观测井(泉)类型的调查分析结果见表1。

表1 观测井(泉)类型表
Tab.1 Type of the observational wells

从表1可见,我国水温前兆台站以井居多数,井与泉的数量之比约为7:1; 观测井中,非自流井与自流井之比为2.23:1。

上述状况表明,我国水温前兆台站中,非自流井数量最多,自流井与泉占有一定比例,为34.12%。

在经济建设高速发展的今天,地下水的过量开采致使一些在地震监测预报中曾发挥过积极作用的自流井断流,水温前兆台网的监测能力受到极大影响。

对此次调查的全国264个台站观测井的深度资料进行统计,结果见表2。

表2 观测井深度表
Tab.2 Depths of the observational wells

由表2可见,我国水温前兆观测井中,井孔深度仍以中深井(100～1 000 m)为主,但仍有相当数量的深井(大于1 000 m),说明水温前兆观测质量受地表的水文气象及人类活动的干扰较少。

表2中列出的井深绝大多数为完钻时的深度,经历了几十年的时间,井孔底部淤堵,目前实际井深无法估计。谷元珠等(2001)调查发现,有些观测井在完钻时井深129 m,但近期测深结果仅为30多米。所以要获得可靠的前兆信息,首先要了解实际井深,不能盲目观测。

目前在进行水温观测的井(泉)中,有许多是石油、地质、居民生活用水等废弃的井,据不完全统计,这些观测井中有86个井孔受抽水、农田灌溉、地下水开采、降雨等客观条件的干扰,映震效能较差,满足不了地震监测的需要。

调查中有249个台站提供了传感器的安装深度,其分类统计结果见表3。

由表3可见,我国水温前兆观测井中,传感器观测深度在50～200 m之间,传感器观测深度超过400 m的井孔主要分布在黑龙江、山东、浙江、江苏等地,在西南和西北等地区只有1个台站传感器放置深度超过400 m。

表3 传感器的安装深度
Tab.3 Depths of the sensors in the well

传感器安装在比较浅的部位进行观测,无法获取人们期望得到的地壳深部流体活动信息,而且还容易受到人类活动的干扰,信息的信度和可利用性受到严重影响。一般认为,随着传感器观测深度的增加,异常出现的比例会有大幅度的增加,即传感器安装深度越深越有利于水温前兆信息观测。由此可见,今后在台网建设上要对重点监视区进一步加强深井温度观测,以便获得更多可靠的前兆信息。

水温动态周期畸变或消失、基值变化的异常特征,均与孕震应力场关系密切,是地震孕育—发生—调整过程中,水温场在不同阶段的反应。水温动态异常与恢复过程说明水温状态在应力场作用下从一个稳态向另一个稳态的过渡过程,是水温前兆观测的重要内容。由于高精度水温观测点观测环境、井孔条件、观测部位构造条件、介质条件、地下水动力条件的差异,各观测点的水温动态呈现出不同的形态,识别震前异常并判断预报价值,就要研究水温动态的形成机制。

据所调查的257个台站提供的观测部位温度背景值,对其特征进行分类统计,结果见表4。

图3 全国水温观测井孔观测部位温度特征图
Fig.3 Temperature at the observational locations of the wells nationwide

表4 观测部位温度特征表
Tab.4 Temperature at the observational locations

由表4及图3可见,在我国水温前兆台网中,多数井为冷水、低温热水和常温井,观测部位的温度在10～40 ℃之间,适合于把传感器投入井水中进行数字化观测,但约8%的观测井温度偏高。井温度高低反映了地下水的循环深度。一般认为水循环深度大的井水往往更有利于携带深部地壳活动信息(谷元珠等,2001),它的热水来源于比较深的相对孤立的热水含水层,与观测井孔构成了一个巨大的“体积式应变仪”,对应力场的作用比较灵敏,有可能观测到幅度较大的水温前兆现象。因此国内外部分学者特别重视深井高温热水的观测。

对277个台站提供的有关资料进行分析,结果表明,目前采用交流电的仪器占37.17%,53.98%的仪器采用交、直流供电,只有不到8.85%的仪器采用直流供电方式; 仪器通讯采用网络传输方式的占55%,还有45%仪器采用程控电话或其它传输方式(王军,2008)。

仪器故障多为雷击和供电电源不稳引起,其原因主要有以下两方面:第一,井房的避雷设施不完善,造成仪器或传感器因雷击产生故障; 第二,偏僻地区的台站供电电源不稳,造成电源短路产生故障。由此可见,需要对台站的电源和避雷设备进行较好的改造和升级,以保证数据的连续、可靠。

