張惠菊，付 虹，，張 翔，胡小靜

(1.云南省紅河州開(kāi)遠(yuǎn)市地震局，云南 開(kāi)遠(yuǎn) 661699；2.云南省地震局，云南 昆明 650224)

0 引言

地震的發(fā)生常常伴隨著地殼深部熱流體的運(yùn)動(dòng)。水作為地殼中最活躍的介質(zhì)對(duì)地下物質(zhì)熱活動(dòng)更為敏感，因此，通過(guò)地?zé)?井水溫或泉水溫)動(dòng)態(tài)觀測(cè)來(lái)監(jiān)測(cè)地震孕育過(guò)程是有堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)的(付子忠，1988)。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，我國(guó)已建設(shè)成規(guī)模較大的地震地?zé)?井水溫或泉水溫)觀測(cè)網(wǎng)(國(guó)家地震局科技監(jiān)測(cè)司，1995)，為我國(guó)地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)研究與應(yīng)用提供了豐富的觀測(cè)資料(劉耀煒，2006；劉春國(guó)等，2022)。

隨著觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)目前在井水溫觀測(cè)中采用了高靈敏度及高分辨率的水溫傳感器，其觀測(cè)精度優(yōu)于0.02 ℃，分辨力達(dá)到0.000 1 ℃，具有靈敏的水溫動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力(孫小龍，劉耀煒，2006；張彬等，2015)，因此獲取了顯著的地震前兆信息(劉耀煒等，2008；付虹，趙小艷，2013；李瓊等，2017；芮雪蓮等，2022)，以及豐富的井水溫度動(dòng)態(tài)特征(劉耀煒等，2010；馬玉川，2014)。由于井水溫具有動(dòng)態(tài)信息豐富、變化機(jī)理復(fù)雜的特點(diǎn)(車(chē)用太等，1996，2008；魚(yú)金子等，2012)，在分析井水溫觀測(cè)異常變化資料時(shí)，需要考慮觀測(cè)環(huán)境、儀器系統(tǒng)及其井-含水層系統(tǒng)等因素的影響，排除能夠確定的干擾成分，分析反映地震孕育過(guò)程的前兆信息，同時(shí)也需要對(duì)異常變化的可能物理機(jī)制給出合理的科學(xué)解釋。

云南開(kāi)遠(yuǎn)井水位和水溫自觀測(cè)以來(lái)積累了長(zhǎng)期的資料，觀測(cè)環(huán)境干擾相對(duì)較小，資料可信度高，在多次中強(qiáng)地震前均有異常出現(xiàn)，為地震分析預(yù)報(bào)工作提供了豐富的信息(付虹等，2007，2014)。2020年以來(lái)，開(kāi)遠(yuǎn)井水溫出現(xiàn)了高頻波動(dòng)異常變化，而且與井水位沒(méi)有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，不同于前人總結(jié)的井水溫異常特征(孫小龍，劉耀煒，2006)，因此很難借用已有成果給出合理解釋。開(kāi)遠(yuǎn)井水溫高頻波動(dòng)異常是觀測(cè)環(huán)境影響或觀測(cè)系統(tǒng)問(wèn)題，還是水溫動(dòng)態(tài)的另一種特征？本文針對(duì)此異常變化特征，尋找異常成因與可能的機(jī)制，豐富井水溫動(dòng)態(tài)特征，以期為地震異常判定方法提供參考依據(jù)。

1 構(gòu)造背景與觀測(cè)井概況

1.1 構(gòu)造背景

開(kāi)遠(yuǎn)井位于云南省開(kāi)遠(yuǎn)市北郊十里村(103.25°E，23.75°N)，海拔1 050 m，構(gòu)造位置處于開(kāi)遠(yuǎn)陷落盆地北部邊緣的小江斷裂與建水—石屏弧形斷裂交叉、復(fù)合部位，即石屏建水山字型構(gòu)造弧頂及朋普—開(kāi)遠(yuǎn)—個(gè)舊斷裂上(圖1)。開(kāi)遠(yuǎn)井所處的開(kāi)遠(yuǎn)盆地面積約40 km2，地勢(shì)平坦，四周山地環(huán)繞，盆地中主要為第四系孔隙含水層和巖溶含水層。第四系含水層埋藏淺，直接出露地表，接受大氣降水補(bǔ)給，而巖溶水埋藏較深。觀測(cè)井含水層為埋藏較深的巖溶含水層徑流區(qū)，主要受東山區(qū)降雨滲入補(bǔ)給(付虹，趙小艷，2013)。

