金沙江水网各观测井温度梯度的精细测量结果及其分析

车用太 何案华 鱼金子 刘成龙 李万明

1)中国地震局地质研究所，北京 100029

2)中国地震局地壳应力研究所，北京 100085

3)中国地震局工程力学研究所，哈尔滨 150080

金沙江水网各观测井温度梯度的精细测量结果及其分析

车用太1)何案华2)鱼金子1)刘成龙1)李万明3)

1)中国地震局地质研究所，北京 100029

2)中国地震局地壳应力研究所，北京 100085

3)中国地震局工程力学研究所，哈尔滨 150080

在金沙江水网的6口观测井进行了温度及其梯度的精细测量。测量结果表明:太阳辐射热的影响深度为50～125m;不同井的平均水温梯度不等，最小者仅0.11℃/hm，最大者可达2.81℃/hm，一般为1～2℃/hm;同一口井的不同深度段上温度梯度变化较大，地层岩性及其完整性，尤其是高角度的断层破碎带，对各井受太阳辐射热的影响深度与温度梯度的影响是主要的;水温微动态的特征如同震效应、潮汐效应与震前异常特征等，在相当程度上可能取决于水温传感器放置的深度段的温度梯度特征。

温度 温度梯度 观测井 金沙江水网

0 引言

金沙江下游梯级水电站水库地震地下水动态监测网(下简称金沙江水网)由6口观测井组成，布设在中国西南川滇边界的金沙江向家坝水电站与溪洛渡水电站的两个库区诱发地震危险区内(李万明等，2011)。各观测井上均观测水位与水温两个地下水前兆主测项。该网于2010年7月下旬安装仪器设备，8月开始运行。

该水网各井的水温仪器(传感器)安装时，对各井的水温梯度作了精细的测量，获取了很有意义的资料，特别是在太阳辐射热的影响深度、不同大地构造区的地热差异，观测井中有水段与无水段的温度梯度，同一口井有水段水温梯度的差异性等方面均取得了新的科学认识。这些认识，为井水温度微动态特征及其成因机制的理解，提供了重要的科学依据。

1 温度梯度的测量

金沙江水网的温度梯度测量是在6口观测井中进行的，各井的分布如李万明等(2011)中图1所示。

温度梯度测量是利用DRSW-1型高精度水温水位综合观测仪进行的。该仪器的水温分辨力为0.000,1℃，仪器的短期稳定性为0.000,1℃/d;采样率为1cpm。

井中温度测量多从井口以下25m深度处开始，一般每25m深度测一个值，每次测量时间一般＞10min，到深部大多测量0～60min，取10～60个测值的平均值作为该深度的温度值。由此可见，温度测量的精度与测点的间距等方面都是精细的。

有些井的水位埋深超过200m。在这些井中测量了相当深度的井中大气段(无水段)的温度梯度及井水面下有水段的温度梯度，前者实为具有巨厚包气带的特殊水文地质地区包气带的地温梯度。

2 各井地质与温度梯度的测量结果

2.1 柑子(GZ)井

柑子井位于四川省雷波县柑子乡鸡心村向家坝库区范围内，井点海拔高程为395m。井区位于金沙江左岸支流——柑子坪河的右岸斜坡上，井区主要发育上三叠统须家河组(T3xj)紫红色泥岩与砂岩。

该井完钻深度为153.05m，下设Φ127mm套管至100.71m，以下为祼孔。井孔围岩较为完整，岩心采取率＞60%。该井地质基本特征及温度测量结果如图1所示。测量温度梯度时，水位埋深为7.2m，井房内温度为30℃左右。梯度测量后，温度传感器放置在井口以下134.4m深度处。

图1 柑子井地质与水温梯度图Fig.1 Geologic profile and temperature gradient of Ganziwell.

