徐桂明,鄭江蓉,楊從杰,李鴻宇

(江蘇省地震局,南京 210014)

江蘇 05井、06井水溫的中短期地震異常典型特征研究＊

徐桂明,鄭江蓉,楊從杰,李鴻宇

(江蘇省地震局,南京 210014)

江蘇宿遷 05井、金湖 06井自 2001年數字化改造以來,水溫觀測記錄到的典型中短期異常較好地對應了華東地區(qū)的幾次中等地震,并較成功地應用于日常短臨預報工作。對這兩口井水溫的典型異常圖像和預報實踐進行總結,結果表明:水溫作為地震的直接前兆異常觀測項目,在地震預報中具有相當突出的短臨特征,它更多的反映了井孔區(qū)域內的中等地震引發(fā)的應力活動,在江蘇地震的短期、短臨預報方面發(fā)揮了較好的作用。

宿遷 05井水溫;金湖 06井水溫;異常圖像;短臨預報

0 引言

在地熱異常變化與地震關系的研究中,人們很早就認識到地震活動區(qū)往往也是地熱異常帶,地震前地溫、地下水溫有明顯的變化(車用太等,2003;簡春林等,2006)。過去由于受觀測儀器、觀測精度、采樣率等的制約,只能在強地震時觀測到地熱的變化,如在 1976年5月云南龍陵 7.6級地震,1988年9月云南瀾滄—耿馬 7.6級地震前,均有顯著的短臨地熱異常(陳立德,1990;楊繼登,王世芹,1999;林輝等,2006;劉耀偉等,2008)。在“九五”前兆臺網建設期間,江蘇省對地熱觀測系統(tǒng)進行了數字化改造,改造后的觀測資料采樣數據為分鐘值,正常動態(tài)穩(wěn)定,觀測精度得到提高。

本文討論了 2001年以來江蘇宿遷 05井、金湖06井數字化地熱資料的正常變化形態(tài)和地震中、短期異常變化形態(tài),結合井孔附近區(qū)域 2001年以來的幾次中等地震活動進行分析研究。研究表明:在監(jiān)視區(qū)域內的數次中等地震發(fā)生前,數字化地熱資料均有典型的短臨異常圖像出現,異常圖像出現時間一般在震前幾天至 3個月內。由此說明對于以中等地震活動為主的區(qū)域,數字化地熱在短期預報或短臨預報方面能夠發(fā)揮更大的作用。

1 宿遷 05井、金湖 06井概況及資料選取

江蘇宿遷 05井位于郯廬斷裂帶以東約 23 km、沐陽凹陷內平原地區(qū),是 1980年3月專為地震監(jiān)測打的一口觀測井。附近無大的地表水體。年平均降水量在 920mm左右。觀測含水層埋深較深,缺乏直接補給,水循環(huán)緩慢,其上泰州組地層構成良好的隔水頂板,使該含水層具有一定的封閉性。

江蘇金湖 06井位于郯廬斷裂帶東側、金湖凹陷劉莊構造興隆集高點。1976年8月由江蘇省石油開發(fā)指揮部為石油勘探所打。東北約 6 km處為白馬湖,南約 1 km處為老三河。多年平均降水量在 970 mm左右。觀測含水層埋深于 2 000 m以下,大范圍內未出露地表,缺乏直接補給,水循環(huán)緩慢,該含水層具有一定的封閉性。

圖1為宿遷蘇 05井、金湖蘇 06井孔柱狀圖。表 1為蘇 05井、蘇 06井觀測參數。這兩口井在 2000年進行數字化改造,觀測資料 2001年開始用于地震分析預報工作。井改造后的觀測資料表明,水溫儀器性能穩(wěn)定,采樣率高,故障率低,資料連續(xù)可靠。

圖1 蘇 05(a)、06井(b)井孔柱狀圖Fig.1 The histogram of Su 05(a)and Su 06(b)boreholes

表1 宿遷 05井、金湖 06井基本參數Tab.1 Basic parameters of Suqian 05 borehole and Jinhu 06 borehole

圖2 2001年1月至 2007年12月研究選用地震分布圖Fig.2 Distribution of selected earthquakes for research from Jan.2001 to Dec.2007

