聊城水化站地下水温资料的简单统计分析

刘保华，魏汝庆，陈其锋，李月强，冯恩国，连凯旋

（聊城地震水化试验站，山东 聊城 252000）

0 引言

近十几年来，随着高精度数字化水温仪在地震台站的普及观测与应用，使我国地震井水温动态观测取得了很大进展，是地下流体学科的重要观测项目之一。水温前兆方法是通过研究地壳浅层的热状态及其随时间的变化，来进行地震预测预报研究的一种科学手段。地震水温前兆异常具有显著的短临前兆特征和较强的映震能力［1］。我国目前已积累了一大批可信度较高的水温前兆异常震例，如：1988年11月云南澜沧－耿马7.6级地震、1993年青海共 和6.0 级 地 震、1996年 云 南 丽 江7.0 级 地 震、1989年和1991年山西大同2次5.8级地震、1998年河北张北－尚义6.2级地震等［2－5，16－17］。

聊城水化站于1998年9月开始数字化水温试运行观测，2000年1月1日正式观测，但1998—2002年的观测系统不正常，没有积累到可靠的连续观测资料，从2003年1月至今，观测系统运行正常，观测数据连续可靠，动态背景较稳定，已积累了9年多的宝贵资料。面对文献报道的大量可信度较高的水温异常震例，聊城水化站的水温资料是什么情况呢？它的动态特征怎样？有没有可靠的异常震例？有没有同震效应？目前尚无人研究这些问题。为了回答上述问题，本文拟对聊城水化站的水温资料进行初步的统计分析。

1 井区地质条件与水温观测系统简介

聊城地震水化站海拔34m，位于冀鲁豫3省交界区著名的聊（聊城）—考（兰考）深大断裂带的北段（图1）。该断裂带走向NNE，倾向SW ，倾角30°～60°，总长360km；断裂带为张性正断层，早期具有左旋扭动性质，新生代以来转化为右旋扭动性质，兼为垂直运动。该断裂带新生代以来活动相当强烈，断裂之西强烈下沉，发育有下第三系到第四系，厚6 000～7 000m；断裂之东下沉幅度较小，只发育有上第三系到第四系，厚仅1 000～2 000m；断裂带宽5～6km，其内发育有多条平行断裂，呈阶梯状构造。该断裂带现今仍在活动，特别是以南段活动较为强烈，发生过多次破坏性地震，其中最大地震是1937年8月1日菏泽MS7.0地震，其次是1983年11月7日菏泽MS5.9地震；近期中小地震活动较为频繁，多次被列为国家级或省级地震危险区或值得注意地区。

聊城地震水化站水温观测井位于水化站院内，该井于1985年5月成井，完井深度为416.40 m。该井揭露的主要是第四系（Q）与上第三系（N）地层，岩性为未胶结到半胶结的细砂、粉砂与粘土、亚粘土互层（图2）。井区水文地质特征之一是含水层与隔水层互层，含水层的数量多达10层以上，其厚度从几米到几十米不等。该井为深井摆测震观测井，全井下设套管，套管长409.10m，套管为无缝钢管，螺接，外径146mm（内径137mm）。成井之后，在套管外围井口以下10.0m 至408.5m 之间填充石灰石粉硝，10.0m 以上及408.5m 以下使用水泥砂浆固井。

图1 聊城水化站区域构造及地震分布图

图2 聊城水化站水温观测井柱状图

该井于1998年8月开始高精度水温动态观测，观测仪器为SZW－1A 型石英温度计。水温探头放置在井口以下258 m（水面下约234 m），通过信号线把探头输出的频率信号传至井口平房观测室内，2005年11月3日改为传至新建监测楼内。2006年12月26—31日，因对测震深井摆进行数字化改造，将水温探头取出，然后再次下入井内，这时探头距井口186m。2010年4—5月因仪器故障，该时段资料做缺数处理。水温观测之初到2002年，仪器与信号线故障较多，观测数据不连续、不可靠，没有积累到有用的资料。经过多次维修、改造与更换仪器后，2003年1月开始，观测系统工作正常，产出的数据连续可靠，可用于震情分析与研究。

2 水温观测资料的动态特征分析

SZW－1A 型水温仪的采样率为1次／min，观测资料每日有1个分钟值文件和1个整点值文件，日均值由整点值计算得出。

图3a是聊城水化站2003年1月1日—2011年4月30日的水温日均值曲线，可以看出，曲线有2个缓升时段（2004年1月—2006年12月，2009年7月—2011年4月）和2 个缓降时段（2003年1—12月，2007年1月—2009年6月）。图3a反映了聊城水化站水温观测资料的多年动态和年动态特征，分析认为，这种变化特征就是当地的实际地温变化特征，因为井孔是用套管封闭的，井中的水不与外界交流，井水温度与井壁外的地温是平衡的。

