新疆溫泉井水溫梯度觀測實驗及結(jié)果分析*

何案華 汪成國 李曉東 高守權(quán) 趙 剛 鄒 廣

1)中國地震局地殼應(yīng)力研究所(地殼動力學(xué)重點實驗室)，北京 100085

2)新疆維吾爾自治區(qū)地震局，烏魯木齊830011

1 引言

我國地震地下流體自20世紀(jì)80年代研發(fā)出高精度石英溫度計［1］以來，已在全國360 多口觀測井進行水(地)溫動態(tài)觀測，以此為基礎(chǔ)組建了我國地?zé)崆罢子^測網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)曾多次記錄到地震前水溫異常現(xiàn)象，其中2007年寧洱6.4級地震前大范圍同步異常尤為顯著［2，3］;另外還在多次特大地震時記錄到同震階變現(xiàn)象［4，5］。然而對觀測資料的研究表明，水既帶有豐富的地殼運動信息，同時也由于地下水運動的復(fù)雜性，導(dǎo)致用水(地)溫變化進行地震預(yù)測變得更為復(fù)雜。譬如井水溫度微動態(tài)變化形成條件及其機理十分復(fù)雜，在一口井的不同深度觀測到的井水溫度微動態(tài)特征差異明顯［4］，不僅其變化幅度不同，甚至變化形態(tài)及變化過程與持續(xù)時間等也不相同。對這種差異的形成機理，一些學(xué)者提出了井水溫度微動態(tài)形成機理水熱動力學(xué)的對流機制、地?zé)釀恿W(xué)的傳導(dǎo)機制等［5，6］，但這兩種理論對上述復(fù)雜現(xiàn)象的成因尚不能給出圓滿的解釋。

針對這種狀況，作者在新疆溫泉地下流體觀測井中開展了一系列探索性研究。本文將結(jié)合井孔柱狀圖、多層位水溫微動態(tài)觀測等，介紹溫泉井水溫梯度的高精度觀測實驗方法及分析結(jié)果。

2 觀測井概況

溫泉井又稱新30 井，位于新疆維吾爾自治區(qū)溫泉縣三泉療養(yǎng)院內(nèi)，海拔高1 323 m。該井于2006年12月開始進行以地震前兆監(jiān)測為目的的水位水溫觀測。該井地處博爾塔拉河谷之南緣地區(qū)，井區(qū)內(nèi)主要發(fā)育有中石炭統(tǒng)凝灰質(zhì)砂巖與花崗斑巖，上覆地層為厚僅幾米的含大量碎石的第四系沖積洪積粘性土。井點位于博爾塔拉斷陷谷地南緣斷裂之南，該斷裂為高角度正斷層，走向近東西，傾向北，傾角75° ～85°。

根據(jù)地質(zhì)勘探結(jié)果，該井完工深度為304 m，現(xiàn)今深度為212 m。井孔結(jié)構(gòu)、圍巖巖性與含水性及其溫度與視電阻率測試結(jié)果如圖1 所示。由圖1 可見，井孔結(jié)構(gòu):0 ～24.77 m 設(shè)ф293 mm 套管，24.77～62.00 m 設(shè)ф159 mm 套管，以下為ф222 mm 祼孔;圍巖主要為中石炭統(tǒng)凝灰質(zhì)砂巖與上古代侵入巖，其巖性為花斑巖與霏細巖;鉆孔揭露出有多層破碎帶，其深度分別為2.5 ～65 m、77 ～91 m、104 ～124 m、130 ～141 m、164 ～173 m、187 ～196 m，視電阻率測井結(jié)果表明破碎帶為低阻性，是主要含水段。溫度測井結(jié)果表明，井孔內(nèi)水溫較高，30 m 處為29℃，52 m 處為31.3 ℃，109 m 處為33.5 ℃，110 ～115 m 深度段為高梯度段，至186 m 水溫達37.8℃;然后水溫呈負梯度下降特征，212 m 降至33.3℃。依此判定，主要熱水層段為107 ～186 m(特別是110 ～115 m 深度段)，186 m 以下為相對冷水段。

3 觀測實驗

井水溫度觀測梯度實驗于2012年7月13—15日進行;采用SZW-1A 型數(shù)字式溫度計，該水溫傳感器的分辨率為0.000 1℃，觀測精度不低于0.01 ℃，數(shù)據(jù)采樣率為1 次/分鐘。

