东郭井水位与水温成组异常及其映震特征

刘国俊，张文男，杨海祥，郭国祥

（1.山西省地震局夏县中心地震台，山西 夏县 044400；2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，太原 030025；3.山西省地震局临汾中心地震台，山西 临汾 041000）

东郭井水位与水温成组异常及其映震特征

刘国俊1，2，张文男1，2，杨海祥1，2，郭国祥2，3

（1.山西省地震局夏县中心地震台，山西 夏县 044400；2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，太原 030025；3.山西省地震局临汾中心地震台，山西 临汾 041000）

分析了东郭井自2008年1月观测以来出现的水位与水温成组异常及其与周围中等地震活动的关系，研究结果显示：异常与地震有较好的对应关系，其异常的基本特征是水位阶降与水温缓升的形态配套，异常的幅度与震级大小有一定关系，异常持续的时间与井震距有一定的关系，还讨论了异常的机理。

东郭井；水位；水温；震前异常；中等地震

0 引言

东郭井是山西省地震局自筹资金建设的一口地震观测深井，2007年7月成井，2007年10月开始水位与水温的数字化试观测。自2008年1月正式观测以来，该井水位与水温多次出现同步异常，分析结果表明：这些异常同井区外围350km以内4级左右中等地震活动有一定对应关系。笔者进一步分析了异常的形态、幅度、时间特征及其与对应地震的震级、井震距等的关系，初步建立了地震预测的指标，并运用于地震监测与预测的实践中，取得了一定效果。

1 东郭井概况

东郭井位于山西省运城市盐湖区东郭村。井点坐标为111.1°E，35.0°N，海拔高程338m，该井在地貌上处于中条山山前地带，在构造上处于NE向中条山山前大断裂与NW向隐伏断裂交汇处。在水文地质上处于中条山大气降水渗入补给与运城盐湖排泄区之间的地下水径流带中（图1）。

东郭井深614.11m，揭露的地层主要是第四系黏性土与第三系泥质胶结的细砂岩、粉砂岩，观测井内全部下设直径146mm金属不变径套管，其中485～606m井深的砂岩段下设滤水管，累积长度80.79m，485m以上全部黏土止水，对观测含水层的抽水实验结果为：含水层渗透性较弱，K＝0.12m／d，地下水化学类型为HCO－3－Mg.Ca.Na，矿化度0.67g／L。地下水类型为孔隙承压水。

三年多的观测结果表明，受区域性地下水开采的影响，该井水位趋势下降，降幅达10m，但无明显年变；井水温度探头置深580m，水温动态总体呈上升趋势，升幅为0.01℃，但上升过程呈现阶升—缓降的起伏特征。水位的日变幅一般＜0.01m，水温的日变幅一般＜0.003℃（图2）。

2 井水位与水温异常

东郭井水位与水温动态，自2008年1月正式投入观测以来，共出现9组异常（图3）。

图1 东郭井井区地质图

图2 东郭井2008-01—2011-01分钟值动态曲线

图3 2008年01月－2011年01月年东郭井水温与水位9组异常图

对上述异常的可靠性，均进行了查证。现场检查结果为：仪器设备的工作状态正常，仪器的供电工作条件稳定，周围无开采井干扰，确认异常非观测仪器设备、周围环境干扰引起的。特别对水位进行了测钟校测，确认水位变化是真实的、客观的。由于水温与水位是在同一口井中观测，且水温与水位异常同步出现，也可认为水温异常是可信的。

对上述异常的基本特征，提炼结果如表1所示，其中，2008年5月12日的异常几乎与四川汶川8.0级地震同时出现，被认为是该地震的同震响应。

表1 东郭井2008年01月—2011年01月异常特征表

3 东郭井异常与地震的对应关系

笔者收集了2008年01月—2011年01月在东郭井外围350km范围内发生的中等地震（表2）。

经过对比分析，该井的水位与水温异常同上述地震活动在时间上表现出较好的对应关系，其结果如表3所列。

表2 东郭井外围2008年01月—2011年01月中等地震目录

表3 东郭井水位、水温异常对应地震表

若把2008年2月6日东郭井水位、水温成组变化可能与四川汶川地震有关的异常及2008年5月12日汶川地震的同震异常排除之后，该井异常与周围中等地震的关系是：共有5次（组）异常，周围发生6次中等地震实际上对应了5次地震，异常对应地震率为83%（异常组数与发生地震次数之比）；有异常无地震率为0%；无异常有地震率为17%。由此可见，东郭井水位、水温成组异常的地震对应率较高，几乎异常与地震可以一一对应起来，因此可认为东郭井是一口映震灵敏井。

