克什克騰井水溫微動態(tài)特征及其機理

齊彬彬，黃瑞濱，郭延杰，于章棣

（赤峰地震監(jiān)測中心站, 內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

0 引言

地震地下流體觀測在地震監(jiān)測預(yù)報中發(fā)揮著重要作用，特別是在短臨預(yù)報中往往起決定性作用[1-2]。水溫作為地震地下流體重要觀測手段之一，自20世紀80年代開始經(jīng)過多年的發(fā)展，觀測精度逐漸提高，并觀測到越來越多的震前異常、同震響應(yīng)及潮汐效應(yīng)[3-4]。前人對水溫的微動態(tài)特征和形成機制進行了研究，希望能對井水溫變化做出系統(tǒng)解釋。鑒于水溫動態(tài)變化的復(fù)雜性，不同學者提出了多種觀點。魚金子等提出了水動力學機制[5]；車用太等提出熱對流與熱傳導機制[6]；魚金子等提出了水－熱動力學機制的概念[7]；車用太等提出了水-熱動力學機制和地熱動力學機制。水熱動力學機制即水溫變化是由不同溫度水流運動引起的機制，地熱動力學機制即水溫的變化是井水和固體巖石之間的熱傳導及井區(qū)大地熱流作用強度的變化引起的。還有諸如冷水下滲說、氣體逸出說和熱彌散說也同樣揭示了水溫、水位同步變化的機理[3]。

通過了解水文地質(zhì)概況、井孔概況，井內(nèi)水位、水溫觀測等資料，對引起水溫變化的影響因素進行熱動力學機制的解釋，有助于正確識別水溫的微動態(tài)變化和水溫干擾因素，以提高地震監(jiān)測預(yù)報水平。

針對克什克騰井，本文結(jié)合區(qū)域地下水開采、降雨補給、地表水補給、溫度梯度試驗和多年水位水溫觀測等資料，分析水溫動態(tài)的影響因素，并對水溫動態(tài)變化的形成機制進行闡釋。

1 觀測井概況

1.1 區(qū)域水文地質(zhì)

克什克騰地震臺位于內(nèi)蒙古赤峰市西北部，南距赤峰市240 km，北距錫林浩特市140 km。觀測井孔位于內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市克什克騰旗熱水鎮(zhèn)旺泉賓館北面，南山北坡自然泉點附近，高程為1 098 m?？耸部蓑v旗地形、地貌復(fù)雜多樣，地勢西高東低、中沙北草，地處渾善達克和科爾沁兩大沙地的結(jié)合部，融西部草原、南部熔巖臺地和北部丘陵山區(qū)于一體,平均海拔1 100 m，屬中溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫2～4 ℃，無霜期60～150天，年降雨量250～500 mm，多集中在6—8月內(nèi)。

該井所處的熱水塘地熱源屬于山區(qū)開放型基巖隆起帶低溫地熱資源熱水、溫熱水。來自西北部黃崗梁山脈山區(qū)地下水沿斷裂裂隙向下入滲，形成深部循環(huán)水，受地溫加熱后，沿斷裂破碎帶上升進入地熱田熱儲，形成地熱流體。地熱田的形成和分布受NE向燕山中期運動主構(gòu)造和NW向晚期巖漿活動和新構(gòu)造運動產(chǎn)生的次級斷裂構(gòu)造控制和影響。在主、次兩組斷裂構(gòu)造的交匯部位形成基巖構(gòu)造破碎區(qū)域，構(gòu)成地熱流體的有力存儲地段。熱水中心區(qū)為晚近期垂直上升運動產(chǎn)生斷裂構(gòu)造的活動區(qū)域（圖1）。

圖1 熱水鎮(zhèn)附近地質(zhì)構(gòu)造圖

據(jù)物探成果及鉆探揭露地層顯示，F(xiàn)4、F5斷層為通過熱水中心區(qū)的主要控熱導水構(gòu)造，斷層近直立，向深部延伸大于400 m。晚近期構(gòu)造運動產(chǎn)生的NW向次級斷裂在本區(qū)較為發(fā)育，為熱水的主要導水通道。沿斷裂延伸方向推測，其補給源大部分來自黃崗山脈。因NE向F2斷層西南端的西部山區(qū)均出露全風化花崗巖（Y52-2），局部穿插板巖巖脈，巖脈節(jié)理裂隙發(fā)育，傾角近直立，具有良好的深層補給垂直入滲條件，推測補給源來自沿F2正斷層附近出露的全風化花崗巖（Y52-2）山區(qū)[8]。

