在地热异常变化与地震关系的研究中,人们很早就认识到地震活动区往往也是地热异常带,地震前地温、地下水温有明显的变化(车用太等,2003; 简春林等,2006)。过去由于受观测仪器、观测精度、采样率等的制约,只能在强地震时观测到地热的变化,如在1976年5月云南龙陵7.6级地震,1988年9月云南澜沧—耿马7.6级地震前,均有显著的短临地热异常(陈立德,1990; 杨继登,王世芹,1999; 林辉等,2006; 刘耀伟等,2008)。在“九五”前兆台网建设期间,江苏省对地热观测系统进行了数字化改造,改造后的观测资料采样数据为分钟值,正常动态稳定,观测精度得到提高。

本文讨论了2001年以来江苏宿迁05井、金湖06井数字化地热资料的正常变化形态和地震中、短期异常变化形态,结合井孔附近区域2001年以来的几次中等地震活动进行分析研究。研究表明:在监视区域内的数次中等地震发生前,数字化地热资料均有典型的短临异常图像出现,异常图像出现时间一般在震前几天至3个月内。由此说明对于以中等地震活动为主的区域,数字化地热在短期预报或短临预报方面能够发挥更大的作用。

江苏宿迁05井位于郯庐断裂带以东约23 km、沐阳凹陷内平原地区,是1980年3月专为地震监测打的一口观测井。附近无大的地表水体。年平均降水量在920 mm左右。观测含水层埋深较深,缺乏直接补给,水循环缓慢,其上泰州组地层构成良好的隔水顶板,使该含水层具有一定的封闭性。

江苏金湖06井位于郯庐断裂带东侧、金湖凹陷刘庄构造兴隆集高点。1976年8月由江苏省石油开发指挥部为石油勘探所打。东北约6 km处为白马湖,南约1 km处为老三河。多年平均降水量在970 mm左右。观测含水层埋深于2 000 m以下,大范围内未出露地表,缺乏直接补给,水循环缓慢,该含水层具有一定的封闭性。

图1为宿迁苏05井、金湖苏06井孔柱状图。表1为苏05井、苏06井观测参数。这两口井在2000年进行数字化改造,观测资料2001年开始用于地震分析预报工作。井改造后的观测资料表明,水温仪器性能稳定,采样率高,故障率低,资料连续可靠。

图1 苏05(a)、06井(b)井孔柱状图
Fig.1 The histogram of Su 05(a)and Su 06(b)boreholes

表1 宿迁05井、金湖06井基本参数
Tab.1 Basic parameters of Suqian 05 borehole and Jinhu 06 borehole

本文对2001 年 1 月 1日～2007 年12 月 31 日在研究区域(29.5°～35.5°N,115.5°～122.5°E)内发生的M_L≥3.3地震进行了一定的选取,参考《地震地下流体观测技术》(中国地震局监测预报司,2002)和《地下流体地震预报方法》(国家地震局预测预防司,1997)对区域内中等地震预测能力普适性选取原则,在研究区域内58次3.3级

图2 2001年1月至2007年12月研究选用
地震分布图
Fig.2 Distribution of selected earthquakes for research from Jan.2001 to Dec.2007

表2 2001年1月至2007年12月研究选用地震各项参数
Tab.2 Information about selected earthquakes from Jan.2001 to Dec.2007

大地震为2005年11月26日江西九江M_L6.0地震,据水温研究台点约500 km。表2为这12次地震的具体参数和距离; 水温资料选用2001年1月至2007年12月苏05井和苏06井的整点观测值。

2001年苏05井水温正式投入观测,水温探头在距地面200 m以下,受降水、气压的影响较小,只有出现较大的降水时才会产生小幅波动。水温的日变形态为振荡形,整点值日波动为0.01℃左右,年变形态相对平稳,年变规律不明显。2006年10月后受探头故障和井房改造影响,恢复观测后的水温测值变化很不稳定,出现多起较大幅度的变化,并呈现缓慢趋势降变化。两口井水温的正常日变化和年变长趋势见图3。

图3 苏05井和苏06井长趋势变化(a)和正常日波动变化(b)图
(a-1)、(b-1)苏05井;(a-2)、(b-2)苏06井
Fig.3 Comparison between long-time trend change and diurnal change on Su 05 and Su 06 boreholes.

苏06井水温观测仪于2001年进行数字化改造,改造后的测值与模拟观测值相比变化不大。水温探头在距地面200 m以下,受降水、气压的影响较小, 水温的日变形态为振荡型。分钟值日波动约为0.001℃,平均月变幅度约为0.002℃,年变形态相对平稳,年变规律不明显,呈缓慢上升变化,年上升幅度约0.006℃。2007年9月因修理探头故障停测,10月份探头重新安装之后测值与原测值相比出现0.07℃的台阶变化。

地壳流体是反映地壳应力与变形关系最敏感的介质。引起静水位井孔水温变化的主要原因是对流和传导。对流是指深、浅部冷、热水之间的热交换,传导是指探头附近地区地温(或含水层水温)变化通过井壁的传导方式影响探头周围的水温变化。在地震孕育的不同阶段,地下水温的变化在某种程度上是构造应力作用的客观反映(王博等,2008; 张素欣等,2005; 顾申宜等,2010)。井孔水温变化的不同特点则反映了地震的孕育与发生过程和这种孕育过程中地壳应力应变响应状态。

苏05井水温探头埋深为200 m,苏06井水温探头为400 m埋深,从井孔结构地层可知苏05井180 m以上、苏06井600 m以上岩性未进行过取样分析,是否存在弱含水层还不清楚。苏05井水温探头位置应位于古近系地层的顶部,郯庐断裂带以东12 km沭阳凹陷内。地层以粉砂岩和细砂为主,因夹杂泥层或层岩,贮水量有限。苏06井水温探头位置应位于古近系地层的顶部,估计以粉砂岩和细砂为主,构造部位为金湖凹陷内。2口井观测含水层埋深均较深,缺乏直接补给,水循环缓慢,使该含水层具有一定的封闭性,大气降水对水温观测基本没有影响,热水应来自地下较深处的基岩裂隙。

根据2001年这2口井数字化水温资料的中等地震可以看出,现在记录到的异常均为负异常,这说明在中等地震前均出现了水温下降异常,笔者认为出现这种异常变化的原因可能有二:一是对流作用,我们注意到,苏06井井孔密封性好,受地表水直接影响的可能性较小。如果是对流作用则应是观测含水层水循环加快,在补给水头压力未发生变化的情况下观测含水层的水温相对降低,在对流的作用下使探头周围的水温降低。二是传导作用,即探头附近地区的地层地热下降,通过井壁与探头周围的井水发生热交换,使探头周围的水温降低。同时这两口井均位于凹陷构造内,应该是地下构造应力发生张性变化,引起含水层循环加速,致使观测含水层水温或浅部含水层水温下降,通过对流或传导的方式引起探头周围的水温降低。从另一方面也说明当井孔附近处于张性变化时,在有效映震范围内发生的地震震级较低。