曲江地震观测井水温变化的实验分析

张立 苏有锦 张磊 田雷 高文斐 应绕睿 王云

摘要：通过理论分析和现场观测实验，对云南曲江地震观测井水温观测出现的持续升温变化进行了成因分析，证明了观测井泄流口的“堵塞”或“疏通”可产生水温持续的变化。实验还发现水温可以记录到固体潮效应，对地壳动力作用有响应，地震观测井水温变化可用作地壳应力-应变关系的分析。最后建议重新放置水温探头到更适宜的位置，以提高该井水温观测的映震能力。

关键词：水温；持续升温；固体潮；曲江地震观测井

中图分类号：P315.7 文献标识码：A 文章编号：1000-0666（2018）02-0273-07

0 引言

在地下流体动态观测中，井水温度对地震活动的响应很敏感（孙小龙，刘耀炜，2006），水温微动态过程能够很好地反映地震孕育、发生及震后调整状态。人们在理论上认为：地震是由于震源材料软化所导致的。假设区域构造应力场在地震孕育过程中基本不变，震源区震前就存在着热异常（蔡永恩等，1992）。有不少文献描述地震前的地下热异常现象：如邢台、海城地震前，震中区某些地方出现了冻土解冻；1976年云南龙陵7.3、7.4级地震前出现过震中温泉水温上升10℃以上；通海、唐山等地震前出现明显地温升高等（马宗晋等，1982）。

因此，监测捕捉地震孕育过程中的应力一应变过程所引起的地下水温变化对于地震前兆观测来说尤为重要。由于地下水温的观测灵敏度较高，受外部环境影响等多方面因素较多，使水温观测资料的准确分析变得复杂。为了得到尽可能准确的异常分析结论，排除掉各种非地震干扰因素十分必要。本文通过对云南曲江地震觀测井水温持续升温这一重要现象进行现场调研、资料分析等，找到了引起典型干扰变化的原因，为分析地震地下水异常、研究地震水温动态观测、排除干扰等观测资料的分析提供了一个典型实例。

1 曲江地震观测井概况

1.1 曲江地震观测井背景

曲江地震观测井（以下简称曲江井）位于云南建水县曲江盆地东南曲江镇温泉内，距离建水县约60km，处于通海山字形构造前弧北西向曲江断裂带以南5km（图1）。1982年3月成井，属于自流型温泉，井孔标高1360m，井深101.23m，出水口水温57.0℃，流量0.063L/s，观测位置段为21.86～89.04m（筛管）。其地层岩性为石英砂岩，含少量泥质及粉砂质角砾，有少量细小裂隙紧接高温热源断裂带，裂面上有灰白色云母片，水质类型为HCO3-Na，属裂隙承压水。

井孔处于高温热水异常区内，该自流热水沿曲溪盆地边缘，瀓江组砂岩与第三系接触带及砂岩中断裂带出露，井孔所处地形为中山地形区边缘之沟谷（云南省地震局，2005）。

1.2 观测系统及历史资料

曲江井观测项目（含辅助观测）有：模拟水氡、气压，“九五”数字化水位、水温、气氡、气汞及气象三要素，新增数字化水位、水温及气象三要素等（表1）。该井在开始观测时，水位可以观测到固体潮效应，而水温则记录不到。

新增的数字化水温放置探头测的温度随深度变化如图2所示，该井的最高温度位置在20m左右深度处，为热水补给型。在30～50m段水温随深度加深而上升，为正梯度变化；在20～30m段及50m以下段温度则随深度加深而下降，为负梯度变化。

2 曲江井水温持续升温特征

多年观测发现，曲江井水温正常时动态属于平稳变化，具有平稳变化特征。而在2014年12月31日至2015年1月3日，水温变化幅度显著，出现持续上升的异常情况，共上升0.14℃，这段时间数据是非平稳变化的（图3a-1）。为了便于分析与比较，图3a-2为图3a-1的局部放大图，下同。

