2020, Vol. 41
表1(Table 1)
井水温观测是地震地热监测的重要手段，只有弄清井水温正常动态特征，才能有效提取地热异常信息。井水温正常动态依据时间长短可分为长期正常动态和短期正常动态2类（王瑜青等，1994；车用太等，2003；赵刚等，2009；马文娟等，2011；闫美蓉等，2016）。针对观测仪器的漂移型长期正常动态研究较多，目前认为漂移型长期正常动态可能与仪器自身“零飘”有关（车用太等，2013；何案华等，2017；周红艳等，2017），还可能与传感器观测层位存在关联（张慧等，2013；何案华等，2017）。值得关注的是，大地热流值微弱改变、围岩应力线性变化以及地震事件，也会导致温度漂移的特性发生改变（付子忠，1990；赵刚等，2009；何案华等，2017；李利波等，2019）。
井水温观测中的地热异常，主要由以下原因造成：①观测系统受到外界干扰，如仪器故障、台站供电故障以及仪器之间的相互干扰等；②观测受到干扰，如含水层抽水导致的水位变化会影响到地热数据；③深部因素，主要分为附加地热场因素和其它地球物理因素，其中附加地热场也就是地热前兆异常（付子忠，1988；何案华等，2009）。因此，要从地热异常中有效提取地震地球物理异常，必须排除前2种因素的干扰。针对井水温地震地球物理异常，众多学者专家进行过深入研究：付子忠（1988）提出，井水温度微动态的形成是由地壳岩石受力变形与地热作用耦合引起的；车用太等（2008）、车用太等（2014）、李旭茂等（2020）对水温微动态现象，即水温固体潮、水温同震效应、水温地球物理异常等形成机理做了理论分析。
为了有效判别地热异常是地震地球物理异常还是仪器故障，可以在地热地球物理台站安装2套地热仪进行数据比测，即对同层水温或多个不同深度的水温变化特征进行对比分析（姚宝树, 2003, 何案华等，2009；杨明波等，2015；陈健等，2018）。湖北万山井在井段深度215 m处和241.58 m处，分别安装SZW-1AV 2004数字式温度计，2个井段深度的水温在正常动态和异常响应上均具有显著不同的特征。为了确保仪器观测系统正常运行，有效提取水温地震地球物理异常，本文在水温梯度分析基础上，对2个井段深度的水温正常动态以及干扰因素进行对比研究，并探讨万山井水温的映震能力。
1 万山井概况 1.1 万山井孔结构与观测仪器万山井位于湖北省襄阳市南郊，南靠荆山余脉，北距汉水1.7 km，地势较平坦。区域构造上，万山井位于秦岭—大别造山带上南襄盆地的襄枣凹陷。南襄盆地分隔秦岭和大别造山带，区域主要断裂为NWW向襄樊—广济断裂带，万山井孔即位于该断裂带上盘。万山井穿过第四系，直接进入震旦系，缺失其他年代地层[图 1(a)]。万山井深295.8 m，其中第四系冲积层厚24.23 m，其下到295.8 m分别为震旦系灰岩、白云岩、硅质岩。该井地下水埋藏类型为岩溶裂隙承压水，局部承压，封闭性较好；含水层为震旦系2处破碎带，位于井段87.96—98.59 m、140—193.93 m处，观测含水层位为井段140—193.93 m，水质类型为：HCO3-Ca-Mg型。
|
图 1 万山井孔结构以及温度梯度曲线 （a）井孔结构；（b）温度梯度曲线 Fig.1 Borehole structure and the temperature gradient cure in the Wanshan well |
万山井止水层（井段0—140 m）采用无缝钢管，以减少大气降水林滤作用对地下流体观测的影响；观测层（井段140—200 m）为井水温传感器投放井段，采用滤管以观测地热；井段200—295.8 m无套管。万山井孔内共安装3套地下流体观测仪器：1套SWY-Ⅱ型数字式水位仪（水位仪传感器投放深度约38 m）和2套SZW-1AV 2004数字式温度计（分别投放于井深215 m和241.58 m处，2套水温传感器围岩分别为间断破碎的厚层状硅质灰岩和含泥质灰岩）。距万山台2.2 km的襄樊台，安装了WYY-1型气温气压降雨量综合观测仪。