溫泉的形成是遠古時代內(nèi)蒙古高原隆起和大興安嶺火山噴發(fā)造成地面斷裂，形成花崗巖破碎帶，大氣降水、孔隙水、裂隙水沿斷裂破碎帶滲透、循環(huán)，在地殼深處受熱后，又在導水花崗巖破碎帶中匯集，沿裂隙上升涌至地表形成溫泉。地下熱水賦存于花崗巖體的構(gòu)造裂隙中，出水溫度最高達87 ℃。熱水主要分布在嘎拉達斯汰河北岸山前洪積扇裙上，分布范圍1 km2，動儲量3 017 t/d，熱水穩(wěn)定自流量2 592 t/d，水溫在83 ℃左右。

1.2 井孔資料概況

克什克騰井2011年完成鉆井，2014年正式投入觀測使用，成井深度160 m。井內(nèi)有水溫和水位觀測兩套儀器，觀測初期采用SZW-1AV2004型數(shù)字式溫度計、SWY-II型數(shù)字式水位儀進行觀測，2020年1月SZW-1AV2004型水溫儀器探頭故障，更換為SZW-II型溫度計。水溫觀測探頭安裝在井下155 m處，水位探頭安裝在井下14 m處。

如圖2井孔柱狀圖所示，觀測井鋼套管下至井下50 m，50 m以下為裸孔出水。套管以下有多段破碎帶發(fā)育，破碎帶主要有碎、塊石組成，巖性為花崗巖，粒徑為一般10～30 cm。井下破碎帶位置分別為66.90～81.05 m、84.20～91.15 m、94.40～104.41 m、115.50～119.70 m、144.20～146.90 m，巖芯一般呈碎塊狀或短柱，裂隙發(fā)育，觀測含水層為井下100 m以下破碎帶的溫泉水。

圖2 克什克騰井井孔柱狀圖

1.3 水溫梯度試驗結(jié)果

由于該井水位在井下5 m左右，水溫探頭放置于井下155 m處，所以選擇從井下155 m至15 m，每10 m一個點。從圖3水溫曲線上來看，克什克騰井呈現(xiàn)水溫隨深度增加的現(xiàn)象，淺層水溫曲線無明顯因漏水而產(chǎn)生的陡變，105 m以下水溫隨深度稍有降低，而后基本穩(wěn)定在52 ℃左右，結(jié)合井孔柱狀圖分析認為105 m以下為含水層所在的破碎帶，并且以105 m處層位為主要出水點。從水溫梯度來看，前105 m井深梯度變化劇烈，水溫隨井深度上升迅速下降。其中井下50 m處梯度存在明顯轉(zhuǎn)折，結(jié)合資料分析認為是由于觀測井鋼套管下至井下50 m，而鋼材的熱傳導系數(shù)與井壁圍巖的熱傳導系數(shù)相差較大，使得溫度衰減速率不同。井下105～135 m處梯度呈現(xiàn)負值，推測是由于105 m附近有大量熱水流不斷補給，而其他位置與周邊水利交互作用相對較弱，熱量以擴散為主，因此溫度低于105 m處，進而呈現(xiàn)出熱量從105 m處同時向上和向下擴散的曲線形態(tài)。總的來說，克什克騰井井下105 m處為主要出水點，未發(fā)現(xiàn)淺層存在明顯的漏水點。

圖3 克什克騰井溫度分布及溫度梯度

2 水溫微動態(tài)特征分析

2.1 水溫、水位動態(tài)變化特征

從圖4中可知，克旗井2016年1月至2021年3月水溫觀測數(shù)據(jù)在52.559 4～52.863 9 ℃范圍內(nèi)變化，水溫呈逐年下降的趨勢。在年變形態(tài)上，1—6月表現(xiàn)為下降，6月出現(xiàn)趨勢性轉(zhuǎn)折，7—12月表現(xiàn)為上升，年變化幅度約為0.1 ℃，水溫觀測數(shù)據(jù)總體表現(xiàn)為夏季水溫低、冬季水溫高的特點。

圖4 克什克騰井水位、水溫及降雨量對比曲線

在觀測時段內(nèi)，該井水溫自觀測以來，一直呈現(xiàn)下降趨勢。對于水溫漂移型的成因一般認為：①大地熱流的微弱變化引起；②巖土應(yīng)力場緩慢線性變化，導致孔隙水變化，引起溫度變化；③儀器“零漂”變化。克什克騰井水溫年變幅度大概下降0.08 ℃/a，意味著如果這是真實年變，600年前水溫為100 ℃，700年后水溫降到0 ℃，顯然這是不可能的。目前根據(jù)全國水溫抽查資料，在調(diào)查的40多口井中，水溫有趨勢性變化的有26口，其中趨勢上升的占61.5 %，趨勢下降的占39.5 %[9]。通過對該井水位和水溫的變化曲線對比，該井水溫趨勢下降，可能是觀測儀器存在“零飄”導致。