该井中温度共测6个深度点，取得5个井段的梯度值，如表1所示。由表1可见，该井中太阳辐射热的影响深度(负梯度井段)为约100m，该深度虽为均负梯度，但负梯度值逐段变小，说明太阳辐射热的影响随深度逐渐变小;100m深度以下变为正梯度，但梯度值很小，为0.064～0.236,2℃/hm，平均0.111 0℃/hm，远小于全球地壳的地温平均梯度值(3℃/hm)，尚未见梯度如此小的资料(滕吉文，2003)。

2.2 团结1(T1)井水温梯度

团结1井位于云南省永善县团结乡田坝村向家坝库区范围内，井点海拔高程为384m。井区位于金沙江右岸支流——长坪河右岸Ⅰ级阶地上，井区主要发育上三叠统须家河组(T3xj)紫红色与灰绿色泥岩与砂岩，岩层平缓;井点距该区著名的翼子坝断裂(马边-盐津断裂带中段)仅200m，位于断裂东侧下降盘上。

该井完钻深度为152.27m，下设Φ127mm套管至100.09m，以下为祼孔。井孔围岩完整性差，岩心采取率多＜60%，特别是井孔底部见断层破碎带，其岩心采取率仅为17%。该井地质基本特征及温度测量结果，如图2所示。测量温度梯度时，水位埋深为16.87m，井房内温度为30℃左右。梯度测量后，温度传感器固定在井口下115m深度处。

图2 团结1井地质与水温梯度图Fig.2 Geologic profile and temperature gradient of Tuanjie well-1.

该井中温度共测5个深度点，取得4个井段的梯度值，如表2所示。由表2可见，该井中水温受太阳辐射热的影响深度为约75m;75m深度以下为正梯度，梯度值为0.744,4～1.218,7℃/hm，平均值为0.922,37℃/hm，也较全球地壳平均梯度值小很多。

2.3 团结2(T2)井水温梯度

团结2井位于云南省永善县团结乡大毛滩村向家坝库区范围内，井点海拔高程为406m。井区位于金沙江右岸支流——长坪河左岸Ⅱ级阶地上，井区主要发育下二叠统深灰色灰岩，岩层比较陡倾;井孔在88.0～115.0m深度段上揭露出翼子坝断裂破碎带，岩性十分破碎，呈砂状，该断裂走向近SN，倾向西，倾角60°～80°。

该井完钻深度为155.10m，下设Φ127mm套管至100.75m，以下下设Φ127mm滤水管。井孔围岩的完整性较差，岩心采取率多≤60%，断层破碎带上为29%。该井的地质特征及温度测量结果，如图3所示。测温时井水位埋深为16.50m，井房内温度为32℃。梯度测量后，温度传感器固定在井口以下150m深度处。

该井中温度共测5个深度点，取得4个井段的梯度值，如表3所示。由表3可见，该井中太阳辐射的影响深度达125m，而且井下75～100m深度段上较50～75m井段其影响还要明显，这些异常表现可能与井区发育高角度断裂，且在井点附近出露等特殊的水文地质条件有关;125m深度以下，水温梯度为2.810,8℃/hm，与全球地壳的平均梯度接近。

2.4 千万贯(QW)井温度梯度

千万贯井位于四川省雷波县千万贯乡石板溪村溪洛渡库区范围内，井点海拔高程为629m。井区位于金沙江左岸斜坡上，主要发育下奥陶统(O1)灰岩，岩层平缓，但裂隙较发育;井点以西约1km处，发育小型断裂，横穿金沙江。

该井完钻深度为304.06m，下设Φ127mm套管至194.24m，以下为祼孔。井孔围岩较完整，岩心采取率一般为60%～70%。该井的地质特征及温度测量结果如图4所示。测温时井水位埋深为219.0m，井房内温度为30℃左右。梯度测量后，温度传感器固定在井口以下290.0m深度处。

图3 团结2井地质与水温梯度图Fig.3 Geologic profile and temperature gradient of Tuanjie well2.

图4 千万贯井地质与温度梯度图Fig.4 Geologic profile and temperature gradient of Qianwanguan well.