1.2 水温梯度特征采用20061028传感器进行万山井水温梯度测量。因水温探头在井下241.58 m处被卡住，无法进行提放操作，故测量深度为井段35 m—241.58 m（242—295.80 m的温度梯度未测量），测点间距为10 m或20 m，测量温度见表 1，水温度梯度曲线见图 1(b)。由图 1(b)可知，万山井为正水温梯度，据变化趋势大致可分为3段，即井段35—135 m为平稳段，135—195 m为波动段，195—241.58 m为平稳段[图 1(b)]。
|
表 1 万山井水温梯度 Table 1 The water temperature gradient measurement in the Wanshan well |
由图 1(b)可见：①在井段深度35—135 m处，水温梯度变化平稳，波动范围在0.589—0.671 5 ℃/hm，说明该井段无缝套管封闭良好，受冲积层大气降水淋滤作用微弱；②在井段深度135—195 m处，水温梯度波动较大，呈现“双峰式”特征，出现水温梯度极大值和极小值。在井段135 m开始，水温梯度随深度增加。这是因为，井段140 m处为隔水顶板与含水层的岩性交界面，其上覆为厚约41.41 m的白云质硅质岩、硅质岩，透水率、热传导率低，有效阻碍了上覆岩层与破碎带含水层的冷热交替，理论上应该在该岩性交界面（井深140 m处）出现水温梯度极大值。但是，受测量步长影响，至145 m处才出现水温梯度极大值，数值为1.337 0 ℃/hm。随着深度的增加，含水层与井孔内的水流交换加速，至井段深度155—175 m处，水温梯度出现极小值，数值为0.174 ℃/hm。由含水层继续向下，含水层的冷水与井孔内的水流交换减弱，水温梯度逐渐增大，至195 m再次出现水温梯度极大值，数值为0.951 5 ℃/hm；③井段深度195—241.58 m为间断破碎的厚层硅质灰岩、白云质灰岩和含泥质灰岩，透水率、热传导率低，井孔与围岩以及含水层的热交换弱，水温梯度呈平稳状态。
综上所述，万山井水温梯度主要受岩性、裂隙和含水层等水文地质条件的控制，井段深度215 m、241.58 m均处于水温梯度变化较小层段，有利于水温动态特征及水温地球物理信息的提取（马文娟等，2011；韩孔艳等，2016）。
2 万山井水温正常动态地热地球物理异常研究表明，此为观测数据异常，为了有效提取水温地震地球物理异常，必须弄清水温正常动态，包括长期动态和短期动态（赵刚等，2009；李仲巍等，2012）。在水温动态研究中弄清不同时间尺度上的正常动态及其影响因素，才能够正确判别水温异常，探索利用水温异常预测地震的有效途径。
2.1 水温长期动态水温长期正常动态是指井孔观测点处温度的长期（最少1年）形态及变化特征，属于背景变化（赵刚等，2009）。选取万山井自观测以来2个不同井段深度的水温日均值数据，对比研究水温的长期正常动态特征。以2016年10月1日—2019年9月30日该井井段深度215 m处水温和2013年4月1日—2019年9月30日井段深度241.58 m处水温为例进行对比分析，发现不同井段深度的水温曲线存在显著不同。
2.1.1井段深度215 m处水温长期正常动态属于稳定型。稳定型长期正常动态是指，井孔观测点的温度随时间变化较小，基本呈线性上升或下降，年变幅不超过0.01℃的动态类型。215 m处水温长期动态呈缓慢上升趋势，年变幅度0.000 9—0.001 7℃[图 2(a)]，远小于0.01℃，属于稳定型。此处水温传感器位于厚层状的硅质中，裂隙间断破碎未贯通，透水性差，受含水层影响小，故水温长期正常动态为平稳型（赵刚等，2009）。
|
图 2 万山井不同井段深度水温正常动态曲线对比
(a)井段深度215 m处长期动态；(b)井段深度241.58 m处长期动态；(c)井段深度215 m处月动态； (d)井段深度241.58 m处月动态；(e)井段深度215 m处日动态；(f)井段深度241.58 m处日动态 Fig.2 The normal dynamic comparison curves of water temperature at different depths in the Wanshan well |
