甘肅清水溫泉井與臨夏井水溫在汶川地震前后的異常變化特征*

蒲小武，武 銀，狄國榮，梅東林，陳彥平，王軍燕，葉媛媛

0 引言

地球是一個巨大的熱庫，由內部向地表釋放熱量，在地球表面產生熱流。地熱一般是指地殼熱狀態，在地震孕育與發生過程中，一方面與地殼的熱狀態密切相關，另一方面又會引起地殼熱狀態的改變，因此可通過對反映地殼熱狀態的井水溫度或井孔圍巖溫度的觀測，捕捉地震前地殼熱狀態異常變化信息，進行地震監測預報的探索。目前地震部門的地下水溫度觀測傳感器置于井水中，觀測水溫變化，大部分的臺站都采用具有高精度的石英溫度計。

自從開展水溫觀測以來，已經積累了較多水溫地震前兆異常實例。由于異常多出現在震前幾天至幾十天時間段內，為短臨異常;且異常幅度大，一般為正常起伏度的幾至幾十倍，異常顯著而易識別，因此在地震短臨監測中表現出特有的優勢 (付子忠，1988;車用太，金魚子，1997);劉耀偉等，2008)。為我國的地震監測與預測，尤其在短臨預測與實現地震預報提供了重要數據。但對于水 (地)溫異常特征，目前主要是水 (地)溫異常與地震的對應關系的定性分析，定量的研究則較少。

2008年5月12日在青藏塊體東部邊緣發生汶川8.0級地震，地震前，甘肅省清水溫泉和臨夏井都記錄到非常顯著的水溫異常。筆者對這兩井的整點值數據進行一元線性回歸分析，然后對日均值數據進行平滑濾波處理，分別用斜率K值法、從屬函數法等方法，分析兩口井水溫異常信息的相似性與差異性。

1 臺站基本情況及數據處理

1.1 觀測井簡介

(1)清水溫泉井

清水溫泉位于清水縣城北東8 km的湯浴河谷內(34.45°N，106.13°E)，海拔高程 1 445 m。地勢北東高，南西低，屬低山丘陵。其構造位置屬于隴西系南段、秦嶺北緣大斷裂的北側，六盤山斷裂帶西南側 (圖1)。臺基巖性為通渭—清水斷裂晚古生代花崗巖，該溫泉是深部熱水沿巖石裂隙運動，在一定地質構造條件下出露于地表而形成的。清水溫泉井深443.3 m，水溫觀測儀器為SZW－1A型數字式溫度計，水溫探頭位于井下185 m處。2007年6月儀器入網，產出正常數據產品。

(2)臨夏井

臨夏井位于臨夏市東北方向約7 km的折橋鄉(35.63°N，104.26°E)，海拔 1 830 m。地形開闊平坦，周圍沒有明顯干擾。第四紀覆蓋層厚10～20 m，為亞粘土卵石，下伏第三系基底花崗巖。井深200.1 m，2006年11月開始水溫數字化觀測，2007年入網，2007年6月產出正常數據。觀測儀器為SZW－1A型數字化水溫儀，水溫探頭位置在井下185 m處的第三系花崗巖中。

圖1 研究區域構造背景及井點分布圖Fig.1 Regional tectonic background and distribution of well points in study area

1.2 地熱正常動態

趙剛等 (2009)對全國近277個觀測井的地熱正常動態進行了系統研究，將其劃分為降溫型、升溫型、波動型、穩定型、跳變型、長周期型6種基本類型。據統計，在整個地下流體臺網中，降溫型、升溫型和波動型占70%左右。在了解其正常動態特征基礎上，才能夠提取地震前兆異常信息。井水溫度的背景值，一般取決于井孔所在地的大地熱流 (q)或地溫梯度 (dT/dz)。一般來說，熱流密度大的地區地溫高，地溫高的地方水溫也高。根據地溫成因，一個地區不同深度的地溫狀態是不同的。一般由地表到一定深度段上，地溫受太陽輻射熱的影響而隨時間有規律起伏，如隨晝夜、季節變化等，該變化帶稱為變溫帶。變溫帶的厚度一般為十幾米至幾十米。變溫帶以下有一個面，該面上的深度不受太陽輻射的影響，一般常年不變，稱為恒溫帶。恒溫帶以下水溫，主要受地溫梯度的控制，即隨著深度 (Z)、水溫(T)升高。

