汶川地震前井水溫度異常信息的識別及其特征

王軍 何案華 趙剛 鄧衛(wèi)平 車用太

1）中國地震臺網(wǎng)中心，北京市西城區(qū)三里河南橫街5號 100045

2）中國地震局地殼應(yīng)力研究所（地殼動力學(xué)重點實驗室），北京 100085 3）北京市地震觀測工程技術(shù)研究中心，北京 100085

4）中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029

0 引言

地震預(yù)測是當(dāng)今世界的科學(xué)難題。地震可不可以預(yù)測，關(guān)鍵是震前能否捕捉到與地震孕育、發(fā)生過程有關(guān)的前兆異常信息。汶川地震之后，我國的一些學(xué)者一直在努力尋找這種信息，特別是地下流體學(xué)科的專家們一直關(guān)注與研究地下流體的前兆異常信息（車用太等，2008；劉耀煒等，2008、2015；徐桂明等，2010；何案華等，2012；張彬等，2014；孫小龍等，2016），其關(guān)注與研究領(lǐng)域主要涉及到井水位、井水溫度與水氡異常等；國際上則主要集中在對水位和水化進(jìn)行地震預(yù)測探索等方面的研究（Hauksson et al，1981；Wakita et al，1988；King et al，1999；Hartmann et al，2005）。而水溫可能受水的運動、氣的運動、地?zé)峄顒有缘榷喾矫娴挠绊懀^測機理較為復(fù)雜，開展的研究與實驗相對較少。除日本與中國臺灣地區(qū)有專門用于地震研究的溫度觀測之外，其它國家和地區(qū)鮮有專門的溫度監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)（Asteriadis et al，1989）。為此，筆者收集了全國2008年所有數(shù)字化井水溫度（簡稱水溫）的觀測數(shù)據(jù)，提取與辨明汶川地震前的水溫異常，分析了異常的特征、可能存在的機理及其與地震預(yù)測相關(guān)的一些問題。

我國地震地下流體觀測網(wǎng)分為井水位觀測網(wǎng)、井水溫度觀測網(wǎng)以及水文地球化學(xué)觀測網(wǎng)，觀測井（點）總數(shù)約700個。絕大多數(shù)觀測井是水位與水溫同時進(jìn)行觀測，個別井在不同位置安裝了多個溫度傳感器。水溫觀測井很不均勻地分布在我國大陸32個省、自治區(qū)和直轄市。在地震活動頻次高、強度大的西部地區(qū)，尤其是青藏高原及其邊緣地區(qū)，水溫觀測點極少。

水溫觀測采用的儀器主要為SZW系列數(shù)字石英溫度計。該系列溫度計的分辨率為0.0001℃，觀測精度為±0.03℃，數(shù)據(jù)采樣率為1次/分鐘。水溫觀測數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)匯集到國家前兆臺網(wǎng)中心數(shù)據(jù)庫。

2008年5月12日14時28分04秒發(fā)生了汶川MS8.0地震，震中位于31.01°N，103.42°E，震源深度為14km，持續(xù)時間約2m in，地震烈度達(dá)到Ⅺ，破壞性巨大。由于印度洋板塊以每年約40mm的速度向北移動，使亞歐板塊受到壓力，造成青藏高原快速隆升。此外，青藏高原東面因為受重力影響，沿龍門山逐漸下沉，又面臨著四川盆地的頑強阻擋，造成構(gòu)造應(yīng)力能量的長期積累，最終壓力在龍門山北川至映秀地區(qū)突然釋放，造成了逆沖、右旋、擠壓型斷層地震（王衛(wèi)民等，2008；徐錫偉等，2008；張培震等，2008）。汶川地震發(fā)生時地下流體觀測網(wǎng)共有273口水溫觀測井。

1 觀測數(shù)據(jù)的處理與異常辨別

數(shù)據(jù)匯集：通過中國地震前兆數(shù)據(jù)庫調(diào)取2008年全國所有的水溫、水位觀測數(shù)據(jù)，并按2008全年、2008年5月、2008年5月11～13日3個時間段進(jìn)行曲線繪制，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行下一步的數(shù)據(jù)處理，處理過程主要分為如下幾步。

去趨勢：水溫觀測數(shù)據(jù)普遍存在著漂移現(xiàn)象，而這種漂移現(xiàn)象源自觀測系統(tǒng)、觀測部位自身的溫度漂移或反映出構(gòu)造活動性等暫無定論（何案華等，2017）；但是漂移的存在，會掩蓋細(xì)節(jié)信息動態(tài)，因此在進(jìn)行水溫異常信息辨別之前，采用一階擬合等方法進(jìn)行去趨勢。以云南江川臺水溫為例（圖1），水溫以－0.4℃/a的速率下降，未去趨勢前，較難分辨震前的急劇下降以及同震與震后過程（圖1（a））；去趨勢后，可明顯看出震前的急劇下降異常以及汶川地震的同震與震后調(diào)整過程（圖1（b））。