本文對 2001年1月 1日～2007年12月 31日在研究區(qū)域(29.5°～35.5°N,115.5°～122.5°E)內發(fā)生的ML≥3.3地震進行了一定的選取,參考《地震地下流體觀測技術》 (中國地震局監(jiān)測預報司,2002)和《地下流體地震預報方法》(國家地震局預測預防司,1997)對區(qū)域內中等地震預測能力普適性選取原則,在研究區(qū)域內 58次 3.3級以上地震中選取 12次理論上對預報效能有貢獻的地震(圖 2,表 2),從圖 2的震中分布圖可知研究所選地震基本分布在這兩個臺點周圍 200 km,最大地震為 2005年11月 26日江西九江ML6.0地震,據水溫研究臺點約 500 km。表 2為這 12次地震的具體參數和距離;水溫資料選用 2001年1月至2007年12月蘇 05井和蘇 06井的整點觀測值。

表2 2001年1月至 2007年12月研究選用地震各項參數Tab.2 Infor mation about selected earthquakes from Jan.2001 to Dec.2007

2 蘇 05井、蘇 06井水溫正常動態(tài)變化

2001年蘇 05井水溫正式投入觀測,水溫探頭在距地面 200 m以下,受降水、氣壓的影響較小,只有出現較大的降水時才會產生小幅波動。水溫的日變形態(tài)為振蕩形,整點值日波動為 0.01℃左右,年變形態(tài)相對平穩(wěn),年變規(guī)律不明顯。2006年10月后受探頭故障和井房改造影響,恢復觀測后的水溫測值變化很不穩(wěn)定,出現多起較大幅度的變化,并呈現緩慢趨勢降變化。兩口井水溫的正常日變化和年變長趨勢見圖 3。

圖3 蘇 05井和蘇 06井長趨勢變化(a)和正常日波動變化(b)圖(a-1)、(b-1) 蘇 05井;(a-2)、(b-2) 蘇 06井Fig.3 Comparison between long-time trend change and diurnal change on Su 05 and Su 06 boreholes.

蘇 06井水溫觀測儀于 2001年進行數字化改造,改造后的測值與模擬觀測值相比變化不大。水溫探頭在距地面 200 m以下,受降水、氣壓的影響較小,水溫的日變形態(tài)為振蕩型。分鐘值日波動約為 0.001℃,平均月變幅度約為0.002℃,年變形態(tài)相對平穩(wěn),年變規(guī)律不明顯,呈緩慢上升變化,年上升幅度約 0.006℃。2007年9月因修理探頭故障停測,10月份探頭重新安裝之后測值與原測值相比出現 0.07℃的臺階變化。

3 蘇 05井、06井水溫中短期異常形態(tài)與地震響應分析

3.1 蘇 05井水溫

3.1.1 2005年11月九江M5.7地震

蘇 05井水溫在 2005年4月底至 8月底出現長達4個月的趨勢下降異常,累計下降幅度為0.094℃。2005年8月 29日至 9月 1日出現了負的階變異常,幅度為 0.017℃。8月底出現的階變是在長達 4個月的趨勢下降背景上出現的,之后水溫變化較平穩(wěn)。約 1個月后的距蘇 05井 55 km的淮安市發(fā)生ML3.5地震,約 3個月后的 11月 26日在距蘇05井 540 km的江西九江發(fā)生M5.7地震。對這起異?？烧J為是近場和遠場異常的綜合表現,短期階變可認為是近震的震源異常,趨勢下降可認為是遠震的場源異常(圖 4a)。

圖4 蘇 05井水溫幾次中等地震典型異常圖像(a)2005年3～11月;(b)2006年4～7月;(c)2007年3～6月Fig.4 Tipically abnormality of severalmiddle earthquakes on Su 05'swater temperature(a)Mar.2005～Nov.2005;(b)Apr.2006～Jul.2006;(c)Mar.2007～Jun.2007

3.1.2 2006年7月定遠 ML4.7地震

2006年4月以來蘇 05井水溫測值開始出現趨勢上升,幅度為 0.035℃。經反復調查,排除了許多可能的干擾。2006年7月 1日～3日又出現異常:1、2日水溫正常波動消失,3日出現大幅下降,下降幅度為 0.034℃,之后恢復正常趨勢上升變化狀態(tài)。7月 26日在安徽定遠發(fā)生ML4.7地震,該地震震中距蘇 05井 168 km(圖 4b)。

