甘东南4井水温资料在汶川MS8.0地震前后的异常变化特征分析＊

蒲小武 梅东林 陈彦平 叶媛媛 王军燕 许可娟

学术论文

甘东南4井水温资料在汶川MS8.0地震前后的异常变化特征分析＊

蒲小武 梅东林 陈彦平 叶媛媛 王军燕 许可娟

（甘肃省地震局陇南中心地震台，甘肃陇南746000）

较为系统地分析了甘东南成县、樊坝、清水温泉、两水4口水温井自2007年以来的水温观测数据，发现在2008年5月12日汶川MS8.0地震前后4口水温井资料都出现了不同程度的前兆异常变化，但前兆异常信息大部分淹没在趋势上升的背景中。为了更好地提取前兆异常信息，文中采用了流体资料处理时常用的差分法、变差率法、从属函数法、趋势速率法等前兆异常信息提取方法，对数据进行了处理，并分析了4井水温前兆异常变化特征。

水温前兆异常；差分法；变差率；从属函数；趋势速率

引言

井水温度动态观测是地下流体学科重要的观测项目之一，中国自开展水温观测以来，已积累了大量的水温地震前兆异常实例。对水温前兆异常特征［1］、干扰因素［2］、动态类型［3－7］等已有许多专家进行过系统研究。此前总结的水温地震前兆异常的一般特征是：异常多出现在震前几天至几十天时间段内，为短临异常；异常幅度大，一般为正常起伏度的几至几十倍，异常显著而易识别，因此，在地震短临监测中，表现出特有的优势［8－10］。这些研究成果为我国的地震监测与预测，尤其对在短临预测与地震预报方面提供了重要的数据。

在“十五”期间，甘肃甘东南区域，架设了许多水温观测系统，极大地促进了本区域地下流体观测项目的发展。2008年5月12日在青藏块体东部边缘发生了汶川MS8.0地震，这次地震前，位于甘东南区域内的成县、樊坝、清水温泉、两水4口水温井资料出现了异常变化，由于4井水温多年动态均属于升温型形态，异常信息大部分淹没在趋势变化中。为了更好地提取前兆异常，我们对4井水温资料采用了一阶差分法、变差率法、从属函数法、趋势速率法进行数据处理，并分析了4井水温地震前兆异常特征。

1 台站基本情况

1.1观测井

（1）成县井。该井位于成县县城以东2km的兰空农厂，观测含水层为盆地第三系空隙承压水，由秦岭山区降水补给，水头高出地面18m，含水层透水性差，井深264.48m，井内套管深度255.90m。2007年4月开始水温观测，使用的仪器是SZW－1A型数字温度计。该井封闭性较好，年动态稳定，一般降雨对流量没有影响。

（2）樊坝井。该井位于陇南区甘泉乡樊坝村，距陇南市55km，井口地面标高180m。地处秦岭西北端米仓山山脉，是长江流域和黄河流域的分水岭，白龙江断裂通过该处。出露的地层为第四系坡洪积亚粘土及沙粒土，下伏泥质灰岩、硬质泥岩。陇南樊坝水温观测是“十五”期间新上的流体观测项目，该井是为了流体观测新打的一口井，井深达200m，2007年3月安装了SZW－1A型数字式水温计，与水位同井观测。

（3）清水温泉井。该井位于县城北东8km的汤浴河谷内，海拔高程1 445m。地势北东高，南西低，属低山丘陵。其构造位置属于陇西系南段、秦岭北缘大断裂的北侧，六盘山断裂带西南侧（图1）。台基岩性为通渭—清水断裂晚古生代花岗岩，该温泉是深部热水沿岩石裂隙运动，在一定地质构造条件下出露于地表而形成的。清水温泉井深443.3m。2007年6月开始水温观测，使用的仪器是SZW－1A型数字温度计。

（4）两水井。该井位于甘肃省陇南区两水镇前村，处于武都弧形构造带前弧西翼，处在多组构造交汇复合部位。区内分布有武都弧形构造带，东西向构造带，北北东向、北东向及北西向构造带，在本区东南方向四川省境内还分布有大致成N60°E方向展布的龙门山构造带。井深75.92m，处于志留系石灰岩中，该灰岩中有片岩夹层，井内有裂隙水渗入。陇南台两水水温始测于2001年3月，与水位同井观测，配备了由地壳所研制的SZW－1A型数字式温度计。

图1 区域构造背景及井点分布图

1.2正常动态

对于任何一个地震前兆观测项目，只有在了解其正常动态特征的基础上，才能够有效地提取地震前兆异常信息。井水温度的背景值，一般取决于井孔所在地的大地热流q或地温梯度dT／dz。赵刚等对全国近277个观测井的地热正常动态进行了系统研究，将其划分为降温型、升温型、波动型、稳定型、跳变型、长周期型6种基本类型［11－12］。据统计，在整个地下流体台网中，测点温度为降温型、升温型和波动型占了70%左右。

