王 艷，馬利軍，張 娜，呂文青，王會(huì)芳

（1. 河北省地震局保定地震監(jiān)測(cè)中心站, 河北 保定 071000；2. 河北紅山巨厚沉積與地震災(zāi)害國(guó)家野外科學(xué)觀(guān)測(cè)研究站, 河北 邢臺(tái) 054000）

0 引言

中國(guó)自20 世紀(jì)80年代末開(kāi)展高精度井水溫度（簡(jiǎn)稱(chēng)水溫）觀(guān)測(cè)以來(lái)，陸續(xù)建立了一批數(shù)字化水溫觀(guān)測(cè)臺(tái)站，采用分辨率為10-4℃、采樣率為1 次/min的高精度觀(guān)測(cè)儀器。目前，水溫觀(guān)測(cè)已經(jīng)發(fā)展成為地震地下流體觀(guān)測(cè)的第二大主測(cè)項(xiàng)[1]。數(shù)十年來(lái)，關(guān)于水溫異常與地震對(duì)應(yīng)的關(guān)系前人都做了深入研究，產(chǎn)出了許多水溫異常與地震相關(guān)的研究成果。馬玉川等通過(guò)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)等方法驗(yàn)證了洱源井水溫的下降與漾濞MS6.4 地震的關(guān)系[2]；唐杰等從時(shí)間和空間上總結(jié)了河北流體的群體性異常與河北唐山MS4.5 地震的關(guān)系[3]；邵永新等通過(guò)流體異常特征及其產(chǎn)生的原因，給出了天津漢1 井和王3 井的異常預(yù)測(cè)指標(biāo)，對(duì)未來(lái)發(fā)生的地震有一定的預(yù)測(cè)[4]。永清井的水溫出現(xiàn)了多次畸變，王艷等通過(guò)四圖一法的水化學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，地震前永清井內(nèi)應(yīng)存在著劇烈的熱傳遞現(xiàn)象[5-6]。本文通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)，再次驗(yàn)證永清井水溫的多次畸變不是干擾，而應(yīng)該與地震活動(dòng)有關(guān)。

1 永清井基本概況

永清井隸屬于廊坊市地震局永清地震臺(tái)，位于縣城西南約10 ㎞羅家營(yíng)村東北，冀中拗陷北部的牛東斷裂帶北側(cè)。井深1274.11 m，套管深度1061 m，直徑216 mm；頂板埋深1065.3 m，裸孔過(guò)水段208.8 m，含水層巖性為震旦系白云巖，地下水類(lèi)型為震旦亞界霧迷山組巖溶承壓水；井口標(biāo)高67 m（圖1）。成井時(shí)為自流熱水井，泄流口水溫72℃，1995年底受地?zé)衢_(kāi)發(fā)影響斷流改為靜水位井永清井。目前，臺(tái)站流體測(cè)項(xiàng)包括水位、水溫、氣象三要素、二氧化碳，觀(guān)測(cè)儀器為ZKGD3000-NL 水位儀、SZW-1A 水溫儀和ZKGD3000-NT 水溫儀（備用，氣象三要素觀(guān)測(cè)儀器為ZKGD3000-M 型，二氧化碳采用測(cè)試管觀(guān)測(cè)法觀(guān)測(cè)（EY-2）（圖2）。

圖1 永清井井孔柱狀圖Fig. 1 Schematic diagram of fluid observation system at Yongqing Station

圖2 永清臺(tái)流體觀(guān)測(cè)系統(tǒng)示意圖Fig. 2 Well hole histogram of Yongqing Well

2 水溫曲線(xiàn)異常變化簡(jiǎn)介

河北永清井自2001年01月開(kāi)始水溫觀(guān)測(cè)，2017年12月30日之前都保持很好的年變趨勢(shì)，屬于穩(wěn)定下降型，水溫顯示出較弱的年變規(guī)律，去趨勢(shì)后年變幅度在[-0.015, 0.015]區(qū)間[5]。儀器的主要概況如表1 所示。

表1 永清地震臺(tái)SZW-2 型水溫儀概況Table 1 Overview of SZW-2 type water thermometer of Yongqing station