3.1.3 2007年5月響水 ML4.0地震

2006年底儀器因探頭故障送修停測,12月恢復觀測。重下的水溫探頭位置與之前有一定的差別,使得水溫測值由儀器故障前的趨勢上升變化轉為下降變化,但 2007年1月至 3月的水溫測值保持均勻穩(wěn)定的下降速率。自 4月初開始水溫出現加速下降過程,在快速下降過程中同時伴隨四起凹型波動變化,下降幅度為 0.026℃,下降速率為0.022℃/月,是平均下降速率 0.007℃/月的三倍。在最后一次波動同時發(fā)生 5月 6日響水ML4.0地震,震中距蘇 05井 113 km,震后水溫恢復到相對穩(wěn)定的趨勢下降狀態(tài)(圖 4c)。

3.2 蘇 06井水溫

(1)2002年5月萊安—六合 ML3.8震群

2002年4月 29日蘇 06井水溫出現緩降,至 5月 3日共下降 0.004℃。5月 3日距臺站 80km的萊安—六合發(fā)生ML3.8小震群,之后蘇 06井水溫快速回升,地震發(fā)生 10小時后,水溫即恢復到下降前的水平,在正常狀態(tài)下波動。此次異常具有明顯的短臨異常性質(圖 5a)。

(2)2005年10月 12日淮安ML3.5和 11月 26日江西九江M5.7地震

蘇 06井水溫觀測數據于 2005年8月 31日在正常的趨勢上升背景上出現了下降變化,至 9月 15日累計下降幅度為 0.006 7℃,并且水溫測值又開始出現轉折回升,至 10月 12日水溫恢復到正常水平。當日在距蘇 06井 50 km的淮安市發(fā)生了ML3.5地震,震后水溫測值變化平穩(wěn)。由于這起異常之前沒有出現類似蘇 05井的趨勢異常變化,而與淮安地震從時間、形態(tài)、地點上都吻合的相當好,因此我們更傾將其向認可為近震的短臨異常。該下降異常結束后 44天在距蘇 06井 500 km的江西九江 2005年11月 26日發(fā)生了 M5.7地震(圖 5b)。

(3)2006年7月 26日定遠ML4.7地震、2006年9月 9日高郵 ML3.3地震

蘇 06井水溫從 2006年3月以來出現轉折抬升變化,4、5月份測值在新的臺階上伴有多次波動變化,6月上旬形成一次形態(tài)較好的負異常,之后測值快速下降變化,在下降過程中發(fā)生 7月 26日安徽定遠ML4.7地震,震中距蘇 06井 140 km;8月蘇 06井再次出現凹型負異常,變化幅度約為0.002℃,是正常水溫波動的 2倍左右,在恢復上升期間的 9月 9日高郵發(fā)生ML3.3地震,震中距蘇 06井不到 48 km(圖 5c)。

圖5 蘇 06井水溫幾次中等地震典型異常圖像(a)2002年2～5月;(b)2005年6～11月;(c)2006年3～9月;(d)2006年12月 ～2007年5月Fig.5 Tipically abno rmality of severalmiddle earthquakes on Su 06'swater temperature.(a)Feb.2002～May.2002;(b)Jun.2005～Nov.2005(c)Mar.2006～Sep.2006;(d)Dec 2006～May.2007

(4)2007年5月響水 ML4.0地震

2007年1月 6日蘇 06井水溫出現下降變化,在下降了 0.004℃之后測值在低值上波動。2月 14日開始轉折上升,至 2月 23日累計上升 0.005℃,完成了一個很好的負異常變化。之后變化相對穩(wěn)定,異常形成后二個多月在 5月 6日發(fā)生了響水ML4.0地震,震中距蘇 06井 120 km(圖 5d)。

3.3 異常綜合分析

對表 2中 12次中等地震前蘇 05井、蘇 06井水溫觀測資料進行綜合分析,統(tǒng)計水溫異常的變化時間、幅度、形態(tài)等得出表 3。

表3 蘇 05井、蘇 06井水溫震前異常時間、幅度、變化形態(tài)Tab.3 The varitions ofwater temperature on short-imminent abnormality time,amplitude and shape in Su 05 and Su 06

