滇南地区近期水位趋势上升异常机理初探

胡小静, 付虹, 李琼

胡小静, 付虹, 李琼. 2018: 滇南地区近期水位趋势上升异常机理初探. 地震学报, 40(5): 620-631. DOI: 10.11939/jass.20170213
引用本文: 胡小静, 付虹, 李琼. 2018: 滇南地区近期水位趋势上升异常机理初探. 地震学报, 40(5): 620-631. DOI: 10.11939/jass.20170213
Hu Xiaojing, Fu Hong, Li Qiong. 2018: Preliminary study on abnormal mechanism of groundwater level rising in southern Yunnan. Acta Seismologica Sinica, 40(5): 620-631. DOI: 10.11939/jass.20170213
Citation: Hu Xiaojing, Fu Hong, Li Qiong. 2018: Preliminary study on abnormal mechanism of groundwater level rising in southern Yunnan. Acta Seismologica Sinica, 40(5): 620-631. DOI: 10.11939/jass.20170213

滇南地区近期水位趋势上升异常机理初探

基金项目: 国家自然科学基金(UI602233)、云南省地震局传帮带项目和中国地震局监测预报司震情跟踪课题任务(2017010308)联合资助
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    通讯作者:

    付虹: email: ynfuhong@qq.com

  • 中图分类号: 

Preliminary study on abnormal mechanism of groundwater level rising in southern Yunnan

  • 摘要: 2014年以来,滇南地区高大、开远和易门3口井的井水位出现趋势上升现象。通过开展井孔周边地下水开采情况的调查、降水影响的定量排除、井孔含水层系统应力状态的定量计算、周边区域构造活动的分析以及井孔水体化学组分的分析等工作,认为易门井的水位年动态主要受控于降水,2003年以来的趋势下降和2014年的趋势转折上升与大椿树工业园区的深井开挖抽水密切相关;高大井和开远井的井水位自2014年以来的趋势转折上升现象不完全受控于降水,但与周边地下水的开采亦无直接联系,可能与近几年该区域南北向强挤压为主的构造活动有关。
    Abstract: The groundwater level in Gaoda, Kaiyuan and Yimen wells consistently represented rising since 2014 in southern Yunnan. After investigated the groundwater pumping around the wells, quantitatively excluded the influence of rainfall and calculated the stress state of aquifer system, as well as analyzed the surrounding area tectonic activity and the chemical component of three wells, we received the following results: The annual water level changes of Yimen well were mainly controlled by the rainfall, and the downward trend since 2003 and the upward trend in 2014 were closely related to the deep-well excavation and pumping of Dachunshu industrial park. The rising trend of water levels of the Gaoda and Kaiyuan wells since 2014 was not entirely controlled by rainfall, and had no direct connection with the exploitation of surrounding groundwater, either, it may be related to regional tectonic activities dominated by the north-south strong extrusion in recent years.
  • 自20世纪80年代末我国开展高精度井水温度(简称水温)观测以来,除了在多次强震前观测到信度较高的水温前兆异常外,还在上百口井中观测到水温的同震响应,在几十口井中观测到水温潮汐效应. 笔者将上述水温动态,即与地壳动力作用有关的井水温度变化的信息,统称为水温微动态.

    前人对水温微动态形成机制已作过一些研究,提出了多种观点. 付子忠(1988)通过研究一些震例中的水温异常,提出井水温度微动态的形成是由地壳岩石受力变形与地热作用耦合引起的. 刘耀炜(2009)通过研究井水温度的同震响应,认为井水温度微动态的形成是含水层变形导致含水层内地下水的上、 下运动引起的. 马玉川(2010)通过研究井水温度潮汐认为,当含水层受潮汐力作用而膨胀变形时,含水层上部水向下运动会使水温下降,而含水层压缩变形时下部水向上运动则使水温上升. 上述观点所强调的是井水温微动态的形成是含水层受力变形的直接结果,可统称为井水温度形成的岩体力学机制.

    鱼金子等(1997)在北京太平庄自流井观测到地震波作用使井水位产生振荡,井水中有大量气泡逸出并伴有水温同震阶降的现象,认为自流热水井水温同震阶降是由气泡逃逸引起的. 陈大庆等(2007)从理论上论证了气泡逃逸论,并明确提出气泡逃逸机制.

    张永仙等(1991)通过研究泉水温度动态的形成机制,认为水温的变化与泉水流量的变化密切相关. 石耀霖等(2007)通过研究唐山井水温的同震响应提出了井水温度变化的水动力学弥散观点,并解释了井水温度的同震阶变机制. 尹宝军(2010)在此基础上提出了井筒内水动力学弥散与井内-井外的热传导模式,较好地解释了井水温度的同震响应及其后恢复过程.

    鱼金子等(1997)通过对太平庄井水温潮汐效应的研究提出了水动力学机制; 车用太等(2008)通过对水温同震响应的研究提出热对流与热传导机制; 鱼金子等(2012)通过研究金沙江水网对日本2011年3月11日MS9.0地震的同震响应及震后变化,提出水热动力学机制与地热动力学机制的概念,认为前者指水温变化是由带热的水流引起的,后者指水温变化是由井水与外围岩石之间的热传导或井区大地热流作用引起的.

