宿迁苏05井中层水温异常判定

2023-09-25董传雷倪昊琦

防灾减灾学报 2023年3期

董传雷，郝冉，倪昊琦

（江苏省地震局，江苏南京 210000）

0 引言

构造地震是地球内部应力不断积累超过岩石强度极限时，岩石突然破裂而产生的一种自然现象。在构造地震孕育过程中，岩石中微破裂大小和数目会发生变化，从而导致地壳流体的热平衡状态被打破。地下流体水温观测是反应地下热平衡变化的一种观测手段。在地震孕育及发生的过程中，观测点的热平衡状态被打破，从而造成地下水温前兆异常。因此地下水温度异常作为一种有效的地震短临预报方法，特别是在短临预报中发挥了重要作用，历来受到国内外学者的关注。无论是对水温同震响应的研究[1-5]，还是水温在震前的异常特征分析[6-9]，水温异常变化与地震的关系已成为研究热点。刘莲花[10]、付子忠[11]、叶秀薇等[12]人研究发现，造成水温异常的因素主要有三种：一为观测系统受到外界干扰导致水温异常变化，如仪器故障，供电故障等；二是观测环境遭受破坏导致水温异常变化，如抽、注水，大型深挖等；三是地热场发生变化导致水温异常变化，即我们所熟知的地震前兆异常，此种异常是我们研究的重点，也是难点。

本文针对宿迁苏05 井2020 年4 月初开始出现的中层水温异常变化，运用基本数据分析、离散小波分析、地震前兆分析、辅助探头对比观测等多种方式对苏05 井中层水温异常变化进行分析，探讨异常成因。

1 台站基本信息

江苏宿迁苏05 井位于江苏省宿迁市宿城区关庙镇农科村西南（图1），地质构造上位于郯庐断裂带以东约23 km，沐阳凹陷内平原地区。苏05井钻井深976 m，套管深度975 m，由于井内沉淤，当前井深934 m，观测段为827~862 m，系白垩纪赤山组细沙岩。主测项为静水位与中层水温，其中水位埋深约6.2 m，水位探头距井口11.96 m；中层水温探头最初下放时距井口距离165 m，但由于长期观测，吊装线缆会产生一定拉伸，使吊装线缆长度增加，探头深度会相应增加，水温为19 ℃~20 ℃左右。苏05 井观测站附近无大的地表水体，观测含水层埋深较深，含水层埋藏于570 m 以下，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。但由于水泥固井质量欠佳（可能存在裂隙），井水与地表水有一定联系。除主测项为水位、水温外，苏05 井还配套建有辅助测项，气温、气压与降水量。苏05 井水温异常变化前，采用DRSW-2综合仪进行数据观测，水温的日变形态为震荡型，年动态为缓慢下降。

图1 苏05井历史地震（2010－2021年）Fig.1 Historical earthquake of Su 05 Well（2010－2021）

2 水温数据异常变化特征

2020 年4 月初，苏05 井中层水温数据开始出现加速下降异常变化（图2），至4 月中旬，下降速率增快，并开始保持恒定速率下降。2021 年1 月到3 月数据由下降转为上升，在此期间下降幅度为58‰℃。水温转折过程中发生了2021年1月4日安徽广德ML4.3地震，震中距苏05 井339 km。2021 年3－6 月数据趋于稳定，7 月开始再次出现下降变化，且下降速率与下降幅度均大于第一次下降速率与幅度，截至2021 年12 月底，最大变化幅度已达124‰ ℃。第二次下降过程中测点周边共发生三次规模型地震，分别为2021 年11 月11 日江苏大丰海域ML5.4 地震，震中距苏05 井295 km；2021 年12月8 日江苏大丰海域ML4.5 地震，震中距苏05井292 km；2021 年12 月22 日江苏天宁ML4.8 地震，震中距苏05井290 km。震后水温仍呈现持续下降状态，变化幅度之大是宿迁苏05 井有记录以来第一次出现。

3 异常调查分析

3.1 观测系统检查

对苏05井观测系统进行检查，发现苏05井仪器运行正常，数据可以正常采集且没有异常数据。供电系统（交流电压224.5 V，直流电压12.17 V）、防雷系统（接地电阻0.4 Ω）运行正常，无断电、雷击痕迹。同时还测试网络系统，网络系统运行正常，传输延时9ms，数据可以正常传输，井孔未出现垮塌、套管变形、位置固定设施故障等现象，除每季度水位校测外，未移动井口盖板，井孔自身条件未发生改变。排除观测系统故障引起数据变化。

为进一步了解观测系统工作情况，2020 年5 月14 日—5 月27 日先后对观测主机进行检查与更换，更换后改用RTP-2 观测主机进行数据记录。两次对观测主机的维修，基本排除主机故障造成数据异常的情况。6月4日，将温度探头上提1 m，静置5小时，待观测数据稳定记录后将探头归于原位，在此期间中层水温上升22.8‰ ℃，符合当前深度地温梯度变化水平，对于短时间、低温差环境，探头灵敏度真实可靠。

