靜樂井不同深度水溫變化特征淺析

郭 宇，張淑亮，張亮娥，郭寶仁，張亞敏，閆美蓉

(1.山西省地震局太原地震監(jiān)測中心站，山西 太原 030025；2.山西省地震局，山西 太原 030021；3.山西省地震局忻州地震監(jiān)測中心站，山西 代縣 034200；4.山西省地震局大同地震監(jiān)測中心站，山西 大同 037000；5.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

在地下流體動態(tài)觀測中，井水溫度對地震活動的響應較敏感[1],諸多學者對其動態(tài)形成機理進行研究[2-5]。目前，我國井水溫觀測已記錄到豐富的井水溫微動態(tài)信息，包括地震前兆異常、水溫固體潮、同震響應及震后效應等[6-7]。不同觀測井的震前異常、同震響應與潮汐響應特征具有一定的差異性，同一口井不同深度段上觀測到的同震響應與潮汐響應的特征差異也較明顯。

Rosaev和Esipko[8]在分析俄羅斯Vorotilovo深井(深5 374 m)的觀測資料時，觀察到明顯的水溫潮汐現(xiàn)象，提出分層的概念，即每一含水層都有自身的潮汐響應效能，針對不同層位有不同反映；李悅等[9]基于寶坻新井21個層位水溫進行測量(每個測點至少有24 h穩(wěn)定的觀測數(shù)據(jù))，通過對不同深度水溫變化特征及其原因的分析，認為井孔中水溫不同深度起主導作用的因素也不同，使井水溫度在不同深度表現(xiàn)出不同的變化特征；張子廣等[10]通過分析昌黎井水溫潮汐特征產(chǎn)生的可能原因及與水位動態(tài)進行對比研究，認為井水溫潮汐現(xiàn)象在井管內(nèi)任何深度不一定都有反映；劉冬英等[11]基于紅雁池新11井100～510 m(每周下放10 m)梯度測量結(jié)果，結(jié)合梯度-深度關(guān)系與穩(wěn)定性-深度關(guān)系分析，認為對于水溫觀測部位，不能簡單地根據(jù)梯度變化或短期穩(wěn)定性來選擇，要綜合考慮梯度變化、短期穩(wěn)定性及圍巖特性、地下水的活動性來確定。

靜樂井是山西北部乃至華北地區(qū)映震效能好、適合地震前兆觀測的一口觀測井，前人已對其進行一定的研究[12-18]，從研究結(jié)果看，大多是基于水位的，對水溫的研究甚少，現(xiàn)對水溫觀測資料進行全面評估。Anhua He等[19]、張光順等[20]通過2007和2014年分別在50 m和10 m深度間隔進行的水溫梯度測量結(jié)果(每個點測量大約30 min，取最后5 min水溫的平均值作為該點的觀測值)，結(jié)合當?shù)厮牡刭|(zhì)資料、鉆孔巖性、含水層分布等進行分析，最終提出地下水庫模型，以此來解釋靜樂井水位同震響應幅度達1.75 m時水溫保持不變的原因。

靜樂井在開展水溫觀測前，主要根據(jù)《地震地下流體觀測方法井水和泉水溫度觀測》(以下簡稱《觀測方法》)進行水溫梯度測試，以此作為選擇合適層位開展水溫觀測的重要依據(jù)，這種方法得到的是水溫各個層位較短時間內(nèi)大致穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，不能得到該層水溫具體的變化形態(tài)，有一定的局限性。該文通過對靜樂井不同深度水溫進行超過24 h的精密測量，得到不同深度水溫日變化動態(tài)特征。研究成果可用來完善水溫梯度基礎(chǔ)資料，彌補目前不同深度水溫日變形態(tài)研究的空白；同時，結(jié)合井區(qū)水文地質(zhì)圖及井孔柱狀圖分析其可能的影響因素，為日常的異常核實提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為確定探頭最佳投放深度提供參考。