    观测井及其外围的热主要来源于地热. 观测井任何点上的温度,不论水温还是地温都 是 地球内部的热由深处向地表释放的结果. 但由于观测井-含水层系统中水温与井筒外地温之间、 观测井水温与井中无水段气温之间均存在热的不平衡与温度的差异,导致各点温度随时间变化,即形成了动态水温. 因此,分析井水温度的动态变化,必须先弄清楚井-含水层中的热系统.

    首先,在地壳增温带范围内,井-含水层中的热系统(图1)存在两个梯度. 其一,井筒内水(井水)中存在随深度变化的水温垂向梯度,一般为正值,但梯度值在各深度段上是可变化的,个别情况下局部还可能出现负梯度; 其二,在井-含水层之间存在随井筒外边到含水层深处的距离而变化的水平向梯度,这种梯度不会太大,而且存在的范围也不会很大,一般在几—十几米. 在这两个梯度带内存在水流运动,垂向梯度带内井水的上下运动将引起井筒内热的对流; 水平向梯度带内井与含水层之间水的横向运动,也必然引起井筒内水的上下运动与相应的热对流. 其次,井筒内井水与井筒外围岩之间存在一个温差与热流. 由于井筒内水柱不断上下运动,其间的热平衡也不断遭到破坏,从而导致其间的热流(热传导)也在不断变化. 在某一深度上,当井水温度高于围岩地温时,热由井内向井外传导; 当井水温度低于围岩地温时,热由井外向井内传导. 再次,井水面上存在井水与大气间的热辐射,即不同介质界面上电磁效应向热物体外传递的热效应. 由此可见,井-含水层系统中的热运动有3种基本形式,即热对流、 热传导和热辐射,其方式决定了井筒内某一点的水温变化.

    图  1  非自流井-含水层中热系统示意图
    Figure  1.  Sketch of heat system in non-artesian well-aquifer

    对于观测井某一深度处水温背景值与水温动态的分析,无疑应放在这个热系统中进行. 某一深度处水温的背景值,主要取决于该地大地热流作用下形成的地温梯度,此梯度与井筒内的水温梯度相近,但二者是有差异的. 目前由于离开钻孔还无法测得地温梯度,所以一般忽视了这种差异,认为水温梯度就是地温梯度,其实不然. 某一深度的水温动态虽取决于多种因素,但主要取决于井-含水层间水(热)流运动与两个梯度及井水与围岩之间的热平衡与热传导,有时还可能与当地大地热流作用的变化相关.

    上述的井-含水层热系统分析,是指非自流井中水温动态观测的情况. 自流热水井中的情况则略有不同,主要有以下3点: ① 井筒内的水温梯度值相对较小,其大小不完全取决于当地的地温梯度,而主要取决于热水层的水温与井口泄流处的水温之差; ② 井-含水层间的水流运动,也不是井水与含水层地下水之间水流方向的变化,而表现为含水层流入井内的水流量变化; ③ 井筒内不会有水柱的上、 下运动,而表现为井筒内由下向上运动的水流速度发生变化. 尽管存在上述不同,但对观测井中某一点水温动态的形成机制不会有根本的改变.

    非自流井井水表面存在的热辐射,对井中一定深度下水温动态的影响并不大. 其影响深度一般认为是当地的地温恒温层深度,平原区多为20—30 m,高山峡谷区可达100 m左右.

    综上,一般情况下影响井水温度动态的主要因素是井-含水层间及井筒内的水流运动,其次是井水与井筒外岩石间存在的温度差异. 笔者将这两类因素作用下产生的水温动态,在形成机制上分别归纳为水热动力学机制与地热动力学机制.

    水热动力学机制指井水温度的变化是由水流运动引起的机制. 当含水层受到力的作用而变形破坏并导致孔隙压力变化时,会引起井-含水层间与井筒内的水流运动,此时在两个水温梯度作用下会产生井筒内各深度上的水温变化. 同样,当含水层内存在地下水的补给与排泄作用时,也会按此机制引起井水温度变化. 这种变化属于水温的宏观动态. 很显然,水热动力学机制下井水温度的变化与井水位的变化密切相关,如表1所示. 由表1可见,不同条件下,特别是水温梯度特征不同的情况下,同一水文地质条件或地球动力作用下可能表现出水温动态的不同特征.

    表  1  水热动力学机制下井水温度变化特征
    Table  1.  Characteristics of water temperature variation in a well under water-heat dynamics mechanism
    含水层内的变化 井-含水层间水流运动井筒内水流
    运动方向
    井水位
    变化
    井水温变化
    正梯度负梯度
    地下水补排
    关系变化
    补给量增多或排泄量减小
    排泄量增多或补给量减少
    含水层地下水→井水
    井水→含水层地下水
    向上
    向下
    上升
    下降
    上升
    下降
    下降
    上升
    变形破坏与孔
    隙压力变化
    被压缩使孔压增大
    被拉张或破裂使孔压减小
    含水层地下水→井水
    井水→含水层地下水
    向上
    向下
    上升
    下降
    上升
    下降
    下降
    上升
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    杨竹转(2011)于2007年12月—2008年11月在北京塔院井的6个深度上进行了水温潮汐特征差异性的试验观测研究. 塔院井深361 m,套管设置深度为0—252 m,观测含水层是顶板埋深为252 m的J2t凝灰岩裂隙承压含水层(图2a). 井水温度梯度基本特征如下: 30—80 m井段为正梯度,80—184 m井段为负梯度,184 m以下井段又变为正梯度(图2b). 在48,85,130,178,184和187 m等6个深度上分别进行水温潮汐动态观测,并与水位潮汐动态进行比较,其结果如图3所示. 显然,不同深度上观测到的水温潮汐特征差异明显(表2),特别是130和178 m深度上观测到的水温潮汐相位与水位潮汐相位相反,即井水位上升时水温下降,而井水位下降时水温上升,这样的特征可能与此井段(相当于第四系孔隙含水层段)水温负梯度有关; 184和187 m深度上水温潮汐相位与水位潮汐相位一致,可能与此井段水温正梯度有关. 由此可见,水温潮汐微动态形成机制可用水热动力学机制予以很好的解释.