4 异常的映震特征

（1）异常的形态与成组性

由图3可见，水位的异常均为下降，且多为阶降，异常过程约在1小时内完成，只有一次为突降，异常发生在几小时内，还有一次为缓降，异常发生在十几小时内；水温的异常均为上升，且多为突升与缓升。

特别有趣的是水位与水温异常多是配套成组出现，无一例外，异常形态的成组特征是水位下降－水温上升。

（2）异常的时间特征及其与井震距的关系

由表1与表2对比分析可见，水位异常出现时间总是早于水温异常，水温异常滞后水位异常的时间最短几分钟，最长几小时；水位异常结束时间也总是早于水温异常，水位异常持续时间为33min～78h08min，水温异常持续时间3h50min～96h53min。

在异常的时间特征与井震距关系上，表现出发生距离越远的地震，异常出现时间越早的特征，这样的特征说明，东郭井异常出现的无震时间越长，观测井区及其邻区发震的危险性越小（图4）。

（3）异常的幅度特征与地震关系

由表1可见，井水位的异常幅度为0.100～2.259m不等，井水温的异常幅度为0.001～0.048℃不等。统计结果表明，异常的幅度与震级有一定关系，表现出异常的幅度越大，对应的震级就越高的趋势（图5）。

图4 东郭井异常持续时间与井震距的关系

图5 东郭井异常幅度与震级的关系

（4）预测实践

依据2008—2009年3次异常与3次地震对应关系的经验总结，当2010年1月6日再次出现水位与水温上述异常时，根据异常特征及其与未来地震的关系分析，于2011年1月15日提出“近期应注意周边地区发生5级地震可能性”的预测意见。结果1月24日在距东郭井约50km的河津市发生4.7级地震。实践证明，东郭井的水位与水温异常对当地地震的监测与预测具有明显的实用意义。

（5）汶川地震前的异常特征

东郭井水位与水温成组异常不但在2008年5月12日汶川8.0级地震发生前表现出十分显著的异常（图2a），而且震时同震响应也十分明显（图2b）。汶川地震前的异常是水位与水温同步成组出现在震前3个月（约95天），水位的异常幅度达2.259m，水温的异常幅度达0.048℃，这是该井自观测以来出现的最为显著的异常。这样的特征，大体上也是符合上述“发生在远处的地震异常出现的时间早，大震前出现的异常幅度大”等分析结果。这也进一步证明东郭井的异常特征及其与未来地震关系的基本认识，因此对大区域大震的监测与预测也有一定意义。

5 异常机理的讨论

按照一般井水位动态与井区含水层受力状态关系的理论，认为井水位下降表示了井区受拉张应力的作用，即含水层岩体被拉张，孔隙率增大，孔隙压力减小，井筒内的水流回到含水层中，表现为井水位下降。按照这样的理论，东郭井近几年来应力处于松弛状态，而且松弛过程是幕式的。这样的状态，可能与中条山大断裂南端的幕式滑动有关［1－2］。

井水温度的同步上升型异常，按照井水温度微动态形成机理，理应随井水位下降同步下降，因为井水回流到含水层时，井筒内水温将会随之下降。因此，对于这种矛盾现象，可能存在两种可能：一是井筒内水温传感器放置井段的水温梯度不正常，即为负梯度带，上层水温高，下层水温低；二是水温异常不是水热动力作用引起的，而是地热动力作用引起的，即由于东郭井位于夏县南山底地热异常区的外围，处在地热活动相对活跃的地区，当地浅层地应力状态发生短暂的拉张作用时深部的热流也相应的涌上来，导致大地热流的释放量相对升高，使井水温度上升。究竟属于何种机理，还有待进一步研究。

关于汶川地震的同震机理，则完全符合水动力学机制［3－4］，当强大的地震波作用到东郭井双侧含水层时，含水层岩体发生弹性变形，导致反复的压－张变形，引起井水与含水层地下水间水流的交替运动，引起井水位振荡，之后水位发生阶升，证明本次地震使该井区压应力增强。与此同时，井水温度略有滞后的阶降→突升变化，其中阶降是井水振荡时，井筒内不同温度的水混合引起的，即上层低温水与下层高温水混合或发生热动力弥散作用，使深部传感器所在处的水温下降；之后水温缓升，是水位振荡搅乱了井筒内的热状态，导致井水与外围岩石之间的热平衡状态发生破坏，即深处井水温度较外围岩石温度低，引起岩石中的热向井筒内传递，使井水温度缓慢升高。

6 基本认识

（1）东郭井水位与水温在汶川8.0级地震和周围中等地震前表现出显著的异常，异常与地震的对应关系较好，说明该井为映震灵敏井。这与该井所处的特定构造部位，观测含水层埋深大，无变径成井工艺，井区无干扰等优越条件有关。

（2）东郭井水位与水温配套成组异常的异常形态总是“水位下降，水温上升”，异常的重现性好，对地震监测具有较大的实用意义。

（3）东郭井异常的基本特征是：异常幅度大，未来的震级高；异常持续时间短，未来地震的井震距小，故对未来地震的震级与发震地区的估计有一定参考意义。

（4）东郭井水位的映震机理符合“含水层岩体变形→孔隙压力变化→井－含水层间水流运动→井水位变化”的力学－水动力学机制。但水温的映震机理尚不清楚；对汶川地震的水温同震响应机理符合“井水振荡→井水上下混合或水动力弥散→井水温急降及井水－围岩间热传导（热平衡）→水温缓升”的水动力学－热动力学机制。

致谢：本研究得到车用太研究员指导与帮助，在此深表感谢。

［1］ 杨又陵，赵根模，高国英，等.2001年11月14日昆仑山口西 M8.1地震前的缓慢地震事件［J］.国际地震动态，2003（9）：2-3.

［2］ 王庆良，张晓东，崔笃信，等.理解前兆异常变化机理和地震短临前兆［J］.国际地震动态，2005（5）：136-139.

［3］ 车用太，刘成龙，鱼金子.井水温微动态及其形成机制［J］.地震，2008，28（4）：23-27.

［4］ 张环曦，郭建芳，薛志芳，等.昌黎井数字化水位水温对汶川地震同震响应机理分析［J］.华北地震科学，2009，27（4）：47-49.

Groundwater Level and Groundwater Temperature Bunching Anomalies of Dongguo Well and Its Earthquake Reflecting Characteristic

LIU Guo-jun1，2，ZHANG Wen-nan1，2，YANG Hai-xiang1，2，GUO Guo-xiang2，3
（1.Xiaxian Central Seismic Station，Shanxi Xiaxian 044400，China；
2.National Continental Rift Valley Dynamic Observatory of Taiyuan，Shanxi Taiyuan 030025，China；
3.Linfen Central Seismic Station，Shaxi Linfen 041000，China）

The relationship between groundwater level and groundwater temperature bunching anomalies of Dongguo well and moderate earthquakes activity in surrounding area are analyzed in this paper.The result indicates that the essential characteristic of the anomalies is the synchrony of the step drawdown of the groundwater and the slow rising of the groundwater temperature，and there is corresponding relation between the anomalies and the earthquakes.The amplitude of the anomalies is related to the magnitude of the earthquakes；the lasting time of the anomalies is related to distance between the well and the epicenter.In addition，the mechanism of the anomalies is discussed.

Dongguo well；groundwater level；groundwater temperature；pre-earthquake anomaly；moderate earthquake

P315.723

A

1003－1375（2012）01－0022－07

2011-10-09

2011年中国地震局监测、预报、科研三结合项目“东郭流体观测井异常与映震特征研究”

刘国俊（1972－），男（汉族），山西省洪洞人，本科，工程师，主要从事地下流体监测与研究工作.E-mail：liuguojun926＠163.com