圖1 開(kāi)遠(yuǎn)井區(qū)域構(gòu)造背景示意圖

1.2 觀測(cè)井概況

開(kāi)遠(yuǎn)井于1984年成井，成井深度224 m，套管共169.38 m，井管96.00～100.36 m段為花管，169.38～224.0 m為裸井，水位埋深約4.78 m，水溫約24.2 ℃。圖2為觀測(cè)井結(jié)構(gòu)及井孔柱狀圖，從圖中可以看出，該井的觀測(cè)含水層段為花管段加裸孔段，觀測(cè)含水層巖性為三疊系灰?guī)r，部分層位含斷層破碎物及深灰色致密狀炭質(zhì)，地下水類型屬于基巖裂隙承壓水(付虹，趙小艷，2013)。

圖2 開(kāi)遠(yuǎn)井井孔柱狀圖

由圖2可以看出，其含水層以灰?guī)r為主，碳酸鈣溶解應(yīng)為地下水礦物質(zhì)主要來(lái)源。而從圖3a給出的井水化學(xué)組分Piper圖中可以看出，開(kāi)遠(yuǎn)井水屬于HCO3-Na·Ca型水，地下水中Na+含量略高于Ca2+，說(shuō)明其地下水發(fā)生了陽(yáng)離子交替吸附作用，Ca2+置換了巖土所吸附的一部分Na+，使地下水中Na+增多、Ca2+減少，說(shuō)明井中地下水補(bǔ)給徑流路徑較長(zhǎng)并經(jīng)歷了與含鈉巖層的離子交換過(guò)程。從圖3b氫氧同位素大氣降水線分布可以看出，開(kāi)遠(yuǎn)井水的氫氧同位素存在偏離大氣降水線現(xiàn)象，也佐證了該井地下水補(bǔ)給徑流過(guò)程中可能發(fā)生了較強(qiáng)的水巖反應(yīng)。

圖3 開(kāi)遠(yuǎn)井水化學(xué)組分圖(a)與氫氧穩(wěn)定同位素分析結(jié)果(b)

開(kāi)遠(yuǎn)井1986年開(kāi)始用于地震觀測(cè)，主要觀測(cè)項(xiàng)目為靜水位、井水溫、氣象三要素等。井水溫觀測(cè)始于1988年，于2002年進(jìn)行“九五”數(shù)字化改造，安裝了高精度測(cè)溫儀(SZW-1A)，探頭置于井下220 m，數(shù)據(jù)采樣間隔為1 h。2014年11月安裝了“十五”高精度測(cè)溫儀(ZKGD3000-NT)，探頭置于井下210 m，數(shù)據(jù)采樣間隔為1 min，“十五”儀器與“九五”儀器進(jìn)行長(zhǎng)期對(duì)比觀測(cè)。

圖4為開(kāi)遠(yuǎn)井溫度及溫度梯度隨深度變化的曲線，從圖中可以看出，井水溫度隨深度變化呈現(xiàn)線性增加特征，觀測(cè)含水層段中110～120 m、150～170 m及190～220 m為水熱交換比較劇烈段，這類含水層常見(jiàn)于低滲透率基巖裂隙含水層中，表現(xiàn)為裂隙涌水量不大但有一定的溫度差異。井水溫動(dòng)態(tài)與井水位變化呈長(zhǎng)周期動(dòng)態(tài)相關(guān)，但水溫短周期乃至高頻波動(dòng)與井水位升降無(wú)對(duì)應(yīng)關(guān)系，這一特征在開(kāi)遠(yuǎn)井表現(xiàn)得尤為突出。