    图  2  塔院井井孔地层柱状图(a)及其30-190m深度段水温梯度曲线(b)(引自杨竹转,2011)
    Figure  2.  Columnar section for the well Tayuan (a) and its water-temperature gradient in depth of 30-190m (b) (after Yang,2011)
    图  3  塔院井6个深度上观测到的水温潮汐及其与水位潮汐对比图(引自杨竹转,2011)
    Figure  3.  Tide of water temperature and comparison with tide of water level at six depths in the well Tayuan (after Yang,2011)
    表  2  塔院井6个深度上水温潮汐基本特征比较
    Table  2.  Basic features of water temperature tide at six depths of the well Tayuan
    观测深度/m日潮差/℃观测日期月相
    公历农历
    4802008-04-04—08二月廿八至三月初三
    8502008-08-12—16七月十二至十六
    1300.00052008-01-11—15十二月初四至初八上弦
    1780.00072007-12-21—25十一月十二至十六
    1840.00352008-11-12—16十月十五至十九
    1870.00202008-11-26—30十月廿九至十一月初三
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    水温的同震响应与水位同震响应的关系更为复杂. 据刘耀炜(2009)统计,2008年5月12日汶川MS8.0地震时,全国地下流体台网中水温和水位均有同震响应的井共有97口,二者的关系可分为6种情况,如表3所示. 这种复杂的情况也可用水热动力学机制给出合理的解释(图4). 井水位振荡意味着井筒内不同温度的水上下混合. 当井水温度梯度为正时,混合结果使水温梯度线斜率改变. 井水上下混合后井筒上半部水温升高、 下半部水温下降,因此温度传感器若放置在井筒下半部时会记录到水温下降(图4a中A型),而传感 器若放置在井筒上半部时则会记录到水温上升(图4a中B型). 在井水温度梯度值为正的井中,当水温传感器放置在观测含水层以上时,井水位上升时水温梯度线上移,井中某一点的水温上升(图4b中C型); 井水位下降时水温梯度线下移,井中某一点的水温下降(图4c中E型). 在井水温梯度值为负的井中,若将水温传感器放置在观测含水层以上,井水位上升时水温梯度线上移,井中某一点的水温下降(图4d中D型); 井水位下降时水温梯度线下移,井中某一点的水温上升(图4e中F型).

    表  3  汶川MS8.0地震水温与水位同震响应的组合类型
    Table  3.  Combination types of coseismic response of water temperature and water level of Wenchuan MS8.0 earthquake
    响应形态井数井数百分比
    组合类型水位水温
    A振荡下降1919.6%
    B振荡上升1010.3%
    C上升上升2323.7%
    D上升下降1717.5%
    E下降下降1818.6%
    F下降上升1010.3%
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    图  4  井水位与水温同震响应组合关系多样性的水热动力学机制解释
    虚线为井水温度的原梯度线; 实线为同震响应后井水位变化引起的水温梯度线变化(a) 井水位振荡时,井筒上半部水温上升,下半部水温下降; (b) 水温梯度值为正时,井水位上升,井水温上升; (c)水温梯度值为正时,井水位下降,井水温下降;(d) 水温梯度值为负时,井水位上升,井水温下降; (e)水温梯度值为负时,井水位下降, 井水温上升
    Figure  4.  Explanation of several combination relations of coseismic response of water level and water temperature by using water-heat dynamic mechanism where dashed line denotes original gradient of water temperature,solid line denotes the gradient of water temperature resulted from change in water level after coseismic response
    (a) If water level oscillates,water temperature rises in upper half of a well and drops in lower half of the well; (b) If the gradient of water temperature in a well is positive,water level rises, water temperature also rises; (c) If the gradient of water temperature in a well is positive,water level drops,water temperature also drops; (d) If the gradient of water temperature in a well is negative,water level rises,water temperature drops; (e) If the gradient of water temperature in a well is negative,while water level drops,water temperature rises

    上述的水热动力学机制,只适合于简单的井-含水层水文地质模型. 如果观测井有多个观测含水层,且各含水层的渗透系数(K)与厚度(M)不同时,由于各层的导水系数(T=KM)不同,同一力学作用下各含水层对井水温度或热变化的贡献不同,再加上温度传感器放置深度不同,因此会导致更加复杂多样的水位与水温同震响应关系和水温同震响应形态. 这种情况下,用水热动力学机制解释水温微动态特征,显然是复杂的.

    但是,有些水温微动态的形成是无法用水热动力学机制解释的. 例如,井水温度变化后,为什么有时逐渐恢复? 为什么恢复时间有长有短? 甚至为什么有时又不能恢复?特别是无水的干井中为什么也可记录到地温同震阶变? 这些矛盾,说明了水热动力学机制尽管可以解释很多水温微动态的形成机制,但也有很多现象是无法解释的. 因此,下面又提出了另一类机制 地热动力学机制.

