同井不同层位水温观测同震变化机理分析

周 洋,王 俊,林 俊

(1.中国地震局地震研究所(地震大地测量重点实验室),湖北 武汉 430071;2.湖北省地震局,湖北 武汉 430071;3.中南民族大学计算机科学学院,湖北 武汉 430071)

0 引言

地球是巨大的热库,由内部向地表释放热量,在地球表面产生热流,即大地热流[1]。它影响着当今地球内部发生的各种动力作用,其中就包含地震孕育与发生过程。我国地震部门自1985年开始井水温度高精度观测以来,已记录到一批有地球动力学意义的水温微动态现象:全国有多口井观测到水温潮汐现象[2];多次全球大震前,全国均有多口井记录到了水温同震响应及其震后调整过程[3-4];在几十次MS≥5.0地震前记录到较为清晰的震前异常,特别是1977年耿马、澜沧地震[5]以及2007年宁洱地震[6]前,区域范围内将近10口井记录到同步短临异常,趋势十分显著。借助这些异常信息,曾在一些破坏性地震前提出过短临预测意见,部分实现了成功预报。而世界范围内虽未有国家(地区)像中国一样建立起规模化的地热前兆观测台网,但早有一大批学者进行了相关研究:Shimamura等[7]发表了关于水温震前异常与同震响应的文章,该文可能是第一个关于水温微动态观测与地震活动关系的论述;Kitagawa等[8]计算得出体应变释放过程中引起的水温变化幅度是地球固体潮汐、大气压力引起的水温变化幅度约10倍;Bonfanti等[9]提出了水温的震前中长期异常;Arabelos等[10]甚至开发了一套相应的软件计算异常幅度等。

虽然国内外围绕井水温度与地震关系开展了不少研究,但我们仍要清楚地认识到,对于井水温度动态机理仍处在未知状态,车用太等[11]曾提出井水温度的热动力学与水动力学机制;张光顺等[12]认为井水温度动态取决于井-含水层结构,而同震响应时更是受制于含水层横向水温梯度。但这些认识大部分都只是基于某一口井、或某一个事件而得出,并不具备有很强的普适性,或者说需要更多的事件来进行验证。本文从积累震例、积累资料的角度,对房县三海村台2015年至2019年两个不同层位的井水温度动态特征,以及同震响应过程进行分析,结合水温梯度以及井孔结构,对房县井水温动态机理进行初步分析。

1 观测井基本情况

三海村台位于房县城关镇三海村,台站高程497 m,台址地貌属中高山区,溪沟边宽缓山坡上。台站属亚热带季风气候,年平均气温14 ℃,极端最高气温40 ℃,极端最低气温零下17 ℃,无霜期220天,平均年降水量910 mm。台站周边以农村民居为主,无大型湖泊、矿山开采、大型厂矿等,干扰因素相对较少,观测环境优良。

房县三海村井位于南秦岭构造带南翼,北大巴山加里东期褶皱带北缘。北西向的安康—竹山—房县断裂带在房县中新生代盆地西侧与青峰断裂带交汇,观测井位于该断裂带东段之上。青峰断裂南盘为震旦系灯影组灰岩,裂隙非常发育,形成小汤池沟内震旦系百未厚层硅质灰岩上部众多泉水通道。断裂北盘上部为第四系冲积层,下部为白垩—第三系红层,均为不透水层或渗透系数极小。二者共同构成了水文地质上所称的开放—闭合系统和地壳形变差异体系。1742年秋房县发生M5.0地震,震中烈度为Ⅵ度,造成房屋损坏。图1为房县井外观及区域水文地质图。

图1 房县井外观及区域水文地质图Fig.1 Appearance and regional hydrogeological map of Fangxian well

观测井于2013年4月7日正式开工,5月22日完成钻井工程,完井后井深118.73 m。该井套管总长为118.73 m,套管外径127 mm(内径114 mm),其中无缝钢管长度为56.37 m,滤管长62.36 m(图2)。

