斷裂帶同側(cè)不同觀測(cè)井水溫變化特征

張亮娥，張建增，陳?？?，宮靜芝，魏越超，范 磊

（1.太原地震監(jiān)測(cè)中心站，太原 030025；2.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué) 國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，太原 030025）

0 引言

中國(guó)高精度水溫觀測(cè)開(kāi)始于1985 年，截至2018 年水溫測(cè)項(xiàng)達(dá)到358 項(xiàng)，取得了豐富的水溫觀測(cè)資料。水溫觀測(cè)記錄到了大量的微動(dòng)態(tài)信息，較為突出的有同震效應(yīng)、“潮汐變化”、震前異常變化[1]。針對(duì)水溫動(dòng)態(tài)的復(fù)雜狀況，一些學(xué)者開(kāi)始清理和研究水溫各類動(dòng)態(tài)，認(rèn)為觀測(cè)井的特定層能夠觀測(cè)到“固體潮”[2-4]，這種觀測(cè)層一般是水溫梯度較小段[5]。傳感器的放置深度直接決定了井溫微動(dòng)態(tài)變化特征，所以充分了解觀測(cè)井水溫地質(zhì)條件、井孔結(jié)構(gòu)、井溫度梯度是必要的[6-7]。

山西太原臺(tái)位于交城斷裂中段，臺(tái)站現(xiàn)有兩口流體觀測(cè)井位于斷裂下盤，一口井（晉7-1）井深750 m，另一口晉源井井深度270 m，二者相距100 m（圖1）。太原臺(tái)（晉7-1）觀測(cè)井水溫觀測(cè)開(kāi)始于2007 年，使用儀器為中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所研制生產(chǎn)的SWZ-1 型高精度溫度計(jì)。儀器安裝時(shí)按照規(guī)范要求對(duì)井水溫溫度梯度做了測(cè)量[8]，傳感器放置于井底（750 m）。多年觀測(cè)表明，水溫背景噪聲小于0.03%，無(wú)明顯日變化。2018 年10 月臺(tái)站水溫儀器更新改造，在井水溫溫度梯度測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，傳感器放置在100 m 時(shí)背景噪聲與750 m 處一致，且具有“潮汐”日變化。

圖1 晉7-1 井、晉源井位置圖

為進(jìn)一步了解該井不同深度水溫變化的微動(dòng)態(tài)特征，以及這些特征是否具有普適性，本文對(duì)晉7-1井和與其處于同一構(gòu)造位置的晉源井進(jìn)行不同深度、不小于24 h 的溫度測(cè)量，并對(duì)兩口觀測(cè)井的溫度梯度以及不同深度水溫微動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行對(duì)比分析。

1 觀測(cè)井基本情況

晉7-1 井位于太原市晉祠鎮(zhèn)太原基準(zhǔn)地震臺(tái)北墻外（圖1）。該井成井時(shí)間為1981 年，成井深度765.78 m，現(xiàn)有井深750 m，井口標(biāo)高828 m，水位觀測(cè)段在480 m 以下（圖2）。1983 正式納入華北井網(wǎng)，測(cè)項(xiàng)為井水位。2007 年，中國(guó)地震局“十五”項(xiàng)目增加了水溫觀測(cè)，使用儀器為中國(guó)地震局地殼應(yīng)力所生產(chǎn)的“SZW-1A 型數(shù)字式溫度計(jì)”。2018 年華北儀器更新項(xiàng)目，儀器更新為中國(guó)地震局地殼應(yīng)力所生產(chǎn)的“SZW-Ⅱ型數(shù)字式溫度計(jì)”。

圖2 晉7-1 井、晉源井井孔柱狀圖

晉7-1 井位于交城斷裂帶晉祠段北端的下盤，明仙溝口間歇河河床中，北、西、南三面環(huán)山。含水層為奧陶系下統(tǒng)和寒武系上統(tǒng)的石灰?guī)r、白云巖類，屬碳酸巖類巖溶地下水。地下水的補(bǔ)給區(qū)為西北和西部山區(qū)，水的來(lái)源主要為大氣降水和汾河上游滲漏。

晉源井位于臺(tái)站院內(nèi)（圖1），該井為晉源區(qū)水資源辦公室觀測(cè)井，成井時(shí)間為2012 年，成井深度為350 m。晉源井與晉7-1 井相距約100 m，處于同一地質(zhì)構(gòu)造帶。

