0 引言

水温观测是地下流体动态监测的重要手段之一，我国利用水温观测开展地震研究已有50多年历史，为地震分析预报工作积累了丰富的观测资料和宝贵的实践经验(张晓东等，1994；李加稳等，2004；张清秀等，2018；王俊等，2019)。诸多震例研究表明，在大震或中强地震前水温异常现象普遍存在，众多地震学者对水温的异常变化、持续时间与范围等特征进行了归纳总结，并就成因予以探讨(车用太等，2006；邱鹏成等，2010；晏锐等，2015；尹宏伟等，2019；王喜龙等，2020；黄麒瑾等，2021)；室内岩石实验和野外实验研究也为诠释水温异常机理和远场效应提供了必要基础(刘耀炜，2006；夏开平等，2016)。相关研究有：田雷等(2022)基于经验模式和Dobrovolsky地震能量模型，研究发现，水温在短时间发生大幅变化，与周边地震存在一定对应关系；巩浩波等(巩浩波等，2021)利用我国西南地区地震前兆台网记录的井泉水温数字观测资料, 分析水温动态特征，认为水温变化的同震效应受井孔自身观测条件所影响；苏维刚等(2022)基于地球化学取样分析、异常特征对比分析和同震响应等，对水温、水位异常特征进行深入研究，为震前异常信息的提取和震后趋势判定提供了重要参考依据。这些分析方法与研究成果有助于深入洞悉地震前兆信息，为后期利用水温观测开展地震预测研究提供重要理论依据。2022年1月28日肇东地震台(下文简称肇东台)观测井水温出现低值异常，本研究通过引入同型号水温仪进行观测，与原水温仪观测数据进行对比分析，以排查水温异常原因。

1 肇东台观测背景

肇东市大地构造单元属吉—黑陆块松辽坳陷，以扶余—肇东断裂为界，滨州断裂与该断裂在肇东交会，东部基底为东南隆起区，西部基底为中央坳陷区。该区主要继承了中生代构造格局，以垂直升降运动为主，新构造运动较为单一。肇东观测井位于新华夏系松嫩沉降带东北部，小兴安岭隆起带西南边界地带，区域断裂构造分布见图 1。

因台站搬迁，肇东新观测井于2016年10月成井，与原观测井直线距离约15 km。其井深380 m，孔口标高164 m，套管深度350 m，台基位于白垩系地层，由泥沙、粗沙岩、灰沙岩组成，第四纪亚粘土覆盖，厚度约37 m，地下水位约30 m；井孔在井下340 m处变径，井径由168 mm变为146 mm，观测井段为深340—350 m的含水层砂岩。观测井钻孔柱状结构见图 2。

2 肇东水温观测异常 2.1 水温异常出现

肇东水温、水位测项同步观测，均为分钟值采样，观测数据质量较好。其中，水温观测仪器型号为SZW-1A，2006年8月投入使用，台站迁址后继续使用，水温探头置于井下304 m；水位观测仪器型号为SWY-Ⅱ。2022年1月28日，肇东水温日均值观测曲线呈快速下降趋势变化，至2月21日下降0.007 2 ℃(图 3)，自观测以来，该井水温未出现如此大幅度变化。

由2017—2022年肇东水温日均值曲线(图 3)可知，在水温数据下降后，于2月22日转折回升，3月8日转折下降，4月10日转折上升，4月15日转折下降，但总体呈下降趋势；5月6日仪器故障，恢复观测后呈台阶下降变化，未恢复至故障前波动范围；6月14日水温数据出现突跳，截至6月16日，较1月28日下降约0.17 ℃。

2.2 异常核实方案

肇东水温异常出现后制定核实工作方案，并于2022年2月24日进行现场调查。异常核实具体流程见图 4。

3 水温干扰分析 3.1 观测系统调查

按照水温观测系统规范要求，对肇东井SZW-1A型数字化水温仪外部结构、各项参数、供电情况、避雷装置、井口装置、探头稳固情况、同井水位仪、水位校测等进行初步检查。综合调查发现，确定仪器工作环境良好。

3.2 肇东井周边企业用水量分析

肇东井周边无大型水库和河流，但5 km范围内分布有多个企事业单位(图 5)，如：大庄园肉业、宝迪肉业、东顺纸业、伊利公司、津达线缆、銮通物流、福成集团等，其中大庄园肉业、宝迪肉业和伊利公司用水量较大，但其水井深度均在100—200 m，用水量较稳定，非水温观测干扰因素。肇东井以东500 m为兽用中药工厂(彩钢结构)施工场地，2021年7月16日至12月5日动工，工业用水井取自院内25 m深的水井，每天用水量约1 t。基于用水量、井深和用水时间段，排除此工地用水干扰的可能。

3.3 气象因素分析

以往观测实践表明，肇东井水位微动态短时间内会受到气压和强降水影响(主要表现为水位日变形态畸变)，而水温变化则不受气压和降水影响。基于年动态特征，水位、水温的变化主要取决于水源补给、排泄条件，而非气象因素的变化。此次异常出现在冬季，不存在降水干扰。收集肇东井气温和气压数据，与水位、水温观测数据进行对比分析，结果见图 6，可见水温变化与气温、气压无相关性。因此，排除气象因素干扰引起水温快速下降的可能性。

3.4 地源热泵干扰分析

调查发现，在肇东井西北侧150 m处，肇东市气象局2019年开挖了30口150 m地热深井用于地热交换。肇东井和地源热泵的平面分布关系见图 7(a)，剖面示意图见图 7(b)。