克什克騰井水位數(shù)據(jù)年動態(tài)特征表現(xiàn)為夏季下降，冬季上升。每年3月左右開始下降，8月中旬達到水位年最低值，然后逐漸回升至翌年3月。年變化幅度約為3 m?？耸部蓑v井水位變化主要受到溫泉療養(yǎng)區(qū)內(nèi)同層水位超采所致，夏季進入旅游旺季，抽水量增多，水位下降；冬季用水量減少，水位上升。

通過觀察多年觀測資料發(fā)現(xiàn)，水溫、水位的動態(tài)變化對應(yīng)關(guān)系并不明顯。選取2016—2021年水位、水溫數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析，計算得到相關(guān)系數(shù)為0.419 149，說明二者在年動態(tài)變化規(guī)律相關(guān)性不顯著。

克什克騰井位于克什克騰旗熱水塘鎮(zhèn)，該地地熱資源豐富，屬于溫泉旅游區(qū)，旅游區(qū)內(nèi)每日7時、11時、17時定時抽取地下水，用于溫泉療養(yǎng)。觀察水溫水位短期對比圖5，可觀察到水位日變波形呈鋸齒形，水位的日變幅度達到0.5 m，而水溫日變幅只有0.015 ℃左右，水溫的動態(tài)情況并沒有出現(xiàn)明顯的日變化，水溫水位也在日變化內(nèi)沒有明顯的對應(yīng)關(guān)系。選取3月1—15日水位、水溫數(shù)據(jù)做相關(guān)性分析，計算的得到相關(guān)系數(shù)僅為0.089 186，從上述分析可以說明，水位的變化對水溫動態(tài)的影響不大。

結(jié)合當?shù)貧庀髷?shù)據(jù)（圖4c），該地區(qū)降雨主要集中在5—8月，6、7月降雨量最多，降雨量大約在300～400 mm。水位在降雨期間依然表現(xiàn)為下降，并未出現(xiàn)因降雨而出現(xiàn)明顯水位上升情況，可能是降雨因素引起的水位變化湮沒在抽水干擾動態(tài)中；而水溫的動態(tài)表現(xiàn)為1—6月下降、7—12月上升，水溫的動態(tài)特征與降雨也不存在明顯的同步對應(yīng)關(guān)系。經(jīng)過上述幾個因素的分析，克什克騰井的水溫并無對應(yīng)規(guī)律可循，無法說明水溫微動態(tài)的原因。

3 熱動力學機制分析

在井-含水層熱系統(tǒng)體系下，存在2個溫度梯度。第一個梯度是指在地溫梯度的存在和熱傳導作用的影響下，在垂直方向存在水溫隨著深度增加而變化的梯度，一般情況下水溫隨著深度增加而上升；第二個梯度是指在井筒到含水層水平方向上存在水溫梯度。其中，垂直方向的溫度梯度對水溫梯度起到?jīng)Q定性作用[10]。

對于克什克騰井在同層水位超采情況下，井筒內(nèi)水流向含水層，水位下降，上部溫度低的井水流入含水層；抽水停止，含水層內(nèi)熱水流入井筒，水位上升。井筒內(nèi)井水的垂直向運動引起井筒內(nèi)的熱對流，但是由于探頭位置較深，處于含水層以下較深的位置，含水層以下水的交互作用較小，溫度只能通過熱傳導的方式向探頭方向傳遞熱量。在頻繁的抽水停止活動中，向下方向熱量的傳導受阻。首先，通過溫度梯度實驗證實在探頭附近溫度梯度較小，溫度比較穩(wěn)定；其次，水位、水溫對比圖（圖5）也能證實，水位的變化對水溫影響較小。故井筒內(nèi)水的垂直向運動對水溫的干擾極其微小，所以該井水溫的動態(tài)與水熱運動機制關(guān)系不明顯。

圖5 2021年3月1 —15日克什克騰井水位、水溫短期對比曲線

影響水溫動態(tài)機制有水熱動力學和地熱動力學。一般情況，大地熱流值和區(qū)域熱場是長期穩(wěn)定的[3,6]，那么影響水溫動態(tài)的因素普遍認為是降雨補給和水熱動力學機制[10]。