永清井水溫從2017年12月30日開(kāi)始加速下降，2018年1月10日之前的下降速率為10-4℃/d，1月10日至永清地震前下降速率為10-3℃/d，前后相差了一個(gè)量級(jí)。2018年2月12日永清發(fā)生ML4.7 地震，在2019年7月21日永清井水溫呈快速下降變化，下降幅度為0.038℃，之后緩慢上升，7月26日出現(xiàn)快速上升，上升幅度約為0.016 ℃，10月21—26日再次出現(xiàn)小幅上升變化，2019年12月5日唐山豐南發(fā)生ML4.9 地震，震中距90 km（圖3），同時(shí)段同井水位均沒(méi)有發(fā)生異常變化（圖4）。

圖3 永清井2018—2019年井水溫5日均值一階差分曲線(xiàn)圖Fig. 3 First-order difference curve of 5-day average well water temperature from 2018 to 2019 of Yong qing Well

圖4 2018—2019年永清井水溫、水位整點(diǎn)值曲線(xiàn)圖Fig. 4 The whole point value curve of Yongqing Well water temperature and level from 2018 to 2019

3 對(duì)比觀(guān)測(cè)試驗(yàn)和斷電試驗(yàn)

針對(duì)永清井水溫曲線(xiàn)畸變現(xiàn)象，在排除了周邊環(huán)境干擾后進(jìn)行兩套水溫儀的對(duì)比試驗(yàn)與斷電試驗(yàn)。同井兩套水溫儀進(jìn)行對(duì)比觀(guān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，在2019年7月21日永清水溫發(fā)生異常時(shí)，備用儀器斷數(shù)；7月26—28日永清小幅快速上升—下降變化，備用儀器觀(guān)測(cè)曲線(xiàn)沒(méi)有出現(xiàn)異常變化；10月21—26日再次出現(xiàn)小幅上升—下降變化，備用儀器仍沒(méi)有出現(xiàn)異常變化。在此次異常發(fā)生時(shí)，兩套儀器的探頭處在同層位（表2），為了驗(yàn)證水溫探頭之間是否出現(xiàn)干擾，于8月14—21日對(duì)備用水溫進(jìn)行了斷電試驗(yàn)。結(jié)果顯示，觀(guān)測(cè)水溫并未受備用水溫儀斷電干擾（圖5）。因?yàn)橥膬商姿疁貎x器對(duì)比變化不一致，備用水溫并沒(méi)有出現(xiàn)異常變化，因此觀(guān)測(cè)水溫異常數(shù)據(jù)可靠性待確定，工作人員又進(jìn)行了注冷水試驗(yàn)。

表2 對(duì)比觀(guān)測(cè)試驗(yàn)與斷電試驗(yàn)變化情況一覽表Table 2 List of the changes comparison between observation test and power failure test

圖5 2019年6—10月觀(guān)測(cè)水溫儀和備用水溫儀斷電試驗(yàn)分鐘值對(duì)比曲線(xiàn)圖Fig. 5 Comparison curve of minute value of power failure test between observation water thermometer and standby water thermometer from June to October 2019

4 注冷水干擾試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證儀器的可靠性，分別于2019年7月31日、10月8日、10月29日3 次進(jìn)行注冷水試驗(yàn)。

2019年7月31日9 時(shí)28 分向井孔注入300 ml冷水（4℃左右），SZW-1A 水溫儀和ZKGD3000-NT 備用水溫儀均在9 時(shí)32 分開(kāi)始出現(xiàn)下降變化，下降幅度基本一致。SZW-1A 下降約0.0227 ℃，9 時(shí)42 分水溫開(kāi)始恢復(fù)；ZKGD3000-NT 下降約0.0127℃（圖6）。

圖6 7月31日注4℃水試驗(yàn)示意圖Fig. 6 Test chart of injecting 4℃ water on July 31st.

2019年10月8日12 時(shí)20 分向井孔注入1000 ml冷水（9℃左右），SZW-1A 水溫儀和ZKGD3000-NT 備用水溫儀均在12 時(shí)21 分開(kāi)始出現(xiàn)下降變化，下降幅度基本一致。SZW-1A 水溫儀下降約0.0203 ℃，12 時(shí)37 分水溫開(kāi)始恢復(fù)；ZKGD3000-NT 備用水溫儀下降約0.0105 ℃（圖7）。

圖7 10月8日注9℃水試驗(yàn)示意圖Fig. 7 Test chart of injecting 9℃ water on October 8th.

