临汾井水温梯度实验及动态变化分析

张凯靖，张 梅，张聪聪，穆慧敏

(1.临汾市防震减灾中心,山西 临汾 041000；2.山西省地震局临汾地震监测中心站，山西 临汾 041000；3.山西省地震局,山西 太原 030021)

0 引言

我国的地下流体观测始于1966年邢台MS7.2地震后，20世纪80年代，高精度石英温度计问世后开始水温观测。截至目前，全国用于水温观测的井孔有400余口(数据来源于国家台网中心，不包含未接入国家地震前兆数据库的观测井)，在我国的地震前兆监测与地震预测实践中发挥重要作用[1-4]。根据水温异常变化，捕捉地震前兆信息，已成为地震前兆分析的重要手段。

井孔水温度主要是地壳由内向地表释放热量的结果[5]，水温传感器放置深度对水温动态特征的影响明显。水温梯度变化可直观反映井水上下交替、甚至含水层横向水流的基本特征。影响水温梯度变化的因素较多，主要有井-含水层特性、地下水循环方式、套管结构、岩性特征等。多年的地震预测与研究实践表明，井孔水温在地震短临预报领域发挥着重要作用。观测井水温梯度的变化特征是决定水温动态变化的主要参数。对于一些基础资料不完整的钻孔，可通过对不同深度水温梯度变化特征的研究，了解井-含水层性质，确定主要涌水段的位置，分析水温水位同震响应特征，判别影响水温观测的主要因素，为数据分析与异常判定提供技术保障[1,6]。

《观测井水位校测与水温梯度测量要求(试行)》和《地震地下流体观测方法井水和泉水温度观测》(DB/ 49-2012)标准要求，在水温仪器安装前应对观测井的水温进行温度梯度测量，根据结果，确定水温传感器的投放位置，且传感器下放层位宜选择在水温梯度变化大、水温背景噪声小、水温潮汐效应明显的区段。临汾井水温观测于2001年1月开始，在周边几次中强震前未记录到异常信息，也无同震响应。为提高观测数据质量，捕捉地震前兆信息，对临汾井进行升级改造。按照相关规范要求，需进行水温梯度测试，根据其动态特征，确定水温探头投放最佳位置。研究结果可为水温变化动态特征及应用水温梯度反演井孔参数提供一定的参考。

1 临汾井概况

图1 临汾井周边地质构造图

临汾井成井于1984年7月，井深600.37 m，观测深度511～561 m，观测层为第三系上新统砂层孔隙承压水，水位埋深约42 m。观测段含水层采用过滤管，井口套管直径127 mm，在井深200 m处变径89 mm。该井主要受西部山区和汾河上游补给，向汾河下游排泄，同时，顶托补给上层承压水。上新统承压水承压性较强，埋藏较浅，封闭性较好，地下径流路径长，水循环较迟缓。其观测层位N2在盆地内无出露，观测深度大于当地的开采深度，不受附近单井开采的干扰。多年的观测表明，该井不受大气降水和地表水的直接影响，具有明显的固体潮汐效应和气压效应(1)王汝雕.临汾地下水动态观测网验收技术报告[R]，1986：17.。

2 临汾井水温动态特征分析

临汾井水温2014年开始入网观测，探头下放深度为300 m。自观测以来，水温与水位变化趋势一致，整体呈下降态势，年变规律不明显(见图2)。从水温的日变规律来看，具有明显的固体潮汐效应，影响水温变化的主要干扰因素为水位校测时产生的人为干扰(见图3)。

图2 水温、水位整点值曲线图

图3 人为干扰影响下的水温曲线

3 水温梯度测试实验

水温梯度测试实验按照《观测井水位校测与水温梯度测量要求(试行)》来实施(见表1)。临汾井成井深度600.37 m，2004年洗井后深度小于600 m，考虑洗井时间较长、第三系含水层沉沙速度较快的因素，实验按照井深小于500 m的要求进行，在特殊部位采取加密测量。

表1 不同深度观测井的水温梯度测量要求

临汾井水温梯度测试实验于2021年10月15日至11月26日进行，试验仪器采用北京中科光大自动化技术有限公司生产的ZKGD3000-N型水温观测仪。该仪器具有测量精度高、漂移小、信号传输稳定等特点，水温分辨力达0.000 1 ℃，精度等级优于0.1% F.S，采样率为1 cpm。

根据《观测井水位校测与水温梯度测量要求(试行)》，井水温度测量应从水面开始至井底。临汾井目前水位深度为42.5 m左右，第一个测点选取在水面位置。水温传感器从下放42 m开始，井深每增加20 m为一个测点，每个测点的观测时间大于40 min。根据观测井柱状图，在含水层和观测段进行加密测量，加密观测段深度间隔为4～6 m，每个加密测点观测时间大于60 min，每个测点的实测温度取水温稳定后31 min的平均值。探头下放至533 m时无法继续下放，实验共测得38个测点的水温值，计算得到37个井段的水温梯度。第36页表2为水温梯度实验观测数据，第37页图4为水温深度曲线与井孔柱状图。可以看出，水温随着井深的增加不断升高，为正梯度；井深每增加100 m，水温大约升高2.9 ℃；全井段水温梯度变化范围在0.22～7.278 (℃/hm)之间，平均值约2.956 