按發(fā)震地點、震級和變化形態(tài)對表 3作進一步討論,得到以下幾點認識:

(1)對 3.5級以下地震,如果觀測點距發(fā)震地點大于 50 km,05井和 06井水溫均不會出現異常;對 3.5級以上地震,在 50～200 km范圍內均有一定的異常顯示,總體圖像表現為凹型負異常,兩者形成負異常的速率不同,一般在異常結束后三個月內發(fā)震。

(2)對震級相近、觀測點距發(fā)震位置相近的同一觀測點,異常圖像有較好的重復性和相似性,這種現象對于出現異常后判定發(fā)震位置有極大的幫助,如圖 3的響水 4.0地震,圖 4的淮安 3.5地震和高郵 3.3地震。

(3)由于觀測點構造不同,觀測儀器的精度和背景躁聲不同,蘇 05井和蘇 06井出現異常的幅度和形態(tài)是不相同的,但對于區(qū)域監(jiān)測范圍內的大部分中等地震,兩者仍然有較好的同步異常。對同一次地震,蘇 05井水溫更早的表現出趨勢性的短期異常變化,而蘇 06井水溫突變性的短臨異常更加突出。

4 異常特征的解釋

地殼流體是反映地殼應力與變形關系最敏感的介質。引起靜水位井孔水溫變化的主要原因是對流和傳導。對流是指深、淺部冷、熱水之間的熱交換,傳導是指探頭附近地區(qū)地溫(或含水層水溫)變化通過井壁的傳導方式影響探頭周圍的水溫變化。在地震孕育的不同階段,地下水溫的變化在某種程度上是構造應力作用的客觀反映(王博等,2008;張素欣等,2005;顧申宜等,2010)。井孔水溫變化的不同特點則反映了地震的孕育與發(fā)生過程和這種孕育過程中地殼應力應變響應狀態(tài)。

蘇 05井水溫探頭埋深為 200 m,蘇 06井水溫探頭為 400 m埋深,從井孔結構地層可知蘇 05井180 m以上、蘇 06井 600 m以上巖性未進行過取樣分析,是否存在弱含水層還不清楚。蘇 05井水溫探頭位置應位于古近系地層的頂部,郯廬斷裂帶以東 12 km沭陽凹陷內。地層以粉砂巖和細砂為主,因夾雜泥層或層巖,貯水量有限。蘇 06井水溫探頭位置應位于古近系地層的頂部,估計以粉砂巖和細砂為主,構造部位為金湖凹陷內。2口井觀測含水層埋深均較深,缺乏直接補給,水循環(huán)緩慢,使該含水層具有一定的封閉性,大氣降水對水溫觀測基本沒有影響,熱水應來自地下較深處的基巖裂隙。

根據 2001年這 2口井數字化水溫資料的中等地震可以看出,現在記錄到的異常均為負異常,這說明在中等地震前均出現了水溫下降異常,筆者認為出現這種異常變化的原因可能有二:一是對流作用,我們注意到,蘇 06井井孔密封性好,受地表水直接影響的可能性較小。如果是對流作用則應是觀測含水層水循環(huán)加快,在補給水頭壓力未發(fā)生變化的情況下觀測含水層的水溫相對降低,在對流的作用下使探頭周圍的水溫降低。二是傳導作用,即探頭附近地區(qū)的地層地熱下降,通過井壁與探頭周圍的井水發(fā)生熱交換,使探頭周圍的水溫降低。同時這兩口井均位于凹陷構造內,應該是地下構造應力發(fā)生張性變化,引起含水層循環(huán)加速,致使觀測含水層水溫或淺部含水層水溫下降,通過對流或傳導的方式引起探頭周圍的水溫降低。從另一方面也說明當井孔附近處于張性變化時,在有效映震范圍內發(fā)生的地震震級較低。

5 應用和結論

5.1 應用

近年來在日常預報工作中,由于注重資料的分析和對異常圖像的識別,我們做出了幾次較為成功的短臨預報。

(1)蘇 05井水溫 2005年8月底的階變是在2005年4月底以來長達 4個月的趨勢下降背景上出現的,之后水溫變化較平穩(wěn),可見蘇 05井的水溫異常具有從中期轉為短期的性質。江蘇省地震局預報中心學科組在 9月 28日的會商會上明確將蘇 05井水溫溫異常變化定為地震異常,指出未來三個月內周圍 100 km有發(fā)生 4級左右地震的可能。2005年10月 12日距蘇 05井 60 km的淮安市發(fā)生了 ML3.5地震①江蘇省周、月地震監(jiān)測報告(2005)第 48期 .。