觀測實驗始于13日17:00 時，當(dāng)時井水位埋深為3.79 m，氣溫為25.1 ℃。由井口開始，0 ～70 m井段每10 m 深度測一組水溫，75 ～210 m 井段每5 m 深度測一組水溫;除75 m 與180 m 二個深度上觀測了12 個小時左右外，其他每一個深度上連續(xù)觀測30 分鐘。整個試驗是分深度段、連續(xù)間隔性觀測的，觀測數(shù)據(jù)由計算機現(xiàn)場采集與處理。

圖1 井孔結(jié)構(gòu)與圍巖巖性、含水性、溫度、視電阻率測試結(jié)果① 新疆第二水文工程地質(zhì)大隊地?zé)岬刭|(zhì)勘查報告［R］.2003.Fig.1 wall-rock litho-logy，aquosity，temperature and apparent resistivity of the well

3.1 各個深度半小時動態(tài)特征

經(jīng)統(tǒng)計研究，在每個測量深度上，井水溫度隨時間變化可以表示為

式中，T(t)為某一時刻水溫，t 為時間點(分鐘)，a、b、c、d 為常數(shù)?？梢钥闯觯疁仉S時間變化的基本特征是急速變化后逐漸趨于穩(wěn)定;在水溫正梯度段，水溫急速變化是由低變高，而在水溫負梯度段則為由高變低。圖2 為該井4 個典型深度段水溫半小時動態(tài)曲線。

由圖2 可見，不同深度上的水溫半小時動態(tài)特征有共性，但也有差異性。最明顯的共性是變化的形態(tài)基本一致，都是對數(shù)曲線;但變化的細節(jié)有明顯的差異:1)水溫由急劇升降變化轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的時間長度10 ～20 分鐘不等，總體上淺部(20 ～50 m)短，約10 分鐘，中部(60 ～180 m)長，多為15 ～20 分鐘，其中個別深度段較短(120、140 m 等);2)水溫急劇變化段(梯度變化幅度大的層位)水溫實際動態(tài)與擬合曲線吻合程度，淺部(20 ～70 m)差，深部(80 m以下)好;3)水溫動態(tài)穩(wěn)定段特征，有三種不同情況:第一種情況是水溫十分穩(wěn)定，實際動態(tài)與擬合曲線基本吻合(50 ～80 m、90 ～120 m);第二種情況是水溫不十分穩(wěn)定，在平穩(wěn)背景上上下波動(90 ～120 m、140 ～170 m);第三種情況是水溫仍有趨勢變化，略呈上升趨勢(130、150、170 m);4)180 m 深度上水溫動態(tài)持續(xù)觀測了13 個半小時(約800 分鐘)，其動態(tài)特征表現(xiàn)更為復(fù)雜，水溫動態(tài)急劇上升過程持續(xù)了約200 分鐘，然后呈緩慢下降趨勢。

圖2 四個典型的深度半小時動態(tài)曲線及擬合結(jié)果Fig.2 Typical dynamic curves in four depths and fitting results

分析結(jié)果表明，上述的差異性，主要取決于井孔的水文地質(zhì)特征，即井孔的結(jié)構(gòu)、井孔中含水層的分布及地下水溫度的變化等［7］。井孔淺層水溫急劇上升變化過程段，水溫穩(wěn)定時間短與該井段內(nèi)下設(shè)有套管(0 ～62 m)、井水不受含水層地下水的直接有關(guān);井孔中部水溫穩(wěn)定段中“穩(wěn)中有起伏”，可能與該井段主要處在隔水段或非含水層段，但其下部又有一小截為含水層的水文地質(zhì)特征有關(guān)，其中個別“穩(wěn)中略升”的井段可能與該井發(fā)育在熱水層有關(guān);180 m 深度是井孔圍巖中熱水層與相對“冷”水層的分界，以上發(fā)育在熱水層，以下發(fā)育在相對冷水層(水溫降到32 ～33 ℃)，因此表現(xiàn)為半小時動態(tài)上、下截然不同，水溫穩(wěn)定而又呈下降趨勢等特征(圖3)。

