解析地下流体井水温动态形成机理

贺北芳 栗宁 赵瑞

摘要：地下流体中井水温观测是地震观测中非常重要的一环，而井水温观测的基础便是深入了解井水温动态变化的形成机理，明确影响地下流体的诸多因素。本文将从地下流体井水温动态变化入手，探析地下流体井水温动态变化的形成机理，为井水温动态分析与机理解释研究提供一定的参考。

关键词：地下流体;井水温;动态机理

引言：井水温是地下流体观测的重要项目之一，其动态特点在过往观测中表现为信息丰富、分布点位广、特征复杂，需要进一步研究井水温动态形成机理，才能够认清井水温形成机制，为地下流体观测提供可靠依据。

1地下流体井水温动态变化

井水温动态变化主要以井水温度和水位变化有关，会受到井孔半径、含水层水平梯度、地热情况的影响，根据影响井水温出现变化的因素，可以大致将井水温动态变化分为两大类。一类是水位与水温的相关性变化，在水位发生变化后，水温也会随之发生变化，这种变化主要集中在浅水层和中水层，水温变化与水位变化呈现正相关或负相关，其变化原理可以用水热动力学关系进行解释，即水位的某一点会伴随着水流运动而引发热对流作用，从而引发动态变化。

另一类则是水位和水温之间基本无相关性，主要集中在深水层，这类井水温水温变化较为稳定，地质环境、断层状况影响水温变化的幅度较为正常，虽然在地温场变化时起伏较大，但是井水温观测前后较为清晰，动态变化也较为容易解释。不过深水层会受井内杂质的影响，尤其是在井底环境会因为井内杂质脱落、井壁脱落、岩石碎屑等问题增加了水温动态变化的复杂性，从而为井水温动态变化机理的评定提出了挑战。

2地下流体井水温动态形成机理

2.1物质因素

物质因素是地下流体井水温动态形成机理的关键性内容。首先是地表水对井水温变化影响，由于地表存在着丰富的水体。例如河流、沼泽、冰雪等地表水体都会自然渗透入地下，从而补充到井水当中，形成井水温变化。一般来说大气因素所导致的井水温动态变化是较为复杂且难以预测规律的，即便是同一井孔，在不同季节也会产生不同的温度变化。地表水补给会出现两种情况，一种是直接引起水位变化，另一种则是通过地表水体的荷载作用引发水位变化，进而带动温度变化。大气条件下井水温动态变化难以准确预测，却有着明显的参考依据，在经年累月的变化观测中受大气条件影响的井水温动态变化会处在一定范围之内，不过也会受如暴雨、地震等极端天气而超出范围。

其次是含水层对井水温的影响，地下水本身的温度应当与岩土层保持平衡，但是地下水具有流动性，在流动过程中平衡关系难免会被打破。例如当高温水进入含水层时水温自然会升高，井筒内水温也就会升高;当高温水流入较少时，井筒内水温也就会下降。从过往动态观测来看，含水层对井水温影响的关系表现为峰谷同步变化，为正向变化关系。而当低温水进入含水层时，流入量减少会导致水温上升，即反向变化关系，需要根据地下水温情况进行判断。

最后是地质条件引起的井水温变化，主要有地热和断层摩擦热两种情况。地热就是井所在位置地下热流发生变化，深部热流向上涌。通常来说地球内部热释放是相当缓慢的，在有限的时间内井水温变化情况很容易掌握。而断层摩擦热导致井水温发生变化是井水温发生异常变化的重要原因之一。断层摩擦热活动所产生的温度可达130℃，地震所引发的断层摩擦能达到500℃以上，而且斷层活动会产生大量的热。当前分析断层产生摩擦热的方法主要是以地震发生后短时间内进行钻探断层带进行测量，其对井水温动态变化的影响规律或特点还没有明确的理论证实[1]。

2.2动力作用

水的动力作用是影响水位及水温变化的最关键因素。井水温变化受水动力作用的影响更为明显，应力加载作用下会使地下水温度场出现明显变化。例如高温水在裂缝或断层的作用下开启或闭合时将会导致高温水流入量的增加或减少，从而引起水温的上升或下降，而且应力作用也会对水压造成一定影响，进而造成水流动速度变化。动力作用根据地下水运动状态以及应力加载的情况来看，可以分为瞬间短期加载、缓慢性加载和周期性加载三种现象。

瞬间短期加载以地震波作用为主，在短时间内应力加载范围和幅度较大，使岩层在短时间内受到冲击，引发含水层与岩土层孔隙度的变化，造成地下水流的突然改变，致使井水温动态出现变化。瞬间短时加载的作用特点是地震波经过含水层时会产生高频的交替运动，即震动感。井水位也会出现反复振荡，低温水和高温水反复对流，造成井水温度反复变化，这种变化没有明显的规律可言，需要结合多种情况和因素进行分析。通常来说地质情况越简单，短期加载作用对井水温变化的影响越小。

缓慢性加载的动力作用会在一段时期内持续性变化，作用方向基本不会改变，受应力作用影响，整个区域的地质构造和相应力场会出现一定变化，不过在力学作用较小的时候，变形程度也较小，井水温变化幅度较小。缓慢性加载所导致的井水温变化机理难点主要是当应力作用于地区力场达到某极限值时，相关力学作用会突然性发生变化，即便其所带来的变化幅度不及瞬间短期加载，但是在井水温动态变化规律中依然会有明显的特征，需要多加注意[2]。

周期性加载变化是由固体潮和潮汐作用所引起的，周期性应力加载作用有着规律性特征，引发的地下水流场变化以及井水温动态变化有迹可循，对固体潮所造成的含水层膨胀或收缩进行分析后，便能得到井水受固体潮应力作用而出现的温度变化规律。周期性加载变化需要经过长期的观测和分析进行确定，避免受地下水周期性流动而出现判断偏差。

结论：地下流体井水温动态变化机理是捕捉地震前兆的重要途径之一，根据含水层受力变形的异常所引发井水温异常变化来判断地质前兆。为了更为准确的判断异常变化，需要对地下流体井水温动态形成机理进行分析，深入了解影响因素和动力作用两方面对井水温动态形成的影响程度，进一步明确井水温动态形成的正常机理，从而准确判断异常变化。

参考文献：

[1]李旭茂，刘耀炜，张磊，等.井水温观测分析中的水-热动力学研究综述[J].地震，2020，40（01）：34-51.

[2]邓卫平，何案华，车用太，等.全国水温台网井水温度2008年动态及其汶川地震前后的异常变化[J].大地测量与地球动力学，2019，39（07）：751-755.

1作：贺北芳，女，1973年9月，湖北钟祥市，汉族，本科，工程师，地震监测与预报分析。

2作：栗宁，男，1986年02月，河南开封市，工程师，地震监测与预报分析

3作：赵瑞，男，1985年11月，湖北襄阳市，工程师，地震监测与预报分析