我国地震系统高精度水温观测始于20世纪80年代末,并在“九五”、“十五”期间得到飞速发展,目前正在发挥重要作用(车用太等,2008)。对于取得的丰富资料,车用太等(1996,2003)在水温的动态分类方面进行了全面的总结,指出水温的长期动态可归纳为平稳型、上升型、下降型、起伏型与复合型,短期动态有平稳型、波动型、阶变型、脉冲型以及它们的组合型; 刘伟等(2000)在同一井中不同深度设置水温仪,得到了不同深度的水温动态; 刘耀炜等(2005)系统总结了2004年印尼苏门答腊8.7级地震水温同震效应特征,并对水温不同类型的同震效应特征进行了机理探讨; 杨竹转等(2007)总结了北京塔院井水温记录的同震效应特征; 刘耀炜等(2005,2008)、张立等(2009)对水温的前兆特征等方面进行了分析,认为配套性前兆异常有利于震前异常的识别和地震预测意见的提出。在水温变化的机理研究方面,石耀霖等(2007)、孙小龙和刘耀炜(2008)对水温的同震效应进行了数值模拟,定量给出了水温同震效应可能的物理机制; 车用太等(2008)、鱼金子和车用太(1997)对水温动态形成机理做了理论分析,提出了水动力学机制,并指出水温微动态形成机理研究应从两个地温梯度、两个对流、一个传导和一个扩散等热系统与热过程去考虑。对于水温资料的分析,诸多学者从不同角度探讨了水温动态及其形成原因。然而,目前存在的主要问题是对于不同的井,水温变化有不同的特点,形成各种动态的机制较为复杂,缺乏定量分析。笔者针对巢湖皖14井水温资料的动态特征、同震效应的不同特征和前兆异常特征,通过两套仪器对比说明观测资料的可信度,根据观测到的现象探讨水温不同变化特征产生的可能原因,为定量分析打下基础,也为寻找本地区短临前兆测项做一些基础积累。

巢湖皖14井井深331 m,观测段为270.73～301 m,观测含水层岩性为泥盆纪石英岩,孔隙裂隙承压水,构造部位为郯庐断裂东侧,滁河断裂与合肥—东关断裂交汇处。水文地质条件为江淮剥蚀丘陵,丘陵间构成向斜谷地,山岭多由泥盆纪石英岩组成,斜坡为石灰岩,岩溶较发育。巢湖皖14井数字化水温仪架设属于“十五”项目,2007年9月正式开始观测,仪器型号为SZW-1A,水温探头放在井下195 m处。

该井水温日动态属于随机波动型,长期动态属于复合型,主要的干扰因素为降雨。由于该井处于灰岩地区,没有较好的隔水顶板,径流途径短,降雨后水位、水温呈反向变化——降雨量越大,水位上升幅度越大,水温下降幅度越大(图1)。对水温动态的进一步分析表明,该井水温变化速率时快时慢,如何判断异常?由于该井水温仪投入观测时间不长,正常背景不够清楚,笔者将水温变化速率与仪器性能指标进行了比较。即首先扣除已知的影响因素(同震效应及震后效应、集中降雨时段),然后按照速率变化将水温划分为7个时段,即2007年10～12月、2008年1～4月、2008年9～10月、2008年11～12月、2009年1～2月、2009年3～4月、2009年8～9月。将上述7段的变化速率与仪器性能指标进行比较,由表1可见,有3个时段水温上升速率超过了仪器性能指标(0.001 ℃/月),即2008年1～4月、2009年3～4月以及8～9月。

表1 各时段水温变化量与仪器性能指标比较
Tab.1 Contrast of variation of temperature with instrument's performance

图1 巢湖皖14井水温、水位与降雨量对比曲线
Fig.1 Correlation curve of water temperature,water level and precipitation of Chaohu 14 well

该井水温于2008年1～4月、2009年3～4月以及8～9月3个时段加速上升,超过了仪器的性能指标(表1)。2007年9月以来安徽省共发生M_S3.0以上地震3次,分别为2008年5月7日安徽固镇M_S3.0、2009年4月6日安徽肥东M_S3.5和2009年8月15日安徽霍山M_S3.3地震,井震距分别为180 km、53 km、161 km。由图2a可见,这3次地震均发生在该井水温高速率变化段,这是巧合还是有一定联系,值得进一步探讨。肥东M_S3.5地震前,该井水温于2009年3月13日2～6时突降,

图2 巢湖皖14井水温异常与安徽省地震事件
Fig.2 Temperature anomaly of Chaohu 14 well and earthquakes in Anhui