井段深度241.58 m处水温长期正常动态属于升温漂移型。漂移型长期正常动态是指井孔观测点处的温度随时间变化较大，基本呈线性上升或下降，年变幅度超过0.01℃的动态类型，包括升温漂移和降温漂移2种。241.58 m处水温长期动态呈线性上升趋势，自观测以来截至2019年9月30日水温上升0.2403℃，年变幅度为0.039 2—0.047℃，属于升温漂移型，同时在整体上升的背景下，呈现出多个阶变[图 2(b)]。目前认为漂移型温度变化与大地热流、围岩应力线性变化以及仪器观测系统自身漂移有关。万山井井段深度241.58 m位置靠近井底，水温仪器自观测以来未记录到M 5以上地震，基本可以排除地震导致的围岩应力变化对水温长期动态的影响。井段深度215 m处作为水温对比观测点，其水温长期动态为稳定型，且2处水温梯度都较为平稳，故排除大地热流对水温长期动态的影响，认为井段深度241.58 m水温仪观测系统存在一定零漂现象。
2.2 水温短期动态地热短期正常动态是指，井孔观测点处温度1天到1个月内的短期形态及变化特征，属于短期背景变化，包括月动态和日动态（车用太等，2003；赵刚等，2009；闫美蓉等，2016）。以整点值数据建立月动态曲线，以分钟值数据建立日动态曲线。井段深度215 m处水温月动态为稳定型，月变幅度小于0.002 ℃[图 2(c)]，日动态也为稳定型[图 2(e)]。井段深度241.58 m处水温月动态为上升—阶变型[图 2(d)]，日动态为随机起伏型，日变幅度最大约为0.000 6℃—0.000 8℃[图 2(f)]。随机起伏型日动态，反映了241.58 m水温观测点仪器本身的噪音或者该观测点井水温度存在随机变化（车用太等，2003）。
3 万山井水温主要干扰因素自观测以来至2019年9月30日，在井段深度215 m处，尚未观测到水温明显异常现象。该处水温受该井段围岩和水文地质条件控制，温度变化不够灵敏。同时段在井段深度241.58 m处观测到多次水温异常，主要干扰因素有观测系统故障、自然环境及人为干扰等，统计结果见表 2。
|
|
表 2 井段深度241.58 m处水温动态干扰因素 Table 2 The dynamic disturbance factors of water temperature at 241.58 m in the Wanshan well |
自观测以来，在井段深度241.58 m处，水温观测系统运行稳定，故障次数较少，仅2016年11月19日因电源故障出现部分缺数，见表 2和图 3。多年来，水温观测系统在井段深度241.58 m处运行良好，水温数据连续、质量高。
|
图 3 井段深度241.58 m处水温曲线 Fig.3 The interference curve of water temperature observation at 241.58 m in the Wanshan well |
自观测以来，在井段深度241.58 m处，水温仪仅记录到一次自然环境事件（表 2），即2019年7月26日17时33分—18时30分万山井区出现的雷雨天气，累计降雨量达5 mm，气压扰动最大幅度达1.3 hPa，该深度处水温数据出现高达0.003 3℃的向下突跳异常（图 4）。降雨等气象要素对万山井水温的干扰较少，说明在水温传感器以上，井孔无缝套管封闭较好，基本不受大气降雨淋虑影响。
|
图 4 井段深度241.58 m处水温、气压和降雨量曲线 Fig.4 The water temperature, air pressure, and rainfall curves at 241.58m in the Wanshan well |