1 觀測井概況

靜樂井位于山西省靜樂縣娘子神鄉(xiāng)偏梁村東碾河南岸的耕地內(nèi)，距河流直線距離70 m左右。井區(qū)地質(zhì)構(gòu)造上屬寧武-靜樂復式向斜的東翼中南段，區(qū)內(nèi)以單斜構(gòu)造為主，巖層走向NNW，傾向SSW，傾角30°左右。井深362.92 m，套管下放到54.2 m，以下為裸孔。主要發(fā)育有下古生界灰?guī)r、白云巖喀斯特含水層及第四系沖洪積砂礫石含水層，兩個含水層間有較強的水力聯(lián)系。第四系沖積砂礫石層厚0～46.30 m。含水層的觀測段為120.26～362.92 m，含水層巖石為奧陶系(O2)馬家溝灰?guī)r、硅質(zhì)灰?guī)r、上寒武統(tǒng)泥質(zhì)灰?guī)r，在229.81～245.95 m、258.28～288.76 m處可見斷層破碎帶，溶洞發(fā)育，地下水由北西向東南排泄。鉆孔位于強徑流區(qū)，地下水補給主要來源于南北山區(qū)基巖裸露區(qū)的大氣降水及沿東碾河斷裂帶滲入破碎帶的地下水。

該井自1982年4月開始水位動態(tài)觀測，2007年數(shù)字化改造時開展高精度水溫觀測，使用儀器為SZW-1A型水溫儀，傳感器投放深度353 m，日變平穩(wěn)，無潮汐現(xiàn)象。2019年2月11日探頭故障，臺站人員進行更換，將探頭放置在350 m處，記錄到明顯的潮汐效應，且變化動態(tài)與水位相關(guān)。

2 不同深度水溫觀測及特征分析

2.1 不同深度水溫觀測

靜樂井水溫梯度測試儀器為中國地震局地殼應力研究所生產(chǎn)的 SZW-II型數(shù)字式溫度計，儀器分辨率0.000 1 ℃，絕對精度±0.05 ℃，短期漂移小于0.000 1 ℃/日，采樣率1次/min(保留有12 s一次的高采數(shù)據(jù))。水溫梯度測量深度范圍為20～358 m，根據(jù)《觀測方法》要求，水溫梯度測量至少需20 m的間隔，同時，結(jié)合井孔結(jié)構(gòu)、淺層水溫受外界因素干擾大等因素，水溫測試過程中在20～200 m段按照規(guī)范間隔20 m進行水溫梯度測量；在229 m斷層破碎帶上下(200～300 m段)，采取間隔10 m進行水溫梯度測量；按照Anhua He等[19]提出的靜樂井在300 m以下水文地質(zhì)條件復雜，尤其是331 m、336 m 分別有1.2 m與1.5 m掉鉆，井區(qū)有許多溶洞、地下河流和裂隙，構(gòu)成一個大體積的地下水庫，故在300～358 m段間隔2～5 m不等進行加密測量。每個測點測量時間均超過24 h，以保證獲得完整的日變形態(tài)。取每個測點保持穩(wěn)定后第二天全天的平均值作為該測點的實測值，并計算該天觀測值的日潮差及一階差分標準差，測量結(jié)果符合規(guī)范要求(見表1)，溫度梯度如第18頁圖1所示。

表1 靜樂井各深度水溫變化特征統(tǒng)計表

2.2 特征分析

(1)不同深度水溫變化特征。

圖1顯示，自觀測以來，靜樂井3次水溫梯度測量結(jié)果基本一致，說明觀測可靠、井孔結(jié)構(gòu)也未發(fā)生變化。從溫度梯度與水溫變化曲線來看，可分為三段：60 m以上為正梯度,水溫梯度在3.3～4.1 ℃/hm范圍內(nèi)變化，水溫日變形態(tài)屬無規(guī)律起伏型，日潮差在0.020 3～0.039 6 ℃之間，井水溫的日變化特征不明顯；60～290 m的梯度幾乎為0，水溫梯度在0.07～-0.73 ℃/hm范圍內(nèi)變化，水溫日變形態(tài)存在明顯潮汐變化，日潮差在0.000 3～0.012 4 ℃之間；290 m以下為負梯度，水溫梯度在-2.21～-14.05 ℃/hm范圍內(nèi)變化，尤其345 m、350 m，梯度變化達到最大值，分別為-14.05 ℃/hm、-12.84 ℃/hm，水溫潮汐現(xiàn)象顯著變化，日潮差在0.001～0.016 4 ℃之間。

