張惠菊，付 虹，，張 翔，胡小靜

(1.云南省紅河州開遠市地震局，云南 開遠 661699；2.云南省地震局，云南 昆明 650224)

0 引言

地震的發(fā)生常常伴隨著地殼深部熱流體的運動。水作為地殼中最活躍的介質對地下物質熱活動更為敏感，因此，通過地熱(井水溫或泉水溫)動態(tài)觀測來監(jiān)測地震孕育過程是有堅實的理論基礎的(付子忠，1988)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國已建設成規(guī)模較大的地震地熱(井水溫或泉水溫)觀測網(wǎng)(國家地震局科技監(jiān)測司，1995)，為我國地震監(jiān)測預報研究與應用提供了豐富的觀測資料(劉耀煒，2006；劉春國等，2022)。

隨著觀測技術的發(fā)展，我國目前在井水溫觀測中采用了高靈敏度及高分辨率的水溫傳感器，其觀測精度優(yōu)于0.02 ℃，分辨力達到0.000 1 ℃，具有靈敏的水溫動態(tài)響應能力(孫小龍，劉耀煒，2006；張彬等，2015)，因此獲取了顯著的地震前兆信息(劉耀煒等，2008；付虹，趙小艷，2013；李瓊等，2017；芮雪蓮等，2022)，以及豐富的井水溫度動態(tài)特征(劉耀煒等，2010；馬玉川，2014)。由于井水溫具有動態(tài)信息豐富、變化機理復雜的特點(車用太等，1996，2008；魚金子等，2012)，在分析井水溫觀測異常變化資料時，需要考慮觀測環(huán)境、儀器系統(tǒng)及其井-含水層系統(tǒng)等因素的影響，排除能夠確定的干擾成分，分析反映地震孕育過程的前兆信息，同時也需要對異常變化的可能物理機制給出合理的科學解釋。

云南開遠井水位和水溫自觀測以來積累了長期的資料，觀測環(huán)境干擾相對較小，資料可信度高，在多次中強地震前均有異常出現(xiàn)，為地震分析預報工作提供了豐富的信息(付虹等，2007，2014)。2020年以來，開遠井水溫出現(xiàn)了高頻波動異常變化，而且與井水位沒有明顯的對應關系，不同于前人總結的井水溫異常特征(孫小龍，劉耀煒，2006)，因此很難借用已有成果給出合理解釋。開遠井水溫高頻波動異常是觀測環(huán)境影響或觀測系統(tǒng)問題，還是水溫動態(tài)的另一種特征？本文針對此異常變化特征，尋找異常成因與可能的機制，豐富井水溫動態(tài)特征，以期為地震異常判定方法提供參考依據(jù)。

1 構造背景與觀測井概況

1.1 構造背景

開遠井位于云南省開遠市北郊十里村(103.25°E，23.75°N)，海拔1 050 m，構造位置處于開遠陷落盆地北部邊緣的小江斷裂與建水—石屏弧形斷裂交叉、復合部位，即石屏建水山字型構造弧頂及朋普—開遠—個舊斷裂上(圖1)。開遠井所處的開遠盆地面積約40 km2，地勢平坦，四周山地環(huán)繞，盆地中主要為第四系孔隙含水層和巖溶含水層。第四系含水層埋藏淺，直接出露地表，接受大氣降水補給，而巖溶水埋藏較深。觀測井含水層為埋藏較深的巖溶含水層徑流區(qū)，主要受東山區(qū)降雨滲入補給(付虹，趙小艷，2013)。

圖1 開遠井區(qū)域構造背景示意圖

1.2 觀測井概況

開遠井于1984年成井，成井深度224 m，套管共169.38 m，井管96.00～100.36 m段為花管，169.38～224.0 m為裸井，水位埋深約4.78 m，水溫約24.2 ℃。圖2為觀測井結構及井孔柱狀圖，從圖中可以看出，該井的觀測含水層段為花管段加裸孔段，觀測含水層巖性為三疊系灰?guī)r，部分層位含斷層破碎物及深灰色致密狀炭質，地下水類型屬于基巖裂隙承壓水(付虹，趙小艷，2013)。

圖2 開遠井井孔柱狀圖

由圖2可以看出，其含水層以灰?guī)r為主，碳酸鈣溶解應為地下水礦物質主要來源。而從圖3a給出的井水化學組分Piper圖中可以看出，開遠井水屬于HCO3-Na·Ca型水，地下水中Na+含量略高于Ca2+，說明其地下水發(fā)生了陽離子交替吸附作用，Ca2+置換了巖土所吸附的一部分Na+，使地下水中Na+增多、Ca2+減少，說明井中地下水補給徑流路徑較長并經(jīng)歷了與含鈉巖層的離子交換過程。從圖3b氫氧同位素大氣降水線分布可以看出，開遠井水的氫氧同位素存在偏離大氣降水線現(xiàn)象，也佐證了該井地下水補給徑流過程中可能發(fā)生了較強的水巖反應。

