林国元,朱继承,秦双龙
(福建省地震局,福建 福州 350003)
2007年以来,福建地下流体发生多起前兆异常,每一起前兆异常,我局监测处和预报中心都高度重视,立即组织有关单位的科研人员进行现场调查核实,实验分析,并在限定的时间内,编写现场调查核实报告。笔者作为地下流体科研人员,有幸参加我省大多数地下流体异常的现场调查核实,对异常技术分析提供支持。每一起的地震前兆异常有其共性,因为没有发现非地震前兆异常因素的干扰;而发现非地震前兆异常因素干扰的方式,却各有千秋。因此,在实际前兆异常调查分析中,寻找和确认非地震前兆异常因素干扰,是我们前兆异常调查分析关键,如何对同一异常的表现形式,来分析其不同的干扰源,并通过实验数据进行验证。本文对近几年来的非地震前兆异常技术分析进行初步总结,并对异常核实提出一些建议。
泉州四至井水质观测点,位于长乐 —诏安断裂带中段与清源山山前断裂交汇处,是清源山—四至村冲沟边缘出露的民用冷泉水井。井孔深度为4.41米,地下水埋深1.20—2.70米。主要观测项目为水氡、电导、氟离子、流量、水温、降雨量。观测仪器采用FD-125测氡仪、CM-30ET电导仪等设备。
2007年10月泉州四至井水质月测出现异常,其中电导率由9月5日的0.268mS/cm上升为10月5日的0.306 mS/cm,上升幅度达14%;碳酸氢根由9月5日的69.9mg/L上升为10月5日的94.3mg/L,上升幅度达35%(图1)。10月9日重新取水样进行加密观测,两测项测值虽有下降,但仍然偏高。福建省地震局监测预报处立即组织人员,前往泉州进行该异常调查落实①福州市地震局闽台地区2008年度地震趋势研究报告,2007年。。
泉州四至井水质观测是由泉州地震台负责采样,福州水化站负责观测。异常落实小组按中国地震局监测预报司的《地震前兆异常落实工作指南》[1],对水质可能存在的干扰逐一落实,仪器、环境、气象因素、观测人员没有改变,水质外观正常,井口水质没有污染,降雨量很小,周围环境没有发现新的变化;经过调查,排除观测仪器、观测环境等影响,使我们调查陷入困境。
当我们重心调查各种可能的干扰因素时,突然发现有些取样瓶是新的,经调查是在泉州当地分三次在两个超市采购的,8、9、10月和加密测采样用的水样容器是用新塑料桶。据了解,取样时,按规范要求清洗三次[2]。因为在福建省水质三十多年的观测历史中,还未出现因取样瓶材料问题引起水质异常;所以在没有发现其它干扰因素的情况下,初步判断新容器质量有问题,可能造成异常的原因。
我们分别用新旧容器重新取样,做对比观测,用实验数据来验证我们的判断。从表1和图1中可见,电导率10月新容器水样比旧容器高0.023 mS/cm,旧桶水样电导率接近2007年7月0.257 mS/cm,新桶水样电导率接近2007年8—10月 均 值0.285 mS/cm。10月碳酸氢根新容器水样比旧容器水样高13.9 mg/L,旧容器水样碳酸氢根接近2007年7月69.9 mg/L,新容器水样碳酸氢根接近2007年8—10月均值77.1 mg/L。新、旧容器水样电导率、碳酸氢根有较大的差值,由图1中箭头所示,2007年1—7月电导率和碳酸氢根观测数据趋势变化平稳,10月旧容器水样的观测数据更能代表该平稳变化的特性(图1中虚线所示),说明旧容器的水样观测值是准确的;而2007年8—10月观测数据明显表现高低不同的震荡性,新容器水样的观测数据偏高,波动较大,这可能与不同厂家生产塑料桶且其质量不稳定有关。
表1 泉州井电导率(mS/cm)和碳酸氢根(mg/L)比测结果对照表
