我国的地震地热动态观测始于20世纪80年代，地下流体水温（地热）观测工作是测量钻孔中的温度随时间的变化。水温的同震变化现象可以揭示地震时地下热状态的改变。付子忠（1988）首次使用仪器观测到水温同震变化现象，此后越来越多的地震工作者开始对水温的同震变化进行研究。车用太等(1996, 2003)对首都圈的观测井水温同震变化进行了研究；刘耀炜（2009）研究认为井水温度的同震响应是含水层变形导致含水层内地下水的上下运动所引起的；杨竹转等（2007）对北京塔院井水温同震效应进行研究后认为，井孔中的水体受震荡激发而加速对流与掺混是导致水温同震下降的主要原因。以往的研究者大都是对井孔某一个深度的水温同震变化动态进行研究，很少对井孔不同深度处水温同震变化形态进行研究。笔者以河北赤城井为例，选取2004年12月以来全球发生的M_S≥8.0地震，研究该井3个不同深度处水温的同震响应特征，并探讨其变化的机理，以期对井孔水温同震响应特征及其变化机理有更加全面和深入的认识。

赤城井位于河北省张家口市赤城县境内，地处燕山北麓，该区域属山地丘陵地带，为内陆季风气候。井孔含水层岩性及地质年代为太古界红旗营组花岗片麻岩，构造部位位于北票—张家口断裂与赤城—沙城断裂交汇处，处于潮白河水系白河流域。成井日期为1977年8月，完钻井深69.59 m，第四系厚度11.90 m，套管深度54.00 m，直径146 mm，观测层深度54.00—69.45 m，井孔标高886.80 m。地下水类型为裂隙承压水，含水层岩性系角闪斜长片麻岩、花岗片麻岩，54.00 m以下即为含水层，井孔柱状见图 1。

图 1(Fig.1)

图 1 赤城井地质构造示意 Fig.1 Sketch of geological structure of Chicheng well

赤城井经2001年数字化改造后，流体测项包括水位和水温，水位埋深20—27 m，水温11℃—14℃。辅助测项有同层水温和气压，同层水温探头与水位探头一起置于井下30 m处，另有2套水温仪并行观测，即水温1、水温，水温1探头置于井下53 m处，水温探头置于井下58 m处。赤城井水位、水温观测记录连续、稳定、准确（图 2）。井下30 m处的水位探头和水温探头记录数据表明，水位上升时水温下降，水位下降时水温上升，二者呈反向变化（图 2），说明赤城井30 m深度以下温度低，30 m深度以上温度高，此位置可能处于负温度梯度带。

图 2(Fig.2)

图 2 2012—2017年赤城井水位、水温变化 (a)井下30 m水位；(b)井下30 m水温；(c)井下53 m水温；(d)井下58 m水温 Fig.2 Long-term change curve of water level and water temperature of Chicheng well from 2012 to 2017

2004年12月以来全球共发生22次M_S≥8.0地震，其中，15次地震时赤城井水位出现了明显的同震变化，7次地震时井下53 m、58 m处水温出现同震变化，井下30 m处水温在所有地震中均无同震变化，赤城井水位和不同深度处水温对地震的同震响应特征统计见表 1。

