遼寧阜新井水溫破年變與加速下降原因分析

王喜龍 賈曉東 王海燕 李彤霞 付聰孔祥瑞 張琪 翟麗娜

遼寧省地震局，沈陽市皇姑區黃河北大街44號110034

0 引言

地下流體是地殼中最活躍的介質，當它形成具有一定封閉條件的承壓系統時，就能夠客觀、靈敏地反映地殼應力、應變信息（楊竹轉等，2014）。其中，地下流體中水溫的變化是利用短臨異常預測地震發生時間的一項重要指標，微小的水溫變化有可能反映地震孕育過程或其他地殼構造活動所引起的熱狀態的變化（田華等，1994；劉耀煒等，2006；張彬等，2014）。劉耀煒等（2008）通過對云南寧洱6.4級地震前云南地區群體性水溫異常進行分析認為，群體性前兆異常有利于識別震前異常并提出地震預測意見；何案華等（2012）通過對青海地區兩口水溫觀測井的異常分析認為，水溫異常對判斷未來發震時間有著重要的意義。但是，并非所有的地下水異常變化都與地震孕育或其他地殼構造活動有關，地下水觀測井的水溫變化也常常受到降雨、河流流量、地下水開采等水文因素的干擾（黃輔瓊等，2005；王旭升等，2010；孫小龍等，2013）。近年來，我國隨著經濟建設和城市化進程的飛速發展，對資源的需求量也日益增加，尤其是地下水資源超采現象日益嚴重，開采層位也越來越深。因此，地下水異常變化（水溫和水位）既可能是區域構造活動作用的結果，也可能是水文因素的干擾所致。因此，如何有效地識別地下水異常的原因，是當前利用地下流體資料進行地震預測的關鍵科學問題之一。

阜新水溫觀測井水溫觀測數據自2015年8月開始出現破年變下降變化，至2016年3月開始出現加速下降（圖1）。該水溫井位于遼-蒙交界地區，周邊斷裂構造發育，歷史上曾發生過多次中強地震，如2003年內蒙古巴林左旗MS5.9地震、2004年內蒙東烏珠MS5.9地震和2013年內蒙古科爾沁MS5.3等中強地震均發生在周邊一定區域內，造成了一些人員傷亡和經濟損失。那么阜新井水溫數據破年變加速下降變化究竟與區域構造活動有關，還是由該地區地下水文因素的干擾所致？筆者對此進行了現場落實與分析。

圖1 阜新井水溫整點值

1 阜新井構造環境與水溫異常特征

阜新水溫觀測井位于阜新市松濤湖風景區東南阜新地震臺前院（42.05°N，121.60°E）。轄區地處遼西半干旱低山丘陵區，年均降雨量為450～550mm，降雨主要集中在每年7～9月，地表水系屬季節河流。該井區域上位于陰山EW向構造帶與新華夏系構造帶交接部位阜新隆起地區的阜新斷裂盆地北部，北西為弩魯爾虎山余脈，東南為醫巫閭山及阜新盆地，附近主要斷裂有北部的赤峰-開原斷裂、西部的朝陽-北票斷裂和東部的醫巫閭山西側斷裂（圖2）。區內巖石主要以侏羅系上統和侏羅紀侵入巖為主，零星分布有太古界和晚古生界侵入巖，沉積巖主要以砂巖、礫巖和頁巖為主，臺址周圍出露有侏羅系上統吐呼魯組巖漿巖。

阜新水溫井目前觀測測項包括水溫（觀測儀器：SZW-1A）、氣氡（觀測儀器：SD-3A）和水汞（觀測儀器：RG-BS），體應變井位于水溫井東約16m處，測項有體應變（觀測儀器：TJ-Ⅱ），輔助測項有鉆孔溫度（觀測儀器：TJ-Ⅱ）、水位（觀測儀器：TJ-Ⅱ）和氣壓（觀測儀器：TJ-Ⅱ）。水溫觀測井井深60.47m，水溫探頭放置在井下48.07m，觀測水層為花崗巖裂隙水（圖3）。該井于2002年1月開始正式觀測，2005年9～12月阜新臺進行了臺站庭院改造，其間將原體應變觀測井改造成流體觀測專用井，2006年1月1日改造完成并恢復觀測。2008年10月21日因數采故障造成水溫數據中斷，于2009年1月升級為“十五”數字化水溫觀測，采用SZW-1A型數字式溫度計，產出的數據連續、可靠，觀測資料完整率大于95%。

