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江苏苏05井、苏06井水温近年来典型异常特征分析及其机理讨论
江苏苏05井、苏06井水温近年来典型异常特征分析及其机理讨论
叶碧文*, 王维, 缪阿丽, 李峰
(江苏省地震局,南京 210014)
 [收稿日期]: 2017-02-07
摘要

近10年历史震例的分析表明,江苏苏05井、苏06井水温观测资料异常与江苏及邻省中等地震有很好的对应关系。本文对2010年后两口井的观测数据进行分析,总结了苏05井、苏06井水温测项在震前的典型异常特征:①异常表现为打破上升趋势的下降变化;②震前异常持续时间为2-3个月左右,映震范围在300km左右;③两口井的震前异常幅度在0.003℃左右。根据总结的异常特征并结合水温与井孔结构关系、水温与水位的关系、不同层位水温观测原理以及水化分析结果等,对异常可能的成因进行了初步探讨。



引言

在中强地震前,地下流体水温观测能够表现出相应的异常变化,这对地震预测预报有实质性的指示意义。在前人的研究结果中发现,水温的异常变化在中强震时段会更加明显,如1988年云南澜沧-耿马7.6级地震(杨继登等,1999)、1995年云南孟连中缅边界7.3级地震(付虹等,1997)、1989年大同6.1级地震(车用太等,2008)、1998年张北6.2级地震(车用太等,2003)以及2005年九江5.7级地震(徐桂明等,2010)等。云南澜沧-耿马7.6级地震震前有7个观测点记录到水温前兆异常,异常反应以景谷最为突出,震前温度大幅突降;张北6.2级地震震前水温出现显著的大幅突升异常变化;2005年九江地震前苏05井水温出现幅度较大的下降异常变化。这些异常变化在观测过程中发挥了重要的作用,说明水温观测对地震预测预报具有重要意义。根据前人的研究结果,目前对地下流体水温前兆异常的机理解释有地下热异常上升模式(蔡永恩等,1992)、应力-耗散模式(王庆良等,1998)和水动力学模式(鱼金子等,1997车用太等,2008),每个模式对解释震前水温的异常变化都有一定的合理性。本文主要讨论了苏05井、苏06井水温测项震前的异常变化特征和地震的关系,并总结归纳苏05井、苏06井水温2010年以来的典型前兆异常特征。通过多种分析方法及前人的研究结果来初步探讨苏05井、苏06井水温前兆异常的机理。

1 井孔概况及异常特征分析
1.1 苏05井、苏06井概况

江苏苏05井观测站位于宿迁市关庙镇农科村,在地质构造上位于郯庐断裂带东侧,沭阳凹陷内,为沭阳凹陷南缘次一级凹陷盆地,距离郯庐断裂带约23km。观测站周围为农田,观测环境无明显干扰,含水层埋藏于573m以下,埋藏较深,缺乏直接补给,水循环缓慢,其上泰州组地层构成良好的隔水顶板,使该含水层具有一定的封闭性,不受表层水影响。该井井深976.26m,套管深975m,观测层埋深827—862m,射孔部位833—857m。苏05井水温观测仪器为SZW-1A数字水温仪,分辨力为0.0001℃,采样周期为1分钟,含水层岩性主要为细砂岩(图 1)。水温的日变形态为震荡型(图 2),年动态为缓慢上升变化,水温受降水、气压影响较小。


图 1 苏05、06井井孔柱状图(江苏省地震局,2008) Fig. 1 The well-log of Su No.05 and Su No.06 boreholes

图 2 苏05井、苏06井整点值波动变化 Fig. 2 Water temperature variation of Su No.05 well and Su No.06 well with time

