江蘇地震觀測井溫度梯度與井孔構(gòu)造對比

張 揚，宮 杰，張 敏，瞿 旻，王 凱，戴 波，鮑海英

（江蘇省地震局，南京 210014）

0 引言

井孔水溫觀測屬于地震前兆觀測的重要觀測項目之一，井孔水溫的數(shù)據(jù)變化與地殼內(nèi)部活動以及地震前兆信息存在一定的內(nèi)在聯(lián)系。井孔水溫數(shù)據(jù)在一定深度后，受井孔上層的氣溫、氣壓等的影響逐漸變小，數(shù)據(jù)年變形態(tài)相對平穩(wěn)，溫度數(shù)據(jù)變化主要受到地殼內(nèi)部構(gòu)造活動的影響，能夠反映井孔附近區(qū)域內(nèi)地殼應(yīng)力變化情況。井水溫觀測層的背景值主要取決于觀測層圍巖的溫度與含水層水的補給溫度，井水溫度的動態(tài)變化主要取決于井-含水層間隨水流運動產(chǎn)生的熱對流，此外還同井水與井孔外圍巖石間的熱傳導(dǎo)、井水面與大氣間的熱輻射等有關(guān)，但是熱輻射影響很小[1]。地表水補給、含水層水動力作用以及井孔的地質(zhì)構(gòu)造是對井水溫變化影響最重要的因素。劉耀煒[2]通過分析云南建水、賓川和嵩明三口觀測井在2004年蘇門答臘Mw9.0和2008年中國汶川Mw7.9地震時井孔水位、水溫同震效應(yīng)的關(guān)系，認為井孔水溫變化主要受井孔觀測含水層水動力作用的影響。

截止到2018年，江蘇地震前兆觀測流體臺網(wǎng)（圖1）在運行的臺站共計22個。臺站分布主要圍繞著江蘇省境內(nèi)主要斷裂帶：郯廬斷裂帶、無錫-宿遷斷裂、淮陰-響水斷裂、茅東斷裂等。觀測范圍涵蓋了江蘇省區(qū)域內(nèi)活動性較強且與現(xiàn)代地震發(fā)生關(guān)系密切的斷裂構(gòu)造，布局較為合理。

圖1 江蘇區(qū)域地震前兆流體觀測臺網(wǎng)分布

1 研究方法

井孔水溫度主要是地殼由內(nèi)向地表熱量釋放的結(jié)果[3]。井孔水溫測量背景值主要受外層圍巖的溫度與含水層水的補給溫度的影響，此外還與含水層間隨水流運動產(chǎn)生的熱對流、井水與井孔外圍巖石土壤間的熱傳導(dǎo)、井水面與大氣間的熱輻射等有關(guān)[4]。

井孔水溫度測量應(yīng)從水面開始至井底（當水位埋深大于50 m，從井口以下50 m開始）進行不同深度的等間距測量。傳感器擬放置段應(yīng)進行加密測量，加密測量段長度宜大于兩個全程測量點間距的長度，測量出不同深度的井孔水溫的背景值資料（表1）。

表1 不同深度水溫觀測井孔梯度測量方法

根據(jù)觀測井孔水溫度（Tw）隨井孔深（H）變化的測量背景值數(shù)據(jù)，繪制井孔水溫度分布曲線，計算井孔水溫測量數(shù)據(jù)的差分值。正差分值表明隨井孔深增加水溫升高，負差分值表明隨井孔深度增加水溫降低。差分絕對值越大，則表明溫度梯度變化越大。

梯度值的計算方法：

其中：△T為溫度梯度；Xi為測點水溫；hi為測點深度。

根據(jù)《地震地下流體觀測方法井水和泉水溫度觀測》（地震行業(yè)標準DB/T 49-2012）中的要求，溫度梯度測量溫度探頭入水后開始，通過查表找出溫度測量點間隔距離，每組測量值在溫度變化趨于穩(wěn)定后，連續(xù)觀測30 min開始讀數(shù)，記錄探頭放置深度與數(shù)據(jù)讀取時間。溫度傳感器的分辨率為0.000 1 ℃。加密測量段為原水溫探頭的放置位置附近，查取測量間距，測量時間不小于60 min。然后計算對應(yīng)梯度值。