清水溫泉井水溫自架臺產出數據以來基本呈現趨勢上升變化 (圖2a)，年變幅度達到0.05℃，長期動態特征屬于漂移上升型，探頭位置處于恒溫帶下，所測為深部水溫變化，不受地表溫度影響。日變幅在0.02℃左右，月變幅約為0.03℃。

臨夏井水溫自2007年6月產出數據以來基本呈現上升趨勢變化 (圖 2d)，年變幅度達到0.03℃，長期動態特征屬于漂移上升型，探頭位置很深，處于恒溫帶下，所測溫度為深部水溫變化，不受地表溫度影響。日變幅在0.01℃，水溫觀測無潮汐效應，月變幅約為0.02℃，該井日變幅較大，幾乎為年變幅的30%，和清水溫泉井水溫相似。

1.3 異常提取方法

(1)直線回歸分析

變量之間的關系可分為兩種:一種是函數關系，另一種叫相關關系，又叫統計相關。水溫觀測所蘊含的信息成分比較復雜，非單一因素引起，是多種成分的混合、疊加，因而無法找到一個確定的函數關系，但數據的變化還是有一定的規律可循。假定水溫是一個隨時間變化的量，并與時間變化有相關關系，且按照:

的函數形式相關。通過實測的觀測數就可以計算出幾個數值，用直線來大致表示兩個變量的關系:

其中y為水溫，x為時間，直線斜率b為回歸系數，a為常數，a，b的值計算公式為

在直線回歸分析公式中，自變量x為時間序列，因變量y為水溫測值。

(2)斜率K值法

斜率K值法原理上就是趨勢速率法，在本文中求取的K值就是水溫日變化速率。如果水溫數據以一個恒定的速率上升，則計算得出的斜率K值為一個相對固定的值，那么K值曲線則是一條直線;若高于或低于這個值，K值曲線偏離直線的時段都屬于異常。

清水溫泉井和臨夏井長期動態類型都屬于長期漂移上升型，但對于一個一直隨時間呈趨勢上升變化的量，單從原始曲線上無法較直觀的觀察到這種變化，因此計算兩個井水溫動態變化的斜率，可以提取地震異常。由于清水溫泉、臨夏井日變幅較大，對兩臺日均值數據先進行11日滑動處理，再以11日滑動均值計算斜率。通過反復計算，筆者采用步長為30日的斜率K值，以抑制短周期跳變信息，突出中長周期成分信息:

式中，K為斜率，T為水溫，i為時間序列，m為步長，取值為30。

(3)從屬函數法

圖2 清水、臨夏兩井水溫數據經過處理后的曲線圖(a)清水井11日平滑日均值;(b)清水井斜率K值;(c)清水井從屬函數;(d)臨夏井11日平滑日均值;(e)臨夏井斜率K值;(f)臨夏井從屬函數Fig.2 The curve of the processed water temperature data recorded by Qingshui and Linxia Well(a)smooth day mean for 11 days in Qingshui Well;(b)slope K-value in Qingshui Well;(c)subordinate function in Qingshui Well;(d)smooth day mean for 11 days in Linxia Well;(e)slope K-value in Linxia Well;(f)subordinate function in Linxia Well

前兆觀測資料的異常變化形態雖然是多種多樣的，如突跳、轉折、加速等，但其本質都是觀測曲線隨時間變化的斜率變化的量。從屬函數就是表征一條曲線變化的斜率和跳動程度 (葉秀薇，2004)。通過對資料的分析比較，用11點滑動平均值作為數據序列計算的效果較好，明顯優于直接使用月均值提取異常的方法 (楊興悅等，2006)。其從屬函數為