表 1(Table 1

表 1 赤城井水温同震响应特征统计Table 1 The statistics of co-seismic response features of water temperature in Chicheng well 发震地点 发震时刻 MS 震源深度/km 井震距/km 井孔测项 响应特征 时间段 最大幅度 形态 印度尼西 亚苏门答 腊西北 2004-12-26 T 08:59 8.7 33 4 559 水位 09:12—10:07 214 mm 水震波 同层水温 无 无 无 水温1 09:17—18:03 0.0151℃ 阶升—缓降 水温 09:15—10:22 0.0104℃ 阶降—阶升 印度尼西 亚苏门答 腊北部 2005-03-29 T 00:10 8.5 33 4 684 水位 00:19—03:39 89 mm 水震波 同层水温 无 无 无 水温1 00:44—01:17 0.0020℃ 阶升—缓降 水温 00:36—00:52 0.0010℃ 下降—上升 印度尼西 亚苏门答 腊南部 海中 2007-09-12 T 19:10 8.5 15 5 223 水位 19:21—22:48 71 mm 水震波 同层水温 无 无 无 水温1 19:42—23:15 0.0080℃ 阶升—缓降 水温 19:40—20:43 0.0040℃ 阶降—缓升 中国四川 汶川 2008-05-12 T 14:28 8.0 14 1 568 水位 14:34—15:23 83 mm 水震波 同层水温 无 无 无 水温1 14:38—16:02 0.0162℃ 阶升—阶降—缓升 水温 14:36—16:39 0.0220℃ 阶降—缓升 日本本州 东海岸 2011-03-11 T 13:46 9.0 20 2 314 水位 13:52—17:08 236 mm 水震波 同层水温 无 无 无 水温1 14:00—17:28 0.0110℃ 阶升—缓降 水温 13:58—14:53 0.0070℃ 阶降—阶升 印度尼西 亚苏门 答腊 2012-04-11 T 16:38 8.6 20 4 846 水位 16:52—17:36 92 mm 水震波 同层水温 无 无 无 水温1 17:01—19:07 0.0090℃ 阶升—缓降 水温 16:52—18:14 0.0070℃ 阶降—缓升 尼泊尔 2015-04-25 T 14:11 8.1 20 3 160 水位 14:24—14:35 28 mm 水震波 同层水温 无 无 无 水温1 14:34—16:35 0.0030℃ 阶升—缓降 水温 14:33—15:10 0.0020℃ 阶降—阶升

表 1 赤城井水温同震响应特征统计 Table 1 The statistics of co-seismic response features of water temperature in Chicheng well

2004年12月26日08:59，印度尼西亚苏门答腊岛西北部邻近海区发生了M_S 8.7地震，09:12赤城井水位出现震荡变化，初动向下，震荡最大幅度为214 mm；井下30 m处水温无变化；09:15井下58 m处水温快速下降，降幅为0.010 4℃，然后快速回升，并恢复到震前水温；09:17井下53 m处水温出现快速上升，上升幅度为0.015 1℃，然后缓慢下降，并恢复到震前水温（图 3）。

图 3(Fig.3)

图 3 2004年12月26日印度尼西亚MS 8.7地震发生时赤城井水位、水温同震响应 (a)井下30 m水位；(b)井下30 m水温；(c)井下53 m水温；(d)井下58 m水温 Fig.3 Co-seismic response curve of water level and water temperature of Chicheng well of Indonesia MS 8.7 earthquake

2008年5月12日14:28中国四川汶川发生M_S 8.0地震，14:34赤城井水位出现震荡变化，初动向下，震荡最大幅度为83 mm；井下30 m处水温无变化；14:36井下58 m处水温快速下降，至14:39下降0.004℃，后小幅回升，至14:47水温上升0.001℃，随后水温快速下降至15:20，累计下降0.022℃，后快速回升，至17:43水温回升0.018℃，恢复后略低于震前水温；14:38井下53 m处水温出现上升变化，至14:51上升0.006℃，随后快速下降，至15:12水温降幅为0.017℃，后水温回升，至16:07上升0.008℃，恢复后低于震前水温（图 4）。

图 4(Fig.4)

图 4 2008年5月12日中国汶川MS 8.0地震发生时赤城井水位、水温同震响应 (a)井下30 m水位；(b)井下30 m水温；(c)井下53 m水温；(d)井下58 m水温 Fig.4 Co-seismic response curve of water level and water temperature of Chicheng well of Wenchuan MS 8.0 earthquake in China

2011年3月11日13:46，日本本州东海岸发生了M_S 9.0地震，13:52赤城井水位出现震荡变化，初动向上，震荡最大幅度为236 mm；井下30 m处水温无明显异常变化；13:58井下58 m处水温快速下降，至14:03下降了0.007℃，然后大幅回升，至14:53水温上升0.01℃，之后水温平稳变化，恢复后的水温与震前水温基本持平；14:38井下53 m处水温出现上升变化，至14:51上升0.006℃，随后快速下降，至15:12水温降幅为0.017℃，然后水温回升，至16:07上升0.008℃，恢复后水温高于震前水温（图 5）。

图 5(Fig.5)

图 5 2011年3月11日日本MS 9.0地震发生时赤城井水位、水温同震响应 (a)井下30 m水位；(b)井下30 m水温；(c)井下53 m水温；(d)井下58 m水温 Fig.5 Seismic response curve of water level and water temperature of Chicheng well in MS 9.0 earthquake of Japan

