祁縣井水溫和水位的奇異潮汐關(guān)系探討

2014-09-04 06:14:54馬玉川王博

中國地震 2014年1期

馬玉川王博

中國地震臺網(wǎng)中心，北京市西城區(qū)三里河南橫街5號 100045

0 引言

我國地震地下流體觀測實(shí)踐中，同井水溫和水位的對比觀測已有30多年歷史，分析二者之間的關(guān)系，對認(rèn)識井水溫度的動態(tài)及其機(jī)理(魚金子等，1997;車用太等，2008)、了解應(yīng)力加載作用引起的地下介質(zhì)變化(劉耀煒，2009;楊竹轉(zhuǎn)，2011;魚金子等，2012)、甚至捕捉地震前兆異常等(曹新來等，2001;張立等，2009)，都具有重要的意義。

水溫觀測和水位觀測一樣，也能記錄到地球固體潮汐，而水溫潮汐現(xiàn)象是在高精度水溫觀測技術(shù)出現(xiàn)后，才被報(bào)道和關(guān)注(Shimamura et al，1984;付子忠，1988)。之后，學(xué)者們對各類地質(zhì)環(huán)境中的水溫潮汐機(jī)理進(jìn)行了解釋，包括體應(yīng)變原理(Shimamura et al，1984;Kitagawa et al，1996;趙剛等，2009)、流量潮汐變化成因(Furuya et al，1988，Koizumi，1990;Mogi et al，1989;馬玉川等，2010)、水動力學(xué)模式(車用太等，2004、2008;魚金子等，1997;張子廣等，2007;Demezhko et al，2012)等。我們在山西祁縣測井觀測到井水溫潮汐相位超前于水位的奇異現(xiàn)象，這無法用現(xiàn)有的機(jī)理進(jìn)行解釋，對這種特殊的井水溫和水位關(guān)系進(jìn)行分析，可為認(rèn)識同井水溫和水位的關(guān)系、水溫動態(tài)及其機(jī)理和水溫前兆觀測等提供參考。

本文報(bào)道了祁縣井水溫和水位的奇異潮汐關(guān)系，從時(shí)間序列的角度，對祁縣井資料進(jìn)行了比較全面的分析，并對水溫和水位潮汐關(guān)系可能的成因機(jī)理進(jìn)行了討論。

1 祁縣井及其地下水動態(tài)觀測

祁縣井位于山西省晉中斷陷盆地中部，井點(diǎn)坐標(biāo)為112.29°E、37.35°N，井點(diǎn)地面海拔高程為753m。該井地處山西“多字型”構(gòu)造的中部，附近有NE向的平遙、太古、交城斷裂，距平遙斷裂約3km。井區(qū)地下水受東部山區(qū)徑流補(bǔ)給，排泄于西部的汾河(圖1(a))。

觀測井位于祁縣縣城趙鎮(zhèn)常家堡村東側(cè)，附近為耕地，在觀測井100m外的西北、東北和東南方向有3口民用地下水開采井，深約100m，對祁縣井的地下水動態(tài)有影響①國家地震前兆臺網(wǎng)中心網(wǎng)站(http://qzweb.seis.ac.cn)。

祁縣井完鉆井深442.19m，井孔由地面以下至291.65m段的第四系、第三系松散層用直徑146mm的鋼管封固井壁;291.65m以下為裸孔，為三疊系變質(zhì)火山碎屑巖、頁巖及凝灰?guī)r裂隙承壓含水層;291.65～349.33m段井徑為130mm;349.33～442.19m段井徑為110mm(圖1(b))。成井時(shí)，水位埋深6.09m(山西省地震局，2004)。

圖1 祁縣井區(qū)地質(zhì)(a)與觀測井地層巖性圖(b)

祁縣井水位觀測始于1986年，2007年5月開始數(shù)字化觀測，觀測儀器為LN-3A型水位儀，水位探頭置于地面以下37.7m，后因儀器校測等原因多次在31～38m之間調(diào)整探頭位置。祁縣井為靜水位觀測井，觀測值實(shí)為水位埋深(本文簡稱水位)。多年觀測結(jié)果表明，該井水位多年趨勢變化平穩(wěn)，年變規(guī)律清晰，每年4～8月為下降期、8月至次年的4月為上升期，年變幅為10.5m左右。依據(jù)介休氣象觀測站(坐標(biāo)為111.917°E、37.03°N，距祁縣井60km)的氣壓和降水量資料(數(shù)據(jù)源自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng))，氣壓對水位多年動態(tài)影響不大，因?yàn)閹资倥恋臍鈮鹤兓蛔阋砸饚资椎乃徊▌印＝邓颗c水位呈反向變化，表明祁縣井水位的多年變化可能與井區(qū)附近地下水開采有關(guān)(圖2(a)、圖2(c)、圖2(d))。該井水位有周期性的日變化，日變幅為7～12cm，功率譜估計(jì)表明這種周期性的日變化為潮汐效應(yīng)(圖3(a)、圖3(c))。