图2 房县井成井图Fig.2 Fangxian well completion drawing

采用SZW-1A V2004数字式温度计20060934号石英晶体温度传感器对房县三海村井完成温度梯度测量。该温度计的水温分辨力为0.000 1 ℃,仪器的短期稳定性为0.000 1 ℃/d,采样率为分钟采样。测量步进10 m,每个测量时间间隔30 min,其结果如图3所示[10]。

图3 房县井水温梯度、围岩特性以及含水层分布Fig.3 Water temperature gradient,surrounding rock characteristics and aquifer distribution of Fangxian well

从该井水温梯度曲线可见,其平均梯度为2.362 7 ℃/hm,而梯度分布也较为不均匀,在50～60 m处,出现一梯度极大值,幅度达7.548 ℃/hm,然后梯度趋于下降,井下90～110 m处,出现负温度梯度现象,最低值为-4.051℃/hm;80～90 m为井水温梯度拐点,说明此层位间水的上下交替活动较大;从90 m出现负梯度至井底111.5 m处又恢复为正温度梯度。据此可推测,90 m处存在一浅循环含水层,从而由于低温水导致负梯度段的存在[12]。当时确定105 m为水温测点2传感器的放置深度。

三海村井井孔地层柱状图显示(图3),该井主要为硅质岩、硅质灰岩以及硅质白云岩,局部为白云质灰岩,其中硅质岩贯穿整个钻进地层中,硅质岩致密坚硬且性脆,化学性质稳定,抗风化能力强。其中,1～26.47 m为灰岩,细粒-隐晶结构,裂隙较为发育;26.47～36.35 m为硅质岩,隐晶质结构,裂隙一般发育;36.35～37.97 m为砂岩,粉细粒结构,裂隙一般发育,较为坚硬;36.35～51.57 m为硅质灰岩,细晶质结构,裂隙发育;51.57～63.97 m为硅质白云岩,细晶结构,裂隙一般发育,局部断面存在明显的水蚀现象;63.97～91.90 m硅质灰岩细晶结构,裂隙一般发育;91.90～118 m为硅质白云岩,微-细晶结构,裂隙一般发育,局部断裂被红褐色矿物质浸染。井内51.57～63.97 m的硅质岩层风化作用较低、岩层完整,岩石强度大,形成隔水性良好的盖层,经测试该井渗透系数0.03 m/d。

为了对该井井水温进行同井对比观测,2014年10月27日新增一套SZW-1A V2004数字式温度计为4号测点。原有SZW-1A V2004数字式温度计(水温传感器投放深度为105 m)为2号测点;4号测点水温起始投放深度为65 m,2014年11月17日将水温探头投放深度由65 m调整至105 m,进行同层位对比观测;2014年12月11日将探头投放深度由105 m恢复至65 m。

2 同震响应事件分析

2.1 提升小波变换的改进算法

正向小波变换提升实现的改进算法[13]。

(1) 懒小波变换

(2)m步提升及对偶提升

l=0,1,…,N/2-1;i=1,2,…,m-1

(3) 比例缩放变换

最后得到的s和d分别为小波分解的低频和高频分量。其中:s={s0,s1,…,sN/2-1},d={d0,d1,…,dN/2-1}。通过对正向小波变换按照相反的步骤操作,同时改变正负号,即可得到相应的逆变换。通过信噪比(SNR)和均方根误差(RMSE)来衡量小波阈值算法的去噪效果[14]。本文选取2015年5月12—13日4测点(浅层)水温数据,利用提升小波变换算法、小波阈值去噪算法及傅里叶滤波分别计算与分析,结果如图4。

由图4可看出提升小波变换算法的滤波效果强于小波阈值去噪及傅里叶滤波,而且最大限度地保留了原始信号的信息。表明该算法能很好地抑制原始数据中的噪声,保留信号的优势频段。3种算法的去噪性能指标比较列于表1。

表1 去噪前后评价指标对比Table 1 Comparison between evaluation indicators before and after denoising

图4 3种算法对比图(2015年5月12—13日)Fig.4 Comparison between three algorithms (May 12—13,2015)

