江苏 05井、06井水温的中短期地震异常典型特征研究＊

徐桂明,郑江蓉,杨从杰,李鸿宇

(江苏省地震局,南京 210014)

江苏 05井、06井水温的中短期地震异常典型特征研究＊

徐桂明,郑江蓉,杨从杰,李鸿宇

(江苏省地震局,南京 210014)

江苏宿迁 05井、金湖 06井自 2001年数字化改造以来,水温观测记录到的典型中短期异常较好地对应了华东地区的几次中等地震,并较成功地应用于日常短临预报工作。对这两口井水温的典型异常图像和预报实践进行总结,结果表明:水温作为地震的直接前兆异常观测项目,在地震预报中具有相当突出的短临特征,它更多的反映了井孔区域内的中等地震引发的应力活动,在江苏地震的短期、短临预报方面发挥了较好的作用。

宿迁 05井水温;金湖 06井水温;异常图像;短临预报

0 引言

在地热异常变化与地震关系的研究中,人们很早就认识到地震活动区往往也是地热异常带,地震前地温、地下水温有明显的变化(车用太等,2003;简春林等,2006)。过去由于受观测仪器、观测精度、采样率等的制约,只能在强地震时观测到地热的变化,如在 1976年5月云南龙陵 7.6级地震,1988年9月云南澜沧—耿马 7.6级地震前,均有显著的短临地热异常(陈立德,1990;杨继登,王世芹,1999;林辉等,2006;刘耀伟等,2008)。在“九五”前兆台网建设期间,江苏省对地热观测系统进行了数字化改造,改造后的观测资料采样数据为分钟值,正常动态稳定,观测精度得到提高。

本文讨论了 2001年以来江苏宿迁 05井、金湖06井数字化地热资料的正常变化形态和地震中、短期异常变化形态,结合井孔附近区域 2001年以来的几次中等地震活动进行分析研究。研究表明:在监视区域内的数次中等地震发生前,数字化地热资料均有典型的短临异常图像出现,异常图像出现时间一般在震前几天至 3个月内。由此说明对于以中等地震活动为主的区域,数字化地热在短期预报或短临预报方面能够发挥更大的作用。

1 宿迁 05井、金湖 06井概况及资料选取

江苏宿迁 05井位于郯庐断裂带以东约 23 km、沐阳凹陷内平原地区,是 1980年3月专为地震监测打的一口观测井。附近无大的地表水体。年平均降水量在 920mm左右。观测含水层埋深较深,缺乏直接补给,水循环缓慢,其上泰州组地层构成良好的隔水顶板,使该含水层具有一定的封闭性。

江苏金湖 06井位于郯庐断裂带东侧、金湖凹陷刘庄构造兴隆集高点。1976年8月由江苏省石油开发指挥部为石油勘探所打。东北约 6 km处为白马湖,南约 1 km处为老三河。多年平均降水量在 970 mm左右。观测含水层埋深于 2 000 m以下,大范围内未出露地表,缺乏直接补给,水循环缓慢,该含水层具有一定的封闭性。

图1为宿迁苏 05井、金湖苏 06井孔柱状图。表 1为苏 05井、苏 06井观测参数。这两口井在 2000年进行数字化改造,观测资料 2001年开始用于地震分析预报工作。井改造后的观测资料表明,水温仪器性能稳定,采样率高,故障率低,资料连续可靠。

图1 苏 05(a)、06井(b)井孔柱状图Fig.1 The histogram of Su 05(a)and Su 06(b)boreholes

表1 宿迁 05井、金湖 06井基本参数Tab.1 Basic parameters of Suqian 05 borehole and Jinhu 06 borehole

图2 2001年1月至 2007年12月研究选用地震分布图Fig.2 Distribution of selected earthquakes for research from Jan.2001 to Dec.2007

本文对 2001年1月 1日～2007年12月 31日在研究区域(29.5°～35.5°N,115.5°～122.5°E)内发生的ML≥3.3地震进行了一定的选取,参考《地震地下流体观测技术》 (中国地震局监测预报司,2002)和《地下流体地震预报方法》(国家地震局预测预防司,1997)对区域内中等地震预测能力普适性选取原则,在研究区域内 58次 3.3级以上地震中选取 12次理论上对预报效能有贡献的地震(图 2,表 2),从图 2的震中分布图可知研究所选地震基本分布在这两个台点周围 200 km,最大地震为 2005年11月 26日江西九江ML6.0地震,据水温研究台点约 500 km。表 2为这 12次地震的具体参数和距离;水温资料选用 2001年1月至2007年12月苏 05井和苏 06井的整点观测值。