其地源热泵用于冬季供热(每年10月至次年4月)，供热面积1 200 m²。地源热泵地埋管深度为150 m，其上含2个砂岩含水层，深度分别为54—60 m和135—139.5 m(图 2)，0—30 m深度段为黏土层，其他为泥岩隔水层。因此，地源热泵地埋管与围岩或土壤以及具有地下流体渗流的含水层之间存在热交换，而含水层与隔水层之间也存在热交换，可见地源热泵对肇东井水温有产生干扰的可能。

通过水温梯度实验(具体分析见下文)，证实34—150 m深度存在温度亏损，但温度梯度在150 m以下深度较为稳定。温度—深度线性关系良好，表明肇东市气象局地源热泵系统对肇东井水温有一定程度的干扰，但对置于304 m深度的水温探头干扰小，可忽略。

4 异常跟踪核实

为进一步查明异常原因，于2022年4月12日架设同型号(SZW-1A)水温仪，记为SZW-1A-2，探头放置深度同为304 m，与肇东原SZW-1A型水温仪(记为SZW-1A-1)开展同层对比观测。

4.1 水温梯度实验

水温梯度实验在地震研究中具有关键意义，借助该方法可监测地下岩石体的温度变化，有助于理解地壳中的应力分布，并识别地下流体运动异常，为地震预测和预警提供可靠的数据支持。为验证SZW-1A-2水温仪放置深度是否合理，对肇东井开展水温梯度实验。实验中总测深为304 m，布设11个测点，测点间距27 m，实验结果见图 8，其中井水温度—深度变化关系见图 8(a)，水温度梯度—深度关系见图 8(b)。

由图 8可知：①井水温度—深度关系曲线变化平稳，基本呈线性相关，在井下34—150 m深度呈轻微下凹形态；②井水温度梯度—深度关系曲线显示，温度梯度在井下34—150 m深度变化较大，数值在1.0—3.5 ℃/hm之间波动，在井下150 m深度出现拐点，150—304 m深度趋于平稳，变化幅度较小，数值在3.3—3.5 ℃/hm之间波动。

4.2 同层水温对比分析

自SZW-1A-2水温仪架设与SZW-1A-1水温仪对比观测以来，历时3个月，结果显示，二者记录的水温数据变化趋势不一致，结果见图 9。由图 9可知：异常跟踪期间，2022年4月16日和5月6日，SZW-1A-1水温仪2次出现故障，5月6日水温数据降幅约0.1 ℃，且故障排除后未恢复至原波动范围，6月14日水温突然升高0.1 ℃，后快速下降；在此期间，SZW-1A-2水温仪水温观测数据变化平稳，未出现较大波动变化，且周边环境无明显变化；6月17日12时至15时，SZW-1A-1水温仪数据出现无规律波动，温度数值最高达95.47 ℃，最低为3.326 ℃，且有乱码出现，见表 1标红部分。

鉴于SZW-1A-1水温仪性能不稳定，6月18日起停用，启用SZW-1A-2水温仪进行水温观测。绘制2021年至2023年4月30日肇东井水温动态变化曲线，见图 10。由图 10可见：①SZW-1A-1水温仪运行阶段：在2022年1月28日至6月17日，肇东水温数据持续发生异常变化，且变化幅度较大，具体表现为，2022年1月水温数值出现快速下降变化，后数据突跳等现象频发，推断水温探头老化或故障可能性较大；②SZW-1A-2水温仪运行阶段：2022年6月18日至2023年4月30日，水温观测数据变化平稳，无异常现象。

4.3 同井水位、水温对比分析

肇东井2021年1月1日—2022年5月30日水温、水位测项观测数据动态变化对比曲线见图 11。分析认为，水位测项具有类似年变特征，而水温数据无年变特征，二者无相关性，且在水温异常变化时段，水位动态仍保持年变特征，无异常变化，说明水温变化可能非区域构造活动所致。

4.4 异常信度与震例分析

据中国地震台网目录，2017—2019年，吉林松原宁江区发生3次M_S≥5.0地震(2017年7月23日M_S 5.0、2018年5月28日M_S 5.7和2019年5月18日M_S 5.1地震)及6次M_S≥4.0地震。肇东观测井与以上震例震中距离均在130 km以内，且震前观测井水温均无明显异常变化。肇东井与松原3次M_S≥5.0地震空间分布见图 12。

2017—2022年，肇东井周边200 km范围内发生M_S≥4.0地震10次，该井水温日均值对应关系曲线见图 13，每次地震发生前后水温数据变化并不明显。截取2022年1月1日—5月6日水温曲线放大处理，分析该井水温异常期间发生的2022年3月16日吉林松原M_S 4.3地震前后水温数据的变化特征，结果见图 14。由图 14可见，此次松原M_S 4.3地震发生前，肇东井水温出现小幅度回升转折现象，震后无同震响应，此后出现一次水温小幅度回升转折波动现象，但应与此次地震关系不大。

从异常曲线动态变化分析，每次出现温度回升波动后，水温加速下降更明显。结合图 14中曲线变化，分析认为SZW-1A-1水温仪稳定性越来越差，此次吉林松原M_S 4.3地震与该异常关系不大，观测仪器老化的可能性较大。

5 结果

通过对观测系统、观测环境、气象因素、水温梯度实验、地源热泵、对比观测等进行综合分析，认为肇东井水温观测数据异常主要由水温仪故障所致，此类干扰具有发生不规律、数据异常变化幅度较大等特点。肇东市气象局地源热泵系统虽然会对肇东井水温观测造成一定程度干扰，但对于井下304 m深度的水温影响较小，可忽略不计。更换新的水温仪后，肇东井水温观测动态恢复正常。