2015年4月25日14:11尼泊尔境内发生M_S 8.1地震，14:24赤城井水位出现震荡变化，初动向下，震荡最大幅度为28 mm；井下30 m处水温无明显异常变化；14:33井下58 m处水温快速下降，至14:48下降幅度达到0.002℃，然后大幅回升，至15:10水温上升0.020℃，之后水温平稳变化，恢复后的水温与震前水温基本持平；14:34井下53 m处水温出现快速上升变化，至14:45上升0.003℃，随后水温开始下降，至16:35水温下幅0.004℃，恢复后水温略低于震前水温（图 6）。

图 6(Fig.6)

图 6 2015年4月25日尼泊尔MS 8.1地震发生时赤城井水位、水温同震响应 (a)井下30 m水位；(b)井下30 m水温；(c)井下53 m水温；(d)井下58 m水温 Fig.6 Co-seismic response curve of water level and water temperature of Chicheng well of Nepal MS 8.1

分析赤城井水温同震响应特征发现，2004年12月以来全球发生22次M_S≥8.0地震，7次地震时井下53 m、58 m处水温出现同震变化，井下30 m处水温在所有地震中均无明显同震变化；井下53 m处水温初始变化形态均为上升，井下58 m处水温初始变化形态均为下降；水温出现同震变化，水位均出现震荡型同震响应形态。

赤城井3个不同深度处水温出现3种截然不同的响应形态，其响应机理是怎样的？本文将对此进行深入研究。

笔者对表 1中7次地震前1天赤城井3个不同深度处水温日变幅度进行了计算，结果如表 2所示，结合表 1进行分析发现，井下30 m深处水温日变幅度远远大于53 m、58 m深处水温日变幅度及其同震变化幅度。刘耀炜等（2005）研究认为日变幅度较大的井孔水温无同震响应。因此，赤城井30 m深处水温无同震响应的主要原因可能就是该处水温日变幅度偏大，另外，水温探头在井孔套管内（套管深度54 m），探头周围没有水的流动是水温无同震响应的另一原因。

表 2(Table 2

表 2 赤城井水温日变幅度统计Table 2 The statistics of diurnal variation of water temperature of Chicheng well 发震地点 发震日期 地震前1天水温日变幅度/℃ 同层水温（井下30 m处） 水温1（井下53 m处） 水温（井下58 m处） 印度尼西亚苏门答腊西北 2004-12-26 0.4400 0.0033 0.0039 印度尼西亚苏门答腊北部 2005-03-29 0.3000 0.0031 0.0031 印度尼西亚苏门答腊南部海中 2007-09-12 0.1500 0.0037 0.0047 中国四川汶川 2008-05-12 0.0500 0.0037 0.0036 日本本州东海岸 2011-03-11 0.2800 0.0035 0.0038 印度尼西亚苏门答腊 2012-04-11 0.1400 0.0029 0.0039 尼泊尔 2015-04-25 0.1600 0.0038 0.0036 均值 0.2200 0.0034 0.0038

表 2 赤城井水温日变幅度统计 Table 2 The statistics of diurnal variation of water temperature of Chicheng well

从表 1分析4次印度尼西亚地区地震时赤城井水温变化特征发现，当井震距相近时，赤城井水温同震变化幅度与震级间呈正比，与震源深度间呈反比，即震级越大，水温同震变化幅度越大；震源越深，水温同震变化幅度越小。当震级相近时，如2008年中国汶川M_S 8.0地震和2015年尼泊尔M_S 8.1地震，其水温同震变化幅度与井震距间呈反比。

热传递有3种方式：热传导、对流传热和辐射传热。热传导依靠物质的分子、原子或电子的移动或（和）振动来传递热量，流体中的热传导与分子动量传递类似；对流传热依靠流体微团的宏观运动来传递热量，它只在流体中存在，并伴有动量传递；辐射传热是通过电磁波传递热量，不需要物质作媒介。在井水的环境中，水温的变化基本上是由于水体的宏观运动引起的，即对流引起的水温变化。井孔水体的宏观运动包括水平向运动（井孔与含水层之间的水体交换）和垂直向运动（井孔内上下水体间的对流交换）。当地震波到达井孔后，作用于含水层岩体，引起岩体变形，导致孔隙水压的变化，这时井孔与含水层间就会发生水体流动或加速水体流动。孔隙水压增大时，水从含水层流向井孔；孔隙水压减小时，水从井孔流向含水层。