表2 2001年1月至 2007年12月研究选用地震各项参数Tab.2 Infor mation about selected earthquakes from Jan.2001 to Dec.2007

2 苏 05井、苏 06井水温正常动态变化

2001年苏 05井水温正式投入观测,水温探头在距地面 200 m以下,受降水、气压的影响较小,只有出现较大的降水时才会产生小幅波动。水温的日变形态为振荡形,整点值日波动为 0.01℃左右,年变形态相对平稳,年变规律不明显。2006年10月后受探头故障和井房改造影响,恢复观测后的水温测值变化很不稳定,出现多起较大幅度的变化,并呈现缓慢趋势降变化。两口井水温的正常日变化和年变长趋势见图 3。

图3 苏 05井和苏 06井长趋势变化(a)和正常日波动变化(b)图(a-1)、(b-1) 苏 05井;(a-2)、(b-2) 苏 06井Fig.3 Comparison between long-time trend change and diurnal change on Su 05 and Su 06 boreholes.

苏 06井水温观测仪于 2001年进行数字化改造,改造后的测值与模拟观测值相比变化不大。水温探头在距地面 200 m以下,受降水、气压的影响较小,水温的日变形态为振荡型。分钟值日波动约为 0.001℃,平均月变幅度约为0.002℃,年变形态相对平稳,年变规律不明显,呈缓慢上升变化,年上升幅度约 0.006℃。2007年9月因修理探头故障停测,10月份探头重新安装之后测值与原测值相比出现 0.07℃的台阶变化。

3 苏 05井、06井水温中短期异常形态与地震响应分析

3.1 苏 05井水温

3.1.1 2005年11月九江M5.7地震

苏 05井水温在 2005年4月底至 8月底出现长达4个月的趋势下降异常,累计下降幅度为0.094℃。2005年8月 29日至 9月 1日出现了负的阶变异常,幅度为 0.017℃。8月底出现的阶变是在长达 4个月的趋势下降背景上出现的,之后水温变化较平稳。约 1个月后的距苏 05井 55 km的淮安市发生ML3.5地震,约 3个月后的 11月 26日在距苏05井 540 km的江西九江发生M5.7地震。对这起异常可认为是近场和远场异常的综合表现,短期阶变可认为是近震的震源异常,趋势下降可认为是远震的场源异常(图 4a)。

图4 苏 05井水温几次中等地震典型异常图像(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月定远 ML4.7地震

2006年4月以来苏 05井水温测值开始出现趋势上升,幅度为 0.035℃。经反复调查,排除了许多可能的干扰。2006年7月 1日～3日又出现异常:1、2日水温正常波动消失,3日出现大幅下降,下降幅度为 0.034℃,之后恢复正常趋势上升变化状态。7月 26日在安徽定远发生ML4.7地震,该地震震中距苏 05井 168 km(图 4b)。

3.1.3 2007年5月响水 ML4.0地震

2006年底仪器因探头故障送修停测,12月恢复观测。重下的水温探头位置与之前有一定的差别,使得水温测值由仪器故障前的趋势上升变化转为下降变化,但 2007年1月至 3月的水温测值保持均匀稳定的下降速率。自 4月初开始水温出现加速下降过程,在快速下降过程中同时伴随四起凹型波动变化,下降幅度为 0.026℃,下降速率为0.022℃/月,是平均下降速率 0.007℃/月的三倍。在最后一次波动同时发生 5月 6日响水ML4.0地震,震中距苏 05井 113 km,震后水温恢复到相对稳定的趋势下降状态(图 4c)。

3.2 苏 06井水温

(1)2002年5月莱安—六合 ML3.8震群

2002年4月 29日苏 06井水温出现缓降,至 5月 3日共下降 0.004℃。5月 3日距台站 80km的莱安—六合发生ML3.8小震群,之后苏 06井水温快速回升,地震发生 10小时后,水温即恢复到下降前的水平,在正常状态下波动。此次异常具有明显的短临异常性质(图 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