圖2 2007～2012年祁縣井水位(a)、水溫(b)與介休氣象觀測站氣壓(c)、降水量(d)的觀測曲線

祁縣井水溫觀測始于2007年5月，觀測儀器為SZW-1A型數(shù)字式溫度計(jì)。探頭置于地面以下112m。多年觀測結(jié)果表明，水溫多年變化較平穩(wěn)，有逐年小幅度上升的趨勢;汶川8.0級地震對其水溫動態(tài)有影響(本文采用中國地震臺網(wǎng)中心速報(bào)目錄)，引起了0.05℃的階升(圖2(b));該井水溫有周期性的日變化，日變幅為0.02～0.012℃，功率譜估計(jì)表明這種周期性的日變化為潮汐效應(yīng)(圖3(b)、圖3(d))。

2 水溫和水位的奇異潮汐關(guān)系

如圖4所示，同一時(shí)間坐標(biāo)下的祁縣井水位、水溫觀測曲線，有水溫潮汐相位超前于水位的奇異現(xiàn)象，超前時(shí)間為一個(gè)多小時(shí)。

圖3 祁縣井2009年10～11月去趨勢水位(a)、水溫(b)、去趨勢水位功率譜估計(jì)(c)、以及水溫功率譜估計(jì)(d)動態(tài)對比曲線

為了檢驗(yàn)上述現(xiàn)象的可靠性，我們對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了核實(shí)。首先，根據(jù)祁縣井水溫和水位對2007年9月12日印尼蘇門答臘MS8.5地震(圖4(a))、2008年5月12日汶川MS8.0地震(圖4(b))、2010年 2月 27日智利MS8.8地震(圖 4(c))、2011年3月11日日本MS9.0地震(圖4(d))的同震響應(yīng)資料進(jìn)行分析后認(rèn)為，水位和水溫儀的時(shí)間服務(wù)系統(tǒng)工作正常。其次，依據(jù)祁縣井水溫與水位的日、半日起伏特征來判斷是否有水溫潮汐相位滯后于水位20多個(gè)小時(shí)的可能。祁縣井水溫、水位有同震響應(yīng)(圖4)，說明水溫溫度計(jì)記錄的是水體溫度。地球固體潮汐引起的水溫變化，其熱傳遞方式為對流、傳導(dǎo)或?qū)α?傳導(dǎo)。據(jù)相關(guān)研究(石耀霖等，2007;孫小龍等，2008;顧申宜等，2013)可知，井筒水體的對流、傳導(dǎo)效率較快，可在數(shù)小時(shí)內(nèi)完成，因而排除了水溫潮汐相位滯后于水位20多個(gè)小時(shí)的可能。再次，依據(jù)祁縣井多年水位、水溫整點(diǎn)值數(shù)據(jù)的逐月調(diào)和分析(唐九安，1999)，得出潮汐分波的相位差，選取分波中精度較高、受氣壓干擾較少的M2波，水溫與水位M2波相位差的差值可以換算成時(shí)間差(M2波的度/時(shí) =28.98410°/h，據(jù)汪成民等(1988)，以表示水溫與水位潮汐變化的時(shí)間差，計(jì)算結(jié)果在1.6h左右波動，說明祁縣井水溫潮汐相位超前于水位在整個(gè)觀測中都是存在的(圖5)。上述分析表明，祁縣井水溫潮汐相位超前于水位的現(xiàn)象是客觀的。

圖4 祁縣井2007年9月11日～12日(a)、2008年5月11日～12日(b)、2010年2月26日～27日(c)以及 2011年3月10日～11日(d)水位、水溫對比曲線

圖5 祁縣井水溫與水位潮汐變化的時(shí)間差(M2波，豎線表示計(jì)算誤差)

3 奇異關(guān)系成因討論

已有許多學(xué)者對水溫潮汐現(xiàn)象進(jìn)行過研究，并提出了不同的模型來解釋水溫潮汐現(xiàn)象。Shimamura等(1984)、Kitagawa等(1996)、趙剛等(2009)先后提出體應(yīng)變原理，認(rèn)為體應(yīng)變變化是引起水溫變化的原因，即井水隨體應(yīng)變變化而變化，由于溫度梯度的存在，就能觀測到潮汐形態(tài)的溫度變化。Furuya等(1988)、Koizumi(1990)、Mogi等(1989)、馬玉川等(2010)先后提出流量潮汐變化成因，該模型認(rèn)為固體潮引起了地下水流量的潮汐變化，而流量變化又導(dǎo)致了水溫的潮汐變化。魚金子等(1997)、車用太等(2004、2008)、張子廣等(2007)、Demezhko等(2012)先后提出了水動力學(xué)模式，認(rèn)為在地球潮汐力作用下首先是含水層巖體發(fā)生應(yīng)變并引起孔隙壓力的變化，由此導(dǎo)致井-含水層內(nèi)水流狀況的變化;然后由于井孔內(nèi)水體熱量隨水流量的變化導(dǎo)致了井水溫度的升降變化。這一模式下，水溫潮汐效應(yīng)是水位潮汐的次生效應(yīng)。不管是體應(yīng)變原理、流量潮汐變化成因，還是水動力學(xué)模式都難以解釋祁縣井水溫潮汐相位超前水位的觀測事實(shí)。

針對祁縣井的觀測事實(shí)，或許能假設(shè)出其它模型來解釋，但要合理解釋這一現(xiàn)象，首先要明確:水溫和水位潮汐動態(tài)有無相關(guān)性?