该井中温度共测8个深度点，取得7个井段的梯度值，如表4所示。其中，4个测点3个井段是在井中空气中测得的数值，另4个测点3个井段是井水中测得的数值。由表4可见，该井中温度受太阳辐射热的影响深度为约100m;100～200m间的3个测点是空气中值，此段温度梯度为0.556,8～1.435,2℃/hm，平均值为+0.994,2℃/hm;225～290m间的4个测点是水中值，此段温度梯度为1.611,6～2.058,0℃/hm，平均为1.820,2℃/hm;无论是井水面以上还是井水面以下，梯度均小于地壳平均梯度。

2.5 务基1(W1)井温度梯度

务基1井位于云南省永善县务基乡青龙村溪洛渡库区内，井点海拔高程为746m。井区位于金沙江右岸斜坡上，井区主要发育下奥陶统(O1)灰岩，岩层较平缓。

该井完钻深度为302.12m，下设Φ127mm套管至201.90m，以下为祼孔。井孔围岩总体上较完整，岩心采取率多≥80%，仅局部≤60%。该井的地质特征与温度梯度测量结果如图5所示。测温时，井水位埋深为241.8m，井房内温度为30℃左右。梯度测量后，温度传感器固定在井口以下285m深度处。

图5 务基1井地质与温度梯度图Fig.5 Geologic profile and temperature gradient ofWujiwell-1.

该井中温度共测11个深度点，取得10个井段梯度值，如表5所示。其中8个测点7个井段是井内空气中测得的数值，3个测点2个井段是井水中测得的数值。由表5可见，该井中受太阳辐射热影响的深度＜50m;井中50～225m间无水井段空气中温度梯度为+1.454 8～+4.308,0℃/hm，平均梯度为2.694,6℃/hm，与全球地壳平均梯度相当或稍低;250～285m间有水井段的水温梯度为 0.430～3.016,8℃/hm，平均为1.844℃/hm，比全球地壳平均梯度偏低。

2.6 务基2(W2)井温度梯度

务基2井位于云南省永善县务基乡青龙村溪洛渡库区范围内，井点海拔高程为723m;距W1井约500m。井区位于金沙江右岸斜坡，井区主要发育下奥陶统(O1)灰岩，岩层较平缓。

该井完钻深度为300.11m，下设Φ127mm套管至201.11m，以下为祼孔。井孔围岩完整性好坏不均，岩心采取率多半≤60%，局部仅25%。该井的地质特征与温度梯度测量结果，如图6所示。测温时井水位埋深为217.9m，室温为32℃左右。梯度测量后，温度传感器固定在井口以下264m深度处。

2.3.3 PO2 纳入18篇文献，各研究间存在异质性（P＜0.000 1，I2=79%），采用随机效应模型进行Meta‐分析，见图3。结果显示治疗前后，试验组PO2增加值显著大于对照组，差异有统计学意义［MD=9.75，95%CI（8.27～11.27），P＜0.000 1］。

该井中温度共测10个深度点，取得9个井段梯度值，如表6所示。其中，50～200m间7个测点与6个井段为空气中测得的数值，225～264m间3个测点2个井段为水中测得的数值。由表6可见，该井中受太阳辐射热影响的深度为75m;井中75～200m深度段大气的温度梯度为2.444,4～5.125,2℃/hm，平均梯度为3.318,6℃/hm，较全球地壳平均梯度值高;225～264m井段井水温度梯度为2.243,2～2.560,7℃/hm，平均梯度为2.357 2℃/hm，较全球地壳平均梯度值稍低。

3 温度与梯度特征分析

3.1 浅层温度特征与太阳辐射热的影响深度

图6 务基2井地质与温度梯度图Fig.6 Geologic profile and temperature gradient ofWujiwell-2.

金沙江水网地区6口井中温度受太阳辐射热的影响深度明显偏大。据有关资料，太阳辐射热的影响深度在陆地一般被认为仅10～20m(滕吉文，2003;《地球科学大辞典》编委会，2005)，而金沙江水网区最浅是50m，最深是125m。该区井中温度受太阳辐射的影响深度如此之大，可能与区域的地形地貌条件有关，因地处深山峡谷区，很多深部地层在峡谷内裸露于地表，直接受太阳辐射热的影响。然而，不同井中表现出的影响深度的明显差异，主要与2种因素有关，一是地层岩性，二是断裂构造。影响温度与地层岩性的关系，一般说来，上三叠统须家河组(T3xj)紫红色泥岩与砂岩互层的地区，影响深度为75～100m;下奥陶统(O1)灰岩发育的地区，影响深度为50～75m。断裂构造对太阳辐射热影响温度的反映较为明显的是T2井中，该井揭露出高角度大型断裂破碎带，其中太阳辐射热的影响可深达125m。