在井段深度241.58 m处，水温仪共记录到8次异常现象，其中人为干扰6次，是万山井水温的最大干扰因素。在正常情况下，同井静水位变化对井水温无明显影响，但水位校测、水位探头提放、水样提取以及仪器安装对该深度的水温干扰较大，水温异常变化均表现为向下的台阶和突跳，变化幅度为0.005℃—0.013 4℃，持续时间均在1 h以上，最长可达39 h 45 min，结果见表 2，图 5。由图 5可见，在进行水位校测时，测钟撞击水面，导致水体震荡，而水位探头提放导致探头线扰动，二者均使含水层发生交替压缩与膨胀变形，引起井筒内水体上、下交替运动（李颖楠等，2017）。由于万山井水温为正梯度变化，水位校测、水位探头提放、水样提取以及仪器安装等操作，促使井孔上部低温水与下部高温水反复对流，故万山井井段深度241.58 m处人为干扰导致的水温异常均表现为向下的台阶和突跳。
|
图 5 井段深度241.58 m处水温曲线 Fig.5 The water temperature curve at 241.58 m in the Wanshan well |
地壳流体是反映地壳应力与变形关系的敏感介质，井孔水温变化的不同特点则反映了地震的孕育与发生过程和在此过程中地壳应力应变的响应状态（徐桂明等，2010）。自观测以来，万山井水温观测仅记录到一次地方震，而尚未记录到远场地震。此次地方震为孤立型地震，参数如下：发震时间：2018年9月8日17时35分0秒；震中：湖北襄阳襄城区（112.04°E，31.98°N）；震级：ML 3.2；震源深度：5 km；震中距：4 km。该地震发生后，于当日17时43分11秒发生ML 1.8余震。万山井井段深度241.58 m处水温观测对此次襄城ML 3.2地震的响应曲线见图 3。
万山井水温日动态随机起伏最大幅度为0.000 6℃—0.000 8℃，由图 3可见，在此次地震发生前后，该井水温阶变幅度均大于日动态随机起伏最大幅度，为显著的水温异常，具体变化特征如下：①在水温整点值月动态上升趋势正常背景下，在襄城ML 3.2地震发生前后，水温观测记录到高频V型阶变异常[图 6(a)]；②在此次地震发生前，井段深度241.58 m处水温仪于9月2日—4日共记录6个向上倒V型阶变，最大幅度为0.001℃—0.026 ℃[表 3，图 6(b)]；③该地震发生后，于9月8日—24日共记录15次向下或向上V型阶变，最大幅度为0.001℃—0.0038℃[表 3，图 6(c)—(d)]。
|
图 6 井段深度241.58 m处水温对2019年9月8日湖北襄城ML 3.2地震响应曲线 （a）9月整点值曲线；（b）震前水温阶变（9月2日—4日）；（c）9月8日地震阶变；（d）震后水温阶变（9月19日—24日） Fig.6 The high-frequency V-shape response curve of water temperature at 241.58 m in the Wanshan well to the ML 3.2 Xiangcheng earthquake in Xiangyang, Hubei province on September 8, 2019 |
根据异常的出现时间，将井水温地震响应分为震前异常、同震响应、震后效应（李旭茂等，2020）。国内地下流体台站井水温曾多次记录到地方震发生前的短临异常（魏如庆，2000；张立等，2003；邱永平等，2007；王凤琴等，2016；王艳等，2018）。此次襄城ML 3.2地震属于浅源地方震，襄樊—广济断裂活动导致的区域应力调整对大地热流造成显著影响，以致万山井水温在震前和震后出现明显异常。井下241.58 m处水温在震前和震后均出现向上/向下的高频V型阶变异常，震前6天开始出现短临阶变异常，震后16天左右恢复正常。这种异常明显不同于因观测系统、自然环境以及人为活动干扰产生的缺数、单个台阶和突跳等异常变化，且变化幅度显著大于正常日变幅度。综合判断认为，此类异常是地震发生前后区域应力积累与释放对该区域内井水温的干扰。湖北襄阳属于弱震和少震地区，此次水温震前震后的显著异常，为今后襄阳辖区内地震监测提供了有意义的参考，但是万山井水温异常的形成机理及与构造活动的关系，在今后研究中应深入探讨。
|
|
