永清井水温多次畸变的跟踪研究

王 艳，马利军，张 娜，吕文青，王会芳

（1. 河北省地震局保定地震监测中心站, 河北 保定 071000；2. 河北红山巨厚沉积与地震灾害国家野外科学观测研究站, 河北 邢台 054000）

0 引言

中国自20 世纪80年代末开展高精度井水温度（简称水温）观测以来，陆续建立了一批数字化水温观测台站，采用分辨率为10-4℃、采样率为1 次/min的高精度观测仪器。目前，水温观测已经发展成为地震地下流体观测的第二大主测项[1]。数十年来，关于水温异常与地震对应的关系前人都做了深入研究，产出了许多水温异常与地震相关的研究成果。马玉川等通过统计检验等方法验证了洱源井水温的下降与漾濞MS6.4 地震的关系[2]；唐杰等从时间和空间上总结了河北流体的群体性异常与河北唐山MS4.5 地震的关系[3]；邵永新等通过流体异常特征及其产生的原因，给出了天津汉1 井和王3 井的异常预测指标，对未来发生的地震有一定的预测[4]。永清井的水温出现了多次畸变，王艳等通过四图一法的水化学分析发现，地震前永清井内应存在着剧烈的热传递现象[5-6]。本文通过一系列实验，再次验证永清井水温的多次畸变不是干扰，而应该与地震活动有关。

1 永清井基本概况

永清井隶属于廊坊市地震局永清地震台，位于县城西南约10 ㎞罗家营村东北，冀中拗陷北部的牛东断裂带北侧。井深1274.11 m，套管深度1061 m，直径216 mm；顶板埋深1065.3 m，裸孔过水段208.8 m，含水层岩性为震旦系白云岩，地下水类型为震旦亚界雾迷山组岩溶承压水；井口标高67 m（图1）。成井时为自流热水井，泄流口水温72℃，1995年底受地热开发影响断流改为静水位井永清井。目前，台站流体测项包括水位、水温、气象三要素、二氧化碳，观测仪器为ZKGD3000-NL 水位仪、SZW-1A 水温仪和ZKGD3000-NT 水温仪（备用，气象三要素观测仪器为ZKGD3000-M 型，二氧化碳采用测试管观测法观测（EY-2）（图2）。

图1 永清井井孔柱状图Fig. 1 Schematic diagram of fluid observation system at Yongqing Station

图2 永清台流体观测系统示意图Fig. 2 Well hole histogram of Yongqing Well

2 水温曲线异常变化简介

河北永清井自2001年01月开始水温观测，2017年12月30日之前都保持很好的年变趋势，属于稳定下降型，水温显示出较弱的年变规律，去趋势后年变幅度在[-0.015, 0.015]区间[5]。仪器的主要概况如表1 所示。

表1 永清地震台SZW-2 型水温仪概况Table 1 Overview of SZW-2 type water thermometer of Yongqing station

永清井水温从2017年12月30日开始加速下降，2018年1月10日之前的下降速率为10-4℃/d，1月10日至永清地震前下降速率为10-3℃/d，前后相差了一个量级。2018年2月12日永清发生ML4.7 地震，在2019年7月21日永清井水温呈快速下降变化，下降幅度为0.038℃，之后缓慢上升，7月26日出现快速上升，上升幅度约为0.016 ℃，10月21—26日再次出现小幅上升变化，2019年12月5日唐山丰南发生ML4.9 地震，震中距90 km（图3），同时段同井水位均没有发生异常变化（图4）。

图3 永清井2018—2019年井水温5日均值一阶差分曲线图Fig. 3 First-order difference curve of 5-day average well water temperature from 2018 to 2019 of Yong qing Well

图4 2018—2019年永清井水温、水位整点值曲线图Fig. 4 The whole point value curve of Yongqing Well water temperature and level from 2018 to 2019

3 对比观测试验和断电试验

针对永清井水温曲线畸变现象，在排除了周边环境干扰后进行两套水温仪的对比试验与断电试验。同井两套水温仪进行对比观测发现，在2019年7月21日永清水温发生异常时，备用仪器断数；7月26—28日永清小幅快速上升—下降变化，备用仪器观测曲线没有出现异常变化；10月21—26日再次出现小幅上升—下降变化，备用仪器仍没有出现异常变化。在此次异常发生时，两套仪器的探头处在同层位（表2），为了验证水温探头之间是否出现干扰，于8月14—21日对备用水温进行了断电试验。结果显示，观测水温并未受备用水温仪断电干扰（图5）。因为同井的两套水温仪器对比变化不一致，备用水温并没有出现异常变化，因此观测水温异常数据可靠性待确定，工作人员又进行了注冷水试验。