水温正常动态是指井孔观测点处温度的形态及特征变化,不同的动态类型与观测井(泉)所处的观测条件密切相关。当观测井孔所处的地质构造背景、介质环境和地下水状态等稳定时,井孔及周围的水温会达到一种相对稳定的平衡状态。井孔及周围环境条件不同时,井孔水温所表现出的动态特征也不相同,虽然其表现形式多样,但还是有一定的规律可循。水温的正常动态分为长期正常动态和短期正常动态(付子忠,1990)。水温长期正常动态有稳定型、波动型、跳变型、漂移型等,不同的动态类型与观测井所处的观测条件密切相关(赵刚,2009)。

(1)稳定型动态:由于温度部位的岩石透水性弱,地下水对该处温度的影响很小,温度年变幅不超过0.01 ℃,处于稳定的观测环境中,如福建泉州井(年变0.001 ℃)。

(2)波动型动态:由于受地下水影响比较大,观测部位的温度呈无规则长期波动,绝对值变化很大(一年变化可能达到0.1 ℃至几摄氏度),波动型形成的原因可能是探头被安放到了含水层内,在水的快速流动交换或自流井流量不稳定等情况下,温度常常会有大幅度变化。

(3)跳变型动态:温度会出现一定幅度的升温突跳或降温突跳,持续时间往往从几分钟至几小时,有时甚至会持续几天。跳变型动态主要是由于地下水活跃,补给渠道较多等,造成温度跳跃。

(4)漂移型动态:温度随时间变化较大,年变幅超过了0.01 ℃,从长期来看温度基本呈线性上升或下降,这类动态产生的原因可能是观测点处的围岩在缓慢增加或减弱的应力场作用下,温度发生漂移变化。

因此要研究水温前兆机理,就要研究观测井点构造特点、介质条件、地下水特征、井孔特性等观测系统的自然条件(王瑜青等,1994),还要研究该系统对孕震信息响应的特征和能力。

通过对井孔观测条件的研究,笔者认为仪器安装过程和安装方法关系到井孔能否较好地观测到水温前兆异常。由于仪器安装不当,有不少水温前兆台站的观测资料不能使用,有的台站不能长期、连续、正常观测,起不到作用。温度传感器应该安装在水温场背景稳定的环境中,观测点处的岩石介质要存在适量的孔隙,观测点还应处在一个井孔中温度波动最小的部位(理想情况:日温度波动小于0.001 ℃,甚至在0.000 1～0.000 2 ℃之间)。在这样的部位进行水温前兆观测,可得到信噪比较高的水温前兆信息; 反之,日波动幅度大,说明地下水活动影响较大,不易观测到水温前兆信息。

井孔的温度梯度测量方法:以25 m为步长,每个点放置大约15 min,进行梯度测量,并绘制井孔温度梯度曲线,它是井孔基本热特性的重要数据。根据每个点的温度变化规律,结合井孔柱状图,初步判断可进行水温观测的井段。

分段动态形态测量是确定观测部位的最重要方法,特别是对于无钻孔资料(如柱状图)的测井(泉)(付子忠,1988),分段动态形态测量是唯一可取的方法。用温度梯度测量法初步判断可供水温观测的点位,然后在这些点位内,每点连续观测2～3 h,选择温度变化幅度最小的那一段作为水温前兆观测部位。

笔者以周家台为例进行简单说明。梯度测量时,在该井中每隔25 m选取一个观测点,每个点进行30 min测量,最终所得井孔的温度梯度曲线如图4所示,选点的要求是有较明显、均匀的梯度,如果连续一段没有反映出梯度数据,或者其梯度曲线线性度很差时,则认为该段上下水交换比较剧烈,不太适合水温前兆观测。

在满足梯度条件的基础上,选择3个以上的点进行温度动态分析:深度分别为275 m、300 m和314 m,进行2 h左右观测,分析结果显示,动态变化越小的点越适合水温前兆观测。由于水温前兆异常变化幅度通常都比较小,有的变化值在千分之几度左右,所以要选择观测噪声背景值最小的点进行观测。如图4所示,在314 m处,温度变化最小,为0.005 ℃,故将该点作为该井的观测层位。

图4 温度梯度测量曲线
Fig.4 Curve of temperatures grad