    地热动力学机制指井水温度的变化是由固体(岩土)介质的热传导引起的,是一种与井筒或井-含水层系统中水热运动无关的机制. 这种机制可以合理地解释井水温度同震响应之后的两类变化: 一类是同震响应逐渐消失; 另一类是同震响应“长久”不消失,或井水温度背景值发生变化的震后效应(图5).

    图  5  汶川MS8.0地震的3个典型的水温同震响应及震后效应记录图
    (a) 同震下降-震后恢复型; (b) 同震上升-震后高值型; (c) 同震下降-震后低值型
    Figure  5.  Three recordings of typical coseismic response to the Wenchuan MS8.0 earthquake and post-seismic change of water temperature in some wells
    (a) Coseismic response drops,post-seismic effect is resumable (Mengyin well,Shandong Province);(b) Coseismic response rises,post-seismic effect keeps on a high value (Nanxi well,Sichuan Province); (c) Coseismic response drops,post-seismic effect keeps on a lower value (Zhouzhi well,Shanxi Province)

    图5a为山东省蒙阴井汶川MS8.0地震时的水温同震响应及震后效应记录图. 该井深491 m,观测含水层为顶板埋深331 m的第四系(Q)砂砾石孔隙承压含水层. 水温同震响应为下降,但震后水温很快转为上升,约8小时后水温完全恢复到震前水平. 据107口井对汶川地震的水温震后效应统计(赵刚等,2008),约占38%的井属于此类. 但各井震后水温恢复到震前水平所需的时间长度差异很大,其中短者仅为1—2小时,长者则需3—10天. 对于这类井的水温震后恢复机制,可用井筒内水热(温)与井筒外地热(温)的热(温度)平衡和热传导的地热动力学机制给出合理的解释. 各井水温震后恢复时间之所以有长有短,主要取决于井筒外岩土层的热传导能力. 不同岩石的导热系数,以及裂隙化程度有差异的同一种岩石的导热系数差异都较大(表4),表现为井筒外围岩的导热系数大,井筒内水温的震后恢复时间就短; 井筒外围岩的导热系数小,井筒内水温的震后恢复时间则长.

    表  4  常见岩石的导热系数
    Table  4.  Heat conductivity of common rocks
    岩浆岩导热系数/(×4.23 mW·m-1·K-1)变质岩导热系数/(×4.23 mW·m-1·K-1)
    花岗岩闪长岩安山岩玄武岩石英岩大理岩千枚岩页岩
    2.09—3.101.85—2.101.101.871.60—4.802.60—3.201.94—2.662.16
    沉积岩导热系数/(×4.23 mW·m-1·K-1)
    砂岩砾岩石灰岩白云岩凝灰岩
    1.1—2.61.81.880.94—4.30.61—1.37
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    图5b图5c分别为四川省南溪井与陕西省周至井的水温同震响应及震后效应记录图. 南溪井深101 m,观测层为顶板深仅5 m的上三迭统(T3xj)石英砂岩裂隙承压水层; 汶川地震的同震响应为上升,升幅为0.14 ℃,上升后一直保持在高值上. 周至井深3 201 m,观测层为顶板埋深1 100 m的上第三系(N2)砂岩孔隙承压水层,井水自流; 汶川地震的同震响应为突降转缓降,下降过程持续8天,降幅为0.5 ℃,然后一直保持在低值上.

    对于上述两种震后效应的机制,目前有两种不同的观点. 一种观点是,井区大地热流作用强度发生变化,即用地热动力学机制解释. 大地热流是由地球内部向地球外通过热传导作用释放的热,一般用热流密度(q)表示,其大小取决于地壳介质的导热系数(к)与地温梯度(ΔTh),即q=к(ΔTh). 全球的平均热流密度为(63±6) mW/m2,我国大陆为40—70 mW/m2. 总体上南北构造带、 华北平原带、 东南沿海带等多震强震区偏高,塔里木盆地、 鄂尔多斯块体等少震弱震区偏低(高文学等,2000). 一般认为,各地的大地热流值是长期稳定的,短时可视为稳定不变,但由上述强震区高热流值与弱震区低热流值的事实推测地震活动可改变各地的大地热流值. 任雅琼等(2012)利用DODIS卫星观测资料系统地研究了依兰—伊通断裂带2000—2011年地表温度变化,发现2011年3月11日日本MS9.0地震前2个月有明显的降温异常. 这一发现佐证了地震活动可改变有关地区大地热流作用强度的认识. 近几年我国对震前热红外异常的研究逐步加深,尤其是关于汶川地震的震区及外围地区震前、 震时与震后的异常. 多数研究者认为热异常出现在震前几—几十天,发震前后一两天热异常表现最为强烈,而震后的热异常则有很快消失与久不消失之别(王成喜等,2009; 李美等,2010张元生等,2010),甚至有的在外围地区震后几十天才出现热异常(程建等,2010)等复杂现象. 这些结果进一步表明,无论震前还是震后都存在着地热的显著异常. 因此,大震后井水温度的“永久”性变化,可认为是由井点所在区的大地热流作用强度变化引起的动态背景值的变化.

    关于井水温度的同震及震后变化机制的另一种观点是,水温震后效应是由井-含水层系统的水文地质条件变化所致(史浙明等,2013). 该观点认为在地震波的强烈作用下含水层岩体结构发生变化,如含水裂隙被冲开或被堵塞,导致其渗透性或导水性发生改变,甚至造成新的裂隙,使不同温度的含水层地下水彼此沟通等,从而改变了井筒内水温梯度以 及不同含水层水流对井水的热贡献比例等. 这种观点有一定的合理性,但目前尚难以确认.

