静乐井不同深度水温变化特征浅析

2021-12-28张淑亮张亮娥郭宝仁张亚敏闫美蓉

山西地震 2021年4期

郭宇，张淑亮，张亮娥，郭宝仁，张亚敏，闫美蓉

(1.山西省地震局太原地震监测中心站，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监测中心站，山西代县 034200；4.山西省地震局大同地震监测中心站，山西大同 037000；5.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西太原 030025)

0 引言

在地下流体动态观测中，井水温度对地震活动的响应较敏感[1],诸多学者对其动态形成机理进行研究[2-5]。目前，我国井水温观测已记录到丰富的井水温微动态信息，包括地震前兆异常、水温固体潮、同震响应及震后效应等[6-7]。不同观测井的震前异常、同震响应与潮汐响应特征具有一定的差异性，同一口井不同深度段上观测到的同震响应与潮汐响应的特征差异也较明显。

Rosaev和Esipko[8]在分析俄罗斯Vorotilovo深井(深5 374 m)的观测资料时，观察到明显的水温潮汐现象，提出分层的概念，即每一含水层都有自身的潮汐响应效能，针对不同层位有不同反映；李悦等[9]基于宝坻新井21个层位水温进行测量(每个测点至少有24 h稳定的观测数据)，通过对不同深度水温变化特征及其原因的分析，认为井孔中水温不同深度起主导作用的因素也不同，使井水温度在不同深度表现出不同的变化特征；张子广等[10]通过分析昌黎井水温潮汐特征产生的可能原因及与水位动态进行对比研究，认为井水温潮汐现象在井管内任何深度不一定都有反映；刘冬英等[11]基于红雁池新11井100～510 m(每周下放10 m)梯度测量结果，结合梯度-深度关系与稳定性-深度关系分析，认为对于水温观测部位，不能简单地根据梯度变化或短期稳定性来选择，要综合考虑梯度变化、短期稳定性及围岩特性、地下水的活动性来确定。

静乐井是山西北部乃至华北地区映震效能好、适合地震前兆观测的一口观测井，前人已对其进行一定的研究[12-18]，从研究结果看，大多是基于水位的，对水温的研究甚少，现对水温观测资料进行全面评估。Anhua He等[19]、张光顺等[20]通过2007和2014年分别在50 m和10 m深度间隔进行的水温梯度测量结果(每个点测量大约30 min，取最后5 min水温的平均值作为该点的观测值)，结合当地水文地质资料、钻孔岩性、含水层分布等进行分析，最终提出地下水库模型，以此来解释静乐井水位同震响应幅度达1.75 m时水温保持不变的原因。

静乐井在开展水温观测前，主要根据《地震地下流体观测方法井水和泉水温度观测》(以下简称《观测方法》)进行水温梯度测试，以此作为选择合适层位开展水温观测的重要依据，这种方法得到的是水温各个层位较短时间内大致稳定的数据，不能得到该层水温具体的变化形态，有一定的局限性。该文通过对静乐井不同深度水温进行超过24 h的精密测量，得到不同深度水温日变化动态特征。研究成果可用来完善水温梯度基础资料，弥补目前不同深度水温日变形态研究的空白；同时，结合井区水文地质图及井孔柱状图分析其可能的影响因素，为日常的异常核实提供基础数据，为确定探头最佳投放深度提供参考。

1 观测井概况

静乐井位于山西省静乐县娘子神乡偏梁村东碾河南岸的耕地内，距河流直线距离70 m左右。井区地质构造上属宁武-静乐复式向斜的东翼中南段，区内以单斜构造为主，岩层走向NNW，倾向SSW，倾角30°左右。井深362.92 m，套管下放到54.2 m，以下为裸孔。主要发育有下古生界灰岩、白云岩喀斯特含水层及第四系冲洪积砂砾石含水层，两个含水层间有较强的水力联系。第四系冲积砂砾石层厚0～46.30 m。含水层的观测段为120.26～362.92 m，含水层岩石为奥陶系(O2)马家沟灰岩、硅质灰岩、上寒武统泥质灰岩，在229.81～245.95 m、258.28～288.76 m处可见断层破碎带，溶洞发育，地下水由北西向东南排泄。钻孔位于强径流区，地下水补给主要来源于南北山区基岩裸露区的大气降水及沿东碾河断裂带渗入破碎带的地下水。

该井自1982年4月开始水位动态观测，2007年数字化改造时开展高精度水温观测，使用仪器为SZW-1A型水温仪，传感器投放深度353 m，日变平稳，无潮汐现象。2019年2月11日探头故障，台站人员进行更换，将探头放置在350 m处，记录到明显的潮汐效应，且变化动态与水位相关。