2 井水溫梯度與日變化動(dòng)態(tài)對(duì)比分析

2.1 井水溫梯度與日變化動(dòng)態(tài)測(cè)量

晉源井水溫梯度觀測(cè)間隔為20 m，每個(gè)深度觀測(cè)時(shí)間包含一個(gè)24 h 完整日，觀測(cè)層的溫度值為24 h的平均值。測(cè)試儀器采用中國(guó)地震局地殼應(yīng)力所生產(chǎn)的“SZW-Ⅱ型數(shù)字式溫度計(jì)”。

晉7-1 井溫度梯度觀測(cè)間隔為10～30 m 不等，每個(gè)深度的觀測(cè)時(shí)間為30 min，取后10 min 的平均值作為該深度的溫度值。同時(shí)對(duì)該井80～220 m 段做了20 m 間隔，其他段以50 m 的間隔做了觀測(cè)時(shí)間大于24 h 的測(cè)量，觀測(cè)其不同深度的日變化動(dòng)態(tài)。

2.2 井水溫梯度對(duì)比分析

圖3 為晉源井溫度與晉7-1 井溫度梯度對(duì)比曲線圖，兩口井溫度梯度總體一致，在100～200 m 范圍為負(fù)梯度，溫度梯度約-0.01 ℃/m，其余深度為正梯度，溫度梯度在0.03～0.04 ℃/m。兩口井不同深度絕對(duì)溫度來(lái)看，在100～200 m 負(fù)梯度深度，晉源井溫度小于晉7-1 井，而在其他深度范圍內(nèi)晉源井溫度大于晉7-1 井，絕對(duì)溫度差約0.15 ℃。隨著深度的加深，在270 m 處，兩井溫度趨于一致。

圖3 晉7-1 井、晉源井溫度與溫度梯度圖

一些學(xué)者認(rèn)為負(fù)梯度的存在是由地層巖性的熱導(dǎo)率異常引起，比如凝灰?guī)r、板巖其密度低，含水性弱，熱阻大，熱導(dǎo)率低，因而影響地溫隨深度的變化[4]，也有學(xué)者認(rèn)為是由井區(qū)附近自下而上的熱流或自上而下冷水引起的，總之是由于井區(qū)特殊的水溫地質(zhì)構(gòu)造引起[9]。經(jīng)過(guò)分析認(rèn)為，造成晉源井和晉7-1 井溫度為負(fù)梯度的原因?yàn)楹笳?。從晉7-1 井柱狀圖顯示，該井在75 m 處裂隙發(fā)育，裂隙的發(fā)育造成內(nèi)外水流交換的頻繁，從而造成兩口井該深度段溫度為負(fù)梯度；晉源井92.82 m 之下均為水位觀測(cè)層，該段正好位于裂隙發(fā)育段，水流交換頻繁，而晉7-1 井觀測(cè)層在480 m 以下，裂隙段對(duì)水流交換的影響低于晉源井，這是造成晉源井在負(fù)梯度深度范圍絕對(duì)溫度低于晉7-1 井的原因。

2.3 井水溫日變化對(duì)比分析

1）圖4 為晉源井不同深度日變化曲線，整體看各深度變化平穩(wěn)，無(wú)明顯日變形態(tài)；在80～180 m 深度背景噪聲小于其他深度；270 m 處井底背景噪聲小于0.1 %℃，達(dá)到最小。晉7-1 井在80～180 m 深度背景噪聲小于其他深度；100 m 深度日變化類似于“潮汐”，其他深度變化平穩(wěn)，無(wú)明顯日變化；750 m處井底背景噪聲小于0.1 %℃,達(dá)到最?。▓D5）。

圖4 晉源井不同深度溫度日變化曲線圖

2）晉源井80～180 m 平均絕對(duì)溫度梯度0.008 ℃/m，其他深度平均溫度梯度0.03 ℃/ m；晉7-1 井80～180 m 平均絕對(duì)溫度梯度0.004 ℃/m，其他深度平均溫度梯度0.03 ℃/m。兩口井在80～180 m背景噪聲小的原因是該深度溫度梯度小于其他深度。關(guān)于水溫“潮汐”變化，潮汐現(xiàn)象是井管內(nèi)特定深度才可以反映，是一種次生效應(yīng)[10]。當(dāng)含水層受到壓縮潮汐力發(fā)生變形，含水層中的地下水流入井筒，使得井水得到熱水溫度升高；反之當(dāng)含水層受到膨脹潮汐力井水溫降低，如此反復(fù)形成“潮汐”[11]。晉7-1 井在100 m 深度能記錄到微弱的“潮汐”變化，是因該深度處于溫度正負(fù)梯度轉(zhuǎn)換，梯度接近于零，背景變化較小，對(duì)含水層地下水變化更為敏感；其次，太原臺(tái)晉7-1 井水位潮汐日變化幅度只有3～5 cm，水位潮汐變化的大小與水溫變化成正比，這是造成該井水溫“潮汐”弱的原因。