从SNR和RMSE的定义可知,SNR值越大,去噪效果越好;RMSE反之[14]。故本文采用提升小波变换算法对数据进行处理与分析。

2.2 震例分析

通过上述改进的提升小波变换算法对房县三海村井水温度在2015年5月12日尼泊尔7.3级地震、2019年4月18日台湾花莲6.1级地震、2019年6月17日四川长宁5.8级地震3次地震的同震变化进行数据处理与分析。

以2015年尼泊尔地震(M7.39,井震距离2 416 km)为例,地震引起井水位振荡,两个层位的水温都引起了同震响应。综合多次震例表明,房县井水位同震响应形态均为振荡,但由于采用的为分采样数据,其振荡幅度严重失真,因此无法对井水位振荡进行量化分析。本文侧重于对井水温度同震响应分析。

尼泊尔地震引起浅层水温(65 m)阶降0.017 ℃,而深层水温(105 m)处上升0.013 ℃;两者温度变化幅度相当,但方向相反。另外,浅层水温震后8小时左右恢复到震前水平,而深层水温经过20小时左右才恢复到正常水平(图5)。

图5 尼泊尔地震浅层及深层水温同震响应Fig.5 Coseismic response of shallow and deep water temperature during Nepal earthquake

2019年4月18日台湾花莲6.1级地震(图6),浅层水温(65 m)阶降0.008 ℃,而深层水温(105 m)处上升0.005 ℃;两者温度变化幅度相当,但方向相反。另外,浅层水温震后3小时左右即恢复到震前水平,而深层水温经过24小时左右才恢复到正常水平。

图6 台湾花莲地震浅层及深层水温同震响应Fig.6 Coseismic response of water temperature in shallow and deep earthquakes in Hualian,Taiwan

由于浅层水温背景噪声较大,所以导致其同震响应不及深层水温清晰。这一点,从其他震例可以看出,如2019年6月17日长宁地震,浅层水温的同震响应信号几乎被掩没在噪声中(图7)。

图7 四川长宁地震浅层及深层水温同震响应Fig.7 Coseismic response of shallow and deep water temperature during Changning earthquake in Sichuan Province

浅层水温与深层水温同震响应形态不尽相同:浅层水温表现为阶降,深层水温则表现为阶升;深层水温同震响应持续时间相对更长;变化幅度则与震级大小、震中距有关,震级越大,变化幅度越大,当震级小于某一特定级别时,浅层水温同震响应则不明显。

通过对这3次地震及2017—2019年M≥6.0地震水温同震响应分析可得出,温度变化幅度(T)与震级(M)及震中距(E)呈现线性关系:T=6.13×10-3M+1.67×10-6E-0.032。结果列于表2,T与M及E的线性关系如图8所示(随机选取前10个地震为例)。

图8 T与M及E的线性关系图Fig.8 Linear relationship of T,M and E

表2 房县三海村井水温同震响应Table 2 Coseismic response of water temperature in Sanhaicun well of Fangxian County

3 温度同震机理分析

温度同震过程的动力机制:根据车用太描述,井水温度动态其动力源于热动力学和水动力学[11]。热动力学认为井水温度动态受岩土中大地热流作用或热传导引起的井水温度变化。

井水温度与井水位关系分析:从所有震例来看,井水位同震响应形态均为振荡型,未产生阶变。可见,井水温度的同震变化,只能来源于不同温度水的混合所导致。

浅层水温(65 m)处于温度正梯度段,深层水温(105 m)处于温度负梯度段,但与一般观测井响应不同的是,正梯度段井水温度同震响应为下降,而负梯度内井水温度同震响应为上升。从井孔结构来看,两个传感器均处于井孔滤管段,可以认为,观测层位井-含水层间具有交替的可能。根据井孔资料、温度梯度测量结果可以把房县三海村井用一简化井-含水层模型来表示(图9)。

图9 井-含水层模型Fig.9 Well-aquifer model

90 m处有一浅循环低温含水层(温度梯度推断),大约60 m处有一漏失层;根据测井的渗透率(据上述该井渗透系数计算)可知90 m处冷水层其补给区在约几十米处。房县三海村井两个不同层位温度呈现出不一致的温度异常现象,是冷水层受控于降雨效应、以及井孔周围降雨荷载效应的双重作用。

