劉國俊，張文男，楊海祥，郭國祥

（1.山西省地震局夏縣中心地震臺，山西 夏縣 044400；2.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，太原 030025；3.山西省地震局臨汾中心地震臺，山西 臨汾 041000）

東郭井水位與水溫成組異常及其映震特征

劉國俊1，2，張文男1，2，楊海祥1，2，郭國祥2，3

（1.山西省地震局夏縣中心地震臺，山西 夏縣 044400；2.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，太原 030025；3.山西省地震局臨汾中心地震臺，山西 臨汾 041000）

分析了東郭井自2008年1月觀測以來出現(xiàn)的水位與水溫成組異常及其與周圍中等地震活動的關系，研究結果顯示：異常與地震有較好的對應關系，其異常的基本特征是水位階降與水溫緩升的形態(tài)配套，異常的幅度與震級大小有一定關系，異常持續(xù)的時間與井震距有一定的關系，還討論了異常的機理。

東郭井；水位；水溫；震前異常；中等地震

0 引言

東郭井是山西省地震局自籌資金建設的一口地震觀測深井，2007年7月成井，2007年10月開始水位與水溫的數(shù)字化試觀測。自2008年1月正式觀測以來，該井水位與水溫多次出現(xiàn)同步異常，分析結果表明：這些異常同井區(qū)外圍350km以內4級左右中等地震活動有一定對應關系。筆者進一步分析了異常的形態(tài)、幅度、時間特征及其與對應地震的震級、井震距等的關系，初步建立了地震預測的指標，并運用于地震監(jiān)測與預測的實踐中，取得了一定效果。

1 東郭井概況

東郭井位于山西省運城市鹽湖區(qū)東郭村。井點坐標為111.1°E，35.0°N，海拔高程338m，該井在地貌上處于中條山山前地帶，在構造上處于NE向中條山山前大斷裂與NW向隱伏斷裂交匯處。在水文地質上處于中條山大氣降水滲入補給與運城鹽湖排泄區(qū)之間的地下水徑流帶中（圖1）。

東郭井深614.11m，揭露的地層主要是第四系黏性土與第三系泥質膠結的細砂巖、粉砂巖，觀測井內全部下設直徑146mm金屬不變徑套管，其中485～606m井深的砂巖段下設濾水管，累積長度80.79m，485m以上全部黏土止水，對觀測含水層的抽水實驗結果為：含水層滲透性較弱，K＝0.12m／d，地下水化學類型為HCO－3－Mg.Ca.Na，礦化度0.67g／L。地下水類型為孔隙承壓水。

三年多的觀測結果表明，受區(qū)域性地下水開采的影響，該井水位趨勢下降，降幅達10m，但無明顯年變；井水溫度探頭置深580m，水溫動態(tài)總體呈上升趨勢，升幅為0.01℃，但上升過程呈現(xiàn)階升—緩降的起伏特征。水位的日變幅一般＜0.01m，水溫的日變幅一般＜0.003℃（圖2）。

2 井水位與水溫異常

東郭井水位與水溫動態(tài)，自2008年1月正式投入觀測以來，共出現(xiàn)9組異常（圖3）。

圖1 東郭井井區(qū)地質圖

圖2 東郭井2008-01—2011-01分鐘值動態(tài)曲線

圖3 2008年01月－2011年01月年東郭井水溫與水位9組異常圖

對上述異常的可靠性，均進行了查證?，F(xiàn)場檢查結果為：儀器設備的工作狀態(tài)正常，儀器的供電工作條件穩(wěn)定，周圍無開采井干擾，確認異常非觀測儀器設備、周圍環(huán)境干擾引起的。特別對水位進行了測鐘校測，確認水位變化是真實的、客觀的。由于水溫與水位是在同一口井中觀測，且水溫與水位異常同步出現(xiàn)，也可認為水溫異常是可信的。

對上述異常的基本特征，提煉結果如表1所示，其中，2008年5月12日的異常幾乎與四川汶川8.0級地震同時出現(xiàn)，被認為是該地震的同震響應。

表1 東郭井2008年01月—2011年01月異常特征表

3 東郭井異常與地震的對應關系

筆者收集了2008年01月—2011年01月在東郭井外圍350km范圍內發(fā)生的中等地震（表2）。

經(jīng)過對比分析，該井的水位與水溫異常同上述地震活動在時間上表現(xiàn)出較好的對應關系，其結果如表3所列。

表2 東郭井外圍2008年01月—2011年01月中等地震目錄

表3 東郭井水位、水溫異常對應地震表

若把2008年2月6日東郭井水位、水溫成組變化可能與四川汶川地震有關的異常及2008年5月12日汶川地震的同震異常排除之后，該井異常與周圍中等地震的關系是：共有5次（組）異常，周圍發(fā)生6次中等地震實際上對應了5次地震，異常對應地震率為83%（異常組數(shù)與發(fā)生地震次數(shù)之比）；有異常無地震率為0%；無異常有地震率為17%。由此可見，東郭井水位、水溫成組異常的地震對應率較高，幾乎異常與地震可以一一對應起來，因此可認為東郭井是一口映震靈敏井。