本文研究区域内的4口水温井，水温多年动态都呈上升趋势变化（图2）。其中成县、樊坝、清水温泉井水温探头位置处于恒温带下，所测为深部水温变化，不受地表温度影响，无明显干扰源。成县井年变幅度达到0.04℃，月变幅约为0.003℃。樊坝井年变幅度达到0.009℃，月变幅约为0.000 8℃。清水温泉井水温年变幅度达到0.016℃，月变幅约为0.001 5℃。

图2 汶川MS8.0地震前后4井水温整点值、年均值对比图

两水井水温自2001年开始观测以来，基本呈现上升趋势变化（图2），年变幅度达到0.01℃，月变幅约为0.000 9℃。长期动态特征属于升温型，但由于井孔只有75m左右，探头位置虽然处于恒温带下，但由于水的对流，水温变化受水位、气温波动变化影响，夏秋测值变化较大。

2 流体异常提取方法简介

一阶差分法是一种常规数据处理方法，方法简单，本文不做介绍。

2.1变差率法

变差率是表征一条曲线的相对变化幅度，就是定量地确定本年相对于前一年同一月的变化程度，如果出现明显的变化差，则表明本年度变化程度较大，若变差率较小，则表明本年与前一年的年动态相似。其具体做法如下：

（1）以水温月均值作为基本的数据序列；

（2）定义变差率为某个月的水温值与前一年同月的水温值之差再除以前一年同月的水温值。其计算式为：

式中，Ri为变差率；Ci和Ci－12分别为水温月均值和前一年同月的水温月均值。

2.2从属函数法

尽管前兆观测资料的异常变化形态多种多样，诸如突跳、转折、加速等，但究其本质都是观测曲线随着时间变化呈现出的斜率变化，而从属函数就表征一条曲线变化的斜率和跳动的程度［13］。由于从属函数的这种特性，因而对处理趋势变化，定量分析其曲线斜率变化，效果独特。

从属函数μ值公式如下：

ki为观测值变化斜率；ri为月均值M（t）与时间t的相关系数，它反应了观测序列内在质量的好坏；α为经验常数。

2.3趋势速率法

趋势变化特征是地下流体中短期异常的主要特征之一。由于不同的流体测点所处的构造、含水层岩性、井（泉）结构等物理化学性质的差异，趋势性异常就有上升、下降和波动之分。本文研究的4井水温正常背景变化为趋势上升型，许多前兆异常信息就会淹没在趋势上升的背景里，定量计算趋势速率（曲线斜率）变化，才可以有效提取地震前兆异常。尽管趋势速率方法与从属函数方法都表示某一时段内时间序列斜率大小，但两种方法得到的结果不完全相同，在资料分析运用中可以作为参考。具体做法是：

（1）以月均值为基本数据序列。

（2）计算趋势速率值（v）。选择线性窗Y＝a＋bX拟合模型。

（3）判定异常指标。若趋势速率值v≥0.5则为异常指标。

3 水温异常特征分析

3.1原始曲线特征分析

两水井水温自2007年年初，成县、樊坝、清水3井水温自2007年架设以来，一直处于快速上升状态（图2），在汶川8.0级地震前后，没有明显的突变、转折等异常形态出现，但水温上升变化速率在汶川地震前要快于地震后，2007—2008年的水温曲线斜率大于2009年以后其他年份的，在2010年以前水温变化总体呈近匀减速变化，这种变化与对数函数曲线形态很类似。2010年后4井水温变化速度相对稳定，数据以比较缓慢而相对固定的速度上升，曲线形态呈现近直线斜形上升变化。

3.2一阶差分异常特征分析

差分法是一种常用的数据处理方法，在本文中差分法所用数据为月均值数据。

成县、樊坝、清水3井水温在汶川地震前，一阶差分值有明显的快速下降变化，这种趋势变化一直持续到2009年初。2009年至2010年成县、清水两井水温一阶差分值呈现缓慢下降变化，速度明显低于2008年以前的，2011年至2012年变化平稳。樊坝井自2009年起一阶差分值围绕某一基值呈小幅波动变化。

两水井水温在2007—2012这6年间，一阶差分值呈现年初上升，出现最大峰值后下降，在年底出现最小峰值后又回升，年年轮回，呈现准周期变化。这种变化主要是水位的准周期涨落引起水温的准周期变化。在汶川地震前后，一阶差分值没有出现明显异常。