2008年5月12日汶川8.0级地震发生时该井水温同震下降0.028 ℃,水位同震下降47 cm(图3)。笔者进一步分析该井记录到的全球7.5级以上地震激发的水震波,发现该井自2007年9月该井开始水温观测以来,全球发生7.5级以上地震16次,其中2007年9月12日印尼8.5级地震、2008年5月12日四川汶川8.0级地震在该井产生的水位阶变达10 cm以上,水位首先出现振荡,随后下降、水温也出现同步下降。其余14次强震发生时,该井也记录到水震波,幅度最大为5.2 cm(智利8.8级地震),同井的水温仪未记录到明显的同步变化(表2、图4)。对照刘耀炜等(2005)在苏门答腊大地震后对我国大量观测井资料进行的整理和分析得到的三种同震效应特征(第一类是水位、水温同向变化; 第二类是水位、水温反向变化; 第三类是水位震荡、水温下降或相反),巢湖皖14井水温具有其中两种特征,这可能与该井所处的水文地质条件以及井孔结构有关。

表2 全球7.5级以上地震及巢湖14井水位、水温的同震变化
Tab.2 Coseismic change of water level and water temperature during the global earthquakes with MS≥7.5

图3 2008年5月12日汶川8.0级地震巢湖皖14井水位、水温同震同向变化
Fig.3 Coseismic change of geothermal and water level of Chaohu 14 well during Wenchuan MS8.0 earthquake on May 12,2008

图4 2010年2月27日智利8.8级地震巢湖皖14井水位、水温同震变化
Fig.4 Coseismic change of geothermal and water level during Chile MS8.8 earthquake on Feb.27,2010

汶川地震后的2008年6月2日该井水位下降、水温突升,并在高值上波动,为了验证水温仪是否因强震冲击出现故障,观测人员于2009年2月28日在该井中又安装了一个同型号的水温探头,安装比测探头前做了水温梯度测量(图5),结果表明:110 m以上水温线性度较差,表明井孔封闭性不好,可能有地表水混入; 110 m以下水温线性度较好,说明井管下部封闭性较好,100～200 m之间的温度差为1.456 ℃,以每百米垂直深度上增加的温度数表示,通常为(1～3)℃/百米,与它相比,巢湖14井属于低梯度井孔。最终比测探头投放深度为170 m。

比测水温测探运行了2个月,两套仪器产出的水温趋势一致。2009年3月水温上升速率开始加快,同时出现不明原因的突降变化。在不同深度的两套水温仪均记录到异常过程,总体趋势一致,只是细节有所不同。2009年3月13日原探头水温突降,幅度为0.013 3 ℃,比测探头水温下降幅度为0.012 ℃,2009年4月6日距该井53 km的肥东发生M_S3.5地震。2009年4月17日原探头水温突降,幅度为0.021 2 ℃,比测探头水温下降幅度为0.010 7 ℃(图2)。异常期间并没有显著的降雨影响。两套水温仪并行期间,均记录到了同形态的异常变化,这说明该井水温仪工作正常,产出的资料具有较高的可信度。

图5 水温梯度曲线
Fig.5 Gradient curve of temperature

巢湖皖14井水温观测时间不长,但记录到了丰富的信息。各类动态产生的原因可能与该井特殊的构造部位及特殊的水文地质条件有关。该井位于灰岩地区,孔隙较为发育。一方面,地表水的混入改变了井水的温度; 另一方面,应力的瞬时加载,使得含水层岩体变形或破坏,导致孔隙压力变化,引起水流状态变化,使地下水微温度场重新分布。

该井的同震效应有同震水位下降、水温下降和同震水位震荡、水温不发生显著变化两种类型。第一种现象产生的原因可能是地震激发产生水位震荡疏通了孔隙,上层冷水混入下层使水温下降; 而第二种情况可能是该井水温梯度较小,幅度为几个厘米的水位振荡引起的水温变化很小,淹没在背景噪声中难以分辩。这些探讨均有待于后续的观测和试验来加以验证。

该井两套水温仪的记录曲线上升趋势一致,不同位置的探头记录到形态一致的异常变化,这说明原水温仪工作正常,产出的数据真实可靠,震前记录到的异常现象可信度很高,为下一步定量计算打下了基础。

两年多的观测表明,高精度水温仪相对较为稳定,故障率较低,资料信息量丰富。虽然该井水温影响因素较多,但在目前安徽省前兆测项中已显示出一定的作用,因此,在一些特殊构造部位,若井孔条件较好,应布设一些水温观测仪,这对于捕捉前兆信息可能较为有利。