经过30多年的发展,我国逐步建成了较为完善的地震地下流体台网,记录到了海量观测数据,在观测技术、资料质量、密度等方面有了很大进步和提高,尤其是在“九五”期间,数字观测技术的应用又使其有了质的飞跃,并在“十五”期间得到推广。因此,可以说在地震地下流体台网建设中,观测技术的普及取得了突出成效。但在台网的布局方面,形成了“因陋就简”的被动建网(台)思想,缺乏科学标准的主动布网点(台)勇气(刘耀炜,2005)。从目前情况看,我国现有地震地下流体台网布设所选用的井孔,绝大多数原先的布设目的并非是地震前兆监测,多数的观测历史、观测井本身及环境均发生了较大变化(车用太等,2001),高质量观测环境的台站太少(刘耀炜,2005)。因此,在流体台网的建设中,应科学建网,其中首要条件是观测场地的地下介质结构清楚(刘耀炜,2004)。

天津地区开展地震地下流体观测始于1968年。1969年,地质部第三普查大队3006队在津钻凿了第一口地震专用观测井(天津市地震局,2005)。1990年以前,天津市地震局的流体观测井达91口,观测项目涉及水氡、水汞、水位、水温等数十项。到1995年底,天津流体观测网由22口水位观测井和3口水化观测井组成。1995～2002年,部分观测井被进行了数字化改造和调整,同时静海地震台内一口其它用途的井被改造为流体观测井,“十五”前兆网络项目建设中,又增加了宁河地震台观测井。到2007年,天津地区地震地下流体观测网由10口观测井组成。天津市地震局地震流体监测和预报曾有过一段辉煌的历史。张道口地震台作为全国最早的地下流体综合台发挥了人才培养和学术交流的窗口作用。全国开展了地下流体(水化部分)观测的省(除贵州省、台湾省外)都曾派人来台参观、学习和交流。台站与7个国家开展了学术交流活动。其观测资料曾获国家地震局科技进步一等奖,并取得过10多项科研成果(天津市地震局,2005)。

尽管如此,天津市地震地下流体观测网也与全国其他地区一样存在着这样或那样的问题。这些问题因王3井断流而引起人们的重视。王3、王4井是天津市地震局目前仅存的两口水化学观测井。自这两口井开始观测水氡、水汞以来,曾有过多次非常明显的震例,并据其提出过较好的预测意见,因此在天津市地震局震情日常分析乃至首都圈震情判定中都起到了非常重要的作用。作为骨干井的王3井的断流对整个台网的观测产生了非常大的影响,同时王4井也面临着断流的危险。本文中笔者从地震预测预报的角度对天津地区地震地下流体台网提出一点调整与优化的建议。

到2007年,天津地区专业地震地下流体观测井共有10口,其中王3井于2007年5月断流,目前仍在观测的井孔基本情况见表1,其分布如图1所示。

在观测资料映震情况的评估中,所使用的震例选取了井震距300 km范围内M_L4.0～5.4地震、400 km范围内M_S5.1～6.0地震、600 km范围内M_S6.1～7.0地震; 时间上,从1984年王4井水氡正常观测开始。中等地震范围选在36°～41°N,114°～120.5°E区域,而中强地震主要包括1984年以来发生在大同、张北和包头的地震,地震总数为104次。R值的计算是以震例数和地震总数之比与异

图1 天津流体观测井分布示意图
Fig.1 The sketch map of observation well distribution in Tianjin area

表1 天津地区地震地下流体观测井一览表
Tab.1 The schedule of observation wells of earthquake underground fluid in Tianjin area

常有效时间和研究时间之比的差。

从表1所列R值评估结果分析,天津地区地震地下流体观测网能够对地震有反映的井孔及项目仅有王4井水氡、水汞,高村井水位,宝坻井水位、水温,辛庄井水位和张道口1井水位,共计5口井7个测项,仅占总测项数的18.4%,映震效果不理想。并且高村井水位(从2001年8月数字化改造后评估结果)、宝坻井水温、辛庄井水位和张道口1井水位4个测项R值非常低,而宝坻井水位近几年一阶差分曲线效果也不理想,这可能是由于干扰增大所致。其中,R值大于0.2的两个测项均由王4井贡献,而王4井目前也受到了地热开采的影响,井口压力下降比较快。

由王4井井口压力月均值曲线(图2)可以看出,2004年下半年后王4井井压呈加速下降趋势。以2006～2007年为例,2006年6月井压开始回升,到9月回升结束,这一期间井压上升约7 kPa; 从2006年10月到2007年5月,井压一直处于下降状态; 2007年6～9月又开始上升,10月后再次下降。以这一过程推测其断流时间:2007年9月王4井井压为67 kPa,到2008年2月井压为42.8 kPa,5个月内,井压下降了24.2 kPa,每月平均下降4.84 kPa。那么到2008年5月,井压可能要下降到28.28 kPa左右,而其后的上升过程幅度为7 kPa,时间持续到9月,井压将在35.28 kPa左右。如果以井压下降到0 kPa为断流,那么,断流时间应在2009年5月。从王3井、张道口井断流的实际情况分析,当井压降到20 kPa左右时,井孔流量就将大幅度减小,井孔即处于“准”断流状态,水氡观测资料已无法使用。从地震监测的意义上讲,断流时间还应提前。因此,天津地震地下流体观测网面临的将是非常严峻的形势。

图2 王4井井口压力月均值曲线
Fig.2 The curve of monthly average value of well pressure of Wang 4 well

综上所述,天津地区地震地下流体观测网应走如下的发展模式:

(1)对天津地区地震地下流体观测网进行一定程度的调整,有的井孔不应再继续观测。同时,为提高井网的预报效能,应新增一些井孔。由于水化学观测受诸多条件限制,流体观测网在数量上应遵循以水物理观测为主、水化学观测为辅的原则。对于水化学观测,若重新钻井观测,则将涉及到井孔位置、井孔深度、钻井成本、新建台站等一系列问题,所以可采取借井观测的方式进行。至于观测项目的选择,还应进一步论证。

(2)建立以监测、预报和科研为目的的专用地震地下流体观测网。在建设中,井孔选择、仪器配置和观测精度等均应严格按照流体台网建设的有关规定执行,用于捕捉震前的长、中、短、临异常信息。

(3)建立以监测、预报为目的由地方地震工作者观测的地震地下流体观测网。这类井网建设的要求可相对降低,主要用于捕捉震前的中、短或临震异常信息。

(4)建立跨行业联合观测的地震地下流体观测网,充分利用地下水位观测资源。各省、直辖市地下水资源管理部门掌握着大量井孔,并用于监测地下水位变化。这些井孔的水位观测资料以往在地震行业中并没有得到重视。从构造位置、观测的含水层、观测方式以及采样密度等方面来看,这类井孔不一定都很理想,但可从中筛选一批井孔,或运用这类井孔的水位资料分析面上的异常变化,这对震情的判定是非常有益的。同时,我们的观测资料也可提供给他们使用,实现资料共享。

(5)在井孔的深度上,应采取浅、中深、深井共同观测的方式进行。

(6)强化断层气的观测,由单一“水”的观测,转向“水、气”综合观测。