4 異常的映震特征

（1）異常的形態(tài)與成組性

由圖3可見，水位的異常均為下降，且多為階降，異常過程約在1小時內完成，只有一次為突降，異常發(fā)生在幾小時內，還有一次為緩降，異常發(fā)生在十幾小時內；水溫的異常均為上升，且多為突升與緩升。

特別有趣的是水位與水溫異常多是配套成組出現(xiàn)，無一例外，異常形態(tài)的成組特征是水位下降－水溫上升。

（2）異常的時間特征及其與井震距的關系

由表1與表2對比分析可見，水位異常出現(xiàn)時間總是早于水溫異常，水溫異常滯后水位異常的時間最短幾分鐘，最長幾小時；水位異常結束時間也總是早于水溫異常，水位異常持續(xù)時間為33min～78h08min，水溫異常持續(xù)時間3h50min～96h53min。

在異常的時間特征與井震距關系上，表現(xiàn)出發(fā)生距離越遠的地震，異常出現(xiàn)時間越早的特征，這樣的特征說明，東郭井異常出現(xiàn)的無震時間越長，觀測井區(qū)及其鄰區(qū)發(fā)震的危險性越小（圖4）。

（3）異常的幅度特征與地震關系

由表1可見，井水位的異常幅度為0.100～2.259m不等，井水溫的異常幅度為0.001～0.048℃不等。統(tǒng)計結果表明，異常的幅度與震級有一定關系，表現(xiàn)出異常的幅度越大，對應的震級就越高的趨勢（圖5）。

圖4 東郭井異常持續(xù)時間與井震距的關系

圖5 東郭井異常幅度與震級的關系

（4）預測實踐

依據(jù)2008—2009年3次異常與3次地震對應關系的經(jīng)驗總結，當2010年1月6日再次出現(xiàn)水位與水溫上述異常時，根據(jù)異常特征及其與未來地震的關系分析，于2011年1月15日提出“近期應注意周邊地區(qū)發(fā)生5級地震可能性”的預測意見。結果1月24日在距東郭井約50km的河津市發(fā)生4.7級地震。實踐證明，東郭井的水位與水溫異常對當?shù)氐卣鸬谋O(jiān)測與預測具有明顯的實用意義。

（5）汶川地震前的異常特征

東郭井水位與水溫成組異常不但在2008年5月12日汶川8.0級地震發(fā)生前表現(xiàn)出十分顯著的異常（圖2a），而且震時同震響應也十分明顯（圖2b）。汶川地震前的異常是水位與水溫同步成組出現(xiàn)在震前3個月（約95天），水位的異常幅度達2.259m，水溫的異常幅度達0.048℃，這是該井自觀測以來出現(xiàn)的最為顯著的異常。這樣的特征，大體上也是符合上述“發(fā)生在遠處的地震異常出現(xiàn)的時間早，大震前出現(xiàn)的異常幅度大”等分析結果。這也進一步證明東郭井的異常特征及其與未來地震關系的基本認識，因此對大區(qū)域大震的監(jiān)測與預測也有一定意義。

5 異常機理的討論

按照一般井水位動態(tài)與井區(qū)含水層受力狀態(tài)關系的理論，認為井水位下降表示了井區(qū)受拉張應力的作用，即含水層巖體被拉張，孔隙率增大，孔隙壓力減小，井筒內的水流回到含水層中，表現(xiàn)為井水位下降。按照這樣的理論，東郭井近幾年來應力處于松弛狀態(tài)，而且松弛過程是幕式的。這樣的狀態(tài)，可能與中條山大斷裂南端的幕式滑動有關［1－2］。

井水溫度的同步上升型異常，按照井水溫度微動態(tài)形成機理，理應隨井水位下降同步下降，因為井水回流到含水層時，井筒內水溫將會隨之下降。因此，對于這種矛盾現(xiàn)象，可能存在兩種可能：一是井筒內水溫傳感器放置井段的水溫梯度不正常，即為負梯度帶，上層水溫高，下層水溫低；二是水溫異常不是水熱動力作用引起的，而是地熱動力作用引起的，即由于東郭井位于夏縣南山底地熱異常區(qū)的外圍，處在地熱活動相對活躍的地區(qū)，當?shù)販\層地應力狀態(tài)發(fā)生短暫的拉張作用時深部的熱流也相應的涌上來，導致大地熱流的釋放量相對升高，使井水溫度上升。究竟屬于何種機理，還有待進一步研究。

