河北冀16井水溫動(dòng)態(tài)分析

張明哲，王 靜，羅 娜，凌 燕，張朋杰

(河北省地震局紅山基準(zhǔn)地震臺(tái)，河北 邢臺(tái) 054000)

0 引言

近年來，國內(nèi)許多地震學(xué)者對(duì)水溫動(dòng)態(tài)特征、形成機(jī)理及影響因素進(jìn)行大量研究。車用太、楊竹轉(zhuǎn)、張子廣等對(duì)井水溫潮汐方面的研究表明，水溫潮汐為次生效應(yīng)，是在潮汐力作用下含水層發(fā)生變形，井-含水層間及井筒內(nèi)水流引起熱對(duì)流運(yùn)動(dòng)的結(jié)果[1-3]；楊竹轉(zhuǎn)等認(rèn)為水溫固體潮效應(yīng)是水溫對(duì)地殼應(yīng)力應(yīng)變信息最直接的響應(yīng)，具有連續(xù)性的特點(diǎn)。研究水溫固體潮效應(yīng)，對(duì)解釋水溫映震機(jī)制具有重要的指示意義[2，4]。陳大慶等對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)大震的水溫同震響應(yīng)及其機(jī)理進(jìn)行研究[5]，車用太等認(rèn)為地下水水溫動(dòng)態(tài)變化是地下水動(dòng)態(tài)變化的一個(gè)重要方面，其變化特征可在一定程度上揭示地下介質(zhì)構(gòu)造的變化[6]。

河北冀16井(以下簡稱冀16井)數(shù)字化水溫觀測(cè)是2018年新增測(cè)項(xiàng)，觀測(cè)資料顯示其具有清晰的潮汐效應(yīng)。目前，對(duì)該井水溫的動(dòng)態(tài)特征及成因機(jī)理研究較少，筆者基于2018至2019年的觀測(cè)資料，從水溫動(dòng)態(tài)、影響因素及水溫潮汐形成機(jī)理等方面進(jìn)行分析。

1 冀16井概況

冀16井位于衡水市深洲大屯鄉(xiāng)陳家口村南，地勢(shì)自西南向東北緩慢傾斜，海拔高度12～30 m，井口終孔深度1 700.41 m。該井屬巖溶裂隙承壓水，不受大氣降雨、地表水直接滲入補(bǔ)給，構(gòu)造部位位于華北平原沉降帶冀中新河凸起高點(diǎn)上，屬邢臺(tái)-河間地震帶(見圖1)。觀測(cè)段為1 500.44 m至1 700.41 m(見第35頁圖2)。

圖1 河北冀16井地質(zhì)構(gòu)造圖Fig.1 Geological tectonic map of well

2 水溫動(dòng)態(tài)特征

冀16井采用北京中科光大自動(dòng)化技術(shù)有限公司生產(chǎn)的ZKGD3000-NT型水溫儀進(jìn)行觀測(cè)，水溫傳感器分辨率優(yōu)于0.000 1 ℃，數(shù)據(jù)采樣率為1次/min。

2.1 水溫年動(dòng)態(tài)

水溫年動(dòng)態(tài)以日均值為基礎(chǔ)，反映井水溫度隨季節(jié)變化的特征。冀16井水溫測(cè)項(xiàng)自正式觀測(cè)以來數(shù)據(jù)穩(wěn)定，由2018-2019年水溫動(dòng)態(tài)變化曲線看出，年動(dòng)態(tài)為下降型。2018年下降幅度為1.7 ℃，2019年為1.3 ℃(見第35頁圖3a)。車用太等在對(duì)首都圈地區(qū)井水溫度的動(dòng)態(tài)類型研究中指出，此類動(dòng)態(tài)形成與自流井?dāng)嗔髦缶仓兴睦鋮s作用有關(guān)[7]。冀16井?dāng)嗔髑八疁馗哌_(dá)79.5 ℃，屬于高溫高壓自流井。2016年發(fā)生自然斷流，斷流后由于壓力降低，水位呈現(xiàn)快速下降趨勢(shì)，水溫也逐年下降。

圖2 井孔柱狀圖Fig.2 Borehole bar chart

圖3 水溫動(dòng)態(tài)變化Fig.3 Dynamic change of water temperature

2.2 水溫月動(dòng)態(tài)

水溫月動(dòng)態(tài)以小時(shí)值為基礎(chǔ)建立，以月時(shí)間尺度反映井水溫度的變化特征。由圖3b看出，水溫月動(dòng)態(tài)類型為下降-起伏型，整體呈下降趨勢(shì)，疊加有起伏。起伏中出現(xiàn)一定的規(guī)律，月變幅為0.3～0.4 ℃。

2.3 水溫日動(dòng)態(tài)