结合前面3次地震中水温变化前后降雨量变化的数据,同时为了展示三海村井水温与降雨之间的关系,分别对该井的水位、2个水温(去趋势后)与降雨之间的关系进行了同轴曲线绘制(图10),可见为降雨量与地震响应共同作用的结果。

图10 水温与降雨之间的关系Fig.10 The relationship between water temperature and rainfall

对于65 m处温度传感器,由于90 m处低温水与60 m处漏失层间形成冷水环流回流,从而当区域有降雨发生时,降雨沿冷水层在90 m处注入到井孔,导致井水位上升的同时冷水沿井孔往上经60 m处漏失层流出,从而形成冷水环路,导致65 m处水温伴随着降雨而下降,一旦降雨减小或停止时,温度恢复。而井水位的大气降雨荷载效应是指在平原地区降雨积水荷载作用引起的深井水位的变化,是属于井水位微动态类型。这种效应的产生是大面积大雨时,由于地表排水不畅,使雨水汇集在相对低凹的地区,对地面施加荷载作用;虽然荷载不大,但由于荷载分布面积较大,按Boussinesz定律(即地面荷载向下传递时随深度衰减的程度与荷载作用面积密切相关,面积越大衰减越小,面积无穷大时几乎无衰减地可传递到深部),该荷载向地下可传递很深,完全可以作用到深埋的承压含水层并使含水层受压变形,孔隙压力升高,由此引起井水位上升变化。随着汇集的积水流失与蒸发,荷载作用消失,井水位缓慢下降,恢复到原来的水位。这种井水位上升过程,会导底部相对热水上涌,从而出现105 m处水温伴随着降雨缓升,而随着降雨荷载的消失温度恢复的过程。

地震导致含水层渗透性增强[15],从而使井-含水层间水的交替加剧。对于65 m处,其注入的含水层交替水为相对冷水(65 m处水温高于90 m处),从而导致水温同震响应为阶降;对于105 m处,其注入的含水层交替水为相对热水(90 m处水温高于105 m处),从而导致水温同震响应为阶升。而随着同震过程的结束,两者都恢复至正常水平。而恢复的速度可能与两者较含水层距离相关,越近恢复越慢,越远恢复越快。故105 m处恢复相对较慢,65 m处恢复相对较快。如果水温异常是深部震源过程热的直接反映,那么无论如何不可能形成下降型异常[14]。对于井水温度同震响应来说,其动力学机制可以比较确定地认为由于水的流动产生的热对流引起的变化。由于不同层位的井水温度,其变化趋势完全相反,与热动力学机制不符。因此,本文认为房县井水温度异常机制,不是热传导或热对流,而是水动力学作用。

4 认识与结论

通过对房县三海村台两个不同层位的井水温度动态特征、同震响应过程及机理进行分析,得出以下初步认识:

(1) 水温同震响应形态、幅度、持续时间不尽相同:浅层水温表现为阶降,深层水温则表现为阶升;浅层水温同震响应后相对深层水温恢复较快,可能与离含水层距离相关,深层水温离含水层较近;变化幅度则与震级大小、震中距有关,震级越大,变化幅度越大,当震级小于约6.0级时,浅层水温因噪声干扰同震响应不清晰。温度变化幅度(T)与震级(M)及震中距(E)呈现某种线性关系。

(2) 从两个传感器响应的清晰度来说,温度传感器处于背景值较小处,可记录到更清晰的地壳活动信息,但该认识是否具有普适性,还有待更多井孔观测的总结。从房县两个层位井水温度所反应的动态意义来说,温度传感器安装于近含水层、且位于含水层底板下面具有较好观测效果。井水温度动态可反映井-含水层间水的交替运动,且运动过程参数与含水层间距相关。

(3) 对于房县井水温度同震响应来说,其符合水动力学机制,即由于水的流动产生的热对流引起的变化。