    干井中地温的同震响应及震后效应的记录是支持强震导致井区大地热流作用强度变化的有力依据. 图6为青海省德令哈井地温对汶川地震的同震响应及震后效应曲线. 该井深88 m,为无水干井,井底岩石为华力西期花岗岩(γ4); 同震阶升(升幅0.01 ℃),接着缓升约10天(升幅0.007 ℃)后,稳定在高值上. 类似的情况在青海西宁井(干井,深105.6 m,观测层为N含石膏砂岩)的地温动态中也曾出现. 显然,上述干井中地温的同震响应及震后效应肯定是地热动力学作用机制.

    图  6  青海省德令哈干井中地温对汶川MS8.0地震的同震响应及震后效应曲线
    Figure  6.  Recordings of coseismic response to the Wenchuan MS8.0 earthquake and post-seismic change of earth temperature in a dry well,Delingha,Qinghai Province

    水热动力学机制与地热动力学机制是两种基本机制,可以用来解释较为简单的井-含水层系统井水温度微动态的形成. 但当井-含水层系统较为复杂时,如与观测井相连通的含水层为多层时,用这两种基本机制尚难以圆满地解释水温微动态的形成.

    2008年5月6-15日在四川省西昌川03井3个不同深度(395,595和765 m)上同步观测到汶川地震前、 后的水温微动态曲线(图7a). 该井深765 m,套管深0—40 m,观测含水层有多个,除了39.95—100.02 m间第三系半胶结的砂砾石孔隙水层外,以下有8个含铁辉长岩与钒钛磷铁矿层裂隙含水层,但各层的渗透系数和厚度均不同(图7b). 井筒内水 温梯度为正,但各井段的梯度大小差异较大,最低为1.234 ℃/hm,最高可达3.353 ℃/hm,平均为2.3586 ℃/hm (图7c). 在此种复杂多变的水文地质与地热条件下,井水温的同震响应(表5)和水温潮汐效应(表6)都表现得相当复杂,不可能用上述两种机制予 以合理解释.浅层(395 m)水温微动态的形成可能以水热动力学机制为主,深层(765 m)水温微动态形成可能以地热动力学机制为主,而中层(595 m)水温微动态可能是水热动力学与地热动力学共同机制下形成的. 但利用现有的资料尚难以给出令人信服的论证.

    图  7  四川西昌川03井3个不同深度上水温微动态(a)、 井孔水文地质特征(b)和井水温度梯度变化(c)图
    Figure  7.  Micro-behavior of water temperature at three depths (a),hydrogeological characteristic of well hole (b) and change in gradient of water temperature (c) in the well Chuan03,Xichang,Sichuan Province
    表  5  川03井3个不同深度水温的汶川地震同震响应与震后效应特征比较
    Table  5.  Characteristics of coseismic response to Wenchuan MS8.0 earthquake and post-seismic change of water temperature at three depths of the well Chuan03
    传感器置深/m同震响应震后效应说明
    形态幅度/(10-2 ℃) 形态持续时间/d
    395振荡1.96缓降>3.5水温持续下降,水位持续上升
    595急升2.36缓降—转平1.5水温在高值上稳定
    765缓升0.76缓升>3.5水温持续上升
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    表  6  川03井3个不同深度水温的潮汐效应特征比较
    Table  6.  Tide response of water temperature at three depths of the well Chuan3
    传感器置深/m形态显示日潮差/(10-2 ℃)水位潮汐关系
    395很明显2.64相位一致,关系密切
    595较明显0.83相位基本一致,有关系
    765不明显关系不明显
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    由此可见,井水温度微动态的形成机制,在井孔水文地质与地热条件复杂多变时,表现得相当复杂,尚需进一步研究. 特别是在弄清井孔水文地质条件与精密测量水温梯度的前提下,除了开展水动力学与热动力学的综合研究,重点剖解一些典型井孔的观测资料外,还需开展必要的物理实(试)验与数值模拟研究,以深化对井水温度微动态形成机制的认识,提升井水温度观测及其动态分析的科学性.

    井水温度观测已发展成为我国地震地下流体前兆观测的第二大主测项,不仅在多次强震前记录到成组的水温前兆异常,而且还记录到潮汐效应、 同震响应及震后效应等重要的地球动力学作用信息. 然而,目前对上述水温微动态的形成机制众说纷纭. 笔者在前人研究的基础上,经过进一步的分析研究,对水温微动态形成机制归纳为两类基本机制: 水热动力学机制和地热动力学机制.

    水热动力学机制的核心是井水中某一点的温度变化是由井-含水层间与井筒内伴随着水流运动产生的热对流作用引起的. 这种机制可以很好地解释井水温度的潮汐效应与同震响应. 地热动力学机制的核心则是井中某一点的温度变化是由井水与井筒外围岩间热传导及井区大地热流作用强度的变化引起的. 井筒内外热传导机制较好地解释了井水温度同震响应后可恢复的变化过程,大地热流作用强度变化机制则较好地解释了井水温度同震响应后不可恢复的“永久”性变化.

    然而,水温微动态的特征十分复杂,其形成机制也相当复杂. 用上述的水热动力学机制和地热动力学机制尚难以解释已记录到的某些水温微动态特征.

