中國大陸井水溫對汶川8．0級、玉樹7．1級、蘆山7．0級和岷縣6．6級地震響應特征的對比研究①

張 彬，劉耀煒，楊選輝

（1．中國地震局地殼應力研究所（地殼動力學重點實驗室），北京 100085；2．中國地震局地球物理研究所，北京 100081）

0 引言

巨大地震產生的地震波傳播過程可以看作是一次范圍廣范的動力過程，不同地下流體的同震響應特征是對應力應變過程最直接對反應。對這類問題的研究也一直是國際上研究的熱點［1－3］。同震響應研究是揭示地殼介質對應力－應變過程響應規律最直接和最有效的手段之一，也是揭示地球科學一些關鍵問題的主要技術途徑［4－5］。地下水微溫度的同震變化，反應了地殼變形和地面震動引起地下介質貯層變形、孔隙或裂隙的變化和地下水垂向運移的作用等。付子忠［6］首次用儀器觀測到水溫同震變化現象；車用太等［7－8］對首都圈一些觀測井的水溫同震變化進行了報道與研究；陳大慶等［9］在總結2004年12月26日蘇門答臘地震所引起的我國大陸121個觀測井水位與水溫同震響應特征的同時，分析了河北唐山礦井39次遠場大震水位與水溫的同震響應資料，提出了氣體逸出導致水位振蕩－水溫下降的機制；劉耀煒等［10］廣泛收集了大陸地下流體臺網對2004年12月26日蘇門答臘8．7級地震的同震響應資料，分析了井孔水溫響應特征的基本類型。國內很多學者對于水溫同震變化的物理機制開展過不同方面的研究。縱觀國內外的研究結果，有關地震波作用引起井－含水層系統水溫的上升和下降可歸納為2個主要機理：（1）地下水動力學模式：井－含水層系統地下水動力條件改變造成的熱對流作用［7－8，11－13］；（2）逸出氣吸熱模式：觀測井水中氣體逸出的吸熱作用造成水溫快速下降［15－16］。2008年5月12日四川汶川8．0級地震、2010年4月14日青海玉樹7．1級地震、2013年4月20日四川蘆山7．0級地震和2013年7月22日甘肅岷縣、漳縣6．6級地震是進入新世紀以來中國大陸造成人員傷亡和破壞最嚴重的4次強震，也是全國“十五”前兆臺網正式運行以來對中國大陸地下流體影響最顯著的四次地震。本文收集和整理4次大震在中國大陸引起的井水溫同震響應現象，分析其特征，并探討可能的成因機理。

1 全國水溫臺網概況

1979年我國開始研究高精度溫度測量技術，進行地震水溫前兆的探索研究工作，并于1984年在云南開展地下水溫度觀測研究。1988年11月6日首次用儀器觀測到云南瀾滄－耿馬7．6、7．2級地震的水溫同震變化現象［6］。此后我國大陸地區陸續建立了一批數字化井下溫度監測臺站，觀測儀器分辨率達到10－4℃，采樣率為1次／分鐘。

我國水溫監測臺網由國家臺、區域臺和市縣臺（包括市縣臺和企業臺）組成，涵蓋32個省市自治區，據不完全統計觀測網由近400井孔水溫觀測點組成，共計500套儀器，其中包括地震地下流體臺陣監測。水溫站點分布并不均勻，從圖1可以看出，全國范圍內水溫前兆觀測臺站大體上呈條帶狀分布：從黑龍江開始，經吉林、遼寧、北京、山西、陜西、甘肅東部、四川東部到云南。條帶以西除青海東部和新疆有少量臺站外基本上是空白，條帶以東的山東、江蘇、福建有一定數量的臺站，而其他省、市、自治區水溫前兆臺站數量并不多，僅有一個或幾個［16－17］。觀測網為全數字化觀測技術，觀測儀器大部分為中國地震局地殼應力研究所生產的SZW系列水溫儀。

圖1 中國大陸水溫前兆觀測點分布圖Fig．1 Distribution of observation points of water temperature in Chinese mainland

2 四次地震引起中國大陸水溫同震效應和特征

當地震面波到達觀測點后引起井孔觀測點處的強烈振動，也引起孔隙水（含井水）的強烈振動，觀測點處的溫度也隨之變化。根據觀測曲線的變化形態可將大地震引起臺站水溫微變化類型分為階變上升型和階變下降型。階變上升型是指在地震振動作用下井孔水溫總體出現階變式的上升（圖2（a）），在水溫上升的持續過程中一部分井孔水溫會在短期（幾小時）內恢復到正常溫度水平，有些井孔水溫則在數天或數月內才恢復正常溫度；階變下降型是指在地震振動作用下地下水溫度出現明顯的下降變化（圖2（b））。一般在數小時或數天內恢復正常溫度。

