盤錦于105井不同深度水溫觀測實(shí)驗及其結(jié)果分析

劉 麗，劉 爽，劉建光，鮮述東，韓 艷

（1.盤錦地震臺，遼寧 盤錦 124010；2.防災(zāi)科技學(xué)院，河北 廊坊 101601）

0 引言

井水溫觀測是地震前兆監(jiān)測與地震預(yù)測的重要技術(shù)手段，我國近年來，已記錄到較為豐富的水溫微動態(tài)信息，其中比較突出的是水溫前兆異常、水溫固體潮、水溫同震效應(yīng)等[2]。井水溫微動態(tài)記錄的是溫度傳感器放置點(diǎn)處的溫度波動，與溫度傳感器放置的位置密切相關(guān)，在同一口觀測井觀測不同層位的水溫，所取得的效果是不一樣的，比單口井觀測單一層位的水溫更能捕捉地震引起的前兆信息。

盤錦地震臺于105井是2016年新勘選的流體觀測井，水溫傳感器置深于井口以下800m處。為充分利用現(xiàn)有井孔資源來更好的捕捉地下應(yīng)力引起的水溫信息變化，筆者選取于105井（典型井孔）來開展不同深度水溫對比物理觀測實(shí)驗研究，參照水溫梯度資料，結(jié)合該井孔水文地質(zhì)資料，分析不同深度水溫微動態(tài)變化特征及影響因素，探討水溫微動態(tài)特征及其形成機(jī)制，提升該井水溫觀測及動態(tài)分析的科學(xué)性。為未來在井孔開展同井多層位的水溫觀測，選擇傳感器最佳的投放位置提供參考依據(jù)，同時也為與同一區(qū)域、探頭投放深度相同的紅25井（姊妹井口）之間開展對比觀測和水溫異常動態(tài)落實(shí)與跟蹤分析提供參考依據(jù)。

1 觀測井基本概況

于105井位于盤錦市大洼區(qū)新開農(nóng)場王家堡村西。該觀測井于2016年7月開始進(jìn)行水位、水溫地震前兆監(jiān)測，從區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造角度進(jìn)行分析，此井位于下遼河中、新生代斷陷盆地的東部凹陷區(qū)，觀測點(diǎn)東側(cè)為遼東隆起區(qū)，西側(cè)為燕山褶皺帶，北依內(nèi)蒙地軸與松遼盆地相隔[1]。斷裂上于105井位于二界溝斷裂中段，該斷裂為高角度正斷層，北東走向（圖1）。

根據(jù)地質(zhì)勘探打井資料，于105井完孔深度為3400m，現(xiàn)有井深為1175m（人工井底），射孔部位為 1107m，套管程序∮273.1mm×500.14m+139.7mm×3300.96m；該井射孔部位是上第三系館陶組含水層，巖性主要以礫巖和砂礫巖為主[2]。

圖1 盤錦地區(qū)地質(zhì)簡圖Fig.1 Sketched geological map in the area of Panjin

2 于105井不同深度水溫觀測實(shí)驗

于105井水溫觀測實(shí)驗于2018年10月17日進(jìn)行，使用儀器為中國地震局地殼應(yīng)力研究所生產(chǎn)的SZW-Ⅱ型數(shù)字式溫度計，該儀器其傳感器的分辨率為0.0001℃，觀測精度不低于0.01℃，觀測數(shù)據(jù)采樣率為分/次。

參照于105井水溫梯度測量結(jié)果，在井段120～340m處，水溫梯度在1.5～2.3℃/hm范圍內(nèi)變化。在井段600～800m處，水溫梯度在2.5～3.2℃/hm范圍內(nèi)變化，這兩段溫度梯度變化幅度較小。在井段400～450m處，溫度梯度振蕩劇烈，溫度在0.9～3.8℃/hm左右范圍內(nèi)變化，且在450m出現(xiàn)全井最高溫度梯度約3.8℃/hm。因此，整個實(shí)驗分低水溫梯度段、高水溫梯度段和平穩(wěn)梯度段三個不同深度段連續(xù)性觀測進(jìn)行。

實(shí)驗井孔在190～280m冷水低梯度段，深度間隔25m分5個不同深度測點(diǎn)開展水溫觀測實(shí)驗；在450～580m水溫梯度起伏較大的高水溫梯度段，深度間隔25m分6個不同深度測點(diǎn)開展水溫觀測實(shí)驗；在600～800m平穩(wěn)梯度段，深度間隔50m分5個不同深度測點(diǎn)開展水溫觀測實(shí)驗；實(shí)驗時井水位埋深為42.194m，每一個觀測點(diǎn)至少保證4天連續(xù)觀測數(shù)據(jù)。