式中，ki為觀測值變化斜率;ri為滑動平均值M(t)與時間t的相關系數，它反應了觀測序列內在質量的好壞;α為經驗常數。

通過多次程序計算，清水溫泉井α取值為0.000 3，擬合窗長m值取9，計算出的μ值較佳;臨夏臺α取值為0.000 4，擬合窗長m值取9，計算出的μ值較佳。

2 清水溫泉井水溫異常分析

2.1 原始曲線分析

2007年6月2日至2008年12月31日，清水溫泉井水溫一直處于快速上升變化狀態，在汶川8.0級地震前后，沒有明顯的突變、轉折等異常形態出現，但水溫上升變化很顯著，呈前期加速、后期減緩的異常變化 (圖2a)，且與對數函數曲線形態很相似，這種在汶川地震前后水溫曲線呈對數變化形態的水溫井還有在甘肅東南部的成縣井、武都樊壩井、ZK801井等，由于篇幅有限，此文不再詳述。2009年9月1日至2011年3月11日水溫變化相對以前速度放慢，日本9.0級地震發生后，水溫測值明顯回落，持續了約70天后，于2011年5月20日后恢復正常，數據以比較緩慢而相對固定速度上升，曲線形態呈現直線斜形上升變化。

2.2 直線回歸分析

按年對兩井整點值數據進行線性回歸分析，計算出回歸方程 (表1)，2007年直線斜率b值最大，為0.000 2，即水溫數據基本以每小時0.000 2℃的速率在上升;2008年降為0.000 1℃，在b值變化大的2007～2008年間，發生了汶川8.0級地震，2009年、2010年b值相同且較小，2011年b值變為很小的負值，且在2011年3月11日的發生了本9.0級大地震。2012年b值為正，但b值很小，僅為0.000 01。

表1 井水溫直線回歸方程a值與b值Tab.1 The a-value and b-value in linear regression equation of well water temperature

2.3 斜率K值法

2007年6月2日至2008年12月31日，K值以穩定的速率由高值逐漸下降 (圖2b)，但相對其后的K值，此時段K值仍處于高值區，說明在此時段水溫總體上升較快，但上升的速率是逐漸減小的;2009年9月1日至2011年3月11日K值下降速度放緩;3月11日日本9.0級地震發生后，K值出現一個明顯的大幅度下降—回升的變化形態;2011年5月20日后K值沒有出現明顯的上升、下降等變化形態，基本穩定在0.000 01附近。

2.4 從屬函數法

2007年6月7日至2009年1月23日，從屬函數μ值呈現明顯的高值變化 (圖2c)，汶川地震前出現的高值變化更多、更劇烈，μ最高值出現在2007年6月初，為0.62，震后有所衰減，但也很明顯，異常變化一直持續到2009年1月24日，μ值接近為0。2009年11月26日至2010年4月5日，μ值又出現高值，最大幅度出現在2009年12月30日，μ為0.58，隨后于2010年4月14日發生了青海玉樹7.1級地震，μ值異常變化顯著。在2011年3月11日日本9.0級地震前6天，μ值在2011年3月4日、3月5日出現明顯大于背景值的高值變化，約為0.35;2012年8月12日新疆和田6.2級地震前8天μ值也出現了0.34的較高數值變化。

3 臨夏井水溫異常分析

3.1 原始曲線分析

臨夏水溫自2007年6月15日至2007年12月20日基本為緩慢下降變化 (圖2d)，21日后開始由降轉升，2008年1月9日開始加速上升，直到6月17日，水溫數據累積變化達0.083℃，約為正常年變幅的6倍，在此時段發生了汶川8.0級大地震，異常變化形態非常顯著，出現了明顯的非對稱“V”字型變化 (何案華等，2012)。2008年6月18日后水溫以指數形式回落，7月7日后開始以緩慢而穩定的速度呈上升變化，其后的2008年12月29日、2009年3月15日有兩次比較明顯的“V”字型下降變化，這可能是汶川地震的震后效應，但持續時間不長，變化幅度不大。臨夏水溫自2009年3月15日出現最后一個“V”字型變化后，水溫以穩定的速率呈直線斜形上升變化。

3.2 直線回歸分析

2007年臨夏井b值為負值 (表1)，2008年轉為正值，且b值較大，為0.002，在此期間發生汶川8.0級地震。自2009年至今，b值變化不大。

3.3 斜率K值法

臨夏水溫自2007年6月15日至2008年6月17日，K值基本為加速上升變化，2008年6月18日后急速回落，下降到一個低值后恢復到正常變化狀態，在此時段發生了汶川8.0級大地震，K值異常變化形態非常顯著 (圖2e)。2008年7月7日后，K值基本穩定在0.000 2附近，沒有趨勢上升和下降變化形態，這種變化持續至今。