2 水溫觀測井孔的選擇

江蘇地震前兆觀測流體臺網(wǎng)水溫觀測2007年開始數(shù)字化升級改造，均未進行溫度梯度測量。選擇數(shù)據(jù)向國家前兆臺網(wǎng)報數(shù)、映震效果較好的井孔來進行溫度梯度普查。挑選流體井孔的原則是：①臺站水溫觀測穩(wěn)定運行超過一年以上，年度數(shù)據(jù)完整率超過95%；②臺站數(shù)據(jù)映震效果較好，水位數(shù)據(jù)固體潮清晰；③臺站地質(zhì)構(gòu)造清晰，靠近斷裂帶附近。

按照上述原則挑選出符合條件的地震前兆水溫觀測井為：徐州蘇02井、徐州蘇03井、金湖蘇06井、興化蘇08井、姜堰蘇10井、南通蘇14井、丹徒蘇18井、昆山蘇21井、高郵臺、灌云臺、鹽城臺、新沂臺十二口流體井孔作為溫度梯度的測量點。

3 溫度梯度測量結(jié)果及井孔柱狀圖對比分析

通過選擇江蘇區(qū)域流體臺網(wǎng)12口地下流體井孔，來進行對溫度梯度普查，通過溫度探頭入水后等間距測量以及加密觀測，獲取井孔不同深度溫度背景值，然后計算出溫度梯度值，參考井孔柱狀圖分析溫度梯度變化特征，并將溫度變化與井孔的地質(zhì)構(gòu)造、含水層分布結(jié)合起來，揭示出研究區(qū)內(nèi)井孔水溫特點。

其中，水溫測量結(jié)果如圖2所示。

圖2 井孔測溫曲線

通過對江蘇地震觀測十二口井孔不同深度水溫背景值測量以及對比分析，能夠在一定程度上反映井孔溫度當前最新的狀況。主要歸納如下：蘇02井、灌云臺、新沂臺較低的水溫曲線與地質(zhì)構(gòu)造密切相關(guān)，位于斷裂帶就會導(dǎo)致大氣降水沿斷裂下滲產(chǎn)生冷卻效應(yīng)，使得井孔溫度曲線變化較小[5]；蘇18井為動水位井的原因，溫度曲線與其他靜水位井有明顯差別，初始溫度較高且水溫變化不大；溫度曲線隨深度增加大致為線性緩慢上升，兩者呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系；江蘇地區(qū)井孔入水深度普遍較淺，入水溫度16°～20°C之間，50 m以上部分受地表影響有部分波動，50 m以下部分線性相關(guān)較好。

3.1 徐州蘇02井

徐州蘇02井為國家級深井水溫觀測井，位于徐州市睢寧縣王集鎮(zhèn)。徐州蘇02井現(xiàn)深度為305.7 m，該井位于溱潼凹陷的陳家堡-小海斷裂帶上。該井附近無明顯干擾源，地下水類型屬于巖溶裂隙承壓水；觀測含水層的巖性為白云巖、灰?guī)r；水溫探頭放置位置273 m，加密觀測段為260～300 m（圖3）。

圖3 徐州蘇02井水溫、梯度、井孔柱狀圖

50 m以上部分，存在負梯度；灰?guī)r部分梯度值較大；井孔變窄部分水溫變化明顯。結(jié)合含水層數(shù)據(jù)來看，在100 m左右為高溫含水層，使梯度值增大；140～270 m水溫數(shù)據(jù)較穩(wěn)定，梯度變化幅度很小；270 m以下角礫狀灰?guī)r，梯度呈現(xiàn)不規(guī)則規(guī)律。

結(jié)合含水層數(shù)據(jù)來看，在270 m左右為高溫含水層，使梯度值增大。溫度梯度均值為0.784 6，總體上來看，02井水溫數(shù)據(jù)變化幅度不大，溫度曲線與地質(zhì)構(gòu)造密切相關(guān)，屬于數(shù)據(jù)較穩(wěn)定的井孔，對井下地殼活動反應(yīng)較為靈敏。

3.2 徐州蘇03井

徐州蘇03 井觀測站位于徐州市睢寧縣梁集鎮(zhèn)，在地質(zhì)構(gòu)造上位于近NS向郯廬斷裂帶西側(cè)約15 km處，NW向廢黃河斷裂南側(cè)交匯處附近。地理位置上位于廢黃河沖擊平原上，臺基為震旦系灰?guī)r。徐州蘇03井現(xiàn)井深104 m，探頭位置103 m（圖4）。