圖3 開遠井水化學組分圖(a)與氫氧穩(wěn)定同位素分析結果(b)

開遠井1986年開始用于地震觀測，主要觀測項目為靜水位、井水溫、氣象三要素等。井水溫觀測始于1988年，于2002年進行“九五”數(shù)字化改造，安裝了高精度測溫儀(SZW-1A)，探頭置于井下220 m，數(shù)據(jù)采樣間隔為1 h。2014年11月安裝了“十五”高精度測溫儀(ZKGD3000-NT)，探頭置于井下210 m，數(shù)據(jù)采樣間隔為1 min，“十五”儀器與“九五”儀器進行長期對比觀測。

圖4為開遠井溫度及溫度梯度隨深度變化的曲線，從圖中可以看出，井水溫度隨深度變化呈現(xiàn)線性增加特征，觀測含水層段中110～120 m、150～170 m及190～220 m為水熱交換比較劇烈段，這類含水層常見于低滲透率基巖裂隙含水層中，表現(xiàn)為裂隙涌水量不大但有一定的溫度差異。井水溫動態(tài)與井水位變化呈長周期動態(tài)相關，但水溫短周期乃至高頻波動與井水位升降無對應關系，這一特征在開遠井表現(xiàn)得尤為突出。

圖4 開遠井溫度(a)與溫度梯度(b)隨深度變化的曲線

2 水溫動態(tài)特征及震例分析

2.1 水溫動態(tài)主要影響因素分析

開遠井觀測含水層屬徑流較長的大氣降雨滲透補給，井水位的升降受降雨緩慢補給影響。從圖5可以看出，降雨量增多季節(jié)，井水位及水溫升高；降雨量減少季節(jié)，水位及水溫降低，水位及水溫年動態(tài)表現(xiàn)為正相關關系。使用2012—2014年開遠井水溫與水位旬均值作一元線性回歸分析，得到開遠井水溫(y)與水位(x)的線性回歸方程為：y=12.285+1.839x，相關系數(shù)r=0.730 1，說明水溫和水位趨勢變化具有顯著的正相關特征。

圖5 2017年開遠井水位(a)、水溫(b)、降雨(c)年動態(tài)曲線對比圖

2.2 水溫異常特征的震例分析

對2007年以來開遠井水溫資料分析發(fā)現(xiàn)，該井在區(qū)域中強以上地震前均有顯著的水溫異常現(xiàn)象，異常多出現(xiàn)在震前幾天或幾十天，短臨異常特征明顯(圖6a)；形態(tài)上表現(xiàn)為在上升或下降背景下出現(xiàn)轉折，在有些地震前水溫出現(xiàn)單點或連續(xù)高值突跳異常，多出現(xiàn)在短臨階段(圖6b)，表明開遠井水溫有一定的映震能力。

圖6 開遠井水溫(220 m深處)短期(a)與短臨(b)異常震例圖

3 井水溫高頻波動現(xiàn)象分析

3.1 水溫異常變化

自2020年3月8日開始，開遠井220 m深處井水溫出現(xiàn)了不定期的快速下降后轉折回升的短期波動變化，波動升降幅度在0.02 ℃～0.06 ℃，時間間隔也疏密不同，密集時最短間隔時間為4 d左右，稀疏時最長間隔時間為50 d左右，井水位短期動態(tài)無顯著變化(圖7)。

圖7 開遠井220 m深處水位(a)與水溫(b)小時值觀測曲線對比圖

圖8為井深220 m處“九五”探頭與210 m處“十五”水溫探頭觀測的數(shù)據(jù)曲線，這兩個探頭相差10 m，但變化過程、變化形態(tài)及上升速率幾乎完全一致，只是上升或下降轉折時間相差40多個小時，推斷認為這一特征應該為同一因素造成的。210 m探頭水溫變化為26.801 1 ℃～26.846 1 ℃(幅值0.045 0 ℃)，220 m探頭水溫變化為26.623 7 ℃～26.671 9 ℃(幅值0.048 2℃)。從絕對溫度可以看出210 m水溫略高于220 m水溫，二者的溫度絕對量相差約0.18 ℃，這個溫度大于儀器絕對溫度精度的0.05 ℃，因此認為這兩個探頭的溫度是真實的。

圖8 開遠井210 m(a)、220 m(b)深處水溫觀測長期動態(tài)變化與兩者短期特征對比(c)