3.4 從屬函數法

臨夏井μ值自2007年6月起基本上呈現上升型高值異常變化，汶川8.0級地震后不久，于2008年6月21日達到最高值0.788，然后從高值快速回落到背景值0(圖2f)，此后至2009年3月22日期間還出現了3次μ值高值變化。青海玉樹地震前沒有出現μ值高值變化，2011年3日11日日本9.0級地震前11天，μ值出現了持續4天的高達0.32的變化。

4 討論與認識

4.1 異常特征的共同性及差異性

兩水溫觀測井在汶川地震前都有明顯的前兆異常，水溫測值震前都出現快速上升變化;但異常持續時間不同，臨夏井震后1個多月基本恢復正常，而清水溫泉井則持續到2008年底。

正常情況下，一個上升漂移型的井水溫會以穩定的速率上升，因而斜率K值幾乎保持不變，曲線形態呈現為直線形態;但當有干擾因素或有地震前兆異常出現時，K值就會有大的變化。兩井在汶川地震前后斜率K值都處于高值狀態，但清水溫泉是由高值快速降低，而臨夏井則是加速上升變化，震后K值變化的時間長度也不同，清水溫泉井持續到2008年底，臨夏井震后一個多月恢復正常。

從屬函數是對測值斜率變化的另一種反映方式，雖然和K值變化有一定的相似性，但只要參數取值合理，異常變化則會更顯著。兩水溫觀測井μ值在汶川地震前出現了多次大于0.5的異常變化，異常變化都非常明顯，震后都出現了μ值的高值變化;但清水溫泉井震后μ值逐漸減小，而臨夏井在震后μ值則呈現增大趨勢，一個多月后達到最高值然后快速減小。

4.2 認識

(1)對于長期漂移上升 (下降)型且日動態變化很大的水溫觀測井，采用一定的數學方法進行異常的提取較合理，斜率K值法、從屬函數法是兩種非常好的異常提取方法。

(2)汶川8.0級地震前清水溫泉井和臨夏井都出現比較明顯的異常變化。但兩井的異常形態具有差異性，清水溫泉井地震異常形態呈現為“對數變化形態”，而臨夏井則呈現為非對稱“V”字型變化形態。震后兩口井都有繼承性異常變化，但結束時間不同步。

(3)清水溫泉井在青海玉樹7.1級地震前出現了測值跳動、K值波動，μ值高值變化等異常變化形態，臨夏井卻沒有出現異常。日本9.0級地震前兩口井都出現幅度較小的異常變化，但震后形態不同，清水溫泉井震后測值明顯下降，K值降低，而臨夏井在震后立即恢復正常。

4.3 討論

(1)清水溫泉井和臨夏井在汶川地震前都出現了明顯的地震前兆異常。雖然兩井都距汶川約500 km，但都在青藏塊體的東北緣，因而印度洋板塊對歐亞板塊的擠壓所引起的青藏地塊應力場的增加，也同樣在這兩個地方能反映出來。在強震活動的高潮階段，構造塊體內各地震帶 (包括未參與強震活動的地震帶)都有應力增強的過程(耿魯明，石耀霖，1993)。如果把青藏地塊應力場的增加看做是“因”，則汶川地震的發生，和清水、臨夏應力場的增加則是3個不同形態的“果”。兩口井在汶川地震后都繼承性的延續了一定時段震前異常形態，這可能是汶川地震后累積的應力并未完全釋放完畢，后續地應力釋放引起了區域應力場的變化。

(2)清水溫泉井和臨夏井相距約290 km，而青海玉樹7.1地震前只有清水溫泉井出現了地震異常。這可能與兩井所處構造部位不同有關，清水溫泉井位于NNW、NWW向斷層的交匯部位附近，處在鄂爾多斯地塊、華南地塊、青藏地塊的交接部位。因為其構造部位的特殊性，按照“多點場應力集中模型” (馬宗晉，1980)，清水溫泉井所處位置可能是應力集中點，對區域應力場的變化反應更靈敏。

(3)日本9.0級地震前后，清水溫泉井原始曲線、從屬函數異常都比較明顯，震后不久水溫數據恢復正常，變化速率也即斜率K值基本保持在一個基值附近。臨夏井只有從屬函數出現異常，但不顯著。日本地震距這兩口井3 000 km，這樣的遠兆異常在地下流體觀測中不斷被發現 (車用太等，1999)。

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