圖4 徐州蘇03井水溫、梯度、井孔柱狀圖

結(jié)合含水層數(shù)據(jù)來看，在80 m左右為高溫含水層，為水溫提供熱量補給，使梯度值增大。溫度梯度均值為3.937 °C/hm，總體上來說，03井基本梯度變化較為穩(wěn)定，但由于灰黏土層密閉特性，梯度大幅上升，水溫變化明顯。

3.3 金湖蘇06井

金湖蘇06 井為國家級深井水溫觀測井，位于淮安市金湖縣陳橋鎮(zhèn)，基底由中元古界張八嶺群組成，巖性主要泥巖、砂巖。金湖蘇06井深2 364.5 m，探頭放置位置320 m、740 m，其中加密測量段為280～360 m、680～800 m（圖5）。

圖5 金湖蘇06井水溫、梯度、井孔柱狀圖

結(jié)合含水層數(shù)據(jù)來看，在290 m左右為高溫含水層，使梯度值增大。200 m以上，400～650 m梯度值約為3，呈線性變化規(guī)律；200～400 m，亞黏土的下層和泥巖交界部分，梯度變化較為明顯；650～750 m，泥巖與砂巖交匯部分，溫度梯度又變化較大，680 m含水層為低溫含水層；800～900 m，砂巖下層，梯度又呈現(xiàn)規(guī)律性變化；950 m以下，深灰?guī)r層，水溫變化劇烈；在980 m左右為高溫含水層，使梯度值增大，水溫提升迅速。

溫度梯度均值為3.134 °C/hm，總體上來說，06井除去底層交界部分，基本梯度變化較為穩(wěn)定，但在950米以下深灰?guī)r之后，受高溫含水層影響，梯度大幅上升，水溫變化明顯。

3.4 興化蘇08井

興化蘇08井為國家級深井水溫觀測井，位于興化市戴窯鎮(zhèn)，井深2 225 m。該井位于溱潼凹陷的陳家堡-小海斷裂帶上，現(xiàn)井深度為2 680 m，套管深度為2 225 m，水位埋深為9 m；地下水類型為巖溶裂隙承壓水；附近無明顯干擾源；觀測含水層的巖性主要是白云巖、灰?guī)r；水溫探頭放置位置360 m和950 m，加密測量段為330～390 m、930～978 m（圖6）。

圖6 興化蘇08井水溫、梯度、井孔柱狀圖

結(jié)合含水層數(shù)據(jù)來看，對梯度值略微提升。溫度梯度均值為3.233 °C/hm，符合地層變化規(guī)律。泥巖與粉細砂巖密封特性，上下層水溫交換不頻繁，水溫變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。

3.5 姜堰蘇10井

姜堰蘇10井為國家級深井水溫觀測井，位于泰州姜堰市華港鎮(zhèn)，臺址基巖為砂礫巖，井深3 200 m，探頭放置192 m，加密測量段為180～194 m（圖7）。

圖7 姜堰蘇10井水溫、梯度、井孔柱狀圖

溫度梯度均值為3.945 °C/hm，溫度梯度整體呈現(xiàn)遞增趨勢，水溫隨井深變化加??；砂質(zhì)黏土的中層變化較大；粉質(zhì)砂巖的下層，受高溫含水層影響，梯度變化明顯，呈現(xiàn)最大值。

3.6 海門蘇14井

海門蘇14井為國家級深井水溫觀測井，位于南通海門市包場鎮(zhèn)，巖性主要為大理石（第三紀以前），井深453 m，探頭放置204 m，加密測量段為180～220 m（圖8）。

圖8 海門蘇14井水溫、梯度、井孔柱狀圖

結(jié)合含水層數(shù)據(jù)來看，對溫度梯度值略微提升；總體變化較為規(guī)律，溫度梯度均值為3.20 °C/hm；黏土和砂質(zhì)泥巖對水溫影響變化幅度較?。簧百|(zhì)灰?guī)r與石英巖交界部分，溫度梯度值最大。

3.7 丹徒蘇18井

丹徒蘇18井為國家級深井水溫觀測井，位于丹徒區(qū)榮炳鄉(xiāng)，為動水位流體井。該井位于茅山斷裂帶主干斷裂北延的分支上，地震活動反映較為靈敏。井深250 m，水溫探頭放置148 m，加密觀測段120～160 m（圖9）。