江苏苏06井位于江苏淮安市金湖县陈桥镇,地质构造上位于郯庐断裂带东侧、金湖凹陷刘庄构造兴隆集高点,井深2364 m,套管深2008 m,水温探头埋深400 m,观测含水层埋深大于2000 m,大范围内未出露地表,缺乏直接补给,水循环缓慢,该含水层具有一定的封闭性,因此该井水温观测数据受降水的影响较小。苏06井水温观测仪器为SZW-1数字水温仪,采样周期为1分钟,含水层岩性主要为灰岩(图 1)。日变形态为震荡型,年动态为缓慢上升型(图 2)。苏05井、苏06井在2000年进行过数字化改造,自2001年开始其观测资料用于地震分析预报工作。改造后的观测资料表明水温仪性能稳定、采样率高、故障率低,资料连续可靠。

1.2 异常基本特征分析
1.2.1 资料的选取

本文选取的水温资料为苏05井和苏06井的整点观测值,选用的时间段为2010年1月1日—2016年11月30日的前兆观测资料,地震资料从全国地震目录中逐级检索。检索标准比缪阿丽等(2014)以及《地震地下流体理论基础及观测技术》(中国地震局监测预报司,2007)和《地下流体地震预报方法》(国家地震局预测预防司,1997)中对区域内中等地震预测能力普适性选取原则的检索范围稍作放宽,对研究区域(29.5°—35.5°N,115.5°—122.5°E)内发生的ML≥3.9地震进行了选取,在研究区域内的19次3.9级以上地震中选取12次理论上对预报效能有所贡献的地震(图 3)。


图 3 选取地震的震中分布图 Fig. 3 Epicenter distribution of selected earthquakes
1.2.2 苏05井、苏06井典型异常特征分析

图 4所示,苏05井水温从2010年初开始整体呈现缓慢上升的趋势,而在某些时间段出现下降变化。在这些下降变化过程中,有8次对应了江苏及邻区发生的中等地震,分别为2011年1月19日安徽安庆ML 4.8级地震、2011年10月15日黄海ML 3.9级地震、2012年7月20日江苏高邮宝应ML 5.3级地震、2012年8月25日黄海ML 4.8级地震、2013年11月23日山东莱州ML 4.9级地震、2014年4月20日安徽霍山ML 4.7级地震、2015年5月22日山东文登ML 4.6级地震和2016年10月20日江苏射阳ML 4.7级地震。其中2012年7月20日江苏高邮宝应ML 5.3级地震前的异常现象较为突出,苏05井水温观测数据自2012年2月开始出现转平迹象,该现象维持到2012年6月19日,2012年6月20日出现快速下降变化,7月20日发生地震。地震前的短临异常持续时间约为30天,下降幅度为0.003℃。


图 4 苏05井水温几次中等地震典型异常图 Fig. 4 Typical anomalous of water temperature of Su No.05 well

苏06井水温2011年以来整体呈缓慢上升的趋势变化(图 5),在2011—2016年期间江苏及邻区发生的地震中有11次与06井水温异常变化有较好对应关系,分别为2011年10月15日黄海ML 3.9级地震、2012年4月8日江苏金湖ML 4.1级地震、2012年7月20日江苏高邮宝应ML 5.3级地震、2012年8月25日黄海ML 4.8级地震、2013年1月19日江苏灌云ML 3.9级地震、2013年11月23日山东莱州ML 4.9级地震、2014年4月20日安徽霍山ML 4.7级地震、2015年3月14日安徽阜阳ML 4.7级地震、2015年5月22日山东文登ML 4.6级地震、2015年8月26日黄海ML 4.3级地震和2016年10月20日江苏射阳ML 4.7级地震。其中2011年10月25日黄海ML 3.9级地震前异常现象较为突出,水温观测数据在2011年9月中旬出现快速下降,短临异常持续时间约为22天,下降幅度为0.0015℃。


图 5 苏06井水温几次中等地震典型异常图 Fig. 5 Typical anomalous of water temperature of Su No.06 well

我们在对苏05井、苏06井自2010年以来的水温观测资料进行梳理的过程中发现,苏05井水温在观测过程中出现9次水温异常,其中有8次和周围发生的中等地震有较好的对应关系,1次漏报。苏06井水温在观测过程中出现了16次水温异常,其中有11次和周围发生的中等地震有较好的对应关系,5次漏报。根据总结的资料进行了统计分析,得出一些结果(表 1)。