圖1 水溫數(shù)據(jù)進(jìn)行去趨勢

觀測環(huán)境干擾的剔除：這是異常提取過程中最為繁瑣、也是最為關(guān)鍵的一步。一般來說，水溫受水位變化影響較小，如山西祁縣井水位年振蕩幅度為12m，但水溫年振蕩幅度在0.02℃（圖2（a））；也有部分觀測井水溫極易受水位擾動的影響，如山西介休井在震前2天，水溫受水位的影響出現(xiàn)明顯上升異常（圖2（b））；遼寧昌圖井在汶川地震前幾次水溫的急升異常都是伴隨著水位的急升過程而發(fā)生（圖2（d））；德令哈井水溫在汶川地震與玉樹地震前都出現(xiàn)反“L”型上升異常（圖2（c）；何案華等，2012），但由多年的觀測資料積以及臺站人員的反饋信息得知，該異常是離觀測井20m左右的一公園人工湖注水所致（邱鵬成等，2010；文勇等，2014）。為減少工作量，本文暫不討論水位引起的異常問題，所以圖2（b）、2（d）的異常信息暫未列入這次討論范圍。

圖2 由于觀測環(huán)境的干擾而導(dǎo)致的水溫異常

在進(jìn)行去趨勢、去環(huán)境干擾后，接下來需要剔除的是非地震事件引起的重復(fù)性異常信息：如北京左家莊井水溫（圖3），單從2008年曲線來看，震前20天（2008年4月20日）溫度出現(xiàn)明顯下降趨勢，汶川地震后上升恢復(fù)到異常前水平（圖3小窗）；從該井多年連續(xù)曲線來看，其下降異常經(jīng)常重復(fù)出現(xiàn)，且這些異常與地震事件之間沒有必然聯(lián)系，可見在異常辨認(rèn)時需從多年曲線中剔除這些非地震事件的重復(fù)性異常信息。

通過查閱臺站觀測日志或與臺站人員溝通，對降雨滲入、儀器故障、臺站檢修或水位校測、供電等其它因素造成的水溫動態(tài)異常進(jìn)行剔除；在經(jīng)過上述步驟對異常信息進(jìn)行提取和篩選后，我們采用動態(tài)圖像識別的方法（魚金子等，1987；嚴(yán)尊國等，2000）對汶川地震前存在的水溫異常進(jìn)行辨別并確認(rèn)。

2 汶川地震前水溫異常

利用上述方法對汶川地震前水溫異常進(jìn)行辨認(rèn)，最終確定10口觀測井有明顯的震前異常信息，其詳細(xì)信息見表1，異常形態(tài)見圖4。

由表1可見，汶川地震前水溫異常井空間分布范圍較大，井震距小于1000km的占70%，井震距在1000～2000km的占30%，相對來說，距震中越近，異常出現(xiàn)次數(shù)越多；遠(yuǎn)離震中，異常出現(xiàn)次數(shù)較少。異常形態(tài)上，觀測井分為“急降—平穩(wěn)”型5個、“‘V’字”型1個、“急升—緩降”型2個、“持續(xù)下降”型1個以及“緩降—急升”型1個；幾乎沒有2個異常是同一形態(tài)的情況。異常持續(xù)時間跨度為6h～106d，大多數(shù)（90%）在震前3個月內(nèi)，可見異常性質(zhì)多為短臨異常；而地震發(fā)生時間與異常過程間的關(guān)系較為復(fù)雜，只有祁連井是異常還在進(jìn)行中時發(fā)生地震的，其余井都是異常過程已經(jīng)結(jié)束后才發(fā)生地震的。異常幅度為0.004～0.244℃，50%的異常幅度在千分之幾度的量級，另50%在百分之幾度的量級。從井震距與異常幅度間的關(guān)系來看（圖5（a）），異常幅度與井震距間沒有明顯關(guān)系；而從異常的時空演化來看（圖5（b）），異常都落在藍(lán)線之內(nèi)，呈現(xiàn)出井震距越大、持續(xù)時間越短，井震距越小、持續(xù)時間越長的特點。

圖3 北京左家莊井非地震事件的重復(fù)性異常信息

表1 汶川地震前水溫異常基本信息

除個別井未收集到詳細(xì)的水溫傳感器安裝深度之外，從現(xiàn)有的資料來看，異常與井深、傳感器安裝深度間關(guān)系不明顯；從觀測井的基巖巖性來看，主要是不同時代（γ2～γ5）侵入成巖的花崗巖與不同時代（Z～N）沉積成巖的沉積巖（砂巖、灰?guī)r、粉砂巖、凝灰?guī)r）及第四紀(jì)（Q）噴出成巖的玄武巖，異常與觀測層地層巖性間的關(guān)系多樣且呈無規(guī)律性；而井水位類型為自流井4口、靜水位5口以及干井1口，本次分析的273口水溫觀測井中，其中45口為自流井，可見自流井中出現(xiàn)異常的概率（4/45＝8.9%）高于靜水位井（7/228＝3.1%）。