图3b 是水温日均值的一阶差分曲线，可以看出，曲线非常平稳（个别突跳是干扰引起的），说明观测资料变化平稳，没有突升或突降变化（干扰除外），同时也说明观测仪器和观测资料都较为可靠。

图3c是聊城水化站2011年1月的水温整点值曲线，它反映了水温的日动态特征，可以看出，它属于随机起伏型，其基本特征是测值在一定范围内无规律地高频振荡起伏。

图3 聊城水化站水温观测曲线

3 水温异常与地震关系分析

在本文处理的资料范围内，共有2次水温异常与地震活动有关。表1列出了与聊城水化站水温异常有关的地震目录（据山东省地震局提供的华北地震目录），图1展示了聊城水化站水温观测井与表1中的7次地震分布情况。

第1次水温异常是2005年10月6日出现的上升台阶，该次异常虽然幅度不是很大，只有0.006 0℃，但在日均值曲线上十分显著（图4a）；第2 次水温异常是2006年4月19日出现的突跳，该异常在日均值曲线上幅度为0.011 9 ℃（图4c），在分钟值曲线上幅度为0.165 5 ℃，异常十分显著（图4d）。

上述2次异常出现后，观测人员就及时对观测系统和观测环境进行了认真细致的检查，没有找到确切的干扰因素，在当时及以后的若干年内，都认为可能是观测系统或观测环境的偶然干扰引起的［6］。现在分析认为，这种解释并非正确。作者分析认为，第1次异常与山东阳谷县七级镇小震群活动有关，第2次异常与河南范县濮城镇ML4.7级地震活动有关。这种解释的依据如下：首先，地震活动引起水温异常的机理是：地震的孕育、发生和调整过程，影响井点所在区域的应力状况的变化，导致地热场环境条件发生改变（例如断层活动、裂隙发育或闭锁、岩石热物质性变化、地下水动力条件变化等），引起井区升温或降温，使水温动态基值变化［7－8，16－18］。其次，阳谷县七级镇小震群共有6个小震组成，发震时间集中在4天之内，震级范围在ML2.0～3.4级（表1）。该震群发生在聊考断裂带的边缘，距聊城水化站水温观测井11～20km，这样的地震活动，其能量足以引起井区的应力状况发生变化，由此导致井区的地热场环境条件发生改变，引起井区升温或降温。又因聊城水化站水温观测井全部用套管封闭，井中的水不与外界交流，所以地下深部的热量要传到探头就会滞后。从图4b的分钟值曲线也可以看出，水温是缓慢上升的。同样，2006年4月9日的濮城ML4.7地震虽然距聊城水化站较远，但它的震级较大，况且该次地震与水温观测井同处于聊考大断裂带上，所以此次地震活动也足以引起聊城水化站水温的异常变化；此外，该次地震前，聊城水化站的气氡资料也出现了异常［9］。

也有文献报道过震前水温没有异常，震后出现上升突跳异常的震例。如：云南会泽井在2004年出现的水温突跳异常，就发生在鲁甸5.6级地震（井震距86km）之后［10］（图5），其异常形态与本文河南范县4.7级地震引起的水温异常十分相似。

表1 与聊城水化站水温异常有关的地震目录

图4 聊城水化站水温异常曲线

图5 云南会泽井水温整点值突跳异常［10］

4 水温观测资料的同震效应分析

近几年来，随着我国地震地下流体高精度数字化地热仪的广泛应用，积累的数字化水温观测资料越来越多，同时关于远场大震引起水温同震异常的研究与报道也在逐渐增多［11－15］。那么聊城水化站水温观测资料是否也有同震响应呢？

图6是聊城水化站的水温分钟值曲线，可以看出，在2008年5月12日14时28分中国四川汶川8.0地震和2011年3月11日13时46分日本9.0地震时，没有出现同震响应变化。

在我国的水温观测台网中，没有出现同震效应的现象也比较常见，例如：据统计［13］，2008年5月12日四川汶川MS8.0地震时，甘肃数字化水温中段共有8套数据，其中出现同震响应的仅有4套；水温下段共有5 套数据，其中出现同震响应的有3 套。（水温中段指探头位于井下10～100m，水温下段指探头位于井下100～1 000m）。至于为什么有的井孔有同震效应，有的则没有，这可能既与井孔所处的构造位置有关，也与地震发生的构造位置、震级、震中距和井孔自身的条件等诸多因素有关。