2010年5月阜新井水溫曾出現趨勢性轉折下降變化，經現場異常核實，未發現環境干擾與儀器故障，因此確定為異常。2012年之后水溫雖呈持續趨勢性下降，但下降速率開始逐年減緩，并出現了具有年變規律的下降—轉平—下降的動態變化，該年變規律持續至2015年8月17日，年變現象消失，水溫出現破年變下降變化，至2016年3月28日開始出現加速下降變化（圖1）。

圖2 阜新地區地質構造

圖3 阜新水溫井井孔剖面圖

圖4 阜新臺景區地質與環境示意圖

2 異常概況

阜新井水溫測項自觀測以來的資料顯示，水溫變化基本不受當地降雨、地表水灌溉和附近風景區水庫蓄水的影響。基于臺站工作人員對該井水溫變化的初步調查結果，筆者對該井水溫、水汞和氣氡等觀測資料進行了分析，并查閱相關水溫異常變化資料，結合“水-熱動力學關系”機制對該井水溫加速下降現象分析后認為，造成這種變化的原因可能為井孔的“熱”補給出現減少或“冷”補給出現增加。根據《地震前兆異常落實工作指南》（中國地震局監測預報司，2000）中關于水溫異常的落實方法，本文從觀測技術系統（觀測儀器系統、供電系統和觀測條件等）、自然環境（地下水、地表水、降水和偶然事件等）、人類活動（地下水開采、采礦活動和農田灌溉等）以及數據分析等幾個方面對阜新井水溫異常變化開展了進一步的深入調查核實和資料分析工作。

在調查核實工作中，儀器維修專家及臺站工作人員通過對觀測儀器的工作系統和供電系統等設備進行檢查，判定觀測技術系統運行正常，并未出現線路及系統故障等問題，排除了水溫儀主機和電源等設備故障的可能。通過對阜新臺周邊地區一定范圍內的走訪調查發現，阜新水溫井距最近礦山約為15km，距鐵路約為12km，礦山開采及鐵路修建等對水溫數據基本無影響。此外，值得一提的是，水溫井西北方向約150m處有1個小型水庫，名為四合水庫，但庫水日常并不作為農田灌溉等用，主要供該區域風景區觀賞使用。經調查得知，水庫為建國初期所建，早于水溫井打井時間，通過對阜新井周邊一定范圍內進行地質調查得知，四合水庫周圍主要地層為近NE走向、傾向NW的板巖，而阜新臺水溫井則位于一條呈NE走向的花崗巖脈上（圖4），觀測井水為花崗巖裂隙水。阜新臺在建井前后經過反復論證認為，水庫對流體井觀測并無影響，且自2015年8月以來，該水庫也無抽水、放水等行為，水庫水位亦無變化，因此，基本可排除水庫對水溫破年變加速下降的影響。

經調查得知，東北方向距阜新水溫井約1km處有一個在建的綜合性旅游項目，該項目于2015年4月初正式奠基啟動，主要包括水上樂園、滑雪場和度假山莊等3個項目。為保證水上樂園用水，開發商在2015年奠基儀式之后打了1口深水井，但在現場核實過程中我們未獲得該井的詳細資料，僅了解到該井井深約1800m，具體完井日期不詳，2015年8月開始抽水，至2016年1月該井用于對新建池塘進行階段性大規模蓄水。對比發現，2015年8月與2016年1月2次新井抽水時間與阜新井水溫變化時間基本一致。此外，通過地質調查分析發現，水溫井與新打井同時位于NE向的花崗巖脈上（圖4）。那么水溫變化是否由新井抽水干擾所致呢？對此筆者從氣象條件、鄰井數據對比、同井數據對比等方面進行了干擾分析。

3 異常分析與性質判定

車用太等（2011）對中國大陸地下水異常干擾特征進行了總結，提出了識別地下水干擾異常的4個“相關性”原則，即成因上的相關性、空間上的相關性、時間上的相關性與強度上的相關性。本文基于該4項原則從不同方面對阜新井水溫異常變化進行分析與判定。

