新04井水溫梯度觀測(cè)試驗(yàn)及其結(jié)果分析①

顏 龍, 王 斌, 梁 卉, 李 娜, 雷 晴

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011)

地震的孕育和發(fā)生是一個(gè)地殼動(dòng)力學(xué)過(guò)程，同時(shí)，也是一個(gè)地球內(nèi)部物質(zhì)、能量、信息的遷移和交換的過(guò)程[1-2]。其中，必然引起巖石變形和地下流體的物理化學(xué)動(dòng)態(tài)變化，由于熱效應(yīng)與地?zé)岬脑俜峙?，亦可造成水溫等地?zé)嵋蜃拥母淖僛3]。隨著高精度石英溫度計(jì)在20世紀(jì)80年代末研制成功，地震地下流體井水溫動(dòng)態(tài)觀測(cè)在中國(guó)得到廣泛推廣應(yīng)用，目前已有400多口觀測(cè)井進(jìn)行井水溫動(dòng)態(tài)觀測(cè)并取得了良好的效果，是地下流體學(xué)科重要的觀測(cè)項(xiàng)目之一。

水溫梯度是水動(dòng)力學(xué)和熱動(dòng)力學(xué)綜合影響的結(jié)果[4-6]。對(duì)觀測(cè)井水溫進(jìn)行梯度測(cè)試可以很好地了解井孔所處區(qū)域補(bǔ)給水源溫度特性和含水層連通情況，是分析水位水溫觀測(cè)資料必不可少的參考依據(jù)。車用太等根據(jù)精細(xì)測(cè)量的水溫梯度實(shí)驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為水溫微動(dòng)態(tài)的特征與震前異常特征很大程度上取決于水溫傳感器所放置的深度的溫度梯度特征[7]。汪成國(guó)等通過(guò)在同一井孔不同深度放置水溫傳感器記錄到不同的觀測(cè)曲線形態(tài)，認(rèn)為水溫探頭放置的深度對(duì)井水溫觀測(cè)結(jié)果有明顯的影響[8]。閆瑋等利用水溫梯度實(shí)驗(yàn)得到了井孔的水溫穩(wěn)定參數(shù)方程，很好地應(yīng)用于水溫水位發(fā)生較大變化時(shí)分析其異常來(lái)源追溯[9]。

新04井自1989年開始井水溫動(dòng)態(tài)觀測(cè)，是中國(guó)較早實(shí)施水溫連續(xù)觀測(cè)的測(cè)點(diǎn)，為新疆區(qū)域地震預(yù)報(bào)提供了大量前兆數(shù)據(jù)和震例信息。但由于井孔溫度梯度相關(guān)信息不完整，造成對(duì)該井出現(xiàn)異常時(shí)的判定上存在較大不確定性。2020年6月，對(duì)新04井水溫梯度做了精細(xì)測(cè)量試驗(yàn)，收集了該井井孔的基礎(chǔ)資料，并結(jié)合該井深層水溫的長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)部分現(xiàn)象予以分析討論。

1 新04井概況

新04井位于烏魯木齊市水磨溝療養(yǎng)院內(nèi)，井孔海拔高程821 m，地質(zhì)構(gòu)造上處于烏魯木齊山前拗陷帶水磨溝背斜北翼，北東向延伸的水磨溝—白楊溝斷裂為該區(qū)域的主干斷裂，與一條近南北向分支斷裂于溫泉區(qū)形成交匯(圖1)。該井于1975年6月成井，完井深度145.48 m，直徑203 mm套管下放至60.54 m，以下為150 mm裸孔，井孔穿過(guò)破碎帶。該井上部為第四系碎石、礫石和砂土，下部為二疊系頁(yè)巖、油頁(yè)巖夾薄層砂巖，井水礦化度1.66 g·L-1, pH值為8.3(1990年數(shù)據(jù))。該井水位于1977年開始觀測(cè)，水溫于1989年開始觀測(cè)，多年的觀測(cè)資料表明，新04井水位水溫對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)震的同震響應(yīng)和震后效應(yīng)具有顯著反應(yīng)[10-11]，同時(shí)對(duì)烏魯木齊周邊的地震具有較好的映震效能[12]。

圖1 新04井井點(diǎn)位置和井區(qū)地質(zhì)構(gòu)造圖Fig.1 Location of Xin 04 Well and Geological Structure of Well Area