图1 泉州井电导率和碳酸氢根2007年1—10月月测动态图Fig.1 Monthly dynamic graph of electrical conductivity and bicarbonate radical of Quanzhou well from January to October in 2007
通过以上分析,认为泉州月测电导率和碳酸氢根观测数据异常是更换取水容器,受新容器质量不良污染引起,地震前兆异常可能性不大。
2008年9、10月份,泉州四至井月测氟离子出现异常,氟离子由8月5日的0.218mg/L上升为10月5日的0.259mg/L,上升幅度达17%,由于今年我省是华南地区地震形势最为严峻的地区,一年内发生古田ML4.8级地震和长泰发生ML4.6级地震地震。10月21日重新取水样进行加密观测,氟离子测值基本相同,仍然存在异常。按中国地震局监测预报司的《地震前兆异常落实工作指南》[1],经过初步对氟离子观测仪器、观测方法、观测环境、水样外观等排查,未发现异常。当时认为泉州氟离子存在地震前兆异常,并在2009年度会商会上提出了泉州四至井月测氟离子存在高值异常 。但当2008年11、12月氟离子又出现高值异常时,这与以前总结的异常震例形态完全不同,高值异常持续时间长,使我们对10月份做出的前兆异常的判断产生怀疑(图2)。
图2 泉州四至井氟离子异常图Fig.2 Abnormal diagram of fluorinion in Sizhi well in Quanzhou
目前氟离子观测是采用标准曲线法,氟离子标准序列一直是正常的,2008年7月份,曾对电极进行比测实验,其中0号、1号、2号氟离子电极分别为日常正在使用的电极和两支新电极,对W水样和 Z水样观测结果差别不大,说明该电极基本正常(表2)。
2008年12月份,对氟离子电极进行标准序列比测、观测水样比测、观测方法比测三组比测实验,结果发现0号氟电极因为斜率偏转出现较大偏差[3]。对泉州井2008年12月到2009年3月水样进行比测实验,括号内比测数据为标准序列和水样依据浓度从低到高观测的数据(简称同测),其它为日常观测方法观测的数据(表3)。表3实验结果说明用0号电极按日常观测方法观测,结果偏高;如果按同测方法观测,观测数据较为接近;说明同测方法观测可以降低电极斜率偏转引起观测误差。
表2 不同氟离子电极比测数据
因此,我们认为0号氟离子电极现为故障电极,从2008年7月份的实验结果推测,故障开始时间约为2008年9月。如果用表3中2008年12月0号和1号电极观测值的差0.069,来修正2008年9—11月观测数据,如图2中虚线部分,其结果表明2008年9—11月观测数据,实际上也在中值线附近波动(图2)。证明了泉州井氟离子在2009年度会商提出的高值异常,是由于氟离子电极故障偏差引起的。
表3 泉州井不同氟离子电极比测数据(mg/L)
地震前兆异常的识别需要深入、认真地进行分析,经过实验比测认为2008年9—11月的泉州井氟离子的高值异常为非地震前兆异常,否定了2008年11月做出地震前兆异常判断。
2011年1月3日上午,福州电视台新闻110记者电话告之,鼓山镇牛山村一口古井不断从井中涌水。福州市地震局高度重视,立即组织有关专家前往现场,进行异常调查落实①福州市地震局,闽台地区2012年度地震趋势研究报告,2011年。。
据村民介绍,6天前有一妇女在井边洗衣服,突然听到‘砰’一声,就看到井水变浑浊起来,之后井水就开始上涨,这几天井水每天都在涨,井水一天比一天高。调查组对古井周边环境进行了考察,周围还有三、四口相类似的井,低于地面2—3米,这口古井水位原来也是低于地面2—3米,现在这口井的水位略高于地面。