對于開遠井水溫的該異常特征，根據(jù)《地震觀測異?，F(xiàn)場核實報告編寫 地下流體(DB/T 70—2018)》提出的技術要求，首先考慮是否存在觀測環(huán)境干擾，譬如抽水、注水或蓄水等；其次需要考慮觀測系統(tǒng)是否受到干擾，譬如臺站電源故障、儀器接地問題、儀器故障、儀器的相互干擾等。如果沒找到以上干擾源，且排除了可能的干擾因素，則需要從井水溫自身變化給出合理的機理解釋，并從區(qū)域地震活動狀態(tài)分析是否與區(qū)域構造活動增強有關。

3.2 干擾因素分析

筆者通過現(xiàn)場踏勘調研了觀測井周邊環(huán)境，發(fā)現(xiàn)周邊存在居民淺層抽水點，但這些抽水點不存在異常抽水現(xiàn)象，抽水方式與規(guī)模沒有發(fā)生顯著改變，因此可以排除抽水干擾的影響。

供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性也是影響觀測的重要環(huán)節(jié)。2019年開遠井完成標準化臺站改造后，所有儀器設備采用市電引入后經(jīng)過同一個UPS穩(wěn)壓之后供電。為排除井水溫波動異常受供電系統(tǒng)影響的因素，210 m和220 m深度的2個水溫觀測儀器采用了不同的供電方式。210 m深度的觀測儀器由UPS交流供電系統(tǒng)改為電瓶直流供電系統(tǒng)，220 m深度儀器仍保持UPS交流供電。為了避免井水溫觀測系統(tǒng)中某一部位漏電造成數(shù)據(jù)干擾，將主機電路板公共負極接地，溫度傳感器(探頭)屏蔽層連接井口管接地。采取以上措施近2個月內(nèi)，所有的觀測狀態(tài)均未因供電方式的改變而發(fā)生變化，異?，F(xiàn)象繼續(xù)出現(xiàn)，說明異?，F(xiàn)象不是由供電系統(tǒng)所致。

3.3 實驗觀測分析

為了查明觀測井的水-熱動力學環(huán)境，又在井深198 m處新安裝1套SZW-Ⅱ型水溫儀進行對比觀測，同樣記錄到了類似的異常變化(圖9)。從圖9可以看出，首先是210 m處的水溫出現(xiàn)下降回升變化，其次是220 m的水溫處出現(xiàn)下降回升變化，最后是198 m的水溫處出現(xiàn)下降回升變化。從3套儀器觀測結果分析認為，這種獨立的水溫變化過程可以排除儀器故障因素。

圖9 開遠井3套水溫探頭觀測資料對比曲線

3.4 機理分析

前人對井水溫變化的物理過程進行過大量研究，也解釋了井水溫動態(tài)變化的機理。魚金子等(2012)提出了井水溫變化的水動力學模型，認為水溫微動態(tài)變化很可能是由于水流量所攜帶的井孔內(nèi)熱量變化引起的，這一觀點被大量觀測事實所驗證。車用太等(1996)認為，當區(qū)域應力加載到地殼淺層的含水巖體時，會引起巖體一定的變形，這種變形必將導致含水層孔隙壓力的改變，從而影響含水層系統(tǒng)內(nèi)部的水流狀況，使井水溫度發(fā)生變化。以上研究成果的核心是水-熱動力學機制，也就是說地下水補給源的溫度和水動力大小作用是影響井水溫升高或下降以及變化速度的主要因素(李旭茂等，2020)。

開遠井的觀測含水層為花管+裸孔，由于花管長度僅為4 m左右，且水溫梯度沒有顯著變化，因此認為169.38～224.0 m裸孔段為該井的主要觀測含水層。從圖4可以看出，210 m處存在水溫梯度較大的水-熱交換層位，由于210 m處裂隙中的水溫較其上下層井水溫高(圖4b中溫度梯度為“凸型”)，在儲水裂隙受到巖體變形作用發(fā)生閉合時，會造成進入井孔內(nèi)的熱水量減少，使得該層位及周邊井水溫逐漸降低，當裂隙突然開啟時會釋放出相對與周邊較高溫度的水至井孔，引起了210 m處及其上下層位水溫的快速上升，之后水溫緩慢恢復至正常狀態(tài)。由于水-熱對流與傳導作用，使得220 m處水溫在約40 h后也發(fā)生同樣形態(tài)的變化，而198 m處水溫約在50 h后發(fā)生同樣形態(tài)的變化，這可能是由于198 m探頭比220 m探頭距離210 m探頭稍遠一點，或井水向上對流要比向下對流速度較慢所致。另外，這種異常變化現(xiàn)象在193 m處的實驗觀測也得到驗證，只是水溫變化幅度較198 m處小，時間也較198 m處滯后十幾個小時。從圖9還可以看到，當210 m處水溫變化幅度較小時，220 m及198 m處的水溫變化幅度很小(2022年11月13日)或沒有變化(2022年11月23日)，也驗證了210 m處是引起井水溫變化的主要層位。綜上，上述3個層位的井水溫波動異常變化是由于井下210 m深度處裂隙閉合與開啟過程造成的，并可以用水-熱動力學的熱傳導及熱對流機制給予合理解釋。

