青海玉树与德令哈地热观测井在汶川与玉树地震前的异常特征

何案华，赵 刚，刘成龙，范良龙

1中国地震局地壳应力研究所，北京 100085 2中国地震局地质研究所，北京 100029

青海玉树与德令哈地热观测井在汶川与玉树地震前的异常特征

何案华1，赵 刚1，刘成龙2，范良龙1

1中国地震局地壳应力研究所，北京 100085 2中国地震局地质研究所，北京 100029

本文较为系统地分析了青海省玉树与德令哈二口地热观测井自2007年以来的水温观测数据，发现这两口井对2008年5月12日四川汶川MS8．0级和2010年4月14日青海玉树MS7．1级地震前均有较明显的前兆异常，此外某些强地震前也有类似的异常信息．进一步对每口井的水温异常信息（诸如异常幅度、持续时间）进行了定量分析，以及每口井对应不同地震的异常曲线形态对比、异常数据的相关性分析，得出这两口井在不同地震前的水温异常形态表现出高度相似性；通过对这些曲线形态的认识与分析，为今后利用水温数据进行经验预报地震的探索开辟一条新路径．另外得出玉树井水温异常的幅度随震级与震中距的不同呈规律性变化，具体表现在震级越大、井震距越小，对应的异常幅度越大、异常持续时间也越长，且玉树井的异常主要是中长周期的异常，这种特性对利用水温异常特征判断未来地震的强度有重要意义；德令哈井则呈现出短临异常特性十分明显的特点，这种特性对利用该井水温数据来判断发震时间有着重要意义．

水温观测，前兆异常，玉树井，德令哈井，汶川地震，玉树地震

1 引 言

地热一般是指地壳热状态，在地震孕育与发生过程中，一方面与地壳的热状态密切相关，另一方面又会引起地壳热状态的改变，因此通过对反映地壳热状态的井水温度或井孔围岩温度的观测，有可能捕捉到地震前地壳热状态异常变化信息［1－7］，用于地震监测预报的探索．

我国的地热观测始于20世纪80年代，经过30多年的发展在我国大陆形成了具有300多个地热观测台站（点）的地热前兆观测台网，其中大部分的台站都采用具有0．0001℃高分辨率、高精度的石英温度计；这些观测井（点）中除青海有若干无水井中观测地温之外，其他都是观测井水温度；在这些观测井（点）中已经积累了为数不少的水温与少量地温的地震前异常实例［8－12］，为我国的地震监测与预测，尤其是在短临预测与实现有一定减灾实效的地震预报提供了重要数据．但对于地热异常特征，目前多处于定性研究阶段，主要是水（地）温异常与地震的对应关系的定性分析［10－12］，定量的研究较少，特别是异常形态的相似性方面定量研究尚未见报道．

本文研究区域［13－15］如图1所示，位于我国大陆西南部青藏块体的东北部，2008年5月12日在块体东部边缘发生MS8．0级地震，2010年4月14日在块体内部二级块体边缘发生MS7．1级地震．这两次地震前，在青海省德令哈与玉树地热观测井中都记录到非常显著的水温异常［16－18］，异常基本形态呈“V”字型（或“」”型），这种异常，在其他震例中很少见到（表1）．

本文利用一定的数学方法进行适当数据处理，对青海玉树和德令哈井在不同地震前温度异常曲线通过时间平移、曲线重叠和数字滤波等方法，定量分析了异常信息的相似性与差异．

2 玉树井水温异常特征

2．1 玉树井水温正常动态特征

玉树井位于青海省玉树县结古镇团结村，井点坐标为97．02°E，33．01°N．地热观测井深105m，井内套管下设深度100m，水温观测仪器为SZW－1A型数字式温度计，传感器放置深度为100m，此处为中生代侏罗纪花岗岩，井内有水，观测的是水温．

玉树井水温数据自2007年8月5日开始数据正常入库以来，到2010年6月6日，连续观测1035天，以整点值计算，数据完整率为93．05%；2009年因仪器故障，数据缺失较多．

自观测以来，水温动态呈上升趋势［8，18］（见图2）．对上升的趋势可用一阶函数表示如下：

T＝5×10－6t＋9．7035（时间起点为2007－08－06）其中T为地下水温度，t为时间（时）．

由图2可见，该井水温的短、长期动态较为稳定，年变化幅度不超过0．07℃．

2．2 水温的异常变化与地震关系

由图2还可以看出，在玉树井水温多年趋势上升正常动态背景上，有4次（如图2中A段、B段、C段、D段所示）出现水温陡降—缓升的非对称“V”字型变化，这种变化与同期一定范围内的地震活动有一定的对应关系（见表1）．