2.1 190～280m冷水梯度段水溫變化特征總結(jié)及分析

基于井下190～280m不同深度水溫結(jié)果可以看出（圖2），于105井在井下190～280m區(qū)段水溫日變形態(tài)屬于有規(guī)律隨機(jī)起伏型，其日變化在一定變化范圍內(nèi)起伏，起伏程度不同，一般日變化幅度在0.004～0.012℃之間，能夠很好地反映出該觀測井水溫每天的變化特征。參照水溫梯度資料分析，該井段水溫梯度在1.5～2.3℃/hm范圍內(nèi)變化，屬變化平穩(wěn)區(qū)。依據(jù)井口柱狀圖分析，該處為泥巖含水層，對巖溫變化起到了濾波作用，在一定程度上削減了該處水熱交換的劇烈程度。

圖2 190～280m不同深度水溫變化曲線圖Fig.2 Curves of water temperature changes at different depths of 190～280m

2.2 450～580m高水溫梯度段水溫變化特征總結(jié)及分析

基于井下450～580m不同深度水溫觀測結(jié)果可以看出（圖3），于105井在450～580m區(qū)段水溫變化特征屬于無規(guī)律隨機(jī)起伏型，其日變化在一定變化范圍內(nèi)振蕩起伏,起伏程度不同，一般日變化幅在0.007～0.015℃之間，不能很好地反映出該觀測井水溫每天的變化特征。參照水溫梯度資料分析，450～580m處于水溫梯度震蕩區(qū)，溫度在0.9～3.8℃/hm左右范圍內(nèi)變化，梯度變化較大的上部，水溫動態(tài)無明顯的規(guī)律性，梯度變化較小的下部，水溫動態(tài)變化幅度明顯變小，梯度變化幅度大是導(dǎo)致其水溫動態(tài)變化特征的主要影響因素。結(jié)合井口柱狀圖分析，該井段位于上第三系明化鎮(zhèn)組于第四系平原組界限處，是含水層交換最強(qiáng)段，上下水交換較為劇烈，巖性主要以粉砂巖為主，圍巖的熱傳導(dǎo)導(dǎo)致溫度升高，與溫度劇烈變化段相吻合。

圖3 450～580m不同深度水溫變化曲線圖Fig.3 Curves of water temperature changes at different depths of 450～580m

2.3 600～800m高水溫梯度段水溫變化特征總結(jié)及分析

基于井下600～800m不同深度水溫觀測結(jié)果可以看出（圖4），于105井在600～800m區(qū)段水溫動態(tài)變化特征表現(xiàn)有規(guī)律起伏型，水溫日起伏變化幅度在0.002～0.005℃之間。水溫動態(tài)變化隨觀測深度的增加而逐漸變小，即水溫的微動態(tài)隨深度而趨于平穩(wěn)，深度越大的部位觀測數(shù)據(jù)穩(wěn)定性更高。參照水溫梯度資料分析，該井段水溫梯度在2.5～3.2℃/hm范圍內(nèi)變化，變化幅度較小，處于水溫梯度變化平穩(wěn)區(qū)。結(jié)合井口柱狀圖分析，該井段隨著深度的增加接近含水層及井孔射孔部位，趨勢變化較穩(wěn)定。

圖4 600～800m不同深度水溫變化曲線圖Fig.4 Curves of water temperature changes at different depths of 600～800m

2.4同井水溫、水位觀測資料對比分析

本實(shí)驗選取的三個觀測段觀測不同深度的水溫觀測數(shù)據(jù)與同井水位工作儀產(chǎn)出的水位資料進(jìn)行對比分析，從整個三個實(shí)驗觀測段不同深度水溫、水位對比觀測記錄曲線來看，不同深度上觀測到的水溫動態(tài)變化特征差異明顯，190～280m冷水梯度段和600～800m水溫平穩(wěn)梯度段井水溫與水位變化趨勢基本不同步，水溫動態(tài)變化與水位動態(tài)變化相關(guān)性不大，但在450～580m高水溫梯度段，于105井不同深度處的水溫動態(tài)特征不穩(wěn)定,與同井水位工作儀觀測到的水位變化形態(tài)具有一定的同步性，都呈“M”型（雙峰雙谷），或呈正向變化（圖5、7），即井水位上升時水溫上升，井水位下降時水溫下降或呈反向變化（圖6），即水位上升時水溫下降，井水位下降時水溫上升。這兩種微動態(tài)變化特征均為水溫潮汐現(xiàn)象。

