观测井水温是地震地下流体动态监测的主要对象之一，国内利用水温开展地震观测和研究已有50多年的历史，为地震监测预报工作积累了大量的观测资料、经验和预测实践^[1-4]。大量震例研究表明，大震甚至中强地震前水温异常现象普遍存在，众多地震学者对水温的异常形态、持续时间与范围等表现特征进行了归纳总结和成因探讨^[5-10]；室内岩石实验和野外实验研究也为解释水温异常机理和远场效应提供了必要基础^[11-12]。这些观测和研究得到了很多有意义的成果，为利用水温观测开展地震预测研究积累了宝贵财富。

以往震例研究结果认为，地下流体中短期异常主体不是来自震源，而是与区域构造活动密切相关^[13-15]，主要反映了区域构造活动及局部构造活动的强化^[16]。沙河观测井自观测以来记录到了多次异常变化，但400 km范围内仅发生2次M_S4.5以上地震，最大地震为2020年7月12日河北唐山古冶区的5.1级地震。本文以沙河观测井水温观测数据与附近断裂微小地震和北京周边中强地震关系进行分析，探讨震前的异常特征，以期对该井水温异常变化成因和异常识别有更好的认识。

沙河观测井位于南口-孙河活动断裂带北段（图1），垂直距离约2.3 km，附近断裂发育。南口-孙河断裂是首都圈平原区一条重要NW向的活动断裂，也是环渤海-张家口断裂带中一条重要的隐伏、半隐伏的晚第四纪活动断裂^[17]，是直接控制沙河凹陷形成的同生断裂构造，且第四纪以来强烈活动，体现为松散层浅部引张的特点^[18]，其地震活动性受到广泛关注^[19]。南口-孙河断裂为正断层，北东盘上升，南西盘下降^[20]，长度超过50 km^[21-22]，宽度400～500 m^[17-18]。该井自2007年数字化观测以来，首都圈地区未发生6级以上的强震，断裂带附近30 km范围内微小地震活动频繁。

图  1  区域构造与地震分布

该井井深285.4 m，含水层封闭性与承压性良好，站点周围无强干扰源或无法识别与排除其影响的干扰。岩性依次为：0～265.33 m，上部是第四纪亚砂土或亚砂土夹薄层沙，砂砾石夹薄层亚砂土，下部是亚粘土及细中粒砂与亚砂土互层；265.33～285.4 m为奥陶纪石灰岩。水温观测采用 SZW-1A 型石英晶体温度计，分辨力为0.000 1 ℃；探头安装深度为197 m（温度梯度测量结果见表1），观测含水层为270 m以下的奥陶纪灰岩裂隙承压水（图2）；水质类型：HCO₃-Na-Ca型。静水位观测采用LN-3A型数字水位仪，其分辨力为0.001 m。两套仪器数据采集率均为1次/min。

图  2  沙河观测井井孔结构柱状图

沙河观测井水温自2007年5月10日开始观测，截止2021年1月24日数据在25.77～26.81 ℃范围内变化（图3a），无年变规律。选取较为平稳的2015年数据，年变幅为0.038 6 ℃（图3c），月变幅0.018 8 ℃（图3d），日变幅0.011 4 ℃（图3e）。月动态和日动态均呈随机起伏型变化。同井静水位自2007年5月16日开始观测，有较好的年变规律（图3b）和受固体潮影响的日变形态（图3f）。

图  3  水温与静水位的动态特征

采用FFT方法对2015年6月的水温和静水位数据进行频谱分析发现，水温主要受半日潮和长周期波影响（图4a），基本不受日潮影响；静水位主要受长周期波、日潮和半日潮影响（图4b），基本不受1/3潮影响。

图  4  水温和静水位数据的FFT分析

通过与沙河观测井30 km范围内发生的微小地震进行分析，发现水温异常变化与南口-孙河断裂（北段）两侧5 km范围内的微震有较好的对应关系。此外，大量震例统计研究表明，水温异常与不同震级、震中距范围内的中强地震具有统计关系^[5，23-28]。在对以往震例研究的基础上，选取了自2007年5月10日开始观测以来震中距200 km范围内的M_S4.5以上地震，该时间段内震中距在200～400 km范围内未发生5级以上地震。

将水温观测曲线与南口-孙河断裂（北段）两侧5 km范围内的8次M_S≥1.0地震和台站200 km范围内的2次M_S≥4.5地震对比（图5）可以看出，在昌平2008年6月25日1.2级、2012年2月8日1.6级、2016年8月24日1.8级、2017年11月8日1.2级和2018年10月18日1.3级地震前观测曲线均出现了不同程度的转折。其中4次地震位于南口-孙河断裂（北段）上盘，1次地震位于南口-孙河断裂（北段）下盘且位于南口-孙河断裂（北段）与小汤山-东北旺断裂的交汇部位。2020年2月1日和3月5日昌平1.9、2.1级地震以及2020年7月12日唐山5.1级地震前，该台太阳能供电系统故障导致仪器产出大量错误数据，无法进行数据分析，这里不做讨论。