2019年10月29日11 時(shí)22 分開(kāi)始分4 次，每次間隔數(shù)分鐘，每次向井孔注入1100 ml 冷水（17℃左右）。SZW-1A 水溫儀和ZKGD3000-NT 備用水溫儀均在12 時(shí)27 分開(kāi)始出現(xiàn)下降變化，（變化幅度第一次11 時(shí)27—34 分，第二次11 時(shí)53 分至12 時(shí)08 分，第三次12 時(shí)24—35 分，第4 次12 時(shí)41—50 分）下降幅度基本一致。SZW-1A 水溫儀下降共約0.0211℃；ZKGD3000-NT 備用水溫儀下降約0.0127℃（圖8）。

圖8 10月29日注17℃水試驗(yàn)示意圖Fig. 8 Test chart of injecting 17℃ water on October 29th.

兩套水溫儀器探頭都在梯度測(cè)量結(jié)果的橫向交替劇烈區(qū)（探頭埋深173 m）。通過(guò)注冷水干擾實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（表3）發(fā)現(xiàn)，兩套水溫基本同步下降，水溫變化形態(tài)一致，但是注入同樣的水量時(shí)兩套儀器的變化幅度不一樣，分析原因可能與來(lái)自不同廠(chǎng)家的兩套水溫儀自身的精度有關(guān)。經(jīng)查詢(xún)發(fā)現(xiàn)，SZW-1 型數(shù)字式溫度計(jì)的分辨率為0.0001℃， 精度為±0.05℃，長(zhǎng)期的穩(wěn)定性小于0.01℃/a。而ZKGD3000-NT 型水溫儀的分辨率為0.001℃，精度優(yōu)于0.65℃。由兩套儀器的技術(shù)參數(shù)可以看出，SZW-1 型數(shù)字式溫度計(jì)要優(yōu)于ZKGD3000-NT 型水溫儀，也就是說(shuō)SZW-1 型數(shù)字式溫度計(jì)更靈敏一些。

表3 注水試驗(yàn)變化情況一覽表Table 3 List of changes in water injection test

5 結(jié)論與討論

1）在注水試驗(yàn)中，兩套水溫的變化形態(tài)一致，說(shuō)明SZW-1A 水溫儀器是正常的，記錄到的異常是可靠的。注水試驗(yàn)過(guò)程中，短時(shí)間把水注入觀(guān)測(cè)井中瞬間會(huì)引起同步變化，但是很快恢復(fù)正常的趨勢(shì)變化，并沒(méi)有長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)下降，說(shuō)明注水只是造成對(duì)儀器的干擾，沒(méi)有對(duì)儀器周?chē)貧r石塊體的應(yīng)力應(yīng)變產(chǎn)生明顯的影響。由此可以確定，兩套水溫儀器能夠精確記錄井管水體溫度變化，記錄到的異常信息是可靠的。

至于為什么兩套水溫儀器沒(méi)有同步記錄到異常，除了備用儀器自身斷記外，分析有以下原因：①文獻(xiàn)表明，SZW-1 型數(shù)字式溫度計(jì)的分辨率和精度要更高一些，考慮到ZKGD3000-NT 型水溫儀是備用水溫儀而不是正式入庫(kù)儀器，靈敏性值得商榷。在地震前假設(shè)受應(yīng)力控制成立，傳感器的溫度受制于含水層的滲透性導(dǎo)致不能同時(shí)變化；②觀(guān)測(cè)儀器采用SZW 石英晶體溫度傳感器，該傳感器是頻率量信號(hào)傳輸，其測(cè)量基準(zhǔn)是通過(guò)頻率計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)，因此長(zhǎng)距離傳輸過(guò)程中信號(hào)幅度的衰減并不對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生附加誤差，從2019年多次相關(guān)試驗(yàn)的驗(yàn)證反推水溫異常其確信度較高。