太阳辐射热对井水温度的影响深度，有些学者认为与水温观测的精度有关(陈葆仁等，1988)，但在金沙江水网测得的影响深度不是水温观测精度高引起的，因为不同深度上的温差表现在零点几度的量级上，而不是本次测量用仪器的万分之几度的量级上。因此，即使存在高精度温度观测的影响，但这种影响不足以造成上述的影响带深度值。

3.2 水温梯度特征及其影响因素

金沙江水网区6口观测井的水温平均梯度，总体上偏小，最小0.111℃/hm，小得没有先例(滕吉文，2003)，最大2.810,8℃/hm，一般为1～2℃/hm;各井不同深度段上水温梯度变化较大。从区域与地层岩性上分析，上三叠统须家河组(T3xj)紫红色泥岩与砂岩发育地区多不足1℃/hm，有高角度大型断裂发育的T2井，水温梯度可超2℃/hm;下奥陶统(O1)灰岩发育的地区为2～3℃/hm，个别可达4～5℃/hm;水温梯度大小，与地层的完整性或裂隙发育程度(由岩心采取率推测)有一定关系，同样是T3xj泥岩与砂岩发育区，岩心采取率多≥60%的T1井梯度小，同样是O1灰岩发育区岩心采取率多≤70%的W2井水温梯度较岩心采取率多≥70%的W1井大。这些测量结果表明，地层岩性与构造条件是影响水温梯度大小的重要因素，岩体相对破碎地区的水温梯度大。这样的特征，说明井孔深部的温度不仅与深部地热的热传导有关，而且还与水热系统的热对流作用有关。

水温梯度的另一个特征是，水温梯度的不稳定性。不仅各井不同，而且同一口井的不同井段差异也很大(表7)。这种差异，估计还是与井-含水层系统的特征差异有关，但目前的资料还难以对造成这种差异的原因作具体的分析。

3.3 观测井中的水温梯度与气温梯度的比较

金沙江水网溪洛渡库区3口井中，井水位埋深多在200m以下，因此进行了3井中无水段内空气温度梯度测量并与水温梯度测量结果作了对比。

观测井内无水段空气的温度无疑受井内空气与井口外大气之间的大气对流的影响，但从井内空气的梯度与井水梯度之间基本上连续变化并均表现为正梯度的特征看，太阳辐射热影响深度以下的井内气温主要还受地温梯度的影响，大气对流的影响基本上还只表现在负梯度段内。然而，井内气温梯度与水温梯度还表现出一定的差异 (表8)。

由表8可见，两口井(W1，W2)中水温梯度明显低于气温梯度，一口井(QW)中则水温梯度明显高于气温梯度。QW中的这种异常表现，可能与该井的特殊水文地质条件有关，即与井区发育沟通井水和江水的断裂有关。近几个月的观测结果表明，该井水位随金沙江水位的变化而变化，说明井水与江水相沟通，其水温可能受江水温度的影响，即其梯度不仅受深部大地热流的影响，还可能受地表江水热作用(夏季温度高)的影响。

3.4 温度与梯度特征对水温微动态的影响

各类水温微动态特征的上述复杂性，可能与多种因素相关，有待于今后的深入研究。然而，从金沙江水网6口井的温度与其梯度的精细测量结果看，水温传感器的放置深度是非常重要的影响因素。

以井水温度的潮汐动态为例，如果是与含水层应力应变状态的变化及由此引起的与井-含水层系统中水热运动有关(车用太等，2008)，那么同样含水层受压应力作用而使含水层中地下水流入井筒中，并使井筒内水体向上运移时，水温传感器放置在正梯度井段时井水温度的动态将表现为上升，当水温传感器放置在负梯度井段时井水温度动态会表现为下降。当含水层受张应力作用时，传感器放置在正梯度井段时水温动态表现为下降，放置在负梯度井段时表现为上升。

由此看来，水温固体潮与水位固体潮的关系可以同向变化，即水位与水温潮汐峰值与谷值一一同向对应，前提条件是水温传感器放置在正梯度井段上;反过来，水温传感器放置在负梯度井段时，则可能造成水温固体潮与水位固体潮关系表现为反向对应，即峰对谷，谷对峰的变化;潮汐因子大小则更可由传感器放置段梯度值的大小不同而不同。