通过新增的并行观测数字化水温记录发现，其水温变化走高趋势与前者变化是一致的，变化幅度也大致相当，其变化形态见图3b-1所示。而自2014年3月26日该井新换水温探头以来，在2014年10月6日景谷6.6级地震及12月7日景谷5.8、5.9级强震前2个月内，该水温出现过显著波动及持续下降2次明显异常变化（图3a-1，表2）。

对曲江井水温、水位等观测资料与其附近历史地震的对应关系进行分析，发现该现象与车用太等（2008）在对1988年11月6日云南耿马—澜沧7.6级地震前云南景谷、大姚、弥渡、小哨等观测井记录到的显著异常特征是相一致的，即“异常多出现在震前几天至几十天时间段内，为短临异常。异常幅度一般为正常起伏幅度的几至几十倍，异常显著而易识别，因此在地震短临监测中表现出特有的优势”。

3 水温变化分析及实验

针对2014年12月31日至2015年1月3日曲江井水温持续上升0.14℃这一显著异常变化，现场调查分析组除了通过对仪器故障的排除、对环境改变可能引起干扰的分析以外，还进行了4项实验及分析，以进一步确认水温持续升高的原因。

3.1 泄流口堵塞-疏通实验

2015年1月15日，观测人员发现泄流口水流量非常小，接近断流，在16时43分疏通泄流口后，观察到其后水温持续下降，而水位先下降后反向上升，泄流口水温也出现随着流量增减而升降的过程，详细变化记录见图3a-2、b-2、c-2、d-2中曲线。这一实验发现泄流口的“堵塞”与“疏通”过程可使水温产生升降。

结合井口装置（图4）和水温随深度变化曲线（图2）来分析以上变化过程：通常情况下，该井水温的最高温度在20m左右深度处，为热水补给型，温度随深度加深而下降。主井井口是封闭的，当泄流口被堵塞时，主井水面上的热水蒸汽气压增大，使得水位下降。高温水增加并向下运移，导致探头观测水温上升，而泄流口水温则随流量减小而降低。疏通泄流口后水流量增加，泄流口温度上升，高温水外泄增加，探头处观测水温下降，水位在主井水面上的热水蒸汽气压降低后反向上升（图3a-2，b-2，c-2，d-2）。因此，本文认为水温升高是泄流口堵塞所致。

为了进一步证实泄流口“堵塞”、“疏通”对水温、水位变化的分析结果，分析组于2015年I月24日12时进行泄流口堵水实验，发现12时32分水温开始上升，至27日8时20分水温上升了0.184℃。1月27日16时34分打开出水口，16时38分水温快速下降，至2月1日恢复至平常状态。在这个过程中，水位也产生了相应的微小变化（图3a-2，b-2，c-2，d-2）。

前后2组实验变化过程都很相似。实验结果证明了水温持续升温是由泄流口堵塞引起。

在实验观测的同时，笔者也观察到了相应的固体潮汐变化。在泄流口堵塞水温上升时段的观测曲线上，可见类似固体潮的日变化（图5a）。与水位资料对比，其日变化与水位潮汐变化相似，但相位相反，以此判定水温上升可产生固体潮效应，而且放置在不同深度的“九五”和新增并行观测数字化水温探头均记录到同步固体潮日变化（图5c）。这种情况与杨竹转等（2010）分析认为水温探头处于负梯度段内水温潮汐与水位反向变化是一致的。

通过分析，认为水温观测能够记录到固体潮效应，表明井水温对地壳动力作用有响应。这是地壳应力一应变关系密切的标志，有观测地球物理效应的重要意义和价值，可为判定地震前兆提供重要的观测依据（马玉川等，2010）。

3.2 降雨影响分析

根据当地的降雨量资料，分析组分析了降雨量增加对水温产生的影响。由曲江水温、水位与江川雨量记录图（图3a-1，c-1，e-1）可见，在雨季6-9月降雨量增加时，水位、水温没有明显的季节上升变化，表明井水温受地表水的影响较小。而在12月31日水温出现持续上升变化时并没有突出的降雨，所以水温上升不受降雨影响。