2 水溫梯度測(cè)試與結(jié)果

新04井水溫梯度測(cè)試于2020年6月16日11點(diǎn)開始進(jìn)行，依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)新04井水溫從水面以下10 m開始測(cè)量至井底，測(cè)量間距為10 m，每個(gè)深度固定測(cè)試時(shí)間30 min，取穩(wěn)定后的數(shù)據(jù)均值為該點(diǎn)溫度，使用的儀器為SZW-Ⅱ型數(shù)字水溫儀，水溫傳感器的分辨率為0.000 1 ℃，觀測(cè)精度優(yōu)于0.01 ℃，數(shù)據(jù)采樣率為0.1 Hz。水溫梯度測(cè)試之前，首先對(duì)新04井的水位埋深進(jìn)行校測(cè)并對(duì)井孔中淺層水進(jìn)行取樣，測(cè)得水位埋深3.6 m，觀測(cè)室室溫25.3 ℃，淺層水樣水溫14.4 ℃，pH值8.87，水樣取回后實(shí)驗(yàn)室測(cè)得其礦化度為2.36 g·L-1。

水溫梯度測(cè)量結(jié)果見圖2，新04井水溫測(cè)量由水面至井孔底部，測(cè)試過(guò)程中，當(dāng)探頭下放至98.0 m處感受到明顯的阻滯感，該段位置探頭雖然可以繼續(xù)下沉，但下降阻力逐漸增加。再向上拉回探頭時(shí)，初段拉拽較為費(fèi)力，經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試確定，水溫探頭在98.3 m到達(dá)井孔底部，98.3 m以下部位的井孔被淤泥堵塞，探頭無(wú)法繼續(xù)下放(圖2c)。本次測(cè)試井孔內(nèi)的水溫變化范圍為14.311 5 ℃～19.755 0 ℃，水溫梯度變化范圍為(0.001 6～0.126 1) ℃·m-1，均為正梯度(圖2b)，水溫梯度在井孔43.6 m以上部位的變化范圍表現(xiàn)出復(fù)雜的變化特征，分別在23.6 m和43.6 m處兩次出現(xiàn)大幅度轉(zhuǎn)折變化，43.6 m以下水溫梯度逐漸減小，底部位置水溫梯度為0.02 ℃·m-1。

圖2 新04井水溫梯度測(cè)量結(jié)果及井孔柱狀圖(a) 溫度/℃ (b) 溫度梯度/℃·m-1 (c) 井孔柱狀圖 Fig.2 Water temperature gradient measurement results and borehole structure of Xin 04 well

3 分析與討論

根據(jù)汪成民等的研究結(jié)果，水磨溝—白楊溝斷裂南北兩盤透水性能差異明顯[13]，新04井處構(gòu)造位于斷裂南盤上，該處二疊系妖魔山組油頁(yè)巖、砂巖掩伏于北盤下侏羅系八道灣組砂泥巖及煤系地層之上，而北盤的通水性微弱的地層沿?cái)嗔褬?gòu)成地下徑流阻隔，造成南盤上淺層基巖裂隙水向上運(yùn)移與深循環(huán)地下熱水在此處混合出露，而新04井水溫梯度在23.6～43.6 m處出現(xiàn)2次大幅轉(zhuǎn)折，明顯不同于正常的地溫梯度(0.02～0.03) ℃/m的變化范圍，恰好說(shuō)明新04井處于地?zé)岙惓^(qū)，井孔外至少存在2個(gè)以上不同深度的含水層流經(jīng)該段，通過(guò)熱傳導(dǎo)至套管從而影響井孔內(nèi)水溫變化。

從水溫梯度測(cè)試試驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看，新04井井孔98.3 m以下部位已被淤泥完全填充，嚴(yán)重影響到底部含水層和井孔內(nèi)水體的正常交換，并且該井的深層水溫探頭剛好布設(shè)在井孔 100 m 處，由此得知，該水溫探頭已被淹沒于淤泥中，使得大量水溫有效信息無(wú)法獲取。為了剔除在地震預(yù)報(bào)過(guò)程中這些無(wú)效信息，分析造成井孔內(nèi)淤泥淤積的可能原因和淤泥埋沒水溫探頭從何時(shí)開始就變得十分必要。

經(jīng)過(guò)梳理，從統(tǒng)計(jì)的2000年以來(lái)新04井深層水溫對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)震的同震響應(yīng)(表1)可知，這期間共記錄到9次同震響應(yīng)，而在2008年5月12日汶川MS8.0地震之后再?zèng)]有記錄到同震響應(yīng)，對(duì)包括2011年3月11日日本MS9.0地震，或同一地點(diǎn)發(fā)生的強(qiáng)震如2012年4月11日印尼蘇門答臘MS8.6地震、2014年2月12日新疆于田MS7.3地震皆未記錄到水溫同震響應(yīng)。從表1中可以看出汶川MS8.0地震的同震響應(yīng)類型明顯不同于其余地震，由圖3可以看出，在這次地震發(fā)生后，深層水溫先是上升0.011 2 ℃，之后逐漸下降，但并未恢復(fù)到原有背景值，而是經(jīng)過(guò)一個(gè)月的下降調(diào)整后，在一個(gè)新的背景水平上變化，下降幅度達(dá)0.312 ℃，遠(yuǎn)大于同震響應(yīng)的變化幅度，震后效應(yīng)顯著。