2.4 井水溫日變化周期分析

測(cè)試儀器采用SZW-Ⅱ型水溫儀，采樣率1 次/min，能夠記錄到地球震動(dòng)的多周期變化信息。從圖4“晉源井”和圖5“晉7-1 井”日變化曲線圖來(lái)看，日變化包含的周期成分在正梯度和負(fù)梯度范圍存在明顯不同。采用“傅里葉分析去多個(gè)周期方法（該方法對(duì)日變化中幅度大于3 ℃的周期成分進(jìn)行提?。睂?duì)不同深度日變化進(jìn)行分析，結(jié)果表明：兩口井在100～200 m 負(fù)梯度深度時(shí)，日變化中包含的周期成分相對(duì)簡(jiǎn)單，主要為大于80 min 的長(zhǎng)周期成分，而在其他正梯度深度，日變化中包含周期成分豐富，最小周期小于20 min，而20～40 min 周期變化占到所有周期變化的一半以上（表1～2）。

表1 晉源井不同深度周期成份分析

表2 晉7-1 井不同深度周期成份分析

圖5 晉7-1 井不同深度溫度日變化曲線圖

造成以上不同深度周期成分復(fù)雜程度不一的原因是井溫度梯度的大小。表面上負(fù)梯度深度范圍內(nèi)周期成分相對(duì)單一，實(shí)際分析發(fā)現(xiàn)兩口井100～200 m 的深度其負(fù)梯度的絕對(duì)值只有0.004 ℃/m 和0.008 ℃/m，而其他深度溫度梯度絕對(duì)值達(dá)到0.03 ℃/m，也就是說(shuō)傳感器所在深度的溫度梯度決定了其日變化形態(tài)，溫度梯度大的觀測(cè)層日變化中所含的周期成分豐富。

3 討論與認(rèn)識(shí)

通過(guò)對(duì)位于斷裂帶同側(cè)的晉7-1 井與晉源井不同深度水溫變化的對(duì)比分析，得出以下認(rèn)識(shí)。

1）觀測(cè)井所處位置的水文地質(zhì)構(gòu)造是決定井水溫梯度的主要因素。晉7-1 井與晉源井雖然深度不一致，但其溫度梯度變化趨勢(shì)一致；兩口井的絕對(duì)溫度值隨著井深度的增加，趨于一致。

2）觀測(cè)井傳感器所在位置的水溫梯度是決定日變化形態(tài)的主要因素。水溫梯度大，日變化中所包含的周期成分豐富。

3）井溫度梯度與水溫背景噪聲成正比。對(duì)于同一口井井底、正負(fù)溫度轉(zhuǎn)換帶或者是恒溫井，這些溫度梯度為零或近零點(diǎn)水溫觀測(cè)背景最小。

4）水溫“潮汐”變化為次生變化，大小與水位“潮汐”相關(guān)，具有“潮汐”日變化的觀測(cè)層溫度梯度為零或近零點(diǎn)。

5）觀測(cè)發(fā)現(xiàn)由于水溫傳感器同一深度兩次放置，造成日變化前后的不一致，原因可能是井水溫橫向梯度的影響。一般來(lái)說(shuō)，觀測(cè)井的直徑在十幾公分，但投放水溫傳感器時(shí)無(wú)法控制其橫向的準(zhǔn)確位置，這是井水溫橫向梯度測(cè)量的難點(diǎn)。

6）根據(jù)“震臺(tái)網(wǎng)函〔2016〕257 號(hào)關(guān)于印發(fā)《觀測(cè)井水位校測(cè)與水溫梯度測(cè)量要求（試行）》的通知”要求，觀測(cè)井200～500 m 內(nèi)測(cè)點(diǎn)間距為20 m，本實(shí)驗(yàn)中溫度梯度的測(cè)量間隔的選擇為20 m，觀測(cè)井溫度的日動(dòng)態(tài)變化在千分之幾，還不能對(duì)一些細(xì)節(jié)變化做出詳細(xì)的解釋。