水溫日動(dòng)態(tài)以小時(shí)值為基礎(chǔ)，以多日時(shí)間尺度反映井水溫度的變化特征。從圖4可以看出，冀16井日動(dòng)態(tài)具有顯著的潮汐效應(yīng)，呈現(xiàn)明顯的波峰波谷起伏，日起伏同理論固體潮的波動(dòng)吻合，與井水位潮汐變化反向?qū)?yīng)，日變幅為0.01～0.02 ℃。

圖4 水溫潮汐效應(yīng)Fig.4 Tidal effect of water temperature

3 水溫動(dòng)態(tài)主要影響因素分析

3.1 自然環(huán)境干擾

自然環(huán)境因素對(duì)冀16井水溫度的影響主要體現(xiàn)在大氣壓強(qiáng)上，氣溫、降雨、地下水開采等因素對(duì)井水溫度影響不明顯。水位對(duì)氣壓的響應(yīng)機(jī)理前人已有成熟的理論，劉國俊等指出氣壓變化引起井孔水位變化是通過井孔和含水層間滲流來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)大氣壓變化時(shí)，井孔中的水流向含水層或含水層中的水流向井孔[8]。如第36頁圖5a所示，2018年5月12日16時(shí)04分至20時(shí)45分氣壓出現(xiàn)大幅波動(dòng)，水位在同一時(shí)段也出現(xiàn)波動(dòng)，幅度為0.065 7 m；水溫也出現(xiàn)相應(yīng)波動(dòng)，幅度為0.023 5 ℃，表明水溫、水位受氣壓影響時(shí)間基本一致。馬玉川等對(duì)本溪井水溫的研究指出，氣壓升降時(shí)水位與水溫均反向變化，氣壓的變化對(duì)水位有影響，水位的變化影響水溫。因此，氣壓的變化間接地影響水溫的變化[9]。

3.2 人為因素干擾

2018年3月19日10時(shí)19分至33分水溫?cái)?shù)據(jù)出現(xiàn)急劇下降，變化幅度為0.087 6 ℃，由人為從井孔中采集水樣造成。水樣采集結(jié)束后，18時(shí)33分水溫恢復(fù)至正常觀測(cè)水平(見圖5b)。影響機(jī)理為采集水樣時(shí)引起井水位突然下降，破壞了井-含水層之間原有的水動(dòng)力平衡，使含水層中的水補(bǔ)入井中，含水層中水的溫度低于井筒中的水溫，導(dǎo)致井水溫度突然下降。

3.3 供電干擾

冀16井?dāng)?shù)字化水溫儀器設(shè)備自2018年1月1日正式投入觀測(cè)以來，多次出現(xiàn)不明原因的單點(diǎn)突跳。通過斷開交、直流及電壓等測(cè)試，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電壓出現(xiàn)較大波動(dòng)時(shí)，水溫便出現(xiàn)上述突跳，由此認(rèn)為，此類突跳是儀器供電干擾造成的(見圖5c)。

圖5 水溫受干擾曲線Fig.5 Water temperature disturbed curve

3.4 同震影響

據(jù)中國地震信息網(wǎng)地震目錄統(tǒng)計(jì)，2018年1月至2019年12月全球發(fā)生7級(jí)以上地震26次。冀16井水溫記錄到同震響應(yīng)17次，響應(yīng)率達(dá)65%，能記錄到大多數(shù)7級(jí)以上地震，同震響應(yīng)如表1所示。從表中看出，該井對(duì)7級(jí)以上地震的映震能力強(qiáng)，記錄振幅大小與持續(xù)時(shí)間受震中距及震級(jí)大小的直接影響。冀16井水溫記錄到的同震效應(yīng)均為振蕩型，振蕩過后水溫曲線形態(tài)仍按正常潮汐形態(tài)變化。如第37頁圖6所示，水溫記錄到的2018年1月23日17時(shí)31分41秒阿拉斯加灣發(fā)生的M8.0遠(yuǎn)震，井水溫同震變化明顯，于17時(shí)47分至20時(shí)12分記錄到同震，振蕩持續(xù)時(shí)間達(dá)145 min，最大變幅為0.028 5 ℃。