3.1 氣象因素

收集了阜新市區2012～2016年歷年8月份的最高氣溫與最低氣溫數據（數據來自中國氣象局歷史天氣網）（圖5）。由圖5可見，將2015年8月份的最高、最低氣溫分別與其它4年8月份的進行比較發現，溫度波動幅度與變化特征基本相似，未出現顯著異常變化，因此，基本排除氣溫對水溫變化造成的干擾。

圖5 阜新地區2012～2016年間8月份每天的最高（a）、最低（b）氣溫變化

3.2 鄰井及同井觀測數據對比

3.2.1 鄰井數據對比

水溫井東、距其約16m處有1口體應變觀測井，井深亦為60m，體應變觀測儀器置于井底，鉆孔輔助水位探頭放置在井下22.8m處，該井孔圍巖與水溫井圍巖一致，均為花崗巖，所觀測水層亦為花崗巖裂隙水。由于2口井間距離較近且圍巖同為花崗巖，前人從建井開始便對2口井進行過反復的調查與分析，結果顯示，該地區地下水徑流方向與該地區地形（東北高、西南低）基本一致，即地下水徑流方向為由北東流向南西，2口井含水層相互連通（盧群等，2003）。

圖6為阜新井體應變及輔助水位整點值，表1為阜新井水溫、體應變及體應變輔助水位等發生轉折的變化時間。由圖6及表1可見，2014年9月之后體應變觀測數據變化相對較平穩，整體呈上升趨勢變化，但2015年8月14日開始出現轉折下降變化，至2015年11月20日出現轉折上升，2016年1月29日再次出現轉折下降，如此反復變化共有3次。輔助鉆孔水位觀測數據變化則更為明顯，2015年8月前水位變化相對較平穩，2015年8月14日之后水位數據同樣出現反復的上升-下降變化，且水位發生轉折變化時間與體應變的變化時間基本一致。

圖6 阜新井體應變（a）及輔助水位（b）整點值曲線

表1 阜新井前兆測項變化時間表

3.2.2 同井數據對比

阜新流體觀測井除進行水溫觀測外，還進行氣氡、水汞觀測。從水汞、氣氡的變化曲線可見（圖7），自2010年以來該井水汞數據總體變化平穩，未出現上升、下降等異常變化；氣氡觀測數據雖經常因水管堵塞造成測值偏低，但整體上仍具有較好的夏低、冬高的年變規律。從2015年以來的水汞、氣氡數據變化可見，2015年8月新打井開始抽水后，水汞、氣氡測項并未出現明顯的異常變化，這可能與水汞、氣氡觀測泵的抽水量相對較小以及觀測水層之間存在一定的關系，而2016年1月開始大規模抽水后，水汞、氣氡數據幾乎同時（2016年6月6日）下降變化，對比水位數據可以看出，該時段體應變井水位已下降至超出觀測限，說明大強度的抽水對水位觀測造成了一定的影響。經過交涉，將新打井強制停止抽水后，水汞、氣氡等測項數值2016年8月開始逐漸恢復，恢復時間正好與體應變及輔助水位出現轉折恢復的時間相對應，這也進一步證明阜新井水溫、體應變等前兆觀測測項出現的異常為附近新井抽水的干擾。而對于水汞、氣氡數據的下降變化時間滯后于阜新臺水溫、體應變和鉆孔水位的變化時間，則可能與抽水量、觀測儀器工作狀態及觀測方式等有關。

圖7 阜新井氣氡（a）及水汞（b）日均值

4 結論

綜上所述，由于現場落實過程中未發現儀器觀測系統造成的干擾，且對歷年氣溫進行分析，未發現2015年8月的異常變化，故基本排除氣象因素的干擾。通過對阜新水溫井的同井、鄰井各測項數據進行對比分析發現，阜新井水溫、體應變和輔助鉆孔水位數據變化與附近新打井在成因、空間、時間和強度上都明顯存在相關性，因此，結合該區域地質特征認為，阜新井水溫的變化為附近新打井抽水所致。

致謝：在資料收集及論文寫作過程中得到了阜新臺有關人員的大力協助，在此表示感謝。