圖4 10口觀測井記錄到的汶川地震前水溫異常形態(tài)

圖5 異常幅度、持續(xù)時間與井震距間的關(guān)系

圖6 井孔井-含水層結(jié)構(gòu)決定水位與水溫異常

3 認(rèn)識與討論

從地震預(yù)測角度來看，一次具有實效性的預(yù)測意見需具備對地震3要素（震中位置、震級大小、發(fā)震時間）都相對準(zhǔn)確地提出預(yù)測意見。但從本次總結(jié)的結(jié)果來看，雖然空間上呈現(xiàn)相對來說井震距越小異常概率越大，時間具有短臨性質(zhì)等簡單的規(guī)律性（異常的時長跨度從幾小時到幾個月），但無論從空間上還是時間上，利用極少的異常信息進(jìn)行地震要素的判別幾乎不可能實現(xiàn)。異常形態(tài)多樣、異常幅度不一，這些可能取決于觀測井的井-含水層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及井-含水層系統(tǒng)的力學(xué)或熱力學(xué)異常狀態(tài)不同。通過玉樹井的實例來看，井-含水層系統(tǒng)也可能會受到構(gòu)造活動的沖擊而發(fā)生改變（何案華等，2012；Sun et al，2018），從而導(dǎo)致同一口觀測井對不同地震出現(xiàn)的異常形態(tài)都不同的情況。異常幅度為0.004～0.244℃，幅度大小取決于井-含水層系統(tǒng)參數(shù)（含水層橫向水溫梯度、滲透性、厚度等）（He et al，2017），而與地震震級大小無關(guān)，這些因素決定利用異常形態(tài)、異常幅度來進(jìn)行地震震級預(yù)測幾乎不可能實現(xiàn)。

筆者通過川03井進(jìn)行精細(xì)溫度測量以及多層位溫度動態(tài)觀測，結(jié)合汶川地震全國井水位與水溫的同震響應(yīng)分析（He et al，2017），參考國際上含水層滲透性對于水位同震響應(yīng)的決定作用這一認(rèn)識（Rojstaczer et al，1992；Piombo et al，2005；Jean et al，2006；Shi et al，2013；Sun et al，2015），提出水溫異常取決于井-含水層結(jié)構(gòu)以及觀測井所處的水系單元位置這一觀點。

當(dāng)觀測井靠近補給區(qū)、遠(yuǎn)離排泄區(qū)時，含水層的滲透性增大，從補給區(qū)到井孔徑流路徑中阻力減小，而由于遠(yuǎn)離排泄區(qū)導(dǎo)致井孔到排泄區(qū)間的阻力幾乎不受影響，這使得補給區(qū)水源更易注入到井孔中，導(dǎo)致井水位上升異常。而水溫上升或下降，則取決于含水層的橫向溫度梯度：如果含水層補給段為淺循環(huán)層，則會導(dǎo)致水溫下降異常；如果含水層補給段為深循環(huán)層，則會導(dǎo)致水溫上升異常。相反，當(dāng)觀測井靠近排泄區(qū)、遠(yuǎn)離補給區(qū)時，含水層的滲透性增大，由于井孔遠(yuǎn)離補給區(qū)而導(dǎo)致井孔到補給區(qū)間的阻力幾乎不受影響，但排泄區(qū)到井孔間阻力減小，從而使井孔周圍的水更易于排泄，導(dǎo)致井水位下降異常。且由于井孔內(nèi)注水量幾乎不變，從而導(dǎo)致水溫幾乎不變。當(dāng)觀測井距排泄區(qū)與補給區(qū)都較遠(yuǎn)時，含水層的滲透性變化對于井水位影響不大，不會產(chǎn)生相應(yīng)的水位與水溫異常信息。

利用這一認(rèn)識，可以解釋異常的多樣性、復(fù)雜性，但由于缺少實驗室或?qū)嶒瀳龅牧炕瘜嶒灁?shù)據(jù)，對于該認(rèn)識的完善有待更多的實驗與震例總結(jié)。

4 結(jié)論

汶川地震前，我國專業(yè)地震地?zé)崤_網(wǎng)記錄到客觀的異常現(xiàn)象。這些異常具有如下特點：異常觀測點在空間上相對集中；異常幅度差異較大；異常的出現(xiàn)時間具有短臨性質(zhì)，且呈井震距越大持續(xù)時間越短、井震距越小持續(xù)時間越長的規(guī)律；自流井記錄到的異常概率遠(yuǎn)高于靜水位井，不過干井也可以記錄到異常信息。在此基礎(chǔ)上，提出了水溫異常取決于井-含水層結(jié)構(gòu)以及觀測井所處的水系單元位置這一認(rèn)識。