圖9 丹徒蘇18井水溫、梯度、井孔柱狀圖

動水位流體井水溫變化規(guī)律與靜水位井有一定差別，溫度梯度均值為0.824 °C/hm，變化較小。由于測量時間是冬季，井口水溫受氣溫影響較大。結(jié)合含水層數(shù)據(jù)來看，在160 m左右為低溫含水層，使梯度值變小。動水位流體井的溫度梯度還受到水 流速度、套管布設(shè)等因素的影響。

3.8 昆山蘇21井

昆山蘇21井為國家級深井水溫觀測井，位于蘇州昆山市玉山鎮(zhèn)，屬于EW 向蘇州-昆山斷裂帶，正斷層性質(zhì)，巖性為砂巖、大理巖，井深676 m，水溫探頭放置位置192 m，加密觀測段為180～194 m（ 圖10）。

圖10 昆山蘇21井水溫、梯度、井孔柱狀圖

結(jié)合含水層數(shù)據(jù)來看，對溫度梯度值略微提升。溫度梯度均值為3.945 °C/hm，溫度梯度隨深度增加逐漸增大趨勢；亞黏土與砂質(zhì)黏土交界部分、砂質(zhì)黏土與粉質(zhì)砂巖交界部分，溫度梯度呈現(xiàn)該層最大值。

3.9 高郵流體井

高郵地震臺為國家基本站，位于揚州高郵市城南新區(qū)，臺基為第四系松散層，厚度為 165 m。臺站地理位置于淮河下游，蘇中里平原地質(zhì)構(gòu)造為揚子準地臺高郵凹陷內(nèi)，流體井深528 m，探頭放置196 m（圖11）。

圖11 高郵流體井水溫、梯度、井孔柱狀圖

結(jié)合含水層數(shù)據(jù)來看，對溫度梯度值略微提升。溫度梯度均值為2.275 °C/hm，溫度梯度總體變化幅度不大，最大值為2.668 °C/hm，基本梯度變化較為穩(wěn)定，能夠正確的反應(yīng)地層活動情況。

3.10 灌云流體井

灌云地震臺為江蘇省屬站，臺址位于灌云縣城西部，灌云流體井深268 m，探頭放置位置267 m，加密測量段240～268 m（圖12）。

圖12 灌云流體井水溫、梯度、井孔柱狀圖

結(jié)合含水層數(shù)據(jù)來看，在160 m左右為高溫含水層，使梯度值增大。石英片巖、白色石英巖、灰綠色石英巖部分，梯度變化較為規(guī)律；變粒巖層，安裝滲水巖層交匯部分，梯度出現(xiàn)較大變化，水溫變化較為劇烈；250 m以下，梯度數(shù)據(jù)又逐漸趨近于3。溫度梯度均值為1.693 °C/hm，位于邵店-板浦斷裂使得該井水溫曲線變化幅度較小。

3.11 新沂流體井

新沂地震臺為國家基本地震臺，流體井位于郯廬斷裂帶中南段新沂市唐店鎮(zhèn)，井深400 m，探頭放置160 m、360 m，加密測量段為140～180 m、340～380 m（圖13）。

圖13 新沂流體井水溫、梯度、井孔柱狀圖

溫度梯度均值為2.187 °C/hm，總體梯度數(shù)據(jù)較為規(guī)律；在150 m、350 m左右為巖層破碎部分，梯度變化較為劇烈；位于郯廬斷裂帶使得該井水溫曲線變化幅度較小。

3.12 鹽城流體井

鹽城地震臺為江蘇省屬站，臺址位于鹽城市龍岡鎮(zhèn)，臺基為第四紀松散沉積層，鹽城流體井深540 m，探頭放置180 m、360 m，加密測量段為150～200 m、352～372 m（圖14）。

圖14 鹽城流體井水溫、梯度、井孔柱狀圖

結(jié)合含水層數(shù)據(jù)來看，對溫度梯度值略微提升。溫度梯度均值為3.692 °C/hm，總體梯度數(shù)據(jù)較為規(guī)律；亞黏土與泥巖交匯部分、泥巖附近水溫變化較為明顯[6]；砂巖下層350～380 m巖層破碎部分，水溫變化較為明顯。

3.13 總結(jié)