  • 图  1   观测井孔周边地质构造图

    Figure  1.   Geological structure around the observation wells

    图  2   高大井 (a)、开远井 (b) 和易门井 (c) 月均水位和月累积降水量的时间进程曲线

    Figure  2.   The time history curve of monthly mean water levels and cumulative precipitations of Gaoda well (a),Kaiyuan well (b) and Yimen well (c)

    图  3   高大井 (a)、开远井 (b) 和易门井 (c) 的月均水位变化量与降雨量线性回归示意图

    Figure  3.   Linear regression between monthly mean water level difference and rainfall of Gaoda well (a),Kaiyuan well (b) and Yimen well (c)

    图  4   高大井 (a)、开远井 (b) 和易门井 (c) 水位的观测值与模拟值的动态变化曲线

    Figure  4.   Dynamic changes of observation and simulation water levels in Gaoda well (a),Kaiyuan well (b) and Yimen well (c)

    图  5   易门井水位时序图

    Figure  5.   Daily mean water levels of Yimen well

    图  6   高大井 (a)、开远井 (b) 和易门井 (c) 含水层垂直向应力变化量Δσz的动态变化

    Figure  6.   Dynamic changes of vertical stress Δσz in aquifer of Gaoda well (a),Kaiyuan well (b) and Yimen well (c)

    图  7   昆明—通海 (a) 和通海—蒙自 (b) 的GNSS基线观测时间序列

    Figure  7.   Time series of Kunming-Tonghai (a) and Tonghai-Mengzi (b) of GNSS baseline observation

    图  8   地下水水样测试结果分析

    (a) 地下水Piper图;(b) Na-K-Mg三角图;(c) 氢氧同位素对比图

    Figure  8.   Analysis of groundwater test results

    (a) The diagram of groundwater Piper;(b) The triangle diagram of Na-K-Mg; (c) Hydrogen and oxygen isotopes of observation wells

    表  1   井孔应力增强与周边地震的对应情况统计

    Table  1   Statistical analysis of the correspondence between the stress enhancement of observation wells and surrounding earthquakes

    序号 井孔名称 异常开始时间 异常结束时间 异常幅值/105 Pa 发震日期 震例
    年−月−日
    1 高大 2007−06−03 宁洱MS6.4
    开远 2007−03 2007−05 0.036 1
    易门 2007−05 2008−04 0.045 7
    2 高大 2008−08−30 会理MS6.1
    开远 2008−02 2009−01 0.055 0
    易门 2007−05 2008−04 0.045 7
    3 高大 2009−05 2009−12 0.001 96 2009−07−09 姚安MS6.0
    开远 2007−03 2009−01 0.055 0
    易门
    4 高大 2012−01 2012−12 0.012 9 2013−04−20 芦山MS7.0
    开远 2012−06 2012−12 0.005 4
    易门 2012−03 2012−09 0.003 0
    5 高大 2014−01 2017−05 (未结束) 0.087 4
    开远 2013−10 2017−01 0.125 0 2014−08−25
    2014−10−07
    鲁甸MS6.5
    景谷MS6.6
    易门 2014−03 2017−05 (未结束) 0.049 0
    注:截至结算结果日期2017年5月,高大井和易门井的高应力状态仍未结束。
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  • 车用太, 鱼金子, 张大维. 1993. 降雨对深井水位动态的影响[J]. 地震, 13(4): 8-15.

    Che Y T, Yu J Z, Zhang D W. 1993. Influence of precipitation of behavior of water level in deep wells[J]. Earthquake, 13(4): 8-15(in Chinese).

    车用太, 鱼金子, 刘成龙, 徐桂明, 郑益铭. 2011. 判别地下水异常的干扰性与前兆性的原则及其应用实例[J]. 地震学报, 33(6): 800-808. doi: 10.3969/j.issn.0253-3782.2011.06.010

    Che Y T, Yu J Z, Liu C L, Xu G M, Zheng Y M. 2011. Principles on distinguishing interference from seismic precursor of underground water variation and its application[J]. Acta Seismologica Sinica, 33(6): 800-808(in Chinese).

    陈立德, 付虹. 2003. 地震预报基础与实践[M]. 北京: 地震出版社: 262.

    Chen L D, Fu H. 2003. Earthquake Prediction Foundation and Practice[M]. Beijing: Seismological Press: 262 (in Chinese).

    陈棋福, 郑大林, 车时. 2002a. 中国震例 (1992—1994)[M]. 北京: 地震出版社: 1–429.

    Chen Q F, Zheng D L, Che S. 2002a. Earthquake Cases in China (1992—1994)[M]. Beijing: Seismological Press: 1–429 (in Chinese).

    陈棋福, 郑大林, 刘桂萍. 2002b. 中国震例 (1995—1996)[M]. 北京: 地震出版社: 1–489.

    Chen Q F, Zheng D L, Liu G P. 2002b. Earthquake Cases in China (1995—1996)[M]. Beijing: Seismological Press: 1–489 (in Chinese).

    陈棋福, 郑大林, 高荣胜. 2003. 中国震例 (1997—1999)[M]. 北京: 地震出版社: 1–468.

    Chen Q F, Zheng D L, Gao R S. 2003. Earthquake Cases in China (1997—1999)[M]. Beijing: Seismological Press: 1–468 (in Chinese).

    陈棋福, 郑大林, 车时. 2008. 中国震例 (2000—2002)[M]. 北京: 地震出版社: 1–570.