圖4 開(kāi)遠(yuǎn)井溫度(a)與溫度梯度(b)隨深度變化的曲線

2 水溫動(dòng)態(tài)特征及震例分析

2.1 水溫動(dòng)態(tài)主要影響因素分析

開(kāi)遠(yuǎn)井觀測(cè)含水層屬?gòu)搅鬏^長(zhǎng)的大氣降雨滲透補(bǔ)給，井水位的升降受降雨緩慢補(bǔ)給影響。從圖5可以看出，降雨量增多季節(jié)，井水位及水溫升高；降雨量減少季節(jié)，水位及水溫降低，水位及水溫年動(dòng)態(tài)表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系。使用2012—2014年開(kāi)遠(yuǎn)井水溫與水位旬均值作一元線性回歸分析，得到開(kāi)遠(yuǎn)井水溫(y)與水位(x)的線性回歸方程為：y=12.285+1.839x，相關(guān)系數(shù)r=0.730 1，說(shuō)明水溫和水位趨勢(shì)變化具有顯著的正相關(guān)特征。

圖5 2017年開(kāi)遠(yuǎn)井水位(a)、水溫(b)、降雨(c)年動(dòng)態(tài)曲線對(duì)比圖

2.2 水溫異常特征的震例分析

對(duì)2007年以來(lái)開(kāi)遠(yuǎn)井水溫資料分析發(fā)現(xiàn)，該井在區(qū)域中強(qiáng)以上地震前均有顯著的水溫異常現(xiàn)象，異常多出現(xiàn)在震前幾天或幾十天，短臨異常特征明顯(圖6a)；形態(tài)上表現(xiàn)為在上升或下降背景下出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，在有些地震前水溫出現(xiàn)單點(diǎn)或連續(xù)高值突跳異常，多出現(xiàn)在短臨階段(圖6b)，表明開(kāi)遠(yuǎn)井水溫有一定的映震能力。

圖6 開(kāi)遠(yuǎn)井水溫(220 m深處)短期(a)與短臨(b)異常震例圖

3 井水溫高頻波動(dòng)現(xiàn)象分析

3.1 水溫異常變化

自2020年3月8日開(kāi)始，開(kāi)遠(yuǎn)井220 m深處井水溫出現(xiàn)了不定期的快速下降后轉(zhuǎn)折回升的短期波動(dòng)變化，波動(dòng)升降幅度在0.02 ℃～0.06 ℃，時(shí)間間隔也疏密不同，密集時(shí)最短間隔時(shí)間為4 d左右，稀疏時(shí)最長(zhǎng)間隔時(shí)間為50 d左右，井水位短期動(dòng)態(tài)無(wú)顯著變化(圖7)。

圖7 開(kāi)遠(yuǎn)井220 m深處水位(a)與水溫(b)小時(shí)值觀測(cè)曲線對(duì)比圖

圖8為井深220 m處“九五”探頭與210 m處“十五”水溫探頭觀測(cè)的數(shù)據(jù)曲線，這兩個(gè)探頭相差10 m，但變化過(guò)程、變化形態(tài)及上升速率幾乎完全一致，只是上升或下降轉(zhuǎn)折時(shí)間相差40多個(gè)小時(shí)，推斷認(rèn)為這一特征應(yīng)該為同一因素造成的。210 m探頭水溫變化為26.801 1 ℃～26.846 1 ℃(幅值0.045 0 ℃)，220 m探頭水溫變化為26.623 7 ℃～26.671 9 ℃(幅值0.048 2℃)。從絕對(duì)溫度可以看出210 m水溫略高于220 m水溫，二者的溫度絕對(duì)量相差約0.18 ℃，這個(gè)溫度大于儀器絕對(duì)溫度精度的0.05 ℃，因此認(rèn)為這兩個(gè)探頭的溫度是真實(shí)的。

圖8 開(kāi)遠(yuǎn)井210 m(a)、220 m(b)深處水溫觀測(cè)長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)變化與兩者短期特征對(duì)比(c)