4 水溫潮汐特征分析

4.1 水溫梯度特征

井水溫度儀器安裝通常是先進(jìn)行溫度梯度測(cè)量，獲得最佳觀測(cè)位置，從地下水溫觀測(cè)資料中提取較為可靠的地震前兆信息。冀16井采用分段測(cè)量法，以10 m為步長逐步上提溫度傳感器，提至10 m處結(jié)束，共38個(gè)深度測(cè)點(diǎn)。首先，將調(diào)整水溫傳感器深度的短時(shí)波動(dòng)數(shù)據(jù)處理掉；然后，計(jì)算每次調(diào)整傳感器深度后靜置觀測(cè)時(shí)間內(nèi)的平均值及對(duì)應(yīng)梯度值，水溫梯度測(cè)量結(jié)果如第37頁圖7所示。測(cè)試的變化范圍為-82.0～59.9 ℃/hm，存在多處負(fù)梯度，在深度為60～100 m范圍梯度值變化較大，由54.258 ℃/hm下降到-82.01 ℃/hm，又轉(zhuǎn)折上升至28.648 ℃/hm；在深度150～200 m間變化相對(duì)劇烈，變化范圍為-53.8～59.9 ℃/hm；在深度310～330 m處出現(xiàn)顯著負(fù)梯度，整體呈現(xiàn)顯著不穩(wěn)定性。關(guān)于溫度探頭放置位置的選擇在《地震地下流體觀測(cè)方法：井水和泉水溫度觀測(cè)》(DB/T49—2012)中已有說明[10]。參考水溫梯度測(cè)量結(jié)果及觀測(cè)規(guī)范，認(rèn)為320 m位于含水層負(fù)梯度變化大的區(qū)段，背景噪聲較小，最終將水溫傳感器放置在320 m深度。

表1 河北冀16井水溫同震響應(yīng)Table 1 Coseismic response of water temperature

圖6 水溫同震曲線Fig.6 Coseismic curve of water temperature

圖7 井水溫度梯度圖Fig.7 Temperature gradient map of well

4.2 水溫潮汐形態(tài)

冀16井水溫日變觀測(cè)數(shù)據(jù)具有雙峰雙谷形態(tài)，水溫潮差變幅為0.020 6～0.037 2 ℃，有明顯的潮汐效應(yīng)，能記錄到清晰的潮汐動(dòng)態(tài)，表現(xiàn)出與水位反向變化的形態(tài)，且滯后于水位變化，滯后時(shí)間為1～2 h(見圖8)。

圖8 水溫與水位對(duì)比圖Fig.8 Comparison of water temperature and water level

4.3 水溫潮汐效應(yīng)形成機(jī)制

水溫固體潮的形成機(jī)制已有許多學(xué)者進(jìn)行研究，并提出多種觀點(diǎn)。趙剛等從體應(yīng)變?cè)矸矫娼⒛Ｐ?，認(rèn)為體應(yīng)變變化是引起水溫變化的原因[11]。馬玉川等認(rèn)為固體潮引起地下水流量的潮汐變化，流量變化又導(dǎo)致水溫的潮汐變化[9]。魚金子、車用太、張子廣等先后提出水動(dòng)力學(xué)模式，認(rèn)為當(dāng)含水層受力作用時(shí)，導(dǎo)致井-含水層內(nèi)水流狀況的變化，由于井孔內(nèi)兩個(gè)水溫梯度的作用，水體熱量隨水流量的變化導(dǎo)致井水溫度的升降變化[1，3，6，12]。劉耀煒認(rèn)為水溫固體潮效應(yīng)是由含水層固體變形引起井孔內(nèi)部排水與吸水，使得上下層不同溫度水混合形成溫差效應(yīng)的結(jié)果[13]。

冀16井系油田部門勘探井，非專門的地震觀測(cè)井，對(duì)于329 m以上第四系覆蓋層的鉆孔巖性未進(jìn)行詳細(xì)編錄。筆者認(rèn)為，冀16井井水溫度潮汐效應(yīng)的響應(yīng)條件主要是井一含水層系統(tǒng)的水動(dòng)力條件，其影響機(jī)制為：當(dāng)含水層受到潮汐引力作用而膨脹變形時(shí)，井筒內(nèi)的水流向含水層，導(dǎo)致水位下降，使井筒中的水回流到含水層，造成井筒中水溫升高；當(dāng)含水層受到潮汐引力作用而壓縮變形時(shí)，含水層中的水滲入井筒，導(dǎo)致水位上升，含水層的水流向井筒，低溫水補(bǔ)充造成水溫下降[12-14]。因缺少觀測(cè)段詳細(xì)的水文地質(zhì)資料，對(duì)冀16井潮汐形成機(jī)理、水溫滯后性仍需繼續(xù)研究分析。

5 結(jié)論與討論

通過對(duì)水溫動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

冀16井水溫呈現(xiàn)趨勢(shì)性下降特征，年變幅為1.3～1.7 ℃，月變幅為0.3～0.4 ℃，日變幅一般為0.01～0.02 ℃；水溫具有明顯的潮汐變化特征，日變具有雙峰雙谷形態(tài)，在形態(tài)上與水位表現(xiàn)為反向變化，且滯后水位1～2 h；影響冀16井水溫動(dòng)態(tài)的因素主要為環(huán)境和觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)施，自然因素主要為大氣壓強(qiáng)，與同井水位變化基本一致，是水位受影響的次生效應(yīng)；該井水溫較靈敏，同震效應(yīng)顯著，對(duì)強(qiáng)震具有一定的響應(yīng)能力。由于缺少觀測(cè)段詳細(xì)的水文地質(zhì)資料，水溫滯后性及形成機(jī)理仍需進(jìn)一步研究。