圖5水溫傳感器置深450m水溫、水位對比曲線圖Fig.5 Curves of water temperature sensor depth 450 meters water the temperature and water level comparison

圖6水溫傳感器置深500m水溫、水位對比曲線圖Fig.6 Comparison curve between water temperature sensor at the depth of 500 meters and water level

圖7水溫傳感器置深575m水溫、水位對比曲線圖Fig.7 Comparison curve between water temperature sensor at the depth of 575 meters and water level

井水溫潮汐方面的研究結(jié)果表明，井水溫潮汐現(xiàn)象是次生效應(yīng)[3]于105井為靜水位觀測井，當(dāng)觀測井含水層受到潮汐引力作用而壓縮變形時，含水層中地下水將流入水中，一方面井水得到熱而使水溫升高，另一方面由于井水位上升使溫度相對高的水向上遷移，導(dǎo)致傳感器所處的水溫度升高；當(dāng)含水層受到潮汐引力作用而膨脹變形時，井中的水流入含水層中，井水位下降，使溫度相對低的水向下遷移，導(dǎo)致傳感器所處和水溫度下降，如此反復(fù)交替，產(chǎn)生了與井水位潮汐同步變化的井水溫潮汐效應(yīng)。

分析于105井水溫實(shí)驗儀傳感器在不同深度所記錄到的水溫觀測數(shù)據(jù)曲線，與同井水位觀測儀所記錄到的水位觀測曲線對比分析，利用同樣的原理，也可解釋為什么于105井在190～280m冷水梯度段和600～800m平穩(wěn)梯度段沒有水溫潮汐顯示，而溫度在450～580m高水溫梯度段有水溫固體潮汐顯示的形成原因，可能是水溫傳感器所處的水溫梯度不正常有關(guān)。當(dāng)水溫梯度變化幅度很小時，水位可能有潮汐但水溫顯示不出潮汐效應(yīng)。

3 實(shí)驗結(jié)論

通過對于105井不同深度進(jìn)行水溫觀測實(shí)驗及其結(jié)果分析，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）通過對于105井三個不同深度段水溫觀測資料對比分析，結(jié)果表明，在日變化形態(tài)上，190～280m和600～800m水溫日動態(tài)變化幅度較小，呈現(xiàn)有規(guī)律變化形態(tài)。在觀測資料的穩(wěn)定上，該井在600～800m處穩(wěn)定性最好。與同井水位資料對比分析，190～280m和600～800m區(qū)段內(nèi)水溫和水位日變化形態(tài)不同步，水溫變化與同井水位變化相關(guān)性不大，450～580m水溫動態(tài)水位日變化形態(tài)上具有一定的同步性，水溫具有不同程度的潮汐顯示。

（2）通過對于105井不同深度水溫對比觀測發(fā)現(xiàn)，井孔水文地質(zhì)條件、溫度傳感器置深和溫度梯度是影響該井水溫微動態(tài)變化響應(yīng)特征過程的重要因素。

（3）通過對于105井不同深度水溫觀測實(shí)驗結(jié)果綜合分析考慮，井孔水溫背景值僅受傳感器安裝在水溫場背景值穩(wěn)定的井孔中，傳感器安裝深度越深越有利于水溫前兆信息觀測，根據(jù)對水溫升高異常原因分析，在接近出水段的水溫變化對震前異常響應(yīng)更為靈敏，對于套管直至人工井底這樣的井孔結(jié)構(gòu)的井口，水溫探頭投放位置越接近于射孔部位為宜。根據(jù)本次不同深度處水溫實(shí)測資料對比分析，進(jìn)一步表明于105井水溫傳感器置深于800m處開展水溫觀測的合理性。

（4）水溫微動態(tài)是十分重要的地球物理或水文地質(zhì)現(xiàn)象、對單井多層位水溫微動態(tài)的研究有利于進(jìn)一步探索其形成條件，但仍需要深入研究其形成的機(jī)理，從而進(jìn)一步提高地震預(yù)報效能。目前，國內(nèi)學(xué)者對水溫微動態(tài)的形成機(jī)理提出了熱傳導(dǎo)、熱對流、熱彌散、水動力學(xué)[3]等觀點(diǎn)，由于水溫微動態(tài)特征較為復(fù)雜，此次實(shí)驗無法對其機(jī)制有明確的定論，可依據(jù)此次實(shí)驗觀測結(jié)果，有同一井孔中安裝同型號水溫儀，投放多層位水溫探頭來開展長期對比觀測研究，實(shí)現(xiàn)水溫動態(tài)觀測科學(xué)化。