又以井水温度同震阶变动态为例，如果井水温度的同震阶变是水震波作用下井筒内水体的上下振荡及不同温度的水的混合作用引起的，那么水温负梯度段内传感器放置在上部浅处时水温会阶降，放置在下部深度处时水温会阶升;而在水温正梯度段内，上部水温会阶升，下部水温会阶降。

水温传感器置深对水温微动态的影响，不仅与传感器置深段的水温梯度有关，而且传感器放置位置相对于观测含水层(热源)的距离大小、含水层内地下水与井水的温差大小等也有关。当地下水温度高于同一深度的井水温度，传感器距含水层的距离越小时，井水温度的微动态变化幅度也会相对较大。

4 基本认识与讨论

金沙江水网6口井中温度及其梯度的精细测量，给出如下新的科学认识与启示:

(1)在深山峡谷地区太阳辐射热的影响深度远远大于平原区测得的10～20m，可达几十乃至上百m。

(2)不同井的平均水温梯度差异较大，小者仅0.11℃/hm，大者可达2.81，一般为1～2℃ /hm。

(3)同一口井不同深度井段的温度梯度变化很大，小时仅0.1℃/hm，大时可达4～5℃/hm，因此水温传感器放置的深度对水温微动态的特征影响很大，对水温的地震前兆特征也会产生影响，不能简单地把井水温度上升理解为含水层受压，水温下降理解为含水层受张。

(3)地层的岩性、裂隙发育程度，尤其是高角度断层带的存在对观测井深部的温度梯度的影响较明显，泥岩与砂岩地区较灰岩发育地区梯度小，地层裂隙不发育地区的温度梯度较裂隙发育地区梯度小，而高角度断层发育区的温度梯度明显偏大。

(4)一般情况下，井口气温梯度大于水温梯度，但特定水文地质条件下可以表现为相反。

(5)水温微动态是十分重要的地球物理或水文地质现象，需要深入进行其形成条件与形成机理的研究，从而进一步推进水温微动态映震机理的研究，尽早着手建立有物理基础的水温异常预测地震的理论和方法，进一步提高其地震预测的效能。

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THE RESULTSOF FINE MEASUREMENT OF TEMPERATURE GRADIENT IN WELLSOF JINSHAJIANG GROUNDWATER OBSERVATION NETWORK AND ITS ANALYSIS

CHE Yong-tai1)HE An-hua2)YU Jin-zi1)LIU Cheng-long1)LIWan-ming3)
1)Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China
2)Institute of Crustal Dynamics，China Earthquake Administration，Beijing 100085，China
3)Institute of Engineering Mechanics，China Earthquake Administration，Harbin 150080，China

The temperature and its gradient ismeasured carefully in 6 wells of Jinshajiang groundwater observation network.The result shows that the influence depth of sun-radiation heat is 50～125m.The average water temperature gradient is different in deferent wells，the minimum value is 0.11℃ /hm，themaximum is2.81℃ /hm，and the general is1～2℃ /hm.The temperature gradient diversity in deferent depth sections in one well is very obvious，with values being in decimal fraction of℃ /hm，and the larger ones being 4 ～5℃ /hm.Lithology of stratum and completeness of rockmass，particularly the high-angle fault crush zone，play amajor role in affecting the influence depth of sun-radiation heat and temperature gradient of each well.Themicro-behavior characteristics of water temperature in well，e.g.co-seismic effect，tide effectand anomalies before an earthquake etc，depend largely on the temperature gradient of the depth section where the temperature sensor is fixed.

temperature，temperature gradient，observation well，Jinshajiang groundwater observation network

P315.72+3

A

0253-4967(2011)03-0615-12

10.3969/j.issn.0253-4967.2011.03.011

2011-04-11收稿，2011-08-02改回。

中国长江三峡工程开发集团金沙江开发有限责任公司项目(JSJ(06)007)资助。

车用太，男，1942年生，1969年研究生毕业于中国科学院地质研究所水文地质专业，研究员，主要致力于地震地下流体监测与地震预测研究，电话010-62009057，E-mail:che@ies.ac.cn。