已有的研究表明(Elkhoury et al，2006;Lai et al，2011;晏銳等，2012)，井水位潮汐相位是反映含水層參數(shù)的有用信息。對于水溫和水位潮汐動態(tài)是否相關(guān)的疑問，我們通過分析水溫、水位潮汐相位的時(shí)間序列來論證。利用調(diào)和分析方法，得出了水溫和水位M2波潮汐相位差的逐月變化圖像，顯示無論是地震或人為擾動，二者的變化趨勢都是一致的(圖6)。這樣的結(jié)果說明，祁縣井水溫和水位的潮汐動態(tài)有相關(guān)性，可能都是當(dāng)?shù)睾畬有畔⒌姆从?，故排除了水溫潮汐變化與水位潮汐變化無關(guān)的可能。

圖6 祁縣井水位和水溫的M2波相位變化曲線

如圖6所示，祁縣井水位M2波相位差的時(shí)間序列有如下特征:地震后相位差有升高也有下降;地震后相位差沒有明顯恢復(fù);更換儀器引起的水體擾動影響水位潮汐變化形態(tài)。這些與已報(bào)道的震后水位相位差升高-恢復(fù)特征有差異(Elkhoury et al，2006;Lai et al，2012;晏銳等，2012)。雖然地震引起的水位相位差變化的原因仍在探索當(dāng)中，但祁縣井的計(jì)算結(jié)果使我們有這樣的疑問:祁縣井及其水位、水溫觀測有無特殊性?

經(jīng)過調(diào)查得知，祁縣井及其水位、水溫觀測的確存在特殊性:2007年7月安裝水溫溫度計(jì)時(shí)，因探頭在地面以下112m處無法下放，后置于112m處②何案華與本文作者的私人通訊。那么112m以下是什么狀況?112m上下的井水有無水力聯(lián)系?依據(jù)水位和水溫的同震響應(yīng)資料(圖4)，注意到地震能引起套管封閉段的井水水量和溫度發(fā)生變化，說明井孔內(nèi)水體是流通的，112m上下的井水存在水力聯(lián)系。

基于以上分析，建立了如圖7所示的祁縣井水觀測系統(tǒng)示意圖。結(jié)合前人的研究結(jié)果，我們認(rèn)為祁縣井水溫和水位的奇異潮汐關(guān)系可能與井筒堵塞引起的水流不暢有關(guān):固體潮產(chǎn)生的潮汐應(yīng)力使含水層變形，引起含水層和井孔之間的水流運(yùn)動，水流在112m附近因井孔堵塞而受阻，使受阻段水體漲落較快，而受阻段以外的井筒水體漲落較慢;水溫是其探頭處水體溫度的反映，水溫探頭置于受阻段水體，所以溫度變化較快;水位是其探頭以上水體壓力的反映，水位探頭置于受阻段以外的井筒水體，所以水位變化較慢，因而出現(xiàn)了水溫潮汐相位超前于水位的現(xiàn)象。

圖7 祁縣井水觀測系統(tǒng)示意圖

4 結(jié)語

我國有300多個(gè)水溫地震前兆觀測井，記錄到了豐富的地球物理信息，祁縣井水溫潮汐動態(tài)信息是其中之一，但其觀測結(jié)果和機(jī)理比較復(fù)雜，可能與水溫的“點(diǎn)”觀測特性有關(guān)，因而在分析水溫觀測資料時(shí)，查明水溫探頭位置、井孔特征、含水層狀態(tài)和水溫梯度等觀測環(huán)境是深入研究的前提。

已積累的多年觀測資料表明，大多數(shù)情況下同井水位和水溫存在相關(guān)性，因而對比觀測和分析是必要的;同井水位和水溫的動態(tài)關(guān)系在長(多年動態(tài))、短(同震或潮汐微動態(tài))時(shí)間尺度上表現(xiàn)出差異性(例如祁縣井)，因而二者的關(guān)系有待深入研究。

地震后祁縣井水位、水溫潮汐相位差的變化可能反映地震對含水層參數(shù)的影響，也可能反映地震對井孔受阻段的影響，或是一些其它因素共同作用的結(jié)果，有待于進(jìn)一步深入研究。