表 1 苏05井、苏06井水温典型异常基本特征 Table 1 The characteristics of water temperature anomalous of Su No.05 well and Su No.06 well

(1) 苏05井、06井水温观测值的正常时段呈趋势缓慢上升形态,正常时段的日值一阶差分变化小于0.0003℃。两口井的异常特征形态类似,所有异常都表现为打破上升趋势的下降变化,地震发生在下降或者恢复的过程中。

(2) 苏06井水温的震前异常持续时间基本在1个月左右,而部分地震的震前异常只有10天左右,异常具有很大的短临突变特征,苏05井水温的震前异常持续时间基本在2个月左右。

(3) 与徐桂明等(2010)的2001—2007年度苏05井、苏06井水温观测资料统计结果进行对比时发现,苏05井水温的异常幅度在2011年为0.01—0.1℃左右,2011年后则是在0.001—0.004℃左右。2007年以前苏06井水温异常幅度在0.003—0.007℃左右,2011年以后在0.003℃左右(图 6)。针对这种现象,我们将在后续分析中给出解释。


图 6 异常幅度和震级关系 Fig. 6 Relation between anomaly duration and earthquake magnitude

(4) 徐桂明等(2010)的分析结果认为,2001—2007年苏05井、苏06井异常映震震级基本在ML 3.5以上,利用其数据和本文总结的2011后的数据,我们对两口井异常幅度和震级关系进行对比,结果显示2001—2007年苏05井、06井的异常幅度和震级关系不明确(图 6),从异常时间与震中距关系来看,震中距较远的一般异常时间也较长(图 7)。


图 7 异常时间和震中距关系 Fig. 7 Relation between anomaly duration and epicentral distance
2 水温异常变化相关问题的分析
2.1 干扰因素排除
2.1.1 观测井的封闭性

苏05井井深976.26m,套管深975m,观测含水层在573m以下。苏06井井深2364m,套管深2008m,水泥固井,观测含水层埋藏于2000m以下。这两口井都缺乏直接补给源,循环滞缓,具有很好的封闭性。这种封闭性也体现在日常的水位和水温观测中,即水位因长时间的缓慢渗透和承压作用出现规则的年变特征;水温观测曲线正常时段变化幅度非常小,无年变,也不受降雨影响。另外,水位和水温都未发现存在同震响应和震后阶跃现象。这些都说明这两口井的封闭性很好,水位和水温基本不受周围浅层水的短期干扰影响。

2.1.2 水温与水位的同步变化

苏05井、苏06井水位存在长期下降趋势,水温存在上升趋势(图 8图 9)。水位的下降趋势和江苏周围的地下水开采有关。整体上苏南大部分地区停止开采地下水,而苏北大部分地区在2014年前仍然存在严重的地下水开采情况,这种情况导致苏南水位普遍上升,苏北地区水位普遍下降。因存在地下水开采不均衡的情况,就水温观测而言,在短时间内,水位出现下降变化后,上层冷水效应减弱,水温呈现缓慢上升变化。从长期观测结果来看,观测数据显示当水位出现年变化时,水温并没有明显年变化。简单计算得出,苏05井、苏06井水温水位的趋势变化幅度比值约为0.012℃/m,参考这一比值,若水位的年变化幅度约为0.3m,水温应该变化0.0036℃。但实际观测显示,水温呈线性上升,没有年变,水位的年变化幅度没有导致相应的水温变化,水温日常变化受水位影响很小。而水温出现低值异常时,水位本身没有明显变化,因此水温的这种异常和水位的变化无关。


图 8 苏05井水位和水温日值曲线 Fig. 8 Daily curves of water level and temperature for the Su No. 05 well

图 9 苏06井水位和水温5日值曲线 Fig. 9 Daily curves of water level and temperature for the Su No. 06 well
2.2 区域应力加载作用
2.2.1 水化学分析