表1 新04井深層水溫同震響應(yīng)統(tǒng)計(jì)表(2000～2020年)

圖3 2008年新04井深層水溫觀測(cè)曲線圖Fig.3 Deep water temperature observation curve of Xin 04 well in 2008

根據(jù)楊竹轉(zhuǎn)等對(duì)新04井的研究，該井水溫對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)震的響應(yīng)形態(tài)總是表現(xiàn)為上升變化，水位的同震變化既有上升型也有下降型，由此可知水溫傳感器附近存在一個(gè)熱水含水層[14-15]。新04井井孔穿過(guò)破碎帶夾帶較多泥質(zhì)砂巖和夾層薄砂巖砂、泥巖，裂隙節(jié)理發(fā)育,具備水溫同震上升的地質(zhì)背景條件，當(dāng)井孔受遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)震振蕩激發(fā)后，該熱含水層所處裂隙總是處于擠壓狀態(tài)，在水位達(dá)到平衡狀態(tài)后，熱水停止向井內(nèi)補(bǔ)給，水溫恢復(fù)原有背景值。該熱含水層向井孔內(nèi)排泄熱水時(shí)，可能也帶入較多淤泥雜質(zhì)逐漸沉積在井孔底部，恰好在2008年汶川MS8.0地震發(fā)生之后淤泥淤積到達(dá)探頭位置，導(dǎo)致新04井深層水溫在該地震之后再?zèng)]有記錄到同震響應(yīng)，此后該水溫探頭附近井孔-含水層之間的水體再也無(wú)法正常交換。

另外，新04井自成井至今已有55年有余，從未進(jìn)行過(guò)洗井和抽水，而該井的水體礦化度一直較高，水體中還常伴有少量絮狀物，從本次測(cè)出的水樣礦化度和之前的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)井水礦化度已由1.66 g·L-1(1990年數(shù)據(jù))增長(zhǎng)到2.36 g·L-1，由此推斷井孔內(nèi)造成水體礦化度上升，可能也是淤泥持續(xù)淤積的影響因素之一。

4 結(jié)論

通過(guò)新04井水溫梯度觀測(cè)試驗(yàn)得到了該井現(xiàn)有水溫梯度結(jié)果，并結(jié)合該井所處水文地質(zhì)構(gòu)造和深層水溫同震響應(yīng)特征等資料進(jìn)行分析，得到幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)。

(1) 新04井井水溫度隨深度增加而上升，屬于正梯度，但水溫變化的線性度較差，井孔所處區(qū)域的特殊地質(zhì)構(gòu)造使得該井受多個(gè)含水層的影響，是導(dǎo)致水溫梯度轉(zhuǎn)折較多并表現(xiàn)出復(fù)雜變化特征的主要原因。

(2) 本次水溫梯度試驗(yàn)僅做到該井98.3 m處，之后由于井孔內(nèi)淤泥沉積，探頭便無(wú)法下放，判斷用于日常觀測(cè)水溫探頭埋深在井孔100 m處，已淹沒在淤泥之中。結(jié)合該井深層水溫同震響應(yīng)特征和水樣的礦化度結(jié)果，認(rèn)為新04井水溫探頭附近存在一熱含水層，由于每次遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)震振蕩激發(fā)后，該熱含水層所處裂隙總是處于擠壓狀態(tài)，使其向井孔內(nèi)排泄熱水的同時(shí)，也不斷向井內(nèi)帶入較多淤泥和雜質(zhì)沉積在井孔底部，造成井孔內(nèi)淤泥淤積；另外，井孔內(nèi)水體固體雜質(zhì)的沉積也是造成淤泥持續(xù)淤積的影響因素之一。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)該井今后資料分析時(shí)剔除無(wú)效信息提供了有效參考。

(3) 鑒于新04井深層水溫探頭已埋入淤泥，井孔有效深度由145.48 m減少至98.3 m，井孔-含水層之間的水體的滲流、交換條件已完全不同于成井之初，水位水溫的觀測(cè)都受到了嚴(yán)重影響，導(dǎo)致大量有效前兆信息無(wú)法獲取，建議及時(shí)對(duì)該井進(jìn)行井孔清洗工作，并在清洗完畢后再次進(jìn)行水溫梯度測(cè)試。