表 3 井段深度241.58 m处水温对湖北襄阳襄城ML 3.2地震的高频V型阶变响应 Table 3 The high-frequency V-shape step response of water temperature at 241.58 m in the Wanshan well to ML 3.2 Xiangcheng earthquake in Xiangyang, Hubei Province |
（1）万山井位于襄樊—广济断裂带上盘，其水温梯度变化主要受岩性、裂隙和含水层等水文地质条件的控制。根据变化趋势，井孔大致分为平稳段（35—135 m）、“双峰式”波动段（135—195 m）和平稳段（195—241.58 m）。万山井构造位置优越，井段深度215 m、241.58 m均处于水温梯度平稳层段，有利于水温动态特征及水温地震地球物理信息的提取。
（2）万山井井段深度215 m和241.58 m处的水温正常动态显著不同。215 m处水温长期动态呈缓慢上升趋势，属于稳定型，年变幅度为0.000 9℃—0.001 7℃；短期动态表现为稳定型。该观测点水温传感器位于厚层状硅质中，裂隙间断破碎未贯通，透水性差，受含水层影响微弱，故水温变化不灵敏。241.58 m处水温长期正常动态为升温漂移型，自观测以来至2019年9月30日水温上升0.240 3℃，年变幅度为0.039 2℃—0.047℃；短期正常动态中月动态为上升—阶变型，日动态为随机起伏型。上升漂移型长期正常动态与241.58 m处水温仪观测系统自身零漂有关，随机起伏型日动态反映了该观测点仪器自身噪音或井水温度存在随机变化。不同井段深度水温的对比观测，有利于水温动态特征研究。
（3）在水温动态干扰方面，万山井井段深度215 m处水温尚未记录到异常，241.58 m处水温多次记录到观测系统、自然环境和人为干扰事件。水温曲线异常形态主要表现如下：观测系统电源故障导致缺数；自然环境雷雨干扰导致突跳；人为干扰为主要干扰因素，导致水温曲线形成单个向下的台阶。
（4）在映震方面，万山井水温自观测以来尚未记录到远场地震，目前仅记录到2018年9月8日湖北襄城ML 3.2地方震。井段深度241.58 m处水温在襄城ML 3.2地震发生前后均记录到向上或向下的高频V型阶变异常，变化幅度均大于日动态随机起伏最大幅度，为显著的水温异常。综合分析认为，这种异常是地震发生前后区域应力调整对井水温的干扰。
车用太, 刘喜兰, 姚宝树, 等. 首都圈地区井水温度的动态类型及其成因分析[J]. 地震地质, 2003, 25(3): 403-420. DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2003.03.006 |
车用太, 刘成龙, 鱼金子. 井水温度微动态及其形成机制[J]. 地震, 2008, 28(4): 20-28. DOI:10.3969/j.issn.1000-3274.2008.04.003 |
车用太, 鱼金子. 井水温度观测中有待解决的若干基本问题[J]. 中国地震, 2013, 29(3): 306-315. DOI:10.3969/j.issn.1001-4683.2013.03.002 |
车用太, 何案华, 鱼金子. 水温微动态形成的水热动力学与地热动力学机制[J]. 地震学报, 2014, 36(1): 106-117. DOI:10.3969/j.issn.0253-3782.2014.01.009 |
陈健, 仇中阳, 刘江斌, 等. 苏06井不同深度水温变化特征与地震活动关系对比分析[J]. 高原地震, 2018, 30(2): 8-15. DOI:10.3969/j.issn.1005-586X.2018.02.002 |
付子忠.地热动态观测与地震前兆[C]//地壳构造与地壳应力文集.北京: 地震出版社, 1988: 85-92.
|
付子忠.云南省地热前兆台网及地热前兆方法技术的研究主要研究实验报告[R].北京: 中国地震局地壳应力研究所, 1990.