對(duì)于開(kāi)遠(yuǎn)井水溫的該異常特征，根據(jù)《地震觀測(cè)異?，F(xiàn)場(chǎng)核實(shí)報(bào)告編寫(xiě) 地下流體(DB/T 70—2018)》提出的技術(shù)要求，首先考慮是否存在觀測(cè)環(huán)境干擾，譬如抽水、注水或蓄水等；其次需要考慮觀測(cè)系統(tǒng)是否受到干擾，譬如臺(tái)站電源故障、儀器接地問(wèn)題、儀器故障、儀器的相互干擾等。如果沒(méi)找到以上干擾源，且排除了可能的干擾因素，則需要從井水溫自身變化給出合理的機(jī)理解釋，并從區(qū)域地震活動(dòng)狀態(tài)分析是否與區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)增強(qiáng)有關(guān)。

3.2 干擾因素分析

筆者通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘調(diào)研了觀測(cè)井周邊環(huán)境，發(fā)現(xiàn)周邊存在居民淺層抽水點(diǎn)，但這些抽水點(diǎn)不存在異常抽水現(xiàn)象，抽水方式與規(guī)模沒(méi)有發(fā)生顯著改變，因此可以排除抽水干擾的影響。

供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性也是影響觀測(cè)的重要環(huán)節(jié)。2019年開(kāi)遠(yuǎn)井完成標(biāo)準(zhǔn)化臺(tái)站改造后，所有儀器設(shè)備采用市電引入后經(jīng)過(guò)同一個(gè)UPS穩(wěn)壓之后供電。為排除井水溫波動(dòng)異常受供電系統(tǒng)影響的因素，210 m和220 m深度的2個(gè)水溫觀測(cè)儀器采用了不同的供電方式。210 m深度的觀測(cè)儀器由UPS交流供電系統(tǒng)改為電瓶直流供電系統(tǒng)，220 m深度儀器仍保持UPS交流供電。為了避免井水溫觀測(cè)系統(tǒng)中某一部位漏電造成數(shù)據(jù)干擾，將主機(jī)電路板公共負(fù)極接地，溫度傳感器(探頭)屏蔽層連接井口管接地。采取以上措施近2個(gè)月內(nèi)，所有的觀測(cè)狀態(tài)均未因供電方式的改變而發(fā)生變化，異?，F(xiàn)象繼續(xù)出現(xiàn)，說(shuō)明異?，F(xiàn)象不是由供電系統(tǒng)所致。

3.3 實(shí)驗(yàn)觀測(cè)分析

為了查明觀測(cè)井的水-熱動(dòng)力學(xué)環(huán)境，又在井深198 m處新安裝1套SZW-Ⅱ型水溫儀進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)，同樣記錄到了類似的異常變化(圖9)。從圖9可以看出，首先是210 m處的水溫出現(xiàn)下降回升變化，其次是220 m的水溫處出現(xiàn)下降回升變化，最后是198 m的水溫處出現(xiàn)下降回升變化。從3套儀器觀測(cè)結(jié)果分析認(rèn)為，這種獨(dú)立的水溫變化過(guò)程可以排除儀器故障因素。

圖9 開(kāi)遠(yuǎn)井3套水溫探頭觀測(cè)資料對(duì)比曲線

3.4 機(jī)理分析

前人對(duì)井水溫變化的物理過(guò)程進(jìn)行過(guò)大量研究，也解釋了井水溫動(dòng)態(tài)變化的機(jī)理。魚(yú)金子等(2012)提出了井水溫變化的水動(dòng)力學(xué)模型，認(rèn)為水溫微動(dòng)態(tài)變化很可能是由于水流量所攜帶的井孔內(nèi)熱量變化引起的，這一觀點(diǎn)被大量觀測(cè)事實(shí)所驗(yàn)證。車(chē)用太等(1996)認(rèn)為，當(dāng)區(qū)域應(yīng)力加載到地殼淺層的含水巖體時(shí)，會(huì)引起巖體一定的變形，這種變形必將導(dǎo)致含水層孔隙壓力的改變，從而影響含水層系統(tǒng)內(nèi)部的水流狀況，使井水溫度發(fā)生變化。以上研究成果的核心是水-熱動(dòng)力學(xué)機(jī)制，也就是說(shuō)地下水補(bǔ)給源的溫度和水動(dòng)力大小作用是影響井水溫升高或下降以及變化速度的主要因素(李旭茂等，2020)。