图6 聊城水化站水温分钟值曲线

5 认识与讨论

（1）本文使用的水温观测资料非常可靠，主要依据有2个：①在2008年8月出现大幅下降异常后，曾做过为期2个月的对比观测，结果显示，2套观测系统产出的数据非常一致［6］；②聊城水化站水温观测资料在全国评比中曾连续6年（2003—2008）获得第3名的好成绩。

（2）聊城水化站水温观测资料的多年动态为缓升、缓降交替出现型，年动态为缓升型或缓降型，它实际观测到的是当地的地温变化。日动态为随机起伏型，既没有昼夜变化特征，亦没有潮汐变化特征，说明水温观测不受气温和潮汐的影响。

（3）在观测井附近地区（特别是聊城－兰考断裂带上）发生地震活动时，聊城水化站水温资料有一定的异常显示，但本文中的2次异常都出现在地震发生之后，这种现象对地震预报是不利的，造成该现象的原因可能有2个：一是与地震本身的活动特点有关，二是与井孔全部用套管封闭有关。如果有资料证实属于第2个原因，那么今后再选择水温测点时，应避开这类井。

（4）聊城水化站水温资料没有同震响应，这种现象也很普遍，其原因可能既与井孔所处的构造位置有关，也与地震发生的构造位置、震级、震中距和井孔自身的条件等诸多因素有关。

［1］ 赵刚，马文娟，王军，等.我国地热前兆观测台网的现状及对汶川地震的响应［J］.地震研究，2009，32（3）：248－252.

［2］ 刘伟，胡久常，顾申宜，等.海口ZK26井水温动态特征［J］.华南地震，2000，20（1）：43－47.

［3］ 国家地震局科技监测司.地震地下流体观测技术［M］.北京：地震出版社，1995.

［4］ 姚宝树.三马坊水温重复性前兆异常的构造特征［J］.华北地震科学，2003，21（4）：23－29.

［5］ 陈沅俊，姚宝树.张北6.2级地震水温短临异常特征［J］.地震，1999，19（2）：179－182.

［6］ 王华，王伟，陈其锋，等.聊城地震水化站水温奇异变化原因的调查与研究［J］.地震地磁观测与研究，2010，31（1）：84－90.

［7］ 鱼金子，车用太，朱清钟，等.北京太平庄井水的强震异常（远兆）研究［J］.地震研究，1998，21（1）：42－49.

［8］ 毛德培，王树明，胡智文，等.大姚地热动态特征分析［J］.地震研究，2002，25（1）：42－47.

［9］ 魏汝庆.一次4.6级地震前的气氡异常变化分析［J］.东北地震研究，2007，23（3）：52－56.

［10］ 张立，赵洪声，刘耀炜，等.云南会泽井水位与水温相关关系及其变异的地震预测意义［J］.地震研究，2009，32（3）：228－230.

［11］ 孙小龙，刘耀炜.苏门答腊8.5级地震引起的水温响应变化［J］.华北地震科学，2008，26（1）：35－40.

［12］ 杨竹转，邓志辉，陶京玲，等.北京塔院井数字化观测水温的同震效应研究［J］.地震学报，2007，29（2）：203－213.

［13］ 曹玲玲，高安泰.汶川MS8.0地震引起的甘肃数字化水位、水温同震响应特征分析［J］.地震学报，2010，32（3）：290－299.

［14］ 杨跃文，夏丽红，褚金学，等.云南丽江井水位与水温对印尼8.5级地震和汶川8.0级地震的同震响应特征分析［J］.防灾减灾学报，2010，26（2）：36－39.

［15］ 陈大庆，刘耀炜，杨选辉，等.远场大震的水位、水温同震响应及其机理研究［J］.地震地质，2007，29（1）：122－130.

［16］ 刘国俊，张文男，杨海祥，等.东郭井水位与水温成组异常及其映震特征［J］.华北地震科学，2012，30（1）：22－28.

［17］ 邱鹏成，赵生生，王永刚，等.2008年大柴旦M6.3地震前井孔水温异常［J］.华北地震科学，2010，28（3）：39－42.

［18］ 盛艳蕊，张子广，张素欣，等.黄骅井水位水温同步反向变化成因分析［J］.华北地震科学，2010，28（4）：37－40.