图1 研究区域大地构造背景及地震与观测井示意图Fig．1 The schematic diagram of tectonic setting，earthquake and observation well

系统分析结果表明，在2008年5月12日汶川MS8．0、2009年12月21日德令哈MS5．0、以及2010年4月14日玉树MS7．1等地震前都出现这种V字型异常，即4次异常中3次（对应B段、C段、D段）有地震出现（笔者认为，A段V字型异常可能跟仪器安装初期处在仪器平衡过程有关）；数据正常入库期间共发生14次地震，其中MS≥7．0的2次，MS6．0～6．9级3次，MS5．0～5．9级9次，而其中2次MS≥7．0的地震均出现此类异常，因此有理由提出这种V字型变化可能是与区域内大震活动有关的地震前兆异常．

2．3 玉树井水温异常的基本特征

为了进一步分析3次地震前V字型异常变化的基本特征，对图2中的B段（2008－02－11—2008－05－11共90天，可能与汶川MS8．0级地震有关）、C段（2009－10－12—2010－01－09共90天，可能与德令哈MS5．0级地震有关）、D段（2010－01－13—2010－04－14共90天，可能与玉树MS7．1级地震有关）的V字型异常段经时间平移，把动态曲线叠加［19－20］在一起，得到异常形态的对比如图3a所示．设计一6阶、截止频率为128h的巴特沃斯低通滤波器［20］对图3a曲线进行滤波后曲线形态对比如图3b；对于V字型异常拐点附近局部放大的曲线形态对比如图3c所示．

由图3可见，3次地震前出现的3次V字型异常的形态特征“惊人”地相似．对这种相似性进行定量计算，利用局部放大的曲线段（图3c）数据系列进行相关性分析，用下式求得相关系数r：

其中A、B分别表示为两个矩阵（在这也就是分别代表两条曲线数据序列）；分别为两矩阵的均值．计算结果表明，图1中B段异常与C段异常相关系数为0．9939，B段与D段相关系数为0．9592，C段与D段异常相关系数为0．9804．由此可见，3段曲线异常形态特征具有高度相似性；然而异常幅度上有着明显差异（见图3c），总体说来震级大、与震中距越小的地震震前异常幅度大，汶川MS8．0级地震（井震距643km）异常幅度为0．0241℃，玉树MS7．1级地震（井震距46km）异常幅度为0．0219℃，德令哈MS5．0级地震（井震距508km）异常幅度仅为0．0156℃．

图2 青海玉树地震台2007－08－05—2010－06－06水温数据曲线Fig．2 The water temperature data curve of Qinghai Yushu seismic station from 2007－08－05to 2010－06－06

表1 玉树井水温V字型异常变化与外围800km范围内MS5．0级以上地震对应关系Table 1 The corresponding relationship between the Yushu well V shaped temperature anomaly and within 800kilometers with external MS5．0

异常出现到发震时刻的间隔，即异常持续时间与地震的震级也表现一定的规律性，总的趋势是震级越大、井震距越小，异常持续时间越长，汶川地震前异常特征持续时间为82天，玉树地震前异常持续时间为84天，而德令哈地震前异常持续时间为23天．

3 德令哈井水温异常特征

3．1 德令哈井及其水温正常动态特征

德令哈地震台位于青海省海西州德令哈市（97．38°E，37．37°N）．德令哈市位于青藏高原柴达木盆地北部边缘，祁连山北缘断裂带中段；德令哈地震台位于合黎山—龙首山褶皱带南缘与走廊断陷的分界处，河西系德令哈—榆木山隆起与祁吕西褶皱外缘与古北西向构造斜撞复合部位．地热观测井深98m，观测仪器为SZW－1A型数字式温度计，传感器放置深度为80m，此处为海西期花岗岩，井内有水，观测的是水温．

德令井水温数据自2007年5月23日开始数据正常入库以来，到2010年6月6日，连续观测1110天，以整点值计算，数据完整率为99．52%，该台数据完整率较为理想．