開遠井水溫發(fā)生短期變化，但井水位并沒有發(fā)生同步變化，分析其原因主要為：井水位與水溫出現(xiàn)趨勢性動態(tài)相關(圖5)，表明該井的觀測含水層主要是較高溫度補給為主，因此表現(xiàn)為水位與水溫出現(xiàn)同步升高變化特征(李旭茂等，2020)。但從2020年3月開始，觀測井深層含水層裂隙出現(xiàn)閉合與開啟而導致井觀測層狀態(tài)發(fā)生改變，由于該井含水層具有顯著的不均勻性特征，這種含水層裂隙的閉合與開啟不是發(fā)生在整個井觀測含水層，推斷認為210 m處的水量增減不足以引起整個觀測井水位的短期波動，因此沒有觀測到水位出現(xiàn)下降及上升這樣一個短期變化過程，但從圖7可以看出該階段出現(xiàn)了水位下降趨勢，表明井含水層狀態(tài)的變化對水位的趨勢動態(tài)是有一定影響的。

以上從井孔結構條件及水-熱動力學原理解釋了開遠井水溫高頻波動的機理，但引起該井深含水層發(fā)生變化的力學機制是否與區(qū)域構造活動有關呢？自2020年3月出現(xiàn)水溫波動異常以來，開遠井200 km范圍內(nèi)先后發(fā)生了2020年6月12日老撾4.7級、7月12日云南綠春4.8級和2021年6月10日云南雙柏5.1級等3組5級左右地震。2021年12月24日在距離井孔220 km的老撾又發(fā)生了6.1級地震(圖7)，而從2022年3月下旬開始至今，未出現(xiàn)類似井水溫波動異常。因此推測認為，該井深部含水層出現(xiàn)閉合與開啟造成井水溫波動異常，可能是區(qū)域構造活動增強引起的，周邊發(fā)生的一系列中強以上地震是構造活動增強的結果。當然，要證明該階段研究區(qū)域構造活動增強狀態(tài)，還需要更多地球物理觀測資料的佐證。

4 結論

云南開遠井水溫對井孔周邊的地震有一定的映震能力，曾多次對應發(fā)生在觀測井附近或周圍的地震，之前的水溫異常以上升、下降或轉折為主，但2020年3月以來開遠井水溫出現(xiàn)了不定期的高頻波動變化。本文介紹了觀測井結構與觀測含水層概況，分析了不同層位水溫觀測結果，解釋了這種井水溫異常形態(tài)的可能機理，通過對比觀測實驗及水-熱動力學機制分析，得出以下主要結論：

(1)通過對觀測井周邊環(huán)境進行調研，排除了抽注水對觀測含水層的可能影響；對3套觀測系統(tǒng)分別使用市電經(jīng)UPS穩(wěn)壓之后的電源和電池直流供電方式，發(fā)現(xiàn)不同的供電方式對井水溫觀測動態(tài)無影響，排除了供電系統(tǒng)的因素。

(2)觀測井出現(xiàn)高頻波動異常的主要機理是儲水裂隙受到巖體變形作用發(fā)生閉合，造成進入井孔內(nèi)的熱水量減少引起該層位水溫逐漸降低，當裂隙突然開啟時會釋放出相對較高溫度的水至井孔引起了水溫的快速上升，該層位水溫的降低與升高過程在熱傳導及熱對流作用下影響到其上下層位的水溫動態(tài)。

(3)由于引起水溫變化層位的水量在短時間內(nèi)不足以影響整個觀測井水量的變化，因此井水位沒有出現(xiàn)與水溫同步波動的變化過程，但該井觀測含水層受變形作用影響，打破了井水位與井水溫趨勢動態(tài)相關的關系，在井水溫出現(xiàn)密集波動階段，井水位出現(xiàn)了上升變化動態(tài)。

(4)對觀測井周邊200 km范圍內(nèi)的中強地震活動特征分析表明，在井水溫出現(xiàn)高頻波動階段，中強地震活動具有加強的趨勢，推測認為該井深層含水層出現(xiàn)閉合與開啟而造成井水溫波動異常，可能是區(qū)域構造活動增強作用的結果，周邊發(fā)生的一系列中強以上地震，特別是2021年12月24日在距離井孔220 km發(fā)生的老撾6.1級強震，都是構造活動增強的直接響應。