上述分析已經(jīng)證實，克旗井水溫的動態(tài)與水熱運動機制關(guān)系不顯著，那么降雨補給極有可能是影響水溫微動態(tài)的影響因素，但不同于典型的降雨補給因素影響動態(tài)變化，例如通遼井、九江井、大興黃村井、金沙江水網(wǎng)觀測井、首都圈地區(qū)觀測井等[11-15]。一般情況下，水溫下降出現(xiàn)在3—9月，9月至次年3月水溫上升，對應(yīng)溫度下降時段內(nèi)，降雨開始增多。但是克旗井出現(xiàn)了較為特殊的年動態(tài)特征，出現(xiàn)了水溫動態(tài)變化與降雨時間不同步，其水溫動態(tài)特征表現(xiàn)為1—6月下降、7—12月上升，按照降雨入滲補給的影響解釋不通。通過研究典型大氣降雨入滲補給案例發(fā)現(xiàn)，在觀測含水層埋深較淺觀測井中的水溫動態(tài)普遍受大氣降水入滲補給的影響，這些觀測井一般位于垂直裂隙比較發(fā)育、地下水補給區(qū)與觀測井間的距離較近的區(qū)域。

根據(jù)克什克騰地區(qū)物探成果及鉆探揭露地層顯示，由補給區(qū)、排泄點地下水及雨水同位素計算得到補給區(qū)海拔高度為：H=1 164 m。據(jù)此推測，熱水補給源來自基巖山區(qū)或海拔較高地帶的大氣降水入滲。由補給區(qū)及排泄點同位素計算的地下熱水在含水層停留時間為：北側(cè)補給區(qū)59.49年，西側(cè)補給區(qū)為32.07年。當采用經(jīng)驗估算法時，根據(jù)國際原子能委員會同位素水文組建議，本區(qū)地下熱水在含水層停留時間為20年。

根據(jù)圖1顯示的區(qū)域水文地質(zhì)資料和勘探結(jié)果發(fā)現(xiàn)2點不同之處。一是降水補給區(qū)距離觀測井較遠，補給源來自沿F2正斷層附近出露的全風化花崗巖（Y52-2）山區(qū)；二是地下熱水在含水層停留時間較長。在大氣降雨干擾情況下，不同水文地質(zhì)條件下干擾源作用時段與干擾出現(xiàn)時間一般存在滯后性，隨著觀測井距降雨滲入補給區(qū)距離的增大，滯后時間越來越長[16]。由于該地區(qū)年平均氣溫較低，夏季降雨溫度相對地熱溫泉較低，低溫降水由較遠的補給區(qū)進入含水層，低溫水會導致含水層的水溫降低，或者較冷的降雨滲入有可能引起含水層附近區(qū)域巖土溫度下降，并向含水層附近區(qū)域擴散，引起井筒含水層附近溫度的下降。由于上述原因，所以較冷降雨滲入影響水溫動態(tài)的時間有可能滯后，并解釋了水溫動態(tài)與降雨補給因素的滯后性和時間不統(tǒng)一的問題。

根據(jù)上述研究，克什克騰井水溫特殊的動態(tài)特征可以采用降雨補給的滯后影響和地熱動力學解釋較為合理，即降雨補給引起含水層和含水層附近固體巖石的溫度下降，較遠的降水補給區(qū)和較長的熱水在含水層的停留時間引起了水溫動態(tài)與降雨補給因素不同步。

4 結(jié)論

通過對克什克騰井水溫動態(tài)特征進行分析，得出以下結(jié)論。

1）用降雨補給的滯后影響和地熱動力學 可以解釋克旗水溫形成的動態(tài)特征，即降雨補給引起含水層和含水層附近固體巖石的溫度下降，較遠的降水補給區(qū)和較長的熱水在含水層的停留時間引起了水溫動態(tài)與降雨補給因素的不同步。

2）對于克什克騰井在同層水位超采情況下，通過溫度梯度實驗證實在探頭附近水溫溫度梯度較小，溫度比較穩(wěn)定；通過水位、水溫變化對比，并計算相關(guān)系數(shù)，發(fā)現(xiàn)水位的變化對水溫變化影響較小。故井筒內(nèi)水的垂直向運動對水溫的干擾很小，所以該井水溫的動態(tài)與水熱運動機制關(guān)系不明顯。

3）通過對該井水位和水溫的變化曲線對比，該井水溫趨勢下降，可能是觀測儀器存在“零飄”導致。