)当降雨累积值达40 mm时,井水位上升,但不一定引起水温下降,主要因为:降雨分散,持续时间长,浅层冷水经孔隙、裂隙、断层等渗入井孔时,流入量较小,上下层冷—热水进行的热交换无法传导至水温探头。

(3)马岭井223—246 m区段存在溶洞、断层,附近岩石孔隙、裂隙中地下水温相对较高,流动性较大。当降雨量达到阈值时,降雨渗透过包气带,迅速补充地下水,浅层地下水经岩石孔隙、裂隙、断层或溶洞等渗入井孔,井水位迅速上升。同时,浅层冷水下渗且流入量变大,造成该区段井水温度下降,上下层冷—热水之间的热传导,使得位于井孔深部的水温下降,从而呈现“V”型曲线形态。随着降雨结束,地表水渗入量减少,水温恢复正常变化。

文中对钟祥马岭井水温异常影响因素的分析,可为类似异常核实及判定提供参考。通过对干扰因素排逐一除,识别井水温正常动态变化,可进一步提高捕捉地震前异常变化信息的可能。

参考文献
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