福建地下流体非地震前兆异常技术分析

林国元，朱继承，秦双龙

（福建省地震局，福建 福州 350003）

0 引言

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。

1 取样瓶引起异常

1.1 异常形态

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。。

1.2 技术分析

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

1.3 结论

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。

2 电极引起异常

2.1 异常形态

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

2.2 技术分析

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）

2.3 结论

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。

3 古井涌水异常

3.1 异常形态

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。

3.2 技术分析

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。

3.3 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。

4 井水高温异常

4.1 异常形态

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℃。

4.2 技术分析

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）

4.3 结论

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。

5 地网建设引起异常

5.1 异常形态

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。。

5.2 技术分析

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。

5.3 结论

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。

6 讨论和建议

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.