整个地热前兆台网的运行率平均为95.64%,运行率低于80%的台站有14个,其中有3个台站的仪器是2008年1、2月间才完成安装; 有8个台站的仪器经常受到雷击,常常被损坏,连续数十天不能正常工作,观测资料完整率很低。

数字化仪器出现的故障多为雷击、公共数采故障、仪器本身故障、供电电源故障、设备零件故障、传感器故障等,其主要原因是:井房的避雷设施不完善,造成仪器或传感器遭雷击产生故障; 偏僻地区的台站供电电源不稳,造成仪器电源故障; “九五”设备仪器的正常老化损坏; 公用数采发生故障。

笔者对122个井孔条件进行统计,给出各种干扰因素的影响程度。地热观测主要受降水、地下水开采、抽水、灌溉、江河水位变化、供电和观测井老化等的影响。在所有的环境影响因素中,地下水开采和抽水影响最大,共计有73个井孔受地下水开采和抽水影响,比例达60%。浅井、深井的主要环境影响因素不同,对于浅井,抽水灌溉为主要的干扰源,中深井则主要受到地下水开采影响。

我国绝大多数观测井的深度为完钻时的深度。由于多年未得到清洗,井孔底部淤堵,确切的深深度并不知道。据个别省局反映,有些井在完钻时深137 m,但近期测深结果仅为30多米。在这种井深不明的情况下进行盲目观测,产出资料的质量根本得不到保证,更不能获得可靠的前兆信息。有一些井房的观测条件很差,如湿度大、腐蚀性气体浓度高,而井房又没有窗户、排风口等通风设施,仪器的长期、正常工作受到影响,使用寿命变短。

目前,我国地热前兆台网的观测仪器基本上实现了数字化,产出的数据类型、原始数据、预处理数据等基本相同。数字化观测数据进行预处理后,可产出如日均值、五日均值、旬均值、月均值和年均值的观测资料。“九五”前的打印记录观测方式台站及“九五”数字化台站的观测数据均通过有线电话网汇集到省级前兆台网中心,而“十五”数字化观测台站观测数据的收取、处理、入库等工作由软件自动完成。

笔者统计了全国277个台站的观测数据,发现有134个台站的地热出现了同震响应,约占台站总数的48.37%,在同震响应中表现为升温的有68个,表现为降温的有66个,升温和降温各自所占比例基本相同。

从汶川M_S8.0地震同震响应的地热前兆观测点升、降温分布图(图2)可以看出,同震响应的地热升、降温分布具有区域性特点,即同震响应的升温或降温常成片出现——在汶川以南四川境内的测点几乎都表现为升温,在汶川西北部的青海、甘肃、宁夏等地大多数为降温,在汶川以东重庆地区范围内为降温,再往东南方向又几乎都是升温。总体来看,这次地震引起的同震井孔温度变化最强烈的地区并不在震中区,而是在陕、甘、宁交界地区。

图2 汶川大地震中有同震响应及震后调整的地热前兆观测点
Fig.2 Geothermal temperature stations responded before and after the Wenchuan MS 8.0 earthquake

表1 同震响应统计表
Tab.1 Statistics of co-seismic response

从此次地震所引起的温度变化量可以看出,温度变化量小于0.05℃的井孔数量有115个,占全部有同震响应井孔数的85.82%,还有59个井孔的温度变化量小于0.001℃。由于采用了高精度、高分辨率的温度观测仪器(分辨率为0.000 1℃,短期稳定性为0.001℃,年稳定性为0.01℃),约59个台站在本次地震中记录到了0.001℃～0.000 1℃的温度变化。

汶川大地震发生后,笔者对全国的地热观测资料进行了分析。在排除了明确的环境干扰、仪器维修、人为干扰、人工抽水等因素造成异常变化的可能性后,还有37个台站在震前存在异常。

本文所提出的地震地热前兆异常,与汶川地震在时间上有很好的相关性,即异常基本恢复后就发生地震,这可能与汶川地震震源孕育过程有关。王瑜青等(1994)的研究结果表明:地热正常动态为稳定型台站出现的异常,其信度较高; 异常幅度远大于背景值的异常,其信度也较高; 背景值越稳定、持续时间越长的异常,信度也就越高。