2 不同深度水温观测及特征分析

2.1 不同深度水温观测

静乐井水温梯度测试仪器为中国地震局地壳应力研究所生产的 SZW-II型数字式温度计，仪器分辨率0.000 1 ℃，绝对精度±0.05 ℃，短期漂移小于0.000 1 ℃/日，采样率1次/min(保留有12 s一次的高采数据)。水温梯度测量深度范围为20～358 m，根据《观测方法》要求，水温梯度测量至少需20 m的间隔，同时，结合井孔结构、浅层水温受外界因素干扰大等因素，水温测试过程中在20～200 m段按照规范间隔20 m进行水温梯度测量；在229 m断层破碎带上下(200～300 m段)，采取间隔10 m进行水温梯度测量；按照Anhua He等[19]提出的静乐井在300 m以下水文地质条件复杂，尤其是331 m、336 m 分别有1.2 m与1.5 m掉钻，井区有许多溶洞、地下河流和裂隙，构成一个大体积的地下水库，故在300～358 m段间隔2～5 m不等进行加密测量。每个测点测量时间均超过24 h，以保证获得完整的日变形态。取每个测点保持稳定后第二天全天的平均值作为该测点的实测值，并计算该天观测值的日潮差及一阶差分标准差，测量结果符合规范要求(见表1)，温度梯度如第18页图1所示。

表1 静乐井各深度水温变化特征统计表

2.2 特征分析

(1)不同深度水温变化特征。

图1显示，自观测以来，静乐井3次水温梯度测量结果基本一致，说明观测可靠、井孔结构也未发生变化。从温度梯度与水温变化曲线来看，可分为三段：60 m以上为正梯度,水温梯度在3.3～4.1 ℃/hm范围内变化，水温日变形态属无规律起伏型，日潮差在0.020 3～0.039 6 ℃之间，井水温的日变化特征不明显；60～290 m的梯度几乎为0，水温梯度在0.07～-0.73 ℃/hm范围内变化，水温日变形态存在明显潮汐变化，日潮差在0.000 3～0.012 4 ℃之间；290 m以下为负梯度，水温梯度在-2.21～-14.05 ℃/hm范围内变化，尤其345 m、350 m，梯度变化达到最大值，分别为-14.05 ℃/hm、-12.84 ℃/hm，水温潮汐现象显著变化，日潮差在0.001～0.016 4 ℃之间。

图1 水温梯度及岩性图

(2)与同井水位动态对比。

大量研究结果表明，井水温变化与同井水位关系较为密切，因此，探讨不同深度水温特征时，应对两者的关系进行对比分析。第19页图2为不同深度水温与水位对比曲线，可以看出，不同深度水温动态变化特征差异明显，与同井观测水位关系较为复杂(见第19页表2)。主要表现为40 m以上水温日动态变化无规律，与水位变化不相关；60～280 m，除120 m外，其余深度段均存在不同程度潮汐响应，且与水位变化呈正相关；290～353 m，除320 m外，其余深度段均存在不同程度潮汐响应，与水位变化动态呈负相关；356 m以下(即356 m、358 m)，日变形态无固体潮变化，数据变化较稳定，基本不受水位影响，或受水位影响小。其中，320 m水温无潮汐响应，可能与潮汐大小有关。因320 m处测量时段为小潮日(农历闰四月初七为小潮时段)，同井观测水位亦无潮汐响应。

图2 不同深度水温、水位日变形态对比图

表2 不同深度水温变化动态统计表

3 影响水温变化特征主要因素分析

如上所述，静乐井水温梯度在不同深度段表现的特征各不相同，因此，对其影响因素进行探讨。

从静乐井井孔柱状图来看，0～46.3 m为第四系冲洪积砂砾石覆盖层，含水层主要补给源来自距观测井约70 m的东碾河河水补给，水温受地表水影响较大，地表水在入渗补给过程中受浅层地温的影响，水温随深度呈现上升趋势，形成正的水温梯度；在60～290 m的梯度几乎为0，是由于该段含水层渗透系数较大，上下含水层水交换迅速，不同深度的水充分混合，上下层位之间的温度差小，导致此段温度梯度几乎为0，甚至为弱负梯度；290 m以下呈明显负梯度，其原因可能与该深度段有浅层低温水通过断层破碎带混入有关。另外，根据290～353 m水温水位呈负相关的特点，推测主要受该段水温负梯度影响，主出水含水层温度偏低，水温受横向水对流影响。当水位上升时，含水层中低温水流向井筒，水温下降；当水位下降时，流入井筒中的低温水再次回流至含水层，水温升高，造成此段水温水位呈反向变化的动态特征。根据Anhua He等[19]的调查结果，静乐井区岩溶裂隙发育率为1.37%，若认为岩溶裂隙和溶洞是封闭良好的，则构成了一个大型的地下水库，356 m、358 m处于水库底部，水温变化相对稳定。