杜建国等(2000)张炜斌等(2013)认为地下流体在岩石圈尺度能量传递和物质运移方面有着重要作用,在此过程中携带的大量信息也能够反映一些地震活动特点;地下水在循环过程中发生水岩反应,改变热水组分的浓度,不同含水层或是相同含水层不同部位的地下水化学类型大不相同(Giggenbach,1988);苏鹤军等(2006)认为氢氧同位素的研究对于跟踪流体-岩石相互作用过程中流体的时间积累、流量、流动方向和组成具有重要意义,这为地震地下流体的研究提供了重要的理论依据。

2015和2016年中国地震台网中心专家和江苏省地震局相关人员一起对苏06井及周围水体进行了样本采集(因井孔观测装置原因,无法对苏05井采集水样),水样离子组分浓度分析和同位素测试在中国地震局地壳应力研究所完成1。遵循周志华等台网中心专家们的研究思路,我们采用本次水化学采样分析结果对苏05井、苏06井水温异常变化做更进一步的探索。Schoeller图(图 10)显示,苏06井和其附近浅表水体成分差异大,不具相关性,这说明苏06井水体与周围浅表水体不存在水动力联系;Na-K-Mg三角图(图 11)显示苏06井水样离子向部分平衡水靠近,说明存在深层水的补给;氢氧同位素结果(图 12)显示,苏06井水样氢氧同位素比值远离大气降水线,这表明苏06井水体存在一定程度水岩作用。离子检测结果也表明其Cl-、Ca+含量非常高,TDS超过5.5g/L,符合来源于深部封闭环境下水化学分带特征。因此,根据前人的研究认识结合苏06井的水化学分析结果,我们认为苏06井周围存在一定程度的区域构造活动,而是否与地震活动有关,还需要更多的证据佐证。

1 源自周志华2016年11月PPT《江苏、安徽、山东异常核实地球化学分析》


图 10 Schoeller图 Fig. 10 Schoeller diagram

图 11 Na-K-Mg三角图 Fig. 11 Na-K-Mg triangle diagram

图 12 氢氧同位素结果 Fig. 12 Relationship between hydrogen and oxygen isotopes from water samples and meteoric water line
2.2.2 水温异常幅度的变化

从地震活动性来看,2011年3月11日发生日本宫城9级地震后,江苏及邻区的地震活动明显增强(图 13),许多前兆观测数据在2012年前后出现了明显的转折变化(图 14),王敏等(2011)通过GPS观测资料分析日本宫城9级地震对中国大陆构造形变场的同震影响,结果显示地震造成我国东北和华北地区产生毫米至厘米级的同震水平位移,最大值为35mm。通过应变分析发现,地震导致东北和华北地区一系列北北东走向的断裂产生了不同程度的张性应变;张风霜等(2012)认为日本大震后我国东部地区部分GPS基线开始转折拉伸,因而一定程度上缓解了这些基线的趋势性缩短,但是东部地区仍然有部分GPS基线的变化趋势基本不受日本地震的影响,近几年以来的趋势性异常至今仍然存在。杨少敏等(2011)认为我国东部地区距离日本MW 9.0地震的震中约2000—3000km,如果受到此次日本地震的影响,那么主导我国东部地区地震活动性的郯庐断裂带的构造活动则十分值得关注,且郯庐与日本海沟地震带的地震活动性在时间分布上具有一致性。结合江苏地区地震活动性的变化和前兆观测手段异常情况以及各位专家的研究成果,本文认为此次日本地震发生后,江苏及邻区处于区域应力场震后调整的过程中。而该地震导致的观测环境的变化是前文中提到的苏05井、苏06井水温异常幅度判据指标在2011年后发生变化的主要原因之一。


图 13 江苏及邻区地震M-T和频度图(118°—124°E,33°—35°N) Fig. 13 Diagrams of earthquake magnitude and frequency with time in Jiangsu and adjacent regions (118°—124°E, 33°—35°N)