3.3 地下水来源分析

曲江并温泉水为HCO3一Na化学类型，主要由CO2气体在地殼深部缺氧条件下溶解产生的弱酸性水溶液在沿裂隙上升过程中与富含Na+的长石矿物发生水岩反应而形成（晏锐等，2015）。

分析组通过分析氢氧同位素（δ2H-δ18O）研究曲江井泉水的来源。2015年1月18日采集了曲江并温泉水样品，对样品同位素进行测试。结果表明，样品的δ2H-δ18O同位素分布在全球大气降水线富含δ18O同位素的一侧（图6），说明泉水主要来源于大气降水与不同来源水的混合。该井水温度接近60℃。分析认为该井水存在着水岩相互作用，是地震观测的良好井。

3.4 大地震事件影响

从曲江井水温观测历史资料可见（图7），在2的8年5月12日汶川8.0级地震时，水温可同时记录到明显的同震响应。地震时水温大幅度上升，同震变化图像与此次水温持续上升变化类似，水温变化具备热水补给型特征。经查阅地震目录，2014年12月31日全国及周边并无大于M≥7地震事件发生。

以上分析排除了此次水温变化是降雨影响及大震事件的同震响应。通过泄流口堵水试验，分析水温、水位及泄流口水温变化及其相互关系，确认了水温变化是泄流口堵塞所致，不存在前兆异常，为准确判断水温变化异常提供了科学依据。

4 井水温持续升温及固体潮关系的理解与解释

在对曲江井水温的观察研究中同时发现：该观测并中也记录到了水温固体潮现象，水温的日起伏变化与重力理论固体潮的日起伏是相一致的。当潮汐引力为压性时，井水位上升，水温也同步上升；当潮汐引力为张性时，井水位下降，水温也同时下降；水温的升降幅度同潮汐引力大小成正比关系。

根据流体热传导与热对流相关的理沦（滕吉文，2003），井内水与外围岩石间热传导的基本方程为：式中：T为温度；t为热传导时间；r为圆柱坐标中由井壁到外围的径向距离；φ为圆柱坐标中的角度；k为岩石热传导系数；z为垂直距离。

在并—含水层之间水流运动与并筒内水流运动引起的热对流基本方程为：式中：xi为水流迁移距离；vi为水流速度；ρ为水体密度；Cρ水的热容量（Kcal/m·℃）：T为温度；t为时间。

井水面上，井水与大气之间热扩散的基本方程为：

q=α（T水-T气）（3）式中：q为热流值；T水、T气分别为井水面附近的水温及气温；α为界面上的热扩散系数。

通过以上分析可以看到：当含水层受到潮汐引力作用而被压缩变形时，含水层中地下水流入井内，井水得到热而使水温升高，而又由于井水位的上升使得温度相对高的水向上迁移，从而使水温梯度线向上平移，导致传感器所处的温度升高。而当含水层受到潮汐引力作用膨胀变形时，井中的水流入含水层，井水位的下降使得水温梯度线向下移动，这样反复交替过程产生了与井水位潮汐同步变化的井水温度潮汐效应。因此，这个现象与以上流体热传导及热对流、热扩散在理论上是一致的，可以解释本文发现的这种井水持续升温及固体潮等现象。

5 结论

通过对曲江地震观测井水温持续升温异常进行实验分析，得出以下结论：

（1）通过理论分析及实验过程，证明观测井水温的变化可由泄流口的“堵塞”与“疏通”状态改变所产生。遇此类情况，需首先检查泄流口状态的近期变化，也可通过实验的方法找到水温变化的真实原因。

（2）在井水温异常变化的分析中，还需排除仪器故障、环境干扰、降雨及大震事件的同震响映等影响，分析温泉水主要来源，排除前兆异常的可能，以得到正确的分析结论。

（3）实验还证明，水温可以记录到固体潮变化。因此建议可重新放置该井水温探头位置，提高水温的映震能力。

参考文献：

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