關于汶川地震的同震機理，則完全符合水動力學機制［3－4］，當強大的地震波作用到東郭井雙側含水層時，含水層巖體發(fā)生彈性變形，導致反復的壓－張變形，引起井水與含水層地下水間水流的交替運動，引起井水位振蕩，之后水位發(fā)生階升，證明本次地震使該井區(qū)壓應力增強。與此同時，井水溫度略有滯后的階降→突升變化，其中階降是井水振蕩時，井筒內不同溫度的水混合引起的，即上層低溫水與下層高溫水混合或發(fā)生熱動力彌散作用，使深部傳感器所在處的水溫下降；之后水溫緩升，是水位振蕩攪亂了井筒內的熱狀態(tài)，導致井水與外圍巖石之間的熱平衡狀態(tài)發(fā)生破壞，即深處井水溫度較外圍巖石溫度低，引起巖石中的熱向井筒內傳遞，使井水溫度緩慢升高。

6 基本認識

（1）東郭井水位與水溫在汶川8.0級地震和周圍中等地震前表現(xiàn)出顯著的異常，異常與地震的對應關系較好，說明該井為映震靈敏井。這與該井所處的特定構造部位，觀測含水層埋深大，無變徑成井工藝，井區(qū)無干擾等優(yōu)越條件有關。

（2）東郭井水位與水溫配套成組異常的異常形態(tài)總是“水位下降，水溫上升”，異常的重現(xiàn)性好，對地震監(jiān)測具有較大的實用意義。

（3）東郭井異常的基本特征是：異常幅度大，未來的震級高；異常持續(xù)時間短，未來地震的井震距小，故對未來地震的震級與發(fā)震地區(qū)的估計有一定參考意義。

（4）東郭井水位的映震機理符合“含水層巖體變形→孔隙壓力變化→井－含水層間水流運動→井水位變化”的力學－水動力學機制。但水溫的映震機理尚不清楚；對汶川地震的水溫同震響應機理符合“井水振蕩→井水上下混合或水動力彌散→井水溫急降及井水－圍巖間熱傳導（熱平衡）→水溫緩升”的水動力學－熱動力學機制。

致謝：本研究得到車用太研究員指導與幫助，在此深表感謝。

［1］ 楊又陵，趙根模，高國英，等.2001年11月14日昆侖山口西 M8.1地震前的緩慢地震事件［J］.國際地震動態(tài)，2003（9）：2-3.

［2］ 王慶良，張曉東，崔篤信，等.理解前兆異常變化機理和地震短臨前兆［J］.國際地震動態(tài)，2005（5）：136-139.

［3］ 車用太，劉成龍，魚金子.井水溫微動態(tài)及其形成機制［J］.地震，2008，28（4）：23-27.

［4］ 張環(huán)曦，郭建芳，薛志芳，等.昌黎井數(shù)字化水位水溫對汶川地震同震響應機理分析［J］.華北地震科學，2009，27（4）：47-49.

Groundwater Level and Groundwater Temperature Bunching Anomalies of Dongguo Well and Its Earthquake Reflecting Characteristic

LIU Guo-jun1，2，ZHANG Wen-nan1，2，YANG Hai-xiang1，2，GUO Guo-xiang2，3
（1.Xiaxian Central Seismic Station，Shanxi Xiaxian 044400，China；
2.National Continental Rift Valley Dynamic Observatory of Taiyuan，Shanxi Taiyuan 030025，China；
3.Linfen Central Seismic Station，Shaxi Linfen 041000，China）

The relationship between groundwater level and groundwater temperature bunching anomalies of Dongguo well and moderate earthquakes activity in surrounding area are analyzed in this paper.The result indicates that the essential characteristic of the anomalies is the synchrony of the step drawdown of the groundwater and the slow rising of the groundwater temperature，and there is corresponding relation between the anomalies and the earthquakes.The amplitude of the anomalies is related to the magnitude of the earthquakes；the lasting time of the anomalies is related to distance between the well and the epicenter.In addition，the mechanism of the anomalies is discussed.

Dongguo well；groundwater level；groundwater temperature；pre-earthquake anomaly；moderate earthquake

P315.723

A

1003－1375（2012）01－0022－07

2011-10-09

2011年中國地震局監(jiān)測、預報、科研三結合項目“東郭流體觀測井異常與映震特征研究”

劉國?。?972－），男（漢族），山西省洪洞人，本科，工程師，主要從事地下流體監(jiān)測與研究工作.E-mail：liuguojun926＠163.com