图 14 江苏及邻区形变及电磁前兆异常图像 Fig. 14 Surface deformation anomalous from inclined pipe and short leveling observation
2.2.3 苏06井水温异常变化成因分析

苏06井同时设有两个层位的水温观测探头,分别位于400m和800m(图 15),在长期观测中发现,400m和800m水温的年动态变化、多年动态变化并不完全一致(图 16),马玉川等(2015)也对类似现象做过统计分析。但苏06井两个层位水温异常形态均表现为快速下降变化,400m水温震前的短临变化尤为明显,从异常的时间特征来看,异常变化通常发生在震前几天到几十天不等。陆明勇等(1995, 2004)、冯英等(2013)认为在孕震过程中,由于应力长期积累,岩石出现微小裂缝并破裂和串通,一方面导致岩石体积膨胀(即扩容),产生地壳变形;另一方面为地壳中包含的各种流体开通其活动和流通的渠道,从而使地下水等地下流体位置发生变化,并进而影响地震的发生和前兆异常的产生。我们认为苏06井在地震前出现水温的异常变化,特别是在地震前短临阶段,观测到的显著水温异常变化与构造应力的作用下裂隙破裂和串通有关(米雅奇金,1983)。


图 15 震前水温变化示意图 Fig. 15 Variation of water temperature before earthquake

图 16 苏06井400m和800m水温日值曲线 Fig. 16 Daily curves of water temperature for the Su No. 06 well
3 结论

本文在前人工作的基础上,重新归纳总结了苏05井、苏06井水温在震前的典型异常特征,并对震前水温异常变化的可能原因进行了讨论,得到以下几点认识:

(1) 苏05井、06井水温观测值呈趋势上升变化,这种变化与当地地下水开采导致的水位下降无关,不排除与区域构造活动有关。两口井的水温观测值正常时段短期扰动变化较少,长期呈趋势上升形态,水温的异常下降变化与周围的中小地震关系密切。

(2) 苏05井、06井水温震前表现为下降异常,2011年以后苏05井、苏06井水温异常幅度判据指标发生变化可能与2011年3月日本地震前后周围应力场调整导致的观测环境的变化有关。而不同应力作用周围的裂隙状态不同,因此不同构造背景应力阶段、不同震级的地震前观测测项的异常变化幅度可能并不一定存在规律性,做震例分析时有必要做更多的考虑。

(3) 震前,构造应力作用导致了裂隙的破裂和串通,开通表层水活动和流通的渠道,进而引起苏06井水温出现异常变化。而06井不同层位的水温在震前表现不同,这一点也体现出异常的变化与观测井的系统装置、岩性结构、周围环境等都有关系,水温探头的放置应根据测井的含水层结构等情况进行合理的设置。

致谢: 感谢中国地震局台网中心周志华副研究员提供的水化学分析结果。
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Characteristic Anomalous and Mechanism of Water Temperature of the Jiangsu No.05 well and No.06 Well before Earthquake
Ye Biwen*, Wang Wei, Miao Ali, Li Feng
(Jiangsu Earthquake Agency, Nanjing 210014, China)
Abstract

By analyzing history earthquakes occurred during recently 10 years we found that the water temperature anomalous of the Jiangsu Su No.05 well and Su No.06 well have good relationship with mid-earthquakes occurred in Jiangsu and neighboring province. In this paper we analyzed the data of the two wells since 2010 and summarized the typical characteristics of the water temperature of Su No.05 well and Su No.06 well as follows:1) the anomalous shows decreasing trend, 2) the during time is among 2-3 months and the epicentrals are about 300km, 3) the anomalous amplitude is about 0.003℃. Finally we discussed the probable mechanism according to borehole structure, the relationship between water level and water temperature, the water temperature value observed in different levels and hydration analysis etc.



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江苏苏05井、苏06井水温近年来典型异常特征分析及其机理讨论
叶碧文*, 王维, 缪阿丽, 李峰
《震灾防御技术》, DOI:10.11899/zzfy20180111