3.2 周边环境干扰调查

对附近观测场地、观测环境变化、人为干扰进行调查。其中，距离观测点50 m 灌溉水渠蓄水量未发生改变；周围未见大型在建项目，无注水、抽水、深挖等大型施工作业。在观测场地周围，西北方向45 m 处和东北方向50 m处，当地居民为改善排污系统，挖掘长宽高分别为3 m、1 m、2 m 排污井坑，但排污坑为浅表工程，未形成积水。排除观测场地、观测环境变化、人为干扰引起数据变化。

3.3 历史震例分析

苏05井中层水温从2010年初整体呈现缓慢上升的趋势，在整体上升趋势背景下，不定时段会出现下降变化。通过历史震例归纳总结发现（表1），在下降变化过程中，5 次映震效应明显。5 次地震发生前一周至三个月内苏05 井中层水温出现异常变化，异常均表现为中层水温的下降变化，下降幅度保持在3‰ ℃左右，最高下降幅度未超过5‰ ℃。地震发生在下降变化转折点或持续下降变化过程中，在地震发生后一至两周内中层水温数据恢复到异常变化前水平，并保持整体缓慢上升的趋势。

2020 年4 月初，苏05 井数据出现异常下降变化，此次下降变化相比于历年地震前兆异常变化均有所不同。首先是下降幅度，此次异常变化幅度远高于历年地震前兆异常平均变化幅度，最高达到25 倍；其次是异常持续时间，此次下降变化虽中间时段有所缓和，但整体异常变化时间持续近两年，是历年地震前兆异常平均变化时间的24 倍；最后是震后恢复情况，此次异常变化期间共发生4次地震，4次地震均发生在下降或下降转折阶段，相比于历年地震前兆异常震后恢复的规律，此次异常变化在震后均未恢复至原有水平，而是保持原有变化规律。从分析中可以看出，此次异常变化相比于历年地震前兆异常变化，映震效应不明显，初步怀疑为非地震引起的异常变化。

3.4 对比观测

为更好地监测数据变化，经过专家讨论决定，在不影响观测条件的前提下，另下放一支探头实施对比观测。2020 年6 月4 日，宿迁苏05 井下放新探头，下放深度为距井口165 m，保证原探头与新探头同层位记录，并采用同一主机记录观测数据，充分保证原探头与新探头观测环境的一致性。为保证新探头数据记录的平稳性，采用记录1 个月后的数据进行对比分析，剔除人为干扰处理后绘制对比观测图（图3），从图中可以看出，原探头与新探头二者数据记录趋势截然不同。原探头整体趋势呈现不规则变化，新探头整体趋势呈匀速上升趋势。通过相关性计算得到二者的相关系数为-0.17，呈极低的负相关关系[13]。

4 数据分析

经过长达两年的跟踪分析，结合苏05 井历史动态监测能力，采用同井测项分析、近台同测项对比分析、离散正交小波分析等分析手段，以达到进一步了解数据变化实质的目的。

4.1 同井测项对比分析

对于单台数据分析而言，最直观、快速的数据分析方法是同井多测项对比分析。苏05 井观测系统中除中层水温测项外，还包括同井静水位测项与辅助观测测项，且静水位数据与中层水温数据呈负相关关系，即夏季雨季静水位数据相对上升，中层水温数据小幅下降。从苏05 井同井测项对比分析中发现（图4）。2017－2021年期间，在苏05井中层水温数据出现异常过程中，同井静水位数据并未发生明显相应变化，受季节性降雨影响，静水位数据保持夏高冬低的年变化趋势，整体趋势上升，符合历年来水位持续下降特性。

对苏05 井中层水温与降水量、气压数据进行对比分析，发现该地区2020 年年降水量与其他年份年降水量总体持平，未出现雨季提前、滞后等情况。2020 年4 月中层水温异常变化期间，苏05 井地区也未出现雷暴、低气压等极端天气，未出现持续性、大范围降雨，故认为苏05 井中层水温异常变化与降雨、低气压等极端天气无关。

4.2 同测项数据对比分析

相对于同井多测项对比分析，不同观测点同测项对比分析是数据分析的一种常用方法，相对于同井多测项对比分析更具全面性。结合历史震例信息，本文特别选取与苏05 井位置相近，映震记录效果较好的苏02井、苏06井中层水温数据与苏05 井中层水温数据做进一步对比分析。苏02 井与苏05 井之间的距离约90 km，苏02 井地质构造上位于废黄河断裂带上，为灰岩裂隙承压水，水循环条件较好，映震效果明显。苏06 井与苏05 井之间的距离约100 km，苏06 井地质构造上位于郯庐断裂带东侧，金湖凹陷刘庄构造兴隆集高点，为寒武纪灰岩岩溶裂隙承压水，缺乏直接补给[14]。如图5 所示，在苏05井中层水温发生异常变化时，苏02井中层水温除人为干扰造成数据阶跃性变化外，整体表现为平稳状态。苏06 井除发生小幅度阶跃变化随后又恢复外，整体保持匀速上升的年变趋势。从3 台同测项对比中可以发现，当苏05井发生“下降－上升－下降”变化时，苏02井、苏06井均未发生相应变化。