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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。
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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1 274.11 m,套管深度1 061 m,直径216 mm;顶板埋深1 065.3 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)。
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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
台站名称 仪器类型 探头所处地层年代 探头埋深/m 启用时间 仪器分辨率/采样率 永清地震台 SZW-2型高精度石英温度计 第四系 173 2001年 10−4 ℃/(1次/min) 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)。
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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
试验时间 观测仪器型号 探头埋深/m 曲线变化形态 7月21日 SZW-1A 173 下降-上升 7月21日 ZKGD3000-NT(备用) 173 缺记 7月26—28日 SZW-1A 173 上升-下降 7月26—28日 ZKGD3000-NT(备用) 173 正常年变 10月21—26日 SZW-1A 173 上升-下降 10月21—26日 ZKGD3000-NT(备用) 173 正常年变 -
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0.022 7 ℃,9时42分水温开始恢复;ZKGD3000-NT下降约0.0127℃(图6)。
2019年10月8日12时20分向井孔注入1 000 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0.020 3 ℃,12时37分水温开始恢复;ZKGD3000-NT备用水温仪下降约0.010 5 ℃(图7)。
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1 100 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0.021 1℃;ZKGD3000-NT备用水温仪下降约0.012 7℃(图8)。
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0.000 1℃,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
时间 观测仪器型号 变化前/℃ 变化后/℃ 变化量/℃ 2019-07-31 SZW-1A 25.861 9 25.839 2 0.022 7 2019-07-31 ZKGD3000-NT 25.772 1 25.759 4 0.012 7 2019-10-08 SZW-1A 25.844 6 25.824 3 0.020 3 2019-10-08 ZKGD3000-NT 25.760 9 25.750 4 0.010 5 2019-10-29 SZW-1A 25.831 4 25.810 3 0.021 1 2019-10-29 ZKGD3000-NT 25.747 1 25.736 9 0.010 2 -
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。
Tracking Research on Multiple Distortion of Water Temperature in Yongqing Well
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摘要: 针对2017年12月30日开始永清地震台水温固体潮多次发生突升突降,而同井水位没有发生明显变化的情况,经过对比试验、注冷水试验、断电试验等一系列验证,认为永清井水温异常变化不是受干扰影响所致;通过水温的异常变化与地震对应关系分析,认为永清井水温异常可能与地震有关。Abstract: The water temperature of earth tide at Yongqing Seismic Station have repeatedly risen and dropped abruptly since December 30, 2017. However, the water level of the same well has not changed significantly. Through comparison test, cold water injection test, power failure test and other series of verification, it is believed that the abnormal change of water temperature in Yongqing well is not caused by interference. Through the analysis of the corresponding relationship between the abnormal change of water temperature and the earthquake, it is believed that the abnormal water temperature in Yongqing well may be related to the earthquake.
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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
台站名称 仪器类型 探头所处地层年代 探头埋深/m 启用时间 仪器分辨率/采样率 永清地震台 SZW-2型高精度石英温度计 第四系 173 2001年 10−4 ℃/(1次/min) 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
试验时间 观测仪器型号 探头埋深/m 曲线变化形态 7月21日 SZW-1A 173 下降-上升 7月21日 ZKGD3000-NT(备用) 173 缺记 7月26—28日 SZW-1A 173 上升-下降 7月26—28日 ZKGD3000-NT(备用) 173 正常年变 10月21—26日 SZW-1A 173 上升-下降 10月21—26日 ZKGD3000-NT(备用) 173 正常年变 表 3 注水试验变化情况一览表
Table 3. List of changes in water injection test
时间 观测仪器型号 变化前/℃ 变化后/℃ 变化量/℃ 2019-07-31 SZW-1A 25.861 9 25.839 2 0.022 7 2019-07-31 ZKGD3000-NT 25.772 1 25.759 4 0.012 7 2019-10-08 SZW-1A 25.844 6 25.824 3 0.020 3 2019-10-08 ZKGD3000-NT 25.760 9 25.750 4 0.010 5 2019-10-29 SZW-1A 25.831 4 25.810 3 0.021 1 2019-10-29 ZKGD3000-NT 25.747 1 25.736 9 0.010 2 -
[1] 车用太, 何案华, 鱼金子. 水温微动态形成的水热动力学与地热动力学机制[J]. 地震学报, 2014, 36(1): 106-117. [2] 马玉川, 晏锐, 胡小静. 云南洱源井水温在2021年漾濞MS6.4地震前的异常特征[J]. 地震学报, 2021, 43(5): 674-677. [3] 唐杰, 张素欣, 张子广, 等. 河北唐山M4.5地震前地下流体典型异常特征分析[J]. 华北地震科学, 2020, 38(S1): 80-85. [4] 邵永新, 王熠熙, 李悦, 等. 天津流体异常与河北唐山市古冶区MS5.1地震预测[J]. 华北地震科学, 2020, 38(4): 92-98. [5] 王艳, 何案华, 邓卫平, 等. 永清MS4.3地震前永清井水温异常分析[J]. 地震地磁观测与研究, 2018, 39(6): 173-180. [6] 王艳, 马利军, 王会芳, 等. 基于水化学的永清井水温异常分析[J]. 地震科学进展, 2022, 52(12): 559-565. -