图  5  2007年5月10日至2021年1月14日水温日均值观测曲线

2008年6月25日昌平1.2级地震前45天开始出现持续12天的异常变化（图6a），异常形态呈下降-上升-平稳-阶跃-恢复的特征。2016年8月24日昌平1.8级地震前88天开始出现下降-急速回升型变化（图6b），震后转平。2017年11月8日昌平1.2级地震前59天出现持续9天的加速上升变化（图6c）。2018年10月18日昌平1.3级地震前41天开始出现持续3天的加速上升变化（图6d）。

图  6  地震前后水温日均值观测曲线

S变换^[29]是介于短时傅里叶变换和小波变换之间的非平稳信号分析方法，其与傅里叶谱直接相关且可逆^[30]。利用S变换对数据进行时频分析，可得到高清晰度时频谱。选取较为平稳的2015年6月观测数据和2016年昌平1.8级、2017年昌平1.2级、2018年昌平1.3级地震震前3个月内的观测数据逐日做S变换，发现正常时段（图7a）与数据大幅变化的异常时段（图7b～7d）的谱能量 主要集中在5×10⁻⁴ Hz左右，而异常时段在（0.3～1.7）×10⁻⁴ Hz范围的谱能量表现得更为丰富，说明在异常时段受低频影响更大。

图  7  S变换后的时频谱

对2016年8月24日昌平1.8级地震前1个月数据利用FFT方法进行频谱分析（图8），发现该时段受日潮影响显著，约为正常时段的3倍，而1/2潮和1/3潮变化不大。

图  8  昌平1.8级地震前频谱分析

2012年2月8日昌平1.6级地震前，2011年12月21日至2012年1月25日期间数据急速下降0.231 7 ℃，是正常日变幅的20.3倍，且自2011年12月22日开始每日出现一个波峰波谷类固体潮形态的变化（图9a）；2012年4月5日开始日变幅逐渐增大，数据又出现多次加速上升下降型变化；5月19日日变幅达到0.121 5 ℃，是正常的10.7倍。2012年5月28日在距离台站195 km的河北唐山发生M_S4.8地震（下文简称唐山4.8级地震）。以往震例研究表明，水温异常绝大多数为3个月以内的短临异常^{[4，23，31]}，因此可以认为自2012年4月5日开始的异常为唐山4.8级地震震前异常。此外，对2011年12月22日至2012年5月26日的水温（图9b）和静水位（图9c）日均值数据进行相关性分析发现，两者的相关系数为−0.658 8，呈显著负相关。2012年9月15日开始水温日变幅逐渐减小，固体潮形态逐渐消失。

图  9  水温与静水位观测曲线

利用FFT方法对唐山4.8级地震前一个月的水温数据做频谱分析可以看出，该时段主要受日潮和周期为5～15天长周期波的影响（图10a），分别约为正常时段的170倍和50倍；同时段的静水位主要受周期为5～15天、半日潮和日潮影响（图10b）。数值模拟研究结果表明，水温梯度越大，潮汐效应幅度越大^[32]，说明从2011年12月22日开始出现的潮汐变化是冷水下渗^[33]造成水温急剧下降引起的。

图  10  唐山4.8级地震前频谱分析结果

研究认为，唐山4.8级地震前异常主要集中在震中距100 km范围内，涉及测震、地下流体、形变等观测 ^[34-37]，震中距270 km的怀来台电磁辐射^[33]和震中距290 km的易县台分量应变、体应变、伸缩仪均记录到了短临异常^[38-39]，地磁也存在较大范围的中期异常^[40]。可见，唐山4.8级地震前已出现大范围应力场和地磁场的改变。

1）利用FFT和S变换方法对沙河观测井水温观测数据进行了频谱和时频分析，结果表明，水温异常变化与未来3个月内附近断层5 km范围内的微震和200 km范围内的中强地震有很好的对应关系，说明该井水温观测具有较好的震前异常响应特征。水温异常并非都与未来大震或中强地震有关，也可能预示着断层附近小震活动的增强。

2）通过对震时观测数据分析发现，南口-孙河断裂（北段）附近微小地震和北京周边中强地震发生时水温数据均未记录到同震变化，研究结果也表明引起水温数据异常主要为（0.3～1.7）×10⁻⁴ Hz的低频波和日潮产生的能量，佐证了水温的震前异常并非来自震源，而是场兆^[41]。

3）沙河观测井水温数据正常月变和日变形态均为随机型变化，基本不受日潮影响，但在部分加速变化过程中和急速变化后受日潮影响显著，甚至出现了日潮形态。这种现象出现后3个月内在附近断层5 km范围内发生了2次1.6级以上地震，在200 km范围内发生了1次中强地震。因此，可将此特征作为该井水温数据异常判定指标之一。