    Chen Q F, Zheng D L, Che S. 2008. Earthquake Cases in China (2000—2002)[M]. Beijing: Seismological Press: 1–570 (in Chinese).

    丁风和, 戴勇, 宋慧英, 魏建民, 查斯. 2015a. 大甸子井-含水层系统水文地质参数间的变化关系[J]. 地震地质, 37(4): 982-990.

    Ding F H, Dai Y, Song H Y, Wei J M, Cha S. 2015a. The changing relationship of hydrogeological parameters of Dadianzi well-aquifer system[J]. Seismology and Geology, 37(4): 982-990(in Chinese).

    丁风和, 哈媛媛, 王勇, 魏建民, 韩晓雷. 2015b. 基于数字化水位的张渤带地区构造应力场时序特征分析[J]. 地震, 35(2): 133-138.

    Ding F H, Ha Y Y, Wang Y, Wei J M, Han X L. 2015b. Temporal characteristics of the tectonic stress field of Zhangbo belt area based on digital water level[J]. Earthquake, 35(2): 133-138(in Chinese).

    丁风和, 韩晓雷, 哈媛媛, 戴勇, 梁莹. 2015c. 承压井含水层孔隙度与固体骨架和水的体积压缩系数之间的关系[J]. 地球科学: 中国地质大学学报, 40(7): 1248-1253.

    Ding F H, Han X L, Ha Y Y, Dai Yong, Liang Ying. 2015c. Relationship of porosity and volume compression coefficient of solid skeleton and water in artesian well aquifer[J]. Earth Science: Journal of China University of Geosciences, 40(7): 1248-1253(in Chinese). doi: 10.3799/dqkx.2015.104

    付虹, 邬成栋, 赵小艳, 王庆良. 2014. 云南开远井水位异常分析[J]. 地震学报, 36(2): 292-298. doi: 10.3969/j.issn.1000-0844.2014.02.0292

    Fu H, Wu C D, Zhao X Y, Wang Q L. 2014. Analysis on the anomaly of water level in Kaiyuan well, Yunnan[J]. Acta Seismologica Sinica, 36(2): 292-298(in Chinese).

    胡小静, 付虹, 毕青. 2016. 基于年降水干扰排除的云南地区地下水位群体异常研究[J]. 地震研究, 39(4): 545-552. doi: 10.3969/j.issn.1000-0666.2016.04.003

    Hu X J, Fu H, Bi Q. 2016. Research on group anomalies of groundwater level in Yunnan region based on eliminating precipitation interference[J]. Journal of Seismological Research, 39(4): 545-552(in Chinese).

    贾化周, 张炜, 董守玉, 王吉易. 1995. 地震地下水手册[M]. 北京: 地震出版社: 135–229.

    Jia H Z, Zhang Y, Dong S Y, Wang J Y. 1995. Earthquake groundwater Manual[M]. Beijing: Seismological Press: 135–229 (in Chinese).

    蒋海昆, 付虹, 杨马陵. 2014. 中国震例 (2003—2006)[M]. 北京: 地震出版社: 1–775.

    Jiang H K, Fu H, Yang M L. 2014. Earthquake Cases in China (2003—2006)[M]. Beijing: Seismological Press: 1–775 (in Chinese).

    李永善. 1979. 构造应力引起地下水位变化的主要特征[J]. 西北地震学报, 1(1): 16-22.

    Li Y S. 1979. The main features of groundwater level caused by tectonic stress[J]. Northwestern Seismological Journal, 1(1): 16-22(in Chinese).

    刘耀炜, 陆明勇, 付虹, 黄辅琼, 李胜乐. 2010. 地下流体动态信息提取与强震预测技术研究[M]. 北京: 地震出版社: 39–40.

    Liu Y W, Lu M Y, Fu H, Huang F Q, Li S L. 2010. Dynamic Information Extraction and Strong Earthquake Prediction Technique Research of Groundwater[M]. Beijing: Seismological Press: 39–40 (in Chinese).

    孙小龙, 刘耀炜, 晏锐. 2011. 利用水位资料反演华北地区构造应力场变化[J]. 地震, 31(2): 42-49. doi: 10.3969/j.issn.1000-3274.2011.02.005

    Sun X L, Liu Y W, Yan R. 2011. Inversion of tectonic stress field in the North China region based on groundwater level data[J]. Earthquake, 31(2): 42-49(in Chinese).

    孙小龙, 刘耀炜, 晏锐. 2013. 云南姚安井2009年10月后水位下降的成因分析[J]. 地震学报, 35(3): 410-420. doi: 10.3969/j.issn.0253-3782.2013.03.012

    Sun X L, Liu Y W, Yan R. 2013. Causation of groundwater level descending since October 2009 in Yunnan Yao’an well[J]. Acta Seismologica Sinica, 35(3): 410-420(in Chinese).

    汪成民, 车用太, 万迪堃, 董守义. 1988. 地下水微动态研究[M]. 北京: 地震出版社: 3–4.

    Wang C M, Che Y T, Wan D K, Dong S Y. 1988. Research of Groundwater Micro-Behavior[M]. Beijing: Seismological Press: 3–4 (in Chinese).

    王旭升, 王广才, 董建楠. 2010. 断裂带地下水位的降雨动态模型及异常识别[J]. 地震学报, 32(5): 570-578. doi: 10.3969/j.issn.0253-3782.2010.05.006

    Wang X S, Wang G C, Dong J N. 2010. Simulation of groundwater regime in response to rainfall and identification of anomalies in a fault zone[J]. Acta Seismologica Sinica, 32(5): 570-578(in Chinese).