苏 06井水温观测数据于 2005年8月 31日在正常的趋势上升背景上出现了下降变化,至 9月 15日累计下降幅度为 0.006 7℃,并且水温测值又开始出现转折回升,至 10月 12日水温恢复到正常水平。当日在距苏 06井 50 km的淮安市发生了ML3.5地震,震后水温测值变化平稳。由于这起异常之前没有出现类似苏 05井的趋势异常变化,而与淮安地震从时间、形态、地点上都吻合的相当好,因此我们更倾将其向认可为近震的短临异常。该下降异常结束后 44天在距苏 06井 500 km的江西九江 2005年11月 26日发生了 M5.7地震(图 5b)。

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

苏 06井水温从 2006年3月以来出现转折抬升变化,4、5月份测值在新的台阶上伴有多次波动变化,6月上旬形成一次形态较好的负异常,之后测值快速下降变化,在下降过程中发生 7月 26日安徽定远ML4.7地震,震中距苏 06井 140 km;8月苏 06井再次出现凹型负异常,变化幅度约为0.002℃,是正常水温波动的 2倍左右,在恢复上升期间的 9月 9日高邮发生ML3.3地震,震中距苏 06井不到 48 km(图 5c)。

图5 苏 06井水温几次中等地震典型异常图像(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月响水 ML4.0地震

2007年1月 6日苏 06井水温出现下降变化,在下降了 0.004℃之后测值在低值上波动。2月 14日开始转折上升,至 2月 23日累计上升 0.005℃,完成了一个很好的负异常变化。之后变化相对稳定,异常形成后二个多月在 5月 6日发生了响水ML4.0地震,震中距苏 06井 120 km(图 5d)。

3.3 异常综合分析

对表 2中 12次中等地震前苏 05井、苏 06井水温观测资料进行综合分析,统计水温异常的变化时间、幅度、形态等得出表 3。

表3 苏 05井、苏 06井水温震前异常时间、幅度、变化形态Tab.3 The varitions ofwater temperature on short-imminent abnormality time,amplitude and shape in Su 05 and Su 06

按发震地点、震级和变化形态对表 3作进一步讨论,得到以下几点认识:

(1)对 3.5级以下地震,如果观测点距发震地点大于 50 km,05井和 06井水温均不会出现异常;对 3.5级以上地震,在 50～200 km范围内均有一定的异常显示,总体图像表现为凹型负异常,两者形成负异常的速率不同,一般在异常结束后三个月内发震。

(2)对震级相近、观测点距发震位置相近的同一观测点,异常图像有较好的重复性和相似性,这种现象对于出现异常后判定发震位置有极大的帮助,如图 3的响水 4.0地震,图 4的淮安 3.5地震和高邮 3.3地震。

(3)由于观测点构造不同,观测仪器的精度和背景躁声不同,苏 05井和苏 06井出现异常的幅度和形态是不相同的,但对于区域监测范围内的大部分中等地震,两者仍然有较好的同步异常。对同一次地震,苏 05井水温更早的表现出趋势性的短期异常变化,而苏 06井水温突变性的短临异常更加突出。

4 异常特征的解释

地壳流体是反映地壳应力与变形关系最敏感的介质。引起静水位井孔水温变化的主要原因是对流和传导。对流是指深、浅部冷、热水之间的热交换,传导是指探头附近地区地温(或含水层水温)变化通过井壁的传导方式影响探头周围的水温变化。在地震孕育的不同阶段,地下水温的变化在某种程度上是构造应力作用的客观反映(王博等,2008;张素欣等,2005;顾申宜等,2010)。井孔水温变化的不同特点则反映了地震的孕育与发生过程和这种孕育过程中地壳应力应变响应状态。

苏 05井水温探头埋深为 200 m,苏 06井水温探头为 400 m埋深,从井孔结构地层可知苏 05井180 m以上、苏 06井 600 m以上岩性未进行过取样分析,是否存在弱含水层还不清楚。苏 05井水温探头位置应位于古近系地层的顶部,郯庐断裂带以东 12 km沭阳凹陷内。地层以粉砂岩和细砂为主,因夹杂泥层或层岩,贮水量有限。苏 06井水温探头位置应位于古近系地层的顶部,估计以粉砂岩和细砂为主,构造部位为金湖凹陷内。2口井观测含水层埋深均较深,缺乏直接补给,水循环缓慢,使该含水层具有一定的封闭性,大气降水对水温观测基本没有影响,热水应来自地下较深处的基岩裂隙。

