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)]。

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。

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。

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。

由图 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。

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。

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。

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。