表2 对比观测试验与断电试验变化情况一览表Table 2 List of the changes comparison between observation test and power failure test

图5 2019年6—10月观测水温仪和备用水温仪断电试验分钟值对比曲线图Fig. 5 Comparison curve of minute value of power failure test between observation water thermometer and standby water thermometer from June to October 2019

4 注冷水干扰试验

为了进一步验证仪器的可靠性，分别于2019年7月31日、10月8日、10月29日3 次进行注冷水试验。

2019年7月31日9 时28 分向井孔注入300 ml冷水（4℃左右），SZW-1A 水温仪和ZKGD3000-NT 备用水温仪均在9 时32 分开始出现下降变化，下降幅度基本一致。SZW-1A 下降约0.0227 ℃，9 时42 分水温开始恢复；ZKGD3000-NT 下降约0.0127℃（图6）。

图6 7月31日注4℃水试验示意图Fig. 6 Test chart of injecting 4℃ water on July 31st.

2019年10月8日12 时20 分向井孔注入1000 ml冷水（9℃左右），SZW-1A 水温仪和ZKGD3000-NT 备用水温仪均在12 时21 分开始出现下降变化，下降幅度基本一致。SZW-1A 水温仪下降约0.0203 ℃，12 时37 分水温开始恢复；ZKGD3000-NT 备用水温仪下降约0.0105 ℃（图7）。

图7 10月8日注9℃水试验示意图Fig. 7 Test chart of injecting 9℃ water on October 8th.

2019年10月29日11 时22 分开始分4 次，每次间隔数分钟，每次向井孔注入1100 ml 冷水（17℃左右）。SZW-1A 水温仪和ZKGD3000-NT 备用水温仪均在12 时27 分开始出现下降变化，（变化幅度第一次11 时27—34 分，第二次11 时53 分至12 时08 分，第三次12 时24—35 分，第4 次12 时41—50 分）下降幅度基本一致。SZW-1A 水温仪下降共约0.0211℃；ZKGD3000-NT 备用水温仪下降约0.0127℃（图8）。

图8 10月29日注17℃水试验示意图Fig. 8 Test chart of injecting 17℃ water on October 29th.

两套水温仪器探头都在梯度测量结果的横向交替剧烈区（探头埋深173 m）。通过注冷水干扰实验数据（表3）发现，两套水温基本同步下降，水温变化形态一致，但是注入同样的水量时两套仪器的变化幅度不一样，分析原因可能与来自不同厂家的两套水温仪自身的精度有关。经查询发现，SZW-1 型数字式温度计的分辨率为0.0001℃， 精度为±0.05℃，长期的稳定性小于0.01℃/a。而ZKGD3000-NT 型水温仪的分辨率为0.001℃，精度优于0.65℃。由两套仪器的技术参数可以看出，SZW-1 型数字式温度计要优于ZKGD3000-NT 型水温仪，也就是说SZW-1 型数字式温度计更灵敏一些。

表3 注水试验变化情况一览表Table 3 List of changes in water injection test

5 结论与讨论

1）在注水试验中，两套水温的变化形态一致，说明SZW-1A 水温仪器是正常的，记录到的异常是可靠的。注水试验过程中，短时间把水注入观测井中瞬间会引起同步变化，但是很快恢复正常的趋势变化，并没有长时间的持续下降，说明注水只是造成对仪器的干扰，没有对仪器周围地壳岩石块体的应力应变产生明显的影响。由此可以确定，两套水温仪器能够精确记录井管水体温度变化，记录到的异常信息是可靠的。

至于为什么两套水温仪器没有同步记录到异常，除了备用仪器自身断记外，分析有以下原因：①文献表明，SZW-1 型数字式温度计的分辨率和精度要更高一些，考虑到ZKGD3000-NT 型水温仪是备用水温仪而不是正式入库仪器，灵敏性值得商榷。在地震前假设受应力控制成立，传感器的温度受制于含水层的渗透性导致不能同时变化；②观测仪器采用SZW 石英晶体温度传感器，该传感器是频率量信号传输，其测量基准是通过频率计数实验，因此长距离传输过程中信号幅度的衰减并不对测量结果产生附加误差，从2019年多次相关试验的验证反推水温异常其确信度较高。