中国大陆井水温对汶川8．0级、玉树7．1级、芦山7．0级和岷县6．6级地震响应特征的对比研究①

张 彬，刘耀炜，杨选辉

（1．中国地震局地壳应力研究所（地壳动力学重点实验室），北京 100085；2．中国地震局地球物理研究所，北京 100081）

0 引言

巨大地震产生的地震波传播过程可以看作是一次范围广范的动力过程，不同地下流体的同震响应特征是对应力应变过程最直接对反应。对这类问题的研究也一直是国际上研究的热点［1－3］。同震响应研究是揭示地壳介质对应力－应变过程响应规律最直接和最有效的手段之一，也是揭示地球科学一些关键问题的主要技术途径［4－5］。地下水微温度的同震变化，反应了地壳变形和地面震动引起地下介质贮层变形、孔隙或裂隙的变化和地下水垂向运移的作用等。付子忠［6］首次用仪器观测到水温同震变化现象；车用太等［7－8］对首都圈一些观测井的水温同震变化进行了报道与研究；陈大庆等［9］在总结2004年12月26日苏门答腊地震所引起的我国大陆121个观测井水位与水温同震响应特征的同时，分析了河北唐山矿井39次远场大震水位与水温的同震响应资料，提出了气体逸出导致水位振荡－水温下降的机制；刘耀炜等［10］广泛收集了大陆地下流体台网对2004年12月26日苏门答腊8．7级地震的同震响应资料，分析了井孔水温响应特征的基本类型。国内很多学者对于水温同震变化的物理机制开展过不同方面的研究。纵观国内外的研究结果，有关地震波作用引起井－含水层系统水温的上升和下降可归纳为2个主要机理：（1）地下水动力学模式：井－含水层系统地下水动力条件改变造成的热对流作用［7－8，11－13］；（2）逸出气吸热模式：观测井水中气体逸出的吸热作用造成水温快速下降［15－16］。2008年5月12日四川汶川8．0级地震、2010年4月14日青海玉树7．1级地震、2013年4月20日四川芦山7．0级地震和2013年7月22日甘肃岷县、漳县6．6级地震是进入新世纪以来中国大陆造成人员伤亡和破坏最严重的4次强震，也是全国“十五”前兆台网正式运行以来对中国大陆地下流体影响最显著的四次地震。本文收集和整理4次大震在中国大陆引起的井水温同震响应现象，分析其特征，并探讨可能的成因机理。

1 全国水温台网概况

1979年我国开始研究高精度温度测量技术，进行地震水温前兆的探索研究工作，并于1984年在云南开展地下水温度观测研究。1988年11月6日首次用仪器观测到云南澜沧－耿马7．6、7．2级地震的水温同震变化现象［6］。此后我国大陆地区陆续建立了一批数字化井下温度监测台站，观测仪器分辨率达到10－4℃，采样率为1次／分钟。

我国水温监测台网由国家台、区域台和市县台（包括市县台和企业台）组成，涵盖32个省市自治区，据不完全统计观测网由近400井孔水温观测点组成，共计500套仪器，其中包括地震地下流体台阵监测。水温站点分布并不均匀，从图1可以看出，全国范围内水温前兆观测台站大体上呈条带状分布：从黑龙江开始，经吉林、辽宁、北京、山西、陕西、甘肃东部、四川东部到云南。条带以西除青海东部和新疆有少量台站外基本上是空白，条带以东的山东、江苏、福建有一定数量的台站，而其他省、市、自治区水温前兆台站数量并不多，仅有一个或几个［16－17］。观测网为全数字化观测技术，观测仪器大部分为中国地震局地壳应力研究所生产的SZW系列水温仪。

图1 中国大陆水温前兆观测点分布图Fig．1 Distribution of observation points of water temperature in Chinese mainland

2 四次地震引起中国大陆水温同震效应和特征

当地震面波到达观测点后引起井孔观测点处的强烈振动，也引起孔隙水（含井水）的强烈振动，观测点处的温度也随之变化。根据观测曲线的变化形态可将大地震引起台站水温微变化类型分为阶变上升型和阶变下降型。阶变上升型是指在地震振动作用下井孔水温总体出现阶变式的上升（图2（a）），在水温上升的持续过程中一部分井孔水温会在短期（几小时）内恢复到正常温度水平，有些井孔水温则在数天或数月内才恢复正常温度；阶变下降型是指在地震振动作用下地下水温度出现明显的下降变化（图2（b））。一般在数小时或数天内恢复正常温度。