我國水溫觀測網中的井孔水溫觀測一般溫度探頭在100～400m，主要是觀測井孔含水層及其周圍地下水的微溫度變化，地下流體觀測臺網記錄地下水微溫度為10－1～10－3℃。2008年5月12日四川汶川MS8．0級大地震是發生在我國大陸內部的淺源地震，波及面廣，破壞力度大，除吉林、黑龍江、新疆無震感報告外，其他省區市均有不同程度震感。邱鵬成等［18］對汶川8．0級地震震中周圍800km范圍內73個井孔的表層水溫資料進行了分析。地震發生時在觀測網的216個水溫觀測井中，記錄到同震變化的井點132個，占61%，沒有變化的井點84個，占39%，從井孔水溫同震變化類型的比例來看，階變上升型59個，占45%；階變下降型73個，占55%。空間分布見圖3（a）。

圖2 水溫同震變化類型圖Fig．2 Type of co－seismic response in water temperature

玉樹地震是繼汶川地震后中國大陸發生的一次強震，造成了很大人員傷亡，波及范圍也比較廣。地震后收集了中國大陸地下水溫觀測網272個水溫觀測井資料，記錄到玉樹7．1級地震同震變化的井溫點有10個，其中水溫階變上升型4個，占40%；水溫階變下降型6個，占60%，空間分布見圖3（b）。

蘆山地震后收集了中國大陸地熱觀測網294個水溫觀測井資料，記錄到蘆山7．0級地震同震變化井點有10個，觀測點分布見圖3（c），可以看出水溫同震或震后效應主要集中在四川、重慶和云南等地區。在10個井點中，水溫階變上升型3個，水溫階變下降型7個。

岷縣地震后收集了中國大陸地熱觀測網近300項水溫觀測井資料，并整理分析了其同震響應特征。記錄到該地震同震變化的井點6個，其中水溫階變上升2個，階變下降為4個。從圖3（d）中可以看出同震響應點主要集中在山西地震帶和甘肅境內。

通過對比分析這4次地震對中國大陸井水溫的同震響應，可以看出以下特征。

（1）從圖3來看，汶川MS8．0地震引起的水溫同震效應的范圍遠遠超過了其它地震，地震發生后基本上整個中國大陸都記錄到同震響應，而其它地震時只有震中附近或部分靈敏井點記錄到同震響應，東北、華南以及新疆地區臺站沒有發現明顯水溫同震響應。一方面其它3次地震比汶川8．0級地震能量小得多，影響范圍也相對小，另一方面可能與地震發生的斷裂構造有關［19］。

（2）從水溫階變上升型或階變下降的幅度來看（表1），汶川MS8．0地震均普遍高于其它3次地震，其它地震時只有部分發生在震中附近的井點變化幅度高于汶川地震。這與楊竹轉、孫小龍等［20－21］分析了北京塔院井水溫同震觀測資料得出的結論是一致的：伴隨著井水位的振蕩出現井水溫同震變化的幅度和震級、井震距等有關，一般情況下震級越大，井震距越小，同一口井水溫同震響應幅度越大。

（3）從震級基本相同的玉樹和蘆山地震的同震效應看，玉樹地震后華北、華中、川滇和西藏等地區井水溫出現同震變化，而蘆山地震后的同震效應主要集中在震中附近的四川、云南和重慶等地區，所以玉樹地震對中國大陸的影響可能遠大于蘆山地震。

（4）分析四次地震中共同出現水溫響應的類型可以看出，山西祁縣和孝義、重慶北碚和忠縣、湖南長沙、江西九江、云南建水和麗江等井點水溫反映靈敏，多次地震時都有明顯同震變化，但對不同地震反應類型和幅度也不盡相同。

3 同震響應溫度變化有關機理的分析

水位同震變化并非是水溫同震變化的必要條件。在兩次地震同時出現水溫同震變化的井孔中并非都存在水位同震變化，如唐山井水位。即使有水位變化，水位和水溫也并非出現一致性變化，水位振蕩變化時水溫有升有降，水位階變下降時水溫也是有升有降，但水位階變上升時水溫基本都是上升。但這也不能說明水位上升時水溫一定上升。汶川地震時沙河和昌平等水位上升時，水溫同震表現為階變下降，這些現象其變化機理值得深入探討。

表1 4次大震井水溫同震效應特征Table 1 The co－seismic responses characteristics of well temperature（more than one time）to 4strong earthquakes

圖4 汶川8．0級地震時橫梁與蘆陽井水溫同震響應曲線Fig．4 Co－seismic response curves of water temperature at Hengliang and Luyang well in Wenchuan 8．0earthquake