    晏锐. 2008. 影响井水位变化的几种因素研究[D]. 北京: 中国地震局地震预测研究所: 23–46.

    Yan R. 2008. Study of Several Influence Factors of Well Water Level Change[D]. Beijing: Institute of Earthquake Forecasting, China Earthquake Administration: 23–46 (in Chinese).

    杨明波, 康跃虎, 张庆, 白长青, 林元武, 王力, 黎长维, 张凌空, 朱时军, 张中五, 谷廷瑶. 2009. 北京地下水位趋势下降动态及地震前兆信息识别[J]. 地震学报, 31(3): 282-289. doi: 10.3321/j.issn:0253-3782.2009.03.005

    Yang M B, Kang Y H, Zhang Q, Bai C Q, Lin Y W, Wang L, Li C W, Zhao L K, Zhu S J, Zhang Z W, Gu T Y. 2009. Tendencious fall of groundwater table in Beijing region and recognition of earthquake precursor information[J]. Acta Seismologica Sinica, 31(3): 282-289(in Chinese).

    云南省地震局. 2005. 云南省地震监测志[M]. 北京: 地震出版社: 366–367, 419–427.

    Earthquake Administration of Yunnan Provine. 2015. Yunnan Earthquake Moritoring[M]. Beijing: Seismological Press: 366–367, 419–427 (in Chinese).

    张肇成, 罗兰格, 李海华. 1988. 中国震例 (1966—1975)[M]. 北京: 地震出版社: 1–222.

    Zhang Z C, Luo L G, Li H H. 1988. Earthquake Cases in China (1966—1975)[M]. Beijing: Seismological Press: 1–222 (in Chinese).

    张肇成, 罗兰格, 李海华. 1990a. 中国震例 (1976—1980)[M]. 北京: 地震出版社: 1–421.

    Zhang Z C, Luo L G, Li H H. 1990a. Earthquake Cases in China (1976—1980)[M]. Beijing: Seismological Press: 1–421 (in Chinese).

    张肇成, 罗兰格, 李海华. 1990b. 中国震例 (1981—1985)[M]. 北京: 地震出版社: 1–293.

    Zhang Z C, Luo L G, Li H H. 1990b. Earthquake Cases in China (1981—1985)[M]. Beijing: Seismological Press: 1–293 (in Chinese).

    张肇成, 郑大林, 徐京华. 1999. 中国震例 (1986—1988)[M]. 北京: 地震出版社: 1–394.

    Zhang Z C, Zheng D L, Xu J H. 1999. Earthquake Cases in China (1986—1988)[M]. Beijing: Seismological Press: 1–394 (in Chinese).

    张肇成, 郑大林, 徐京华. 2000. 中国震例 (1989—1991)[M]. 北京: 地震出版社: 1–453.

    Zhang Z C, Zheng D L, Xu J H. 2000. Earthquake Cases in China (1989—1991)[M]. Beijing: Seismological Press: 1–453 (in Chinese).

    张昭栋, 耿杰, 高玉斌, 张铸钢. 1993. 井水位降雨影响的定量改正[J]. 地震学报, 15(2): 202-207.

    Zhang Z D, Geng J, Gao Y B, Zhang Z G. 1993. Quantitative correction of the influence of the rainfall to well water level[J]. Acta Seismologica Sinica, 15(2): 202-207 (in Chinese).

  • 期刊类型引用(9)

    1. 李琼,付虹,胡小静,杜家云,杨黎. 云南地区氡异常与地震的统计特征分析. 地震学报. 2024(02): 340-352 . 本站查看
    2. 刘洁,翟宏光,张国强,朱琳,邱玉荣. 陕西凤翔井水位和区域应力场变化与地震活动性关系研究. 地震. 2024(03): 124-137 . 百度学术
    3. 刘伟,白细民,吕少杰,史浙明,齐之钰,何冠儒. 基于井水位气压效应计算含水层的水力参数. 地震地质. 2023(03): 652-667 . 百度学术
    4. 王秀娟,周璇. 江苏睢宁苏02、03井水位异常变化机理探讨. 四川地震. 2023(03): 31-37 . 百度学术
    5. 解晓静,张艺潇,张帆,李盛,郑在壮. 基于数字化水位的琼东北地区构造应力场时序特征分析. 地震科学进展. 2022(03): 110-119 . 百度学术
    6. 芮雪莲,杨耀,官致君,林圣杰. 四川会理川-31井水位变化与降雨量关系及异常识别. 华北地震科学. 2021(01): 78-83 . 百度学术
    7. 解晓静,苏荣托雅,张帆,孙三健. 海南琼海加积井水位水温同步上升后转平的异常成因初探. 华南地震. 2019(S1): 37-45 . 百度学术
    8. 王喜龙,杨振鹏,刘天龙. 辽宁高七井静水位破年变异常特征分析. 防灾减灾学报. 2019(04): 7-13 . 百度学术
    9. 王熠熙,孙小龙,邵永新,刘双庆,李悦,李赫,王喜龙,龚永俭. 天津王3井水位异常机理. 地震学报. 2019(06): 757-768+808 . 本站查看

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出版历程
  • 收稿日期:  2017-12-06
  • 修回日期:  2018-03-04
  • 网络出版日期:  2018-09-06
  • 发布日期:  2018-08-31

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