我国水温观测网中的井孔水温观测一般温度探头在100～400m，主要是观测井孔含水层及其周围地下水的微温度变化，地下流体观测台网记录地下水微温度为10－1～10－3℃。2008年5月12日四川汶川MS8．0级大地震是发生在我国大陆内部的浅源地震，波及面广，破坏力度大，除吉林、黑龙江、新疆无震感报告外，其他省区市均有不同程度震感。邱鹏成等［18］对汶川8．0级地震震中周围800km范围内73个井孔的表层水温资料进行了分析。地震发生时在观测网的216个水温观测井中，记录到同震变化的井点132个，占61%，没有变化的井点84个，占39%，从井孔水温同震变化类型的比例来看，阶变上升型59个，占45%；阶变下降型73个，占55%。空间分布见图3（a）。

图2 水温同震变化类型图Fig．2 Type of co－seismic response in water temperature

玉树地震是继汶川地震后中国大陆发生的一次强震，造成了很大人员伤亡，波及范围也比较广。地震后收集了中国大陆地下水温观测网272个水温观测井资料，记录到玉树7．1级地震同震变化的井温点有10个，其中水温阶变上升型4个，占40%；水温阶变下降型6个，占60%，空间分布见图3（b）。

芦山地震后收集了中国大陆地热观测网294个水温观测井资料，记录到芦山7．0级地震同震变化井点有10个，观测点分布见图3（c），可以看出水温同震或震后效应主要集中在四川、重庆和云南等地区。在10个井点中，水温阶变上升型3个，水温阶变下降型7个。

岷县地震后收集了中国大陆地热观测网近300项水温观测井资料，并整理分析了其同震响应特征。记录到该地震同震变化的井点6个，其中水温阶变上升2个，阶变下降为4个。从图3（d）中可以看出同震响应点主要集中在山西地震带和甘肃境内。

通过对比分析这4次地震对中国大陆井水温的同震响应，可以看出以下特征。

（1）从图3来看，汶川MS8．0地震引起的水温同震效应的范围远远超过了其它地震，地震发生后基本上整个中国大陆都记录到同震响应，而其它地震时只有震中附近或部分灵敏井点记录到同震响应，东北、华南以及新疆地区台站没有发现明显水温同震响应。一方面其它3次地震比汶川8．0级地震能量小得多，影响范围也相对小，另一方面可能与地震发生的断裂构造有关［19］。

（2）从水温阶变上升型或阶变下降的幅度来看（表1），汶川MS8．0地震均普遍高于其它3次地震，其它地震时只有部分发生在震中附近的井点变化幅度高于汶川地震。这与杨竹转、孙小龙等［20－21］分析了北京塔院井水温同震观测资料得出的结论是一致的：伴随着井水位的振荡出现井水温同震变化的幅度和震级、井震距等有关，一般情况下震级越大，井震距越小，同一口井水温同震响应幅度越大。

（3）从震级基本相同的玉树和芦山地震的同震效应看，玉树地震后华北、华中、川滇和西藏等地区井水温出现同震变化，而芦山地震后的同震效应主要集中在震中附近的四川、云南和重庆等地区，所以玉树地震对中国大陆的影响可能远大于芦山地震。

（4）分析四次地震中共同出现水温响应的类型可以看出，山西祁县和孝义、重庆北碚和忠县、湖南长沙、江西九江、云南建水和丽江等井点水温反映灵敏，多次地震时都有明显同震变化，但对不同地震反应类型和幅度也不尽相同。

3 同震响应温度变化有关机理的分析

水位同震变化并非是水温同震变化的必要条件。在两次地震同时出现水温同震变化的井孔中并非都存在水位同震变化，如唐山井水位。即使有水位变化，水位和水温也并非出现一致性变化，水位振荡变化时水温有升有降，水位阶变下降时水温也是有升有降，但水位阶变上升时水温基本都是上升。但这也不能说明水位上升时水温一定上升。汶川地震时沙河和昌平等水位上升时，水温同震表现为阶变下降，这些现象其变化机理值得深入探讨。

表1 4次大震井水温同震效应特征Table 1 The co－seismic responses characteristics of well temperature（more than one time）to 4strong earthquakes

图4 汶川8．0级地震时横梁与芦阳井水温同震响应曲线Fig．4 Co－seismic response curves of water temperature at Hengliang and Luyang well in Wenchuan 8．0earthquake