圖1 水溫梯度及巖性圖

(2)與同井水位動態(tài)對比。

大量研究結(jié)果表明，井水溫變化與同井水位關(guān)系較為密切，因此，探討不同深度水溫特征時，應對兩者的關(guān)系進行對比分析。第19頁圖2為不同深度水溫與水位對比曲線，可以看出，不同深度水溫動態(tài)變化特征差異明顯，與同井觀測水位關(guān)系較為復雜(見第19頁表2)。主要表現(xiàn)為40 m以上水溫日動態(tài)變化無規(guī)律，與水位變化不相關(guān)；60～280 m，除120 m外，其余深度段均存在不同程度潮汐響應，且與水位變化呈正相關(guān)；290～353 m，除320 m外，其余深度段均存在不同程度潮汐響應，與水位變化動態(tài)呈負相關(guān)；356 m以下(即356 m、358 m)，日變形態(tài)無固體潮變化，數(shù)據(jù)變化較穩(wěn)定，基本不受水位影響，或受水位影響小。其中，320 m水溫無潮汐響應，可能與潮汐大小有關(guān)。因320 m處測量時段為小潮日(農(nóng)歷閏四月初七為小潮時段)，同井觀測水位亦無潮汐響應。

圖2 不同深度水溫、水位日變形態(tài)對比圖

表2 不同深度水溫變化動態(tài)統(tǒng)計表

3 影響水溫變化特征主要因素分析

如上所述，靜樂井水溫梯度在不同深度段表現(xiàn)的特征各不相同，因此，對其影響因素進行探討。

從靜樂井井孔柱狀圖來看，0～46.3 m為第四系沖洪積砂礫石覆蓋層，含水層主要補給源來自距觀測井約70 m的東碾河河水補給，水溫受地表水影響較大，地表水在入滲補給過程中受淺層地溫的影響，水溫隨深度呈現(xiàn)上升趨勢，形成正的水溫梯度；在60～290 m的梯度幾乎為0，是由于該段含水層滲透系數(shù)較大，上下含水層水交換迅速，不同深度的水充分混合，上下層位之間的溫度差小，導致此段溫度梯度幾乎為0，甚至為弱負梯度；290 m以下呈明顯負梯度，其原因可能與該深度段有淺層低溫水通過斷層破碎帶混入有關(guān)。另外，根據(jù)290～353 m水溫水位呈負相關(guān)的特點，推測主要受該段水溫負梯度影響，主出水含水層溫度偏低，水溫受橫向水對流影響。當水位上升時，含水層中低溫水流向井筒，水溫下降；當水位下降時，流入井筒中的低溫水再次回流至含水層，水溫升高，造成此段水溫水位呈反向變化的動態(tài)特征。根據(jù)Anhua He等[19]的調(diào)查結(jié)果，靜樂井區(qū)巖溶裂隙發(fā)育率為1.37%，若認為巖溶裂隙和溶洞是封閉良好的，則構(gòu)成了一個大型的地下水庫，356 m、358 m處于水庫底部，水溫變化相對穩(wěn)定。

4 結(jié)論與討論

通過對靜樂井不同深度水溫變化特征的初步研究與探討，可得出如下結(jié)論與認識：

(1)靜樂井不同深度段水溫動態(tài)變化特征不同，40 m以上水溫日變動態(tài)無規(guī)律，與水位變化不相關(guān)；60～280 m存在不同程度潮汐響應，與水位變化呈正相關(guān)；290～353 m存在不同程度潮汐響應，與水位變化動態(tài)呈負相關(guān)；356 m以下日變形態(tài)無固體潮變化，數(shù)據(jù)變化較穩(wěn)定，基本不受水位影響。

(2)影響靜樂井不同深度段水溫梯度差異的主要原因是0～60 m有套管封閉段，水溫梯度主要受地溫影響；60～290 m梯度幾乎為0(弱負梯度)，主要為井筒內(nèi)水流上下劇烈交換導致；290 m以下水溫呈負梯度，與斷層破碎帶通過，低溫水混入有關(guān)。

(3)靜樂井不同深度段水溫日變形態(tài)不同，290～353 m段所測層位均存在一定程度的潮汐響應，且與水位日變動態(tài)呈負相關(guān)，水溫變化動態(tài)主要受水溫梯度的影響；356 m、358 m可能位于地下水庫底部，水溫變化較穩(wěn)定。

(4)對60～290 m水溫梯度幾乎為0的深度段，水溫、水位日變動態(tài)呈高度正相關(guān)的現(xiàn)象，目前還無法用相關(guān)理論進行解釋，仍需進一步深入研究其形成機理。