開(kāi)遠(yuǎn)井的觀測(cè)含水層為花管+裸孔，由于花管長(zhǎng)度僅為4 m左右，且水溫梯度沒(méi)有顯著變化，因此認(rèn)為169.38～224.0 m裸孔段為該井的主要觀測(cè)含水層。從圖4可以看出，210 m處存在水溫梯度較大的水-熱交換層位，由于210 m處裂隙中的水溫較其上下層井水溫高(圖4b中溫度梯度為“凸型”)，在儲(chǔ)水裂隙受到巖體變形作用發(fā)生閉合時(shí)，會(huì)造成進(jìn)入井孔內(nèi)的熱水量減少，使得該層位及周邊井水溫逐漸降低，當(dāng)裂隙突然開(kāi)啟時(shí)會(huì)釋放出相對(duì)與周邊較高溫度的水至井孔，引起了210 m處及其上下層位水溫的快速上升，之后水溫緩慢恢復(fù)至正常狀態(tài)。由于水-熱對(duì)流與傳導(dǎo)作用，使得220 m處水溫在約40 h后也發(fā)生同樣形態(tài)的變化，而198 m處水溫約在50 h后發(fā)生同樣形態(tài)的變化，這可能是由于198 m探頭比220 m探頭距離210 m探頭稍遠(yuǎn)一點(diǎn)，或井水向上對(duì)流要比向下對(duì)流速度較慢所致。另外，這種異常變化現(xiàn)象在193 m處的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)也得到驗(yàn)證，只是水溫變化幅度較198 m處小，時(shí)間也較198 m處滯后十幾個(gè)小時(shí)。從圖9還可以看到，當(dāng)210 m處水溫變化幅度較小時(shí)，220 m及198 m處的水溫變化幅度很小(2022年11月13日)或沒(méi)有變化(2022年11月23日)，也驗(yàn)證了210 m處是引起井水溫變化的主要層位。綜上，上述3個(gè)層位的井水溫波動(dòng)異常變化是由于井下210 m深度處裂隙閉合與開(kāi)啟過(guò)程造成的，并可以用水-熱動(dòng)力學(xué)的熱傳導(dǎo)及熱對(duì)流機(jī)制給予合理解釋。

開(kāi)遠(yuǎn)井水溫發(fā)生短期變化，但井水位并沒(méi)有發(fā)生同步變化，分析其原因主要為：井水位與水溫出現(xiàn)趨勢(shì)性動(dòng)態(tài)相關(guān)(圖5)，表明該井的觀測(cè)含水層主要是較高溫度補(bǔ)給為主，因此表現(xiàn)為水位與水溫出現(xiàn)同步升高變化特征(李旭茂等，2020)。但從2020年3月開(kāi)始，觀測(cè)井深層含水層裂隙出現(xiàn)閉合與開(kāi)啟而導(dǎo)致井觀測(cè)層狀態(tài)發(fā)生改變，由于該井含水層具有顯著的不均勻性特征，這種含水層裂隙的閉合與開(kāi)啟不是發(fā)生在整個(gè)井觀測(cè)含水層，推斷認(rèn)為210 m處的水量增減不足以引起整個(gè)觀測(cè)井水位的短期波動(dòng)，因此沒(méi)有觀測(cè)到水位出現(xiàn)下降及上升這樣一個(gè)短期變化過(guò)程，但從圖7可以看出該階段出現(xiàn)了水位下降趨勢(shì)，表明井含水層狀態(tài)的變化對(duì)水位的趨勢(shì)動(dòng)態(tài)是有一定影響的。