3.3变差率法异常特征分析

4井变差率在汶川地震前都出现了几乎同步、快速下降变化，变化形态非常相似（图3）。汶川地震后，这种变化状态都持续了一段时段，但持续时间4井有差异。樊坝井自2008年7月起结束了快速下降变化，出现缓慢波动下降，2011年出现了转折上升变化。清水井2008年12月结束了快速下降变化状态，2009年起变差率出现了缓慢下降，2011年出现转折上升变化。两水井在汶川地震前变差率总体以波动下降变化为主，地震后出现快速下降变化，2009结束了快速下降变化，以波动变化为主，2011年起出现大幅波动上升变化。成县井在汶川地震前后都以快速下降为主，2010年5月下降速率减缓。

3.4从属函数异常特征及趋势速率异常特征分析

趋势速率方法与从属函数方法都表示某一时段内时间序列斜率大小，都是对线性相关性综合特征的描述。两种方法得到的结果总体基本相似（图3）。汶川地震前4井水温从属函数μ值和趋势速率值呈现明显的高值变化（图2），且μ值、v值都大于0.5，总体呈下降趋势。

图3 4井水温经4种方法处理后的曲线图

成县井μ值2008年2月前超过0.6，3月急速降至0，汶川地震后又急速回升，数值超过0.6，9月份后从属函数值为0。樊坝井和清水井从属函数值变化形态相似，汶川地震前后一段时间μ值超过0.5；地震前μ值快速下降，地震发生后μ值转平，不久又快速下降，2008年底后μ值再次低于0.5。两水井μ值变化有一定的特点，几乎呈正弦波形态变化，每年5～6月出现高峰值，当年12月至次年1～2月出现低峰值；2007年、2008年的μ高峰值都大于0.5，明显大于以后各年份峰值幅度。

4 结论与讨论

（1）4井在汶川地震前水温测值都出现了明显的快速上升变化，这种变化是漂移还是异常？两水水温是2001年开始观测，资料积累了很多年，也就在汶川地震前存在快速上升变化，在本文中为了和其他水温井比较所以选取了2007年以来的数据进行分析对比。其他3井的变化形态总体和两水水温测值的变化趋势相似，2007年以来呈现快速上升，但速率却呈现逐渐下降的变化。这种趋势上升变化的水温资料，异常信息都已淹没在趋势上升的背景变化里了。本文定量计算了4井水温一阶差分值、月变差率、从属函数、趋势速率，发现4井在汶川地震前后有着几乎相似或相近的变化形态，其值都是震前处于高值区域，而且测值变化是由高向低快速下降。

（2）但对于水温异常特征，目前多处于定性研究阶段，主要是水温异常与地震的对应关系的定性分析，定量的研究较少。对于长期漂移上升（下降）型，采用一定的数学方法可以更好地提取地震前兆异常。差分法、月变差率法、从属函数法、趋势速率法等数学方法就是非常好的前兆异常提取方法。这些方法，对于我们今后在处理、分析长趋势漂移上升（下降）型地震前兆观测数据时，具有极其重要的作用，为今后利用水温数据进行预报地震探索开辟了一条新路径。

（3）在地震前兆异常研究中尽管有了一定的认识，但这种认识仍然还是比较零散的。此外，不同震级水平的地震，其震兆特征差异性可能很大。由于地震属于小概率事件，特大地震发生的概率特别小，而现在研究的地震前兆多是4～6级地震的前兆，对于8级以上地震前兆的研究非常少，所以在面临地震前兆异常判断时，可能会不知不觉中以“小”代“大”。由于汶川地震是近几十年来发生在甘东南毗邻区最大的一次地震，而这4井水温观测时间又不长，汶川地震前，对此4口井的变化难免认识不足，因此，对这些水温井前兆异常进行再分析、再认识非常有必要。

（作者电子信箱，蒲小武：wdpuxw＠163.com）

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Characteristics analysis on the abnormal changes of the water temperature before and after the Wenchuan MS8.0form 4 wells located in southeast of Gansu

Pu Xiaowu，Mei Donglin，Chen Yanping，Ye Yuanyuan，Wang Junyan，Xu Kejuan
（Longnan Seismic Station，Earthquake Administration of Gansu Province，Gansu Longnan 746000，China）

This paper systematically analyzes water temperature observation data since 2007from 4wells Chenxian，Fanba，Qingshui and Liangshui which are located in southeast of Gansu.It is found in 2008，before and after the May 12wenchuan MS8.0，water temperature of 4wells appeared different degree of precursory anomaly changes，but most abnormal precursory informations submerged in the background of the rising trend.In order to extract precursory anomaly information，methods such as the difference method，the variable rate method，the subordinate function method and trend rate method which are often used in fluid data processing are adopted to exact the abnormal precursory information，and analyze the changes of water temperature anomalies.

water temperature anomaly；difference；variable rate；subordinate function；trend rate

P315.72＋3；

： A；

10.3969／j.issn.0235－4975.2014.02.004

2013－09－09；

2013－09－22。

中国地震局兰州地震研究所地震科技发展基金野外站基金（2013096）。