（1）井孔氣體釋放吸熱機理

魚金子等［8］在北京太平莊井發現井水溫度大幅度下降的同時井水面上有大量氣泡上涌，認為井水溫度的同震突降機制可歸因于井水氣體的釋放。即當井水位振蕩時引起井水氣體釋放，被釋放的氣泡帶走了井水中的熱量，從而降低了井水溫度。與此觀點類似，陳大慶等［9］認為水位振蕩－水溫下降是由于井水中吸附氣體在脫逸過程中自身攜帶熱量的散失，以及氣泡上升過程中減壓膨脹對外界做功需要吸收熱量，此兩種途徑造成周圍地下水溫度下降。

水震波引起的井水震蕩促進了飽含于下層井水的氣體的釋放，氣體在快速上升后介質中的裂隙（或孔隙）出現“讓位”空間，增加了介質滲透率，促進了地下水垂向運動的作用；氣體“讓位”作用和應力變化可以引起滲透率、孔隙度和孔隙水壓的改變，導致流體在巖層中的運移，既有有水平向的，又有垂直向的。垂向的運移效能增強引起井水溫度的變化。

該模式的著眼點在于有大量氣體逸出從而導致水溫下降，但無法解釋為什么有些井孔會出現水位震蕩而水溫上升的現象。

（2）地下水動力學機理

劉耀煒［22］提出地下水垂直滲流作用為主要因素的“熱對流－傳導模式”。巖層壓力釋放―裂隙（斷裂）閉合―低滲地層向高滲地層中的流體流動及壓力傳遞－裂隙（斷裂）再度開啟。斷裂下部的滲透性地層起著蓄水池的作用，當斷裂開啟其中的流體釋放，流體壓力降低；當斷裂閉合，其周圍的低滲透性地層中向其釋放流體、傳遞壓力，其本身的壓力也可能在各種增壓機制的作用下不斷升高。開啟斷裂內流體的垂向流動極大地改變了地層中流體壓力場的分布。由于地層溫度在垂向上的差異，這種流動將可能引起地下溫度的對流傳導，造成局部的溫度變化（升高或降低）。

4 結論

（1）通過對比研究汶川MS8．0地震、玉樹MS7．1地震、蘆山MS7．0地震和岷縣MS6．6地震水溫同震響應范圍和幅度可以看出，四次地震水溫響應范圍和幅度有較大差異性。因為水溫同震變化的幅度不僅受動力加載作用強弱（距離）的影響，而且很可能與區域構造活動狀態因素有關，而應力狀態的變化會直接影響到含水層孔隙度等直接導致地下水動力特征的變化。2013年蘆山和岷縣地震對中國大陸地下流體場的影響雖然沒有汶川地震顯著，但其也改變了部分具有彈性變形特征的含水層，表明這些地區的應力狀態與汶川地震發生階段有一定差異性，是否預示著中國大陸地震活動特征有新的特點，需要密切關注和加強研究。

（2）傳感器放置深度對井水溫同震響應有很大影響，因為同一口井不同深度上放置的水溫傳感器記錄到的同震階變方向和幅度不盡相同。如汶川地震時，景泰蘆陽井水溫上下兩個測點出現了地震響應，中部沒出現明顯響應變化，上部的水溫變化幅度小于下部的水溫變化幅度，形態上兩者均為下降一上升的變化過程。古浪橫梁井水溫也只有兩套數據出現同震變化，但與景泰蘆陽井不同的是，出現同震變化為位于觀測井中部和下部的兩個測點，形態表現為下降一上升一平穩變化（圖4）。綜合以上分析可以看出，同井不同深度觀測的水溫對地震的響應靈敏性存在明顯的差別，深部的響應能力強，響應變化形態兩者很相似，具有明顯的同向變化協調性特征。

（3）井孔水溫能靈敏的反映出地震的孕育和發生過程。通過研究地下水微溫度場的變化能夠揭示出地殼應力及其熱變化對地震的響應，尤其是水溫同震效應，有助于厘清應力－流體－地震的可能關系及其機制。井水溫度變化的水動力學機制被大家廣泛接受，但是具體的關于地震波引起的水溫變化機理研究還處在定性分析的基礎上，需要在廣泛的觀測資料上開展進一步工作，以驗證溫度場、應力場和滲流場的相互關系。通過研究井水溫同震效應特征，可以加深對中國大陸地殼應力場動態變化過程的深入認識，進而對中國大陸地震活動趨勢判定提供相關的科學依據和判定意見。

（4）水溫的變化與水位的變化存在一定的關聯性，但并非正相關。觀測井水溫度位同震變化與井孔水文地質、井－含水層特征、含水層參數、介質裂隙因素的有很大關系。具體到每一井孔條件，需要通過水文地質和井孔條件詳細調查，進行細致分析和研究，必要時還需進行數值模擬，這將在今后工作中進一步展開。

鳴謝：本研究收集的資料主要來源于中國地震臺網中心前兆臺網，各省（市）地震局水溫前兆觀測工作人員為本項研究提供了寶貴的數據，在此表示衷心的感謝！

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