车用太等（2014）利用水热动力学机制和地热动力学机制解释了四川西昌川03井3个不同深度处水温对汶川地震的同震响应机理。水热动力学机制的核心是井水中某一点的温度变化是由井—含水层间及井筒内伴随着水流运动产生的热对流作用引起的，水温同震响应可用水热动力学机制来解释，其具体的响应特征与水温梯度密切相关，温度随深度的增加而上升称为正梯度；反之，则称为负梯度。当井水温度梯度为正时，地震波引起井孔水体震荡上下混合后井筒上半部水温升高、下半部水温下降，因此，温度传感器若放置在井筒下半部时会记录到水温下降，而若放置在上半部时则会记录到水温上升。地热动力学机制的核心则是井中某一点的温度变化是由井水与井筒外围岩间热传导及井区大地热流作用强度的变化引起的，井筒内外热传导机制较好地解释了井水温度同震响应后效恢复的变化过程。张环曦等（2012）研究认为，河北昌黎井水温在汶川地震后出现突跳上升的原因是地震能量（地震波）作用到该井含水层岩石，使之发生剧烈形变，改变了含水层孔隙及地下水状态，从而引起同震反应。由于各种复杂的物理机制，井孔水温与含水层水温之间的关系视含水层岩性、地下水径流状况及井孔结构等条件而定，井水温可能高于含水层水温，也可能低于含水层水温（顾申宜等，2013）。

赤城井53 m深处水温可能低于同深度含水层水温，当地震引起井孔水体水平向对流时，井孔与温度较高的含水层间产生水体交换，这时井孔水温就会上升。赤城井58 m深处水温可能高于同深度含水层水温，当地震引起井孔水体水平向对流时，井孔与温度较低的含水层间产生水体交换，这时井孔水温就会下降。由图 2—6可见，2004—2017年赤城井30 m深处水温始终高于53 m深处水温，也就是说，随着深度的增加，温度逐渐降低，可见赤城井30—53 m深处存在负温度梯度带；53 m深处水温始终低于58 m深处水温，也就是说，随着深度的增加，温度逐渐升高，可知53—58 m深处为正温度梯度带。当地震波到达赤城井后，引起井孔内水体震荡，井孔内上层水体与下层水体间就会发生对流交换，赤城井53 m深处向下温度逐渐升高，53 m深处向上温度也是逐渐升高的，这样当井孔水体发生垂直向的对流交换时，53 m深处的水温肯定是上升的。杨竹转等（2007）研究认为，井孔中水体受震荡激发而加速对流与掺混是导致水温同震初始下降的主要原因。当受到地震波的作用时，赤城井水体对流加速，58 m深处以下温度较高的水上涌，上层温度较低的水下沉，水温探头将先探测到温度下降的现象。井孔某一深度水温发生同震变化后，井水与井筒外含水层及井筒内上下层之间存在温差，当地震波过后，井水震荡逐渐消失，此后通过热传导作用，上升了的水温趋于下降，下降了的水温趋于上升，最终恢复到震前水平。

通过对2004年12月以来全球发生的22次M_S≥8.0地震时赤城井不同深度处水温同震变化特征进行研究，得出以下结论：①井下30 m处水温均无明显同震变化，7次大震时53 m深处水温同震变化均为上升，58 m深处水温同震变化均为下降；水温出现同震变化时，水位均出现震荡变化；②当井震距相近时，水温同震变化幅度与震级间呈正比，与震源深度间呈反比；当震级相近时，水温同震变化幅度与井震距间呈反比；③井下30 m深处水温日变幅度偏大是其无同震响应的主要原因，另外该处水温探头在井孔套管内（套管深度54 m），探头周围没有水的流动也是影响其同震响应灵敏度的因素；④赤城井水温同震初始变化是由井孔水体对流引起的，53 m深处水温同震初始变化均为上升是由于该处位于负温度梯度带；而井孔中水体受震荡激发而加速对流与掺混是导致58 m深处水温同震初始下降的主要原因；⑤赤城井水温同震初始变化的后效恢复过程为热传导作用的结果。