圖3 180 米處水溫穩(wěn)定過程Fig.3 A stable process of water-temperature in 180-meter

3.2 各井段的水溫梯度特征

井深10 ～70 m、每10 m 的測試結(jié)果與井深75～205 m、每5 m 的測試結(jié)果構(gòu)成的測井段水溫梯度，如圖4。

圖4 水溫梯度測量結(jié)果Fig.4 Water-temperature gradient

由圖4 可見，水溫梯度變化較大。180 m 井段以上的為正梯度段，即隨深度水溫升高，180 m 以下則為負梯度段，隨深度水溫下降;正梯度段內(nèi)最大為34.3 ℃/hm(30 ～40 m 井段)，最小僅0.5 ℃/hm(175 ～180 m 井段)，多數(shù)在4 ～10 ℃(60 ～170 m井段);正梯度段又可分為二段，10 ～60 m 深度段為特高梯度帶(＞10 ℃/hm)，60 ～170 m 深度段為高梯度帶(＜10 ℃/hm)，但其中也有個別高梯度帶(90 ～120 m 井段，8 ～12 ℃/hm)與個別特低梯度帶(140 ～145 m，155 ～160 m，＜3 ℃/hm);負梯度段內(nèi)，最大為－11.3 ℃/hm，最小為－5.9 ℃/hm，多數(shù)為－6.0 ～－8.0 ℃/hm?？梢娫摼字兴疁靥荻葮O不均勻。梯度的不均一性與井孔水文地質(zhì)條件密切相關(guān)。10 ～60 m 井段為圍巖破碎等(2.5 ～65 m)，是深部高溫?zé)崴下┑闹饕ǖ?。正梯度段?nèi)的水溫高梯度異常段(105 ～120 m，160 ～175 m)或低梯度異常段(70 ～90 m，135 ～165 m)都與圍巖破碎、電阻率低的含水層段相吻合，證明各個含水層中滲出的地下水溫度有高低之差，即高梯度帶滲出的水溫相對高，低梯度帶滲出的水溫相對低;水溫梯度變化最大的是170 ～185 m 井段，由12.6 ℃/hm 降到－11.3 ℃/n，梯度變化劇烈與該深度為冷熱水交界有關(guān)。

3.3 井孔水溫梯度對井水溫度微動態(tài)特征的影響分析

為了分析不同層位水溫變化特性與井孔水文地質(zhì)條件之間關(guān)系，汪成國［8］于2010年1 ～2月間進行了140 ～185 m 不同深度上的水溫微動態(tài)觀測，觀測結(jié)果表明，水溫的日起伏度隨觀測深度的增加而逐漸變小，即水溫微動態(tài)隨深度而趨于平穩(wěn);觀測深度為180 m 與185 m 時水溫微動態(tài)顯示出潮汐變化，日潮差為0.004 7 ～0.006 4 ℃。

4 結(jié)論

1)從130、140、190、200 m 四個曲線擬合結(jié)果可以看出，溫度穩(wěn)定過程遵循指數(shù)函數(shù)規(guī)律，只在穩(wěn)定所需時間上略有區(qū)別。130、140 m 處10 分鐘后基本已經(jīng)穩(wěn)定，但仍有著較明顯的小幅上升趨勢;而190、200 m 處穩(wěn)定時間相對較快，15 分鐘后已經(jīng)看不出趨勢性變化。另外從擬合中的預(yù)期范圍也可以得到同樣的結(jié)論，在預(yù)期范圍95%基礎(chǔ)上，深部明顯小于淺部。經(jīng)過水樣抽取時發(fā)現(xiàn)，190 m 處井孔內(nèi)呈淤泥狀，一定程度上削弱了該處水交替的劇烈程度，淤泥狀的水對水溫到了濾波作用，從而出現(xiàn)上述現(xiàn)象，深部水穩(wěn)定速度、穩(wěn)定程度都優(yōu)于淺層水;由此可見，水溫響應(yīng)特性跟傳感器所處的位置的地質(zhì)特征、地下水類型有著十分緊密的聯(lián)系。地震前兆中地?zé)嵊^測手段，由于水的參與，使其觀測過程、反應(yīng)機理變得極其復(fù)雜多變;井與井之間、同一口井中不同部位之間，其變化過程都需進行現(xiàn)場確認、觀測才可能得到確切的答案。

2)從水溫梯度看，存在正梯度段(最大達34.3℃/hm)與負梯度段(最小達－5.9 ℃/hm);另外從不同深度動態(tài)響應(yīng)特征看，180 m 水溫表現(xiàn)出較為明顯的地球潮汐現(xiàn)象，而其他觀測段沒有出現(xiàn)。

3)從梯度測量數(shù)據(jù)還可以看出，其梯度拐點的出現(xiàn)，一般距離為5 ～10 m;以此來看，在井孔內(nèi)地質(zhì)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜段進行梯度測量時，其間隔宜小不宜大，以免遺漏許多信息。每點固定穩(wěn)定時間不應(yīng)小于30 分鐘。

致謝感謝車用太研究員、許秋龍、王建國高級工程師的悉心指導(dǎo)，以及新疆溫泉地震臺、新疆自治區(qū)地震局地下流體中心同仁的傾力協(xié)助!

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