实地调查发现异常井周边有自来水管道,部分自来水管道埋地,发现离异常井不远处一个水表在不停转动,询问周边住户,当时并未用水,初步怀疑是埋地部分的自来水管道破裂。随后测量了异常井的井水温度为19.3度,以及其它正常井的水井温度18.4度,并取了水样进行水质分析。
表4 异常井水与西区自来水比测结果(2011年1月3日)
由于第一次只取得异常井水样,只能用实验室中的自来水(西区自来水)进行对比观测,比测结果见表4。
根据表4异常井水与西区自来水比测结果来看,两者水质成份相差太大,因此,初步否定了现场调查的推测,即由于自来水管道破裂引起井水异常升高的结论。
但由于第一次取样只有异常井水质分析,没有说服力,决定第二天再取水样。2011年1月4日早上,调查组人员前往现场再次进行实地调查,现场发现该井水位与昨天水位差不多,周围也没有什么新变化,取了异常井、正常井、附近自来水(即东区自来水)水样,进行水质分析,比测结果见表5。
表5 异常井水、正常井水与东区自来水比测结果(2011年1月4日)
根据表5异常井水与东区自来水及正常井水比测结果来看,异常井水与正常井水两者水质成份相差很大,异常井水与东区自来水两者水质成份基本相同,因此,认定了现场调查的推测,即由于自来水管道破裂引起井水位异常升高的结论。
通过以上分析,认为鼓山镇牛山村井水异常是由自来水管道破裂引起,地震前兆异常可能性不大。
2012年6月20日福清市地震办收到福清市电视台记者来电,有市民反映家中水井水温大幅上升,最高值达到70℃。次日,福州市地震局组派相关专家前往现场进行异常调查 。
该异常井位于福清市音西街道凤山社区民宅院内,是一口民用井,井深6m。据民宅主人介绍,该井只作为日常浇花、养鱼用;正常时,该井井水颜色比现在略黄,且有细小虫子,水温相对其它民用水井温度略高;4天前,井水温大幅升高,井水颜色变淡,未发现细小虫子。6月19日16:00和6月20日16:00测量水温分别为60℃和65℃。
经测量,该水井水面离井口距离为2.24米,井边有一抽水泵,但已多年不用,且电源已经断开。井内有热气生成,用电笔测量井壁、井内抽水管、抽水泵,没有电流。对周边其它住户的用电情况进行分片调查,结果未发现有明显异常用电。因此,排除该井抽水泵或其它漏电可能。
2012年6月21日10:00,对异常井进行取样(水样1),测量井水水温47.8℃,颜色淡黄,略有异味;对隔壁一口水井(距离约10米)进行调查,测量该井井口到水面距离2.33cm,测量水温为22.3℃,水质较异常井更浑浊,水中发现比异常井含更多的细小寄生虫。现场观察,该井与异常井基本在同一高程;对对面另一口水井(距离约20米)进行调查,该井1年半前曾经洗井,水质较为干净,肉眼未发现寄生虫,测量水温21.1℃;据村民讲,周围其它井也没有发现井水温异常。因此,据初步调查,水温异常仅局限这口异常井。
2012年6月21日11:00,调查组决定对异常井进行抽水检查,抽水前测得井水温度48.8℃。11:45水快抽完,取井底水样(水样2),测量井水温度为43.8℃,中部井壁产生白雾,伴有浓重的异味。13:40井水位回升上部时,测量井水水温为46.9℃。13:53进行二度抽水,再次取样(水样3),测量井水底部水温为42.7℃,中部井壁仍然有白雾产生,异味仍然存在。14:50井水水位再度回升上部,取水样(水样4),测量水温为44.6℃。15:06再次测量水井水温为44.6℃。
通过二次抽水测量水温,其底部水温比上部水温,第一次低3.1℃,第二次低1.9℃,中部井壁产生白雾,说明发热体在井壁中部,是井壁上发热体对井水进行加热,导致水温升高;而且,第二次抽水后,井壁中部对井水加热有所降低。由于井水有异味,井壁白雾为很重的腐臭味,初步推断是周边淤泥发酵,产生加热效应引起井水水温异常。