自观测以来，该井水温动态呈上升趋势（见图4），其上升速率较为稳定［21］．对上升的趋势可用一阶函数表示如下：

T＝4×10－6t＋9．6198（时间起点为2007－5－30）其中T为地下水温度，t为时间（时）．

由图4可以看出，该井水温的短、长期动态特别稳定，年变化幅度不超过0．04℃．

3．2 德令哈井水温异常变化与地震关系

由图4还可以看出，在德令哈井水温多年趋势上升正常动态背景上，有3次近似“」”型的急升过程（B1段、C1段、D1段）和3次回归过程（A2段、B2段、C2段）的非稳态变化．对于3次“」”型急升的变化过程，经过分析得出，除C1可能是由于外部观测环境原因之外，其他2次与同期一定范围内的地震活动有明显的对应关系（见表1）．

系统分析结果表明，在2008年5月12日汶川MS8．0、2010年4月14日玉树MS7．1等地震前几天出现临震“」”型急升异常，即3次“」”型急升中2次有地震出现；在观测期间所发生14次地震中，对其中的2次MS≥7．0的地震前均出现此类异常，因此对于德令哈水温井有理由认为“」”型急升的变化可能是与区域内大震活动有关的地震前兆异常．

3．3 德令哈井前兆异常的基本特征

图3 玉树井水温3次V字型异常曲线与叠加图Fig．3 The three V shaped anomaly water temperature curves and overlay map in Yushu well

为了进一步分析3次临震的“」”型异常变化基本特征，对图4中的B1段（2008－05－08—2008－05－12共5天，可能与汶川MS8．0级地震有关）、C1段（2009－05－15—2009－05－19共5天，可能仪器受外部干扰）和D1段（2010－03－31—2010－04－04共5天，可能与玉树MS7．1级地震有关）的“」”型异常段（分钟值）经时间平移，把动态曲线叠加在一起，得到异常动态的对比图如图5a所示．设计一6阶、截止频率为128min的巴特沃斯低通滤波器，对图5a曲线滤波后曲线形态对比图如图5b所示；对于“」”型异常，拐点附近局部放大的曲线形态对比图如图5c所示．

图5 德令哈水温3次“」”型上升异常曲线与叠加图Fig．5 The three“」”shaped anomaly water temperature curves and overlay map in Delingha well．

由图5不难看出，唯有C1段曲线在急剧上升后出现一系列的不规则高频信号，应该是由于观测环境（包括仪器故障、外部干扰等）的改变而引起的数据异常波动，由此判断该上升段并非为前兆信息．求得B1段和D1段的相关系数为0．9804，这两段异常形态特征具有高度相关性．

图4 德令哈地震台2007－05－23—2010－06－06水温数据曲线Fig．4 The water temperature data curve of Qinghai Delingha seismic station from 2007－05－23—2010－06－06

为了进一步确认数据异常的具体成因，对其下降A2段（2007－12－08—2008－02－02共62天，其上升阶段怀疑在仪器安装前已经完成）、B2段（2009－02－20—2009－04－22共62天，对应B1段的上升过程）、C2段（2009－05－20—2009－07－20共62天，对应C1段上升过程）进行对比分析，笔者认为D1段上升过程其对应的下降过程还未出现．对其3次下降过程进行时间平移、曲线叠加如图6所示，由图6不难看出，其C2段下降过程明显不同于其他两次正常的下降过程，其下降过程只持续1h左右，呈现一种陡然下降趋势，从而再一次确认其对应的上升过程C1段为非地震前兆异常信息，而是仪器受外部干扰产生的一种干扰信号．

4 认识与讨论

通过上述分析，得出如下基本认识：

（1）青海省玉树井与德令哈井水温在汶川MS8．0级地震与玉树MS7．1级地震前均表现出可信度较高的异常变化［16，22］．

（2）玉树井的异常变化其基本形态是呈非对称V字型，而德令哈井的异常变化呈急剧上升趋势，并且两次地震前的异常形态具有高度的相似性．

（3）玉树井的异常幅度、异常持续时间与对应地震的震级大小、井震距等因素表现出一定的规律性，总体上震级越大、井震距越小，异常幅度越大、异常持续时间越长；且玉树井的异常主要是中长周期的异常，这种特性对利用水温异常特征判断未来地震的强度有重要意义［23－24］．

（4）德令哈井对小于MS7．0级地震未表现出明显异常信息，且异常幅度、异常持续时间与震级大小、井震距之间关系也不十分明显，但其短临异常特性十分明显，这种特性对利用该井水温资料来判断发震时间有着重要意义［23－24］．

得到上述基本认识的同时，还有如下问题值得进一步讨论：

（1）为什么两口井水温对两个不同的地震前都表现出相似的异常形态特征？作者认为，可能与人们认为的地震前兆一般都不是来自震源的信息有关．一些学者认为［25］，地震前兆可分为源兆与场兆，源兆来自震源的异常，场兆则指与孕震过程伴生的区域构造活动的异常，而一个地区的构造活动又具有一定的继承性，因此有可能对不同的地震前可表现出相似的异常变化．