|
韩孔艳, 崔博闻, 邢成起, 等. 北京地区5口井温度梯度分析[J]. 华北地震科学, 2016, 34(3): 53-60. DOI:10.3969/j.issn.1003-1375.2016.03.010 |
何案华, 赵刚, 薛娜, 等. 沙河地震台地热对比观测分析[J]. 大地测量与地球动力学, 2009, 29(4): 51-54. |
何案华, 邓卫平, 李国佑. 青海地热台网温度漂移问题初步分析[J]. 大地测量与地球动力学, 2017, 37(10): 1083-1086. |
李利波, 邓盛昌, 杨永文, 等. 云南丽江观测井水温趋势上升原因分析[J]. 地震研究, 2019, 42(3): 358-365. DOI:10.3969/j.issn.1000-0666.2019.03.007 |
李旭茂, 刘耀炜, 张磊, 等. 井水温观测分析中的水-热动力学研究综述[J]. 地震, 2020, 40(1): 34-51. |
李颖楠, 龚永俭, 徐诚, 等. 水位校测对同井孔水温的影响及机理探讨[J]. 内陆地震, 2017, 31(1): 64-70. |
李仲巍, 梁国经, 郑双凤, 等. 抚松井水温动态特征分析[J]. 防灾减灾学报, 2012, 28(1): 75-79. DOI:10.3969/j.issn.1674-8565.2012.01.015 |
马文娟, 赵刚, 李芳芳, 等. 水温前兆台网观测井条件研究[J]. 地震研究, 2011, 34(2): 178-182. DOI:10.3969/j.issn.1000-0666.2011.02.012 |
邱永平. 浙江温州4.6级地震群前宁波地震台水温异常特征讨论[J]. 地震地磁观测与研究, 2007, 28(3): 15-18. |
王凤琴, 王久明, 白明崇, 等. 营口市盖州市M 4.3级地震前岫1井水温异常变化分析[J]. 防灾减灾学报, 2016(2): 65-71. |
魏汝庆. 一次ML 3.9地震前的地热短临异常特征[J]. 地震地磁观测与研究, 2000, 21(5): 68-69. DOI:10.3969/j.issn.1003-3246.2000.05.013 |
王瑜青, 陈桂兰, 付子忠. 地热观测资料清理及映震能力分析[J]. 地震学报, 1994, 16(Z1): 148-152. |
王艳, 何案华, 邓卫平, 等. 永清MS 4.3地震前永清井水温异常分析[J]. 地震地磁观测与研究, 2018, 29(6): 173-180. |
徐桂明, 郑江蓉, 杨从杰, 等. 江苏05井、06井水温的中短期地震异常典型特征研究[J]. 地震研究, 2010, 33(4): 274-280. DOI:10.3969/j.issn.1000-0666.2010.04.004 |
闫美蓉, 李文超, 刘发, 等. 山西镇川流体观测井水温微动态分析[J]. 地震地磁观测与研究, 2016, 37(3): 45-48. |
杨明波, 郑轶文, 邢成起, 等. 水温传感器放置深度研究现状[J]. 地震地磁观测与研究, 2015, 36(3): 83-89. |
姚宝树.同井不同埋深地温探头的地震前兆观测效应[C]//地壳构造与地壳应力文集.北京: 中国地震局地壳应力研究所, 2003: 114-119.
|
张慧, 顾申宜, 李志雄, 等. 单井多层位水温微动态初步研究[J]. 地震, 2013, 33(1): 101-110. |
张立, 唐采, 王世芹, 等. 宁蒗6.2姚安6.5和永胜6.0级地震前地下流体的短期变化[J]. 地震研究, 2003, 26(Z1): 149-156. |
赵刚, 王军, 何案华, 等. 地热正常动态特征的研究[J]. 地震, 2009, 29(3): 109-116. |
周红艳, 赵影, 李雨泽, 等. 九江1井水温动态变化特征[J]. 地震地磁观测与研究, 2017, 38(6): 79-85. |