（1）井孔气体释放吸热机理

鱼金子等［8］在北京太平庄井发现井水温度大幅度下降的同时井水面上有大量气泡上涌，认为井水温度的同震突降机制可归因于井水气体的释放。即当井水位振荡时引起井水气体释放，被释放的气泡带走了井水中的热量，从而降低了井水温度。与此观点类似，陈大庆等［9］认为水位振荡－水温下降是由于井水中吸附气体在脱逸过程中自身携带热量的散失，以及气泡上升过程中减压膨胀对外界做功需要吸收热量，此两种途径造成周围地下水温度下降。

水震波引起的井水震荡促进了饱含于下层井水的气体的释放，气体在快速上升后介质中的裂隙（或孔隙）出现“让位”空间，增加了介质渗透率，促进了地下水垂向运动的作用；气体“让位”作用和应力变化可以引起渗透率、孔隙度和孔隙水压的改变，导致流体在岩层中的运移，既有有水平向的，又有垂直向的。垂向的运移效能增强引起井水温度的变化。

该模式的着眼点在于有大量气体逸出从而导致水温下降，但无法解释为什么有些井孔会出现水位震荡而水温上升的现象。

（2）地下水动力学机理

刘耀炜［22］提出地下水垂直渗流作用为主要因素的“热对流－传导模式”。岩层压力释放―裂隙（断裂）闭合―低渗地层向高渗地层中的流体流动及压力传递－裂隙（断裂）再度开启。断裂下部的渗透性地层起着蓄水池的作用，当断裂开启其中的流体释放，流体压力降低；当断裂闭合，其周围的低渗透性地层中向其释放流体、传递压力，其本身的压力也可能在各种增压机制的作用下不断升高。开启断裂内流体的垂向流动极大地改变了地层中流体压力场的分布。由于地层温度在垂向上的差异，这种流动将可能引起地下温度的对流传导，造成局部的温度变化（升高或降低）。

4 结论

（1）通过对比研究汶川MS8．0地震、玉树MS7．1地震、芦山MS7．0地震和岷县MS6．6地震水温同震响应范围和幅度可以看出，四次地震水温响应范围和幅度有较大差异性。因为水温同震变化的幅度不仅受动力加载作用强弱（距离）的影响，而且很可能与区域构造活动状态因素有关，而应力状态的变化会直接影响到含水层孔隙度等直接导致地下水动力特征的变化。2013年芦山和岷县地震对中国大陆地下流体场的影响虽然没有汶川地震显著，但其也改变了部分具有弹性变形特征的含水层，表明这些地区的应力状态与汶川地震发生阶段有一定差异性，是否预示着中国大陆地震活动特征有新的特点，需要密切关注和加强研究。

（2）传感器放置深度对井水温同震响应有很大影响，因为同一口井不同深度上放置的水温传感器记录到的同震阶变方向和幅度不尽相同。如汶川地震时，景泰芦阳井水温上下两个测点出现了地震响应，中部没出现明显响应变化，上部的水温变化幅度小于下部的水温变化幅度，形态上两者均为下降一上升的变化过程。古浪横梁井水温也只有两套数据出现同震变化，但与景泰芦阳井不同的是，出现同震变化为位于观测井中部和下部的两个测点，形态表现为下降一上升一平稳变化（图4）。综合以上分析可以看出，同井不同深度观测的水温对地震的响应灵敏性存在明显的差别，深部的响应能力强，响应变化形态两者很相似，具有明显的同向变化协调性特征。

（3）井孔水温能灵敏的反映出地震的孕育和发生过程。通过研究地下水微温度场的变化能够揭示出地壳应力及其热变化对地震的响应，尤其是水温同震效应，有助于厘清应力－流体－地震的可能关系及其机制。井水温度变化的水动力学机制被大家广泛接受，但是具体的关于地震波引起的水温变化机理研究还处在定性分析的基础上，需要在广泛的观测资料上开展进一步工作，以验证温度场、应力场和渗流场的相互关系。通过研究井水温同震效应特征，可以加深对中国大陆地壳应力场动态变化过程的深入认识，进而对中国大陆地震活动趋势判定提供相关的科学依据和判定意见。

（4）水温的变化与水位的变化存在一定的关联性，但并非正相关。观测井水温度位同震变化与井孔水文地质、井－含水层特征、含水层参数、介质裂隙因素的有很大关系。具体到每一井孔条件，需要通过水文地质和井孔条件详细调查，进行细致分析和研究，必要时还需进行数值模拟，这将在今后工作中进一步展开。

鸣谢：本研究收集的资料主要来源于中国地震台网中心前兆台网，各省（市）地震局水温前兆观测工作人员为本项研究提供了宝贵的数据，在此表示衷心的感谢！

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