（2）为什么两口井水温对发生在同个地区、不同震级的地震异常反映不同，甚至较大地震（MS6．0）前无异常，而较小地震（MS5．0）前有异常？作者认为，这正是地震前兆及其机理复杂性的表现，某一个地震孕育与发生过程及其前兆表现特征［1，26－27］，涉及到很多的条件与环节，除孕震过程对前兆观测点的影响有大小之外，还涉及到前兆异常信息的生成、传递与表现条件及其机理等，而各个条件与机理上的任何差异，都可能使表现出的异常特征不同．目前，对此问题，给出科学的解释还差得很远，是需要长期深入探讨的问题．

（3）我国高精度水温连续观测，虽然已经建成了初具规模的地热观测网络，但仍处在科学探索阶段，其观测技术也不完全成熟，如尚未解决仪器现场标定（暂只能进行实验标定）、观测数据可靠性现场校测等技术环节．这种状况，无疑影响对水温正常动态规律的认识及提取的异常动态可靠性的把握，这些问题的解决，尚等现场标定技术的完善，未来的观测技术发展［8］．

致 谢本次研究数据来源于国家地震台网中心前兆数据库，其技术思路得到车用太研究员、付子忠研究员的指导，数据分析方法得到地壳应力研究所预报室同仁的大力支持，在此一并表示感谢．

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The anomaly characteristics before Wenchuan earthquake and Yushu earthquark in Qinghai Yushu and Delingha geothermal observation wells

HE An－Hua1，ZHAO Gang1，LIU Cheng－Long2，FAN Liang－Long1

1 Institute of Crustal Dynamics，China Earthquake Administration，Beijing100085，China 2 Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing100029，China

In this paper，the data of water temperature observed in Yushu and Delingha（Qinghai Province）geothermal observation wells since 2007were analyzed systematically，by which precursory anomalies were found in both wells right before the Wenchuan Earthquake（Sichuan Province）and Yushu Earthquake（Qinghai Province）occurred on 12thMay 2008and 14thApril 2010respectively，and similar abnormal phenomena were also detected before other violent earthquakes happened．Furthermore，the information of the precursory anomalies such as anomaly amplitude and duration were analyzed quantitatively，the anomaly curves of each well fordifferent earthquakes were compared in terms of shape，and the correlation of abnormal data was studied．It can be concluded that the shapes of precursory anomaly curves of the two wells for different earthquakes have many similarities．The exploration of the precursory anomalies and their curves will break new ground for earthquake prediction by means of water temperature．Besides，the author discovered that the water temperature anomaly amplitude of Yushu Well varied with earthquake magnitude and epicentral distance，which can be described in detail as follows：the greater the magnitude，the shorter the epicentral distance，while the greater the anomaly amplitude and the longer the anomaly duration．Also the Yushu Well is dominated by medium and long－term anomalies，which will have significant impact on predicting magnitude of earthquakes using water temperature anomalies．On the other hand，the anomalies of Delingha Well were short term and imminent，and this feature will be very useful when estimating the occurrence time of an earthquake by analyzing data of water temperature．

Water temperature observation，Precursory anomaly，Yushu well，Delingha well，Wenchuan earthquake，Yushu earthquake

P314收修定稿2011－10－25，2012－02－18收修定稿

中国地震局地壳应力研究所中央级公益性科研院所基本科研业务专项（ZDJ2011－07）、国家自然科学基金（41104051）资助．

何案华，1979生，男，2008年毕业于中国地震局地壳应力研究所，获硕士学位，现主要从事地震前兆观测技术研发、地热资料分析与处理．E－mail：hua98611＠163．com

何案华，赵刚，刘成龙等．青海玉树与德令哈地热观测井在汶川与玉树地震前的异常特征．地球物理学报，2012，55（4）：1261－1268，

10．6038／j．issn．0001－5733．2012．04．021．

He A H，Zhao G，Liu C L，et al．The anomaly characteristics before Wenchuan earthquake and Yushu earthquark in Qinghai Yushu and Delingha geothermal observation wells．Chinese J．Geophys．（in Chinese），2012，55（4）：1261－1268，doi：10．6038／j．issn．0001－5733．2012．04．021．

10．6038／j．issn．0001－5733．2012．04．021

（本文编辑 胡素芳）