距汶川500 km、1 000 km和更大范围内的异常台站所占比例见表2。从表2可以看出,500 km范围内,地热测项共有23个台项,有5个台项存在异常,异常台项占21.74%。距汶川地震震中越近,异常出现的比例就越大,从13.36%(大于1 000 km范围的台站出现疑似异常的比例)增加到21.74%(在500 km范围内的台站出现疑似异常的比例)。

表2 地热前兆台网疑似异常台站统计表
Tab.2 Statistics of likely abnormalities recorded by geothermal precursor stations

受篇幅所限,笔者没有给出全部异常的曲线,读者可参阅《全国地热前兆台网对汶川M_S8.0地震响应的研究报告》(赵刚等,2008)。下面仅对几个典型地热前兆异常进行分析。

(1)宁波井。该井位于宁波平原北西丘陵山区的南部两条北北东向大断裂之间。井深83.06 m,钢套管75.0 m。在井孔16.5～25.0 m和44.5～48.5 m处有两个含水层,井流量较小。该台于2000年5月安装了地热观测仪器,传感器安装在78 m处。多年来观测数据显示,水温长期背景动态属稳定型,变化量小于0.01℃/a,短期背景动态也是稳定型,变化量为0.002℃/月,具有缓慢平稳上升的规律性。在全球发生的几次8级以上地震前,该井地热资料都有较明显的异常现象(邱永平,2006)。异常主要表现形式为脉冲式向上突跳或阶跃式变化,最大异常量可达正常日均上升速率的数倍。

从图3a可以看出,在汶川地震前,宁波台水温值曲线变化平稳,日变幅度正常。从2008年4月23日06时37分的20.093 6℃开始,日变幅度加大,出现了大幅度跳跃的现象,在5月2日11点达到最高值20.098 1℃,日变幅度约是正常日变幅度的30倍,属于显著异常。其后异常跳跃幅度回落,日变幅度逐渐减小,异常于5月9日13点16分结束,地热观测曲线恢复正常形态,该异常是自有观测以来出现的幅度最大、持续时间最长的异常。

(2)德令哈井。该井温度传感器观测深度为80 m,井深98 m,距震中895 km。该井位于河西走廊的大片花岗岩体出露的地震带上,祁连山北缘段裂带中段逆冲断层,是地应力易于积累的地区。从图3b可以看出,2007年12月至2008年1月,曲线下降转折后回返,经落实异常属实,后未出现地震。从2008年1月中旬起温度线性上升(0.01℃/月,0.004℃/天),到5月10日开始加速上升,5月11日中午时,温度上升幅度为0.011 5℃,达到最大值,随后停止上升,直至地震发生,震后由于同震响应,温度降到9.678 9℃。笔者判定这是汶川地震的震前反应,震后有同震效应。

(3)西宁井。该井深105 m,温度传感器安装在102 m深处,距震中634 km。该井位于西宁盆地边缘,湟水流域中段,拉脊山断裂带。台站地层岩性为第三系紫红色泥岩,观测部位基岩呈完整状弱透水性。从2007年9月正式投入观测以来所获得的资料可看出,该井孔水温观测曲线的长期背景动态属稳定型,短期背景动态也是稳定型,变化量为0.000 2℃/月。从图3c可以看出,在汶川地震前的2007年9月至2008年4月25日,井水温度变化量小于0.002℃,每天的变化量小于0.000 1℃,其中有7天都保持在14.578 9℃,到4月24日开始上升趋势消失,开始快速下降,到4月30日,下降了0.001℃,异常幅度约为正常变化幅度的10倍,其后恢复以前状态缓慢上升,在上升过程中汶川8.0级地震发生。

图3 宁波井(a)、德令哈井(b)和西宁井(c)地热分钟值曲线
Fig.3 Temperature curve of Ningbo(a),Delingha(b),and Xining(c)station