結(jié)合12口井孔溫度變化與井孔的地質(zhì)構(gòu)造，對比分析研究區(qū)的井孔水溫變化特征：

1）鉆孔巖性變化的交界部分，特別是泥巖與砂巖或者泥巖與灰?guī)r交界部分，蘇03井70～100 m灰黏土段，新沂臺90～220 m亞黏土、泥巖段。蘇21井80～180 m砂質(zhì)黏土段，溫度變化較為劇烈，梯度值較大。泥巖、黏土等致密性好，水流動性差，導(dǎo)致水的交替運動相對較少，從而溫度梯度變化較為復(fù)雜；相反，砂巖、灰?guī)r由于裂隙等，水的交替運動較活躍，從而導(dǎo)致溫度梯度相對變化較小。

2）井孔巖層破碎處、巖層交界處與井孔外圍熱交換效果顯著，溫度梯度呈現(xiàn)一定的不規(guī)律性。

3）水溫曲線與地質(zhì)構(gòu)造密切相關(guān)，位于斷裂帶就會導(dǎo)致大氣降水沿斷裂下滲產(chǎn)生冷卻效應(yīng)，使得井孔溫度曲線變化較小，溫度梯度值越接近0，且變化幅度較小。溫度梯度值越接近0，證明該井段水溫交換越劇烈，該鉆孔水溫數(shù)據(jù)對地表下層構(gòu)造應(yīng)力活動反應(yīng)越明顯。蘇02井、蘇03井、蘇18井、蘇21井位于斷裂帶附近，地震活動反應(yīng)較為靈敏。

4）井水溫度梯度的變化既受到井孔外圍介質(zhì)熱傳導(dǎo)影響，與井孔地質(zhì)構(gòu)造密切相關(guān)，又與含水層分布存在重要聯(lián)系。

4 結(jié)論

通過對江蘇地震觀測十二口井孔溫度梯度普查及對比分析，能夠在一定程度上反映該區(qū)域溫度梯度當前最新的狀況。通過將溫度梯度數(shù)據(jù)、井孔地質(zhì)構(gòu)造與含水層分布結(jié)合起來，更清晰明確地認識了研究區(qū)內(nèi)井孔水溫特點。

1）井孔溫度梯度是水熱動力學(xué)與地?zé)釀恿W(xué)復(fù)合機制[1]綜合影響的結(jié)果。

2）泥巖、黏土等致密性好，水流動性差，導(dǎo)致水的交替運動相對較少，從而溫度梯度變化較為復(fù)雜；相反，砂巖、灰?guī)r由于裂隙等，水的交替運動較活躍，從而導(dǎo)致溫度梯度相對變化較小。

3）動水位井溫度曲線與靜水位井孔存在明顯區(qū)別，動水位流體井初始溫度值較高，且變化幅度較小。

4）含水層分布對溫度梯度值存在重要影響。含水層對該測段梯度值有直接影響，高溫含水層會提升附近水溫，增大梯度值；低溫含水層會降低附近水溫，降低梯度值。含水層的厚度影響梯度值變化率，含水層厚度越小，梯度變化越劇烈；含水層厚度越大，梯度變化趨于平緩。

5）江蘇地區(qū)井孔入水深度普遍較淺，入水溫度16°～20°C之間，50 m以上部分受地表影響有部分波動，50 m以下部分線性相關(guān)較好。隨著井孔深度的不斷增加，井水溫度平均值逐漸增大，兩者呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。

綜上所述，通過對井孔水溫背景值測量以及水溫梯度研究總結(jié)，為地震監(jiān)測預(yù)報井孔水溫定量分析與機理解釋提供了新的研究思路[7]。結(jié)合鉆孔地質(zhì)構(gòu)造、含水層分布能夠有助于水溫動態(tài)變化分析與同震響應(yīng)分析[8]，印證地表下層應(yīng)力變化以及構(gòu)造活動，為地震監(jiān)測預(yù)報提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐[9-10]。

致謝作者在此特向中國地震局地殼應(yīng)力研究所何案華老師、鄧衛(wèi)平老師，蘇02井董維聰、蘇06井沈?qū)捴?、蘇08井吳粉金、蘇10井劉來山，蘇18井潘龍華，感謝他們在江蘇地震觀測井溫度梯度普查以及論文編寫過程中給予的多方面的支持和幫助。