根据 2001年这 2口井数字化水温资料的中等地震可以看出,现在记录到的异常均为负异常,这说明在中等地震前均出现了水温下降异常,笔者认为出现这种异常变化的原因可能有二:一是对流作用,我们注意到,苏 06井井孔密封性好,受地表水直接影响的可能性较小。如果是对流作用则应是观测含水层水循环加快,在补给水头压力未发生变化的情况下观测含水层的水温相对降低,在对流的作用下使探头周围的水温降低。二是传导作用,即探头附近地区的地层地热下降,通过井壁与探头周围的井水发生热交换,使探头周围的水温降低。同时这两口井均位于凹陷构造内,应该是地下构造应力发生张性变化,引起含水层循环加速,致使观测含水层水温或浅部含水层水温下降,通过对流或传导的方式引起探头周围的水温降低。从另一方面也说明当井孔附近处于张性变化时,在有效映震范围内发生的地震震级较低。

5 应用和结论

5.1 应用

近年来在日常预报工作中,由于注重资料的分析和对异常图像的识别,我们做出了几次较为成功的短临预报。

(1)苏 05井水温 2005年8月底的阶变是在2005年4月底以来长达 4个月的趋势下降背景上出现的,之后水温变化较平稳,可见苏 05井的水温异常具有从中期转为短期的性质。江苏省地震局预报中心学科组在 9月 28日的会商会上明确将苏 05井水温温异常变化定为地震异常,指出未来三个月内周围 100 km有发生 4级左右地震的可能。2005年10月 12日距苏 05井 60 km的淮安市发生了 ML3.5地震①江苏省周、月地震监测报告(2005)第 48期 .。

(2)在 2006年7月 26日安徽定远发生M4.2地震后,苏 06井水温于 8月 14～17日又出现较快速率的下降,之后测值较稳定。这几次变化幅度均较小,约为 0.002℃,是水温正常波动的 2倍左右。针对该井水温的这些异常变化,学科组在 8月 23日的周会商意见及 8月份的月会商意见中提出:“这可能表明该区地下的一种应力活动,近期应注意该地区小震活动有上升的可能”。9月 9日在江苏高邮发生ML3.3地震,震中距苏 06井不到 80 km②江苏省周、月地震监测报告(2006)第 43期 .。

(3)苏 06井水温在 2007年1月 6日 20时～7日 04时出现下降变化,累计下降幅度为 0.004℃,之后一直在此水平上波动。2月 14日开始转折上升,至 2月 23日累计上升 0.005℃,完成了一次很好的负异常变化,这次异常的形态较好,幅度也与前几次异常相当,学科组在该项异常出现后,于 2007年1月 10日至 5月 3日的周、月会商中均提出了判定意见:“苏 06井主要反映了其附近地区的应力变化,注意其附近地区发生ML4.0左右地震的可能”,并将发震的最迟时间定在 5月初,给定的两个可能发震地点分别是该井以西的郯庐断裂带附近地区和其东侧的南黄海沿岸地区。5月6日在江苏响水发生了 ML4.0地震,该地震距苏06井 120 km①江苏省周、月地震监测报告(2007)第 2、5、10、15期 .。

5.2 结论

水温作为地震的直接前兆异常观测项目,在地震预报中具有相当突出的短临特征,特别是对于深井观测,水温探头受降水、气压的影响较小,日变和年变形态相对平稳,能更多的反映井孔区域内的地下应力活动。

数字化深井水温投入到地震监测以来,全国深井水温观测资料总结出一些较好的异常图像,苏 05井和苏 06井水温即是例子,这二口井水温的变化对 200 km范围内ML3.5以上中等地震有较为敏感的异常显示,江苏省地震局在日常预报实践工作中有几次成功的预报尝试。由于研究台点区域的地震活动水平本身偏低,近十年来没有发生 5级以上的地震,这对更多更准的地震预测实践带来较大的困难,但我们在资料的深入研究上仍积极地探索,这两口井的水温观测资料对前兆观测资料有效地应用到地震短临预测研究上具有十分重要的意义。

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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.

江苏省科技厅社会发展项目(BS2006085)和国家自然科学基金(40901272)联合资助 .