(2)在 2006年7月 26日安徽定遠發(fā)生M4.2地震后,蘇 06井水溫于 8月 14～17日又出現較快速率的下降,之后測值較穩(wěn)定。這幾次變化幅度均較小,約為 0.002℃,是水溫正常波動的 2倍左右。針對該井水溫的這些異常變化,學科組在 8月 23日的周會商意見及 8月份的月會商意見中提出:“這可能表明該區(qū)地下的一種應力活動,近期應注意該地區(qū)小震活動有上升的可能”。9月 9日在江蘇高郵發(fā)生ML3.3地震,震中距蘇 06井不到 80 km②江蘇省周、月地震監(jiān)測報告(2006)第 43期 .。

(3)蘇 06井水溫在 2007年1月 6日 20時～7日 04時出現下降變化,累計下降幅度為 0.004℃,之后一直在此水平上波動。2月 14日開始轉折上升,至 2月 23日累計上升 0.005℃,完成了一次很好的負異常變化,這次異常的形態(tài)較好,幅度也與前幾次異常相當,學科組在該項異常出現后,于 2007年1月 10日至 5月 3日的周、月會商中均提出了判定意見:“蘇 06井主要反映了其附近地區(qū)的應力變化,注意其附近地區(qū)發(fā)生ML4.0左右地震的可能”,并將發(fā)震的最遲時間定在 5月初,給定的兩個可能發(fā)震地點分別是該井以西的郯廬斷裂帶附近地區(qū)和其東側的南黃海沿岸地區(qū)。5月6日在江蘇響水發(fā)生了 ML4.0地震,該地震距蘇06井 120 km①江蘇省周、月地震監(jiān)測報告(2007)第 2、5、10、15期 .。

5.2 結論

水溫作為地震的直接前兆異常觀測項目,在地震預報中具有相當突出的短臨特征,特別是對于深井觀測,水溫探頭受降水、氣壓的影響較小,日變和年變形態(tài)相對平穩(wěn),能更多的反映井孔區(qū)域內的地下應力活動。

數字化深井水溫投入到地震監(jiān)測以來,全國深井水溫觀測資料總結出一些較好的異常圖像,蘇 05井和蘇 06井水溫即是例子,這二口井水溫的變化對 200 km范圍內ML3.5以上中等地震有較為敏感的異常顯示,江蘇省地震局在日常預報實踐工作中有幾次成功的預報嘗試。由于研究臺點區(qū)域的地震活動水平本身偏低,近十年來沒有發(fā)生 5級以上的地震,這對更多更準的地震預測實踐帶來較大的困難,但我們在資料的深入研究上仍積極地探索,這兩口井的水溫觀測資料對前兆觀測資料有效地應用到地震短臨預測研究上具有十分重要的意義。

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Studies on typical characteristic of m id and short term anomaly of Geotherm of Suqian 05 and Jinhu 06 wells

XU Gui-m ing,ZHENG Jiang-rong,YANG Cong-jie,L I Hong-yu
(Earthquake Adm inistration of J iangsu Province,Nanjing210014,J iangsu,China)

Typicalm id and short term anom aly recorded by geotherm observation w ell corresponds w ith severalm oderate earthquakes in east China and applies successfully to short-term earthquake prediction after digital rebuild of Suqian05and Jinhu06w ells in Jiangsu Province.This paper studies typical anom aly graphs and prediction activities and draw s the conclusion as follow s:Geotherm as an observation item of w arning indications of earthquakes possesses the characteristics of short-term and approaching in forecasting; It w ell reflects the stress activities caused by the m edium earthquakes in the band of the w ell; Thus,it plays an important role in the short-term earthquake prediction.

Geotherm of Suqian05w ell,Geotherm of Jinhu06w ell,A nom aly graph,Short-term earthquake prediction

P315.72+3

A

1000-0666(2010)04-0274-07

2009-10-27.

江蘇省科技廳社會發(fā)展項目(BS2006085)和國家自然科學基金(40901272)聯合資助 .