以上從井孔結(jié)構(gòu)條件及水-熱動(dòng)力學(xué)原理解釋了開(kāi)遠(yuǎn)井水溫高頻波動(dòng)的機(jī)理，但引起該井深含水層發(fā)生變化的力學(xué)機(jī)制是否與區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)有關(guān)呢？自2020年3月出現(xiàn)水溫波動(dòng)異常以來(lái)，開(kāi)遠(yuǎn)井200 km范圍內(nèi)先后發(fā)生了2020年6月12日老撾4.7級(jí)、7月12日云南綠春4.8級(jí)和2021年6月10日云南雙柏5.1級(jí)等3組5級(jí)左右地震。2021年12月24日在距離井孔220 km的老撾又發(fā)生了6.1級(jí)地震(圖7)，而從2022年3月下旬開(kāi)始至今，未出現(xiàn)類似井水溫波動(dòng)異常。因此推測(cè)認(rèn)為，該井深部含水層出現(xiàn)閉合與開(kāi)啟造成井水溫波動(dòng)異常，可能是區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)增強(qiáng)引起的，周邊發(fā)生的一系列中強(qiáng)以上地震是構(gòu)造活動(dòng)增強(qiáng)的結(jié)果。當(dāng)然，要證明該階段研究區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)增強(qiáng)狀態(tài)，還需要更多地球物理觀測(cè)資料的佐證。

4 結(jié)論

云南開(kāi)遠(yuǎn)井水溫對(duì)井孔周邊的地震有一定的映震能力，曾多次對(duì)應(yīng)發(fā)生在觀測(cè)井附近或周?chē)牡卣?，之前的水溫異常以上升、下降或轉(zhuǎn)折為主，但2020年3月以來(lái)開(kāi)遠(yuǎn)井水溫出現(xiàn)了不定期的高頻波動(dòng)變化。本文介紹了觀測(cè)井結(jié)構(gòu)與觀測(cè)含水層概況，分析了不同層位水溫觀測(cè)結(jié)果，解釋了這種井水溫異常形態(tài)的可能機(jī)理，通過(guò)對(duì)比觀測(cè)實(shí)驗(yàn)及水-熱動(dòng)力學(xué)機(jī)制分析，得出以下主要結(jié)論：

(1)通過(guò)對(duì)觀測(cè)井周邊環(huán)境進(jìn)行調(diào)研，排除了抽注水對(duì)觀測(cè)含水層的可能影響；對(duì)3套觀測(cè)系統(tǒng)分別使用市電經(jīng)UPS穩(wěn)壓之后的電源和電池直流供電方式，發(fā)現(xiàn)不同的供電方式對(duì)井水溫觀測(cè)動(dòng)態(tài)無(wú)影響，排除了供電系統(tǒng)的因素。

(2)觀測(cè)井出現(xiàn)高頻波動(dòng)異常的主要機(jī)理是儲(chǔ)水裂隙受到巖體變形作用發(fā)生閉合，造成進(jìn)入井孔內(nèi)的熱水量減少引起該層位水溫逐漸降低，當(dāng)裂隙突然開(kāi)啟時(shí)會(huì)釋放出相對(duì)較高溫度的水至井孔引起了水溫的快速上升，該層位水溫的降低與升高過(guò)程在熱傳導(dǎo)及熱對(duì)流作用下影響到其上下層位的水溫動(dòng)態(tài)。

(3)由于引起水溫變化層位的水量在短時(shí)間內(nèi)不足以影響整個(gè)觀測(cè)井水量的變化，因此井水位沒(méi)有出現(xiàn)與水溫同步波動(dòng)的變化過(guò)程，但該井觀測(cè)含水層受變形作用影響，打破了井水位與井水溫趨勢(shì)動(dòng)態(tài)相關(guān)的關(guān)系，在井水溫出現(xiàn)密集波動(dòng)階段，井水位出現(xiàn)了上升變化動(dòng)態(tài)。

(4)對(duì)觀測(cè)井周邊200 km范圍內(nèi)的中強(qiáng)地震活動(dòng)特征分析表明，在井水溫出現(xiàn)高頻波動(dòng)階段，中強(qiáng)地震活動(dòng)具有加強(qiáng)的趨勢(shì)，推測(cè)認(rèn)為該井深層含水層出現(xiàn)閉合與開(kāi)啟而造成井水溫波動(dòng)異常，可能是區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)增強(qiáng)作用的結(jié)果，周邊發(fā)生的一系列中強(qiáng)以上地震，特別是2021年12月24日在距離井孔220 km發(fā)生的老撾6.1級(jí)強(qiáng)震，都是構(gòu)造活動(dòng)增強(qiáng)的直接響應(yīng)。