经过与住宅主人进一步沟通,了解数年前该住宅修建一座化粪池,该化粪池大约1.2m、深度约1m多,与异常井直线距离不足3m。该井水质是在修建化粪池后逐渐变差;水温也出现从以前感觉有点冰冷,到近两年明显感觉有点热;而且能感觉到比周围井的水温高;60-70℃高温只是这几天发觉的。现场调查情况和我们推断基本符合,结合水样分析,也说明该井水富营养化严重(表6)。
表6 异常井水样比测结果(2012年6月22日)
结合上述的调查和分析认为:该井水温异常不是由于电线漏电造成的;是由于邻近化粪池长期渗漏,在井壁中部腐败发酵产生热量,加热井水,引起井水温异常。排除该宏观异常是因为地震前兆引起的可能。
2013年7月11日,观测泉州地震台碳酸氢根离子,月测值由上个月的65.8mg/L突升至84.7mg/L,相对变化幅度达28.7%;加密测7月12日水样,结果为86.5mg/L,与7月5日水样的结果接近。监测预报处在17日中午组织相关工作人员,赶赴泉州地震台进行异常核实①福州市地震局,闽台地区2014年度地震趋势研究报告,2013年。。
异常落实小组按中国地震局监测预报司的《地震前兆异常落实工作指南》[1],对水质可能存在的干扰逐一落实。对泉州四至井碳酸氢根离子所有历史数据进行筛查,发现2007年10月因用不合格的新取样瓶,使碳酸氢根离子突升幅度达35%。但泉州四至井未使用新取样瓶,而且两次取次观测,数据相同,排除了取样瓶引起的干扰。对观测溶液和观测环境进行调查,也排除其可能造成的影响。
水点环境干扰情况调查比较复杂,该井属于民用井,在井中配有四台抽水泵,铺设有自流口,日常观测从自流口取样。目前,自流口水质清澈透亮,但略有土腥味,水温动态变化与往年同期相似;向村民调查,最近一段时间抽水量同平常一样;四至村的周边环境调查,未发现新的基建项目或新挖井点。
为了查清井内是否有沉积物发酵引起的异常,提取了较深部的井水样、正常的自流口水样;让居民连续抽水一个小时,停止抽水一小时后,确保所取水样为裂隙中流出的较为新鲜的水,再进行自流口取样;并提取清源山上地表流动山泉的水样。四个水样进行对比观测,观测结果如表7。从观测井点提取的三个水样,观测到的碳酸氢根离子和其它测项基本接近,地表山泉由于是地表水,不同水系,水质成份存在明显差异。因为抽水后新鲜水样与正常水样的碳酸氢根离子测值一样,可以排除井内沉积物发酵干扰。
异常核实小组只能扩大调查范围,继续向井点上游的观测井主要补给区、清源山上进行调查,发现在近山脚处有一约200多米深,1400m2左右的防空洞,2012年被泉州地震台租用,用于测震和前兆仪器观测。
山洞从2012年8月开始装修、土建等工程,2013年3、4月基本结束,洞内排水直接引向洞外,向山下排放,目前山洞装修处在收尾阶段。因为这此土建没有开挖地表,废水很少,且是引向洞外,直接地表排放,引起干扰的可能性较小。
在山洞装修土建结束后,2013年5月初,在洞口外建设避雷地网,开挖大约长10m、深1.8m、宽5m的大坑,5月底在坑内做地网铺设,并进行沙土填充及水泥浇灌。在未封闭期间,经过查阅气象资料,在5月18日泉州当地有较强暴雨,由于该坑未掩盖,雨水和建筑废水基本是汇入坑中,此过程一直延续到5月底工程结束。
初步推断是因为井点上游挖地网引起干扰,并通过下面的时间推算来验证。地形变山洞位于井点上游,海拔高程为73m,井点海拔高程为25m,海拔高程差约为48m。水头高约为1.3m,地形变山洞与井点水头差:
ΔH=48-1.3=46.7m
山洞到井点直线距离约500m,其裂隙含水层的水力坡度:
J =ΔH/ΔS=46.7/500=0.0934
根据乌鸦嘴泉裂隙含水层的渗透系数K的估算,大概为16.8m/d[4]。假设泉州四至井的裂隙含水层满足达西定律的条件,渗透系数K也采用16.8m/d,根据达西定律,推算出渗透流速:
V渗=K*J=16.8*0.0934=1.569m/d。
一般渗透速度比实际流速至少小1个量级,那泉州四至井裂隙含水层的实际流速可能达到15.69m/d。
也就是说,山洞挖地沟以后,5月18日降雨和建筑污水渗透到泉点所需时间约为32天,推测该井水质在6月20日以后才出现干扰。这与6月5日水样没有异常,7月5日水样出现异常时间较符合。
通过以上分析,此次碳酸氢根离子高值突升异常,是山洞地网施工影响所致,地震前兆异常的可能性较小。
对前兆异常核实调查,虽然其科技含量不高,但需要我们认真、细致地工作,调查时的任何遗漏(如上述电极异常的第一次落实、井水与自来水比测),都有可能造成异常核实的失败。
我局针对取样瓶异常事件,规定各台站在更换取样瓶时,不能在超市等销售民用品商店采购,必须选择专门销售实验室用品的化学或化工仪器公司采购;新水样瓶最好用水样浸泡7—10天。
目前地下流体化学动态观测多为模拟观测,经过实验以及总结经验认为:观测电极引起的异常,一般表现为各观测点在时间上的同步性,在动态趋势变化上的一致性。氟离子选择性电极在使用一段时间后,电极的斜率会产生偏转,如出现观测值同步趋势上升,应把该电极同新电极进行比测,检查观测电极的准确性。一般电极使用时间长,观测误差会增大,应备有新电极,用于定期比测。
要对异常井水取样进行比测分析,一定要取附近可对比的水样,如正常井和异常井的水样;如需要取自来水水样时,必须取异常井附近的自来水,把水龙头打开,放水一段时间,把原来滞留在水管中的死水放掉,取新鲜活水。因为水管腐蚀等原因,可能会使滞留在水管中的水质发生变化,如引用表4中西区自来水的数据,就会导致错误的结论。
自然界真是无奇不有,无巧不成书。有时传统观念认为不可能的因素,最后恰恰证明是它引起的干扰。一个小小的化粪池,它的腐化发酵,能把一口井水加热到70℃长达数天,完全颠覆了我们的常识。
地震前兆观测数据受干扰有时是可以避免的,需要我们掌握更多的科学知识和工作经验。而当地震前兆观测数据受干扰时,它也包含许多有用的信息,供我们应用。如果我们能及时发现干扰事件发生的时间及过程,并结合该干扰事件对观测数据影响特征,把这种干扰事件,当做一种水文地质实验,就能估算观测含水层水文地质参数。泉州四至井如果是日测值,就能估算较准确的裂隙含水层渗透系数;月测值只能从6月5日水样正常、7月5日水样出现异常的时间段,估算其裂隙含水层的渗透系数为11.1~29.8 m/d。反过来,如果能够获得观测含水层水文地质参数,将有助水质观测数据分析,对异常数据分析提供理论依据。
造成非地震前兆异常因素有各种各样,关键是如何分析和确认。对地震前兆异常核实的核心,就是要逐一排除所有的干扰因素;有条件的地方,要用实验数据验证。对所有的异常调查落实报告,均要及时存档。对因我们经验不足等引起的前兆数据异常,应及时总结经验,采取补救措施。
[1]中国地震局监测预报司编著.地震前兆异常落实工作指南 [M].北京:地震出版社,2000,32-118.
[2]国家地震局编制.地震水文地球化学观测技术规范[M].北京:地震出版社,1985,23-47.
[3]林国元.福建地下流体氟离子动态非地震前兆异常识别 [J].地震地磁观测与研究,2010,31(4):57-60.
[4]林国元,狄哲,等.利用干扰信息估算福州乌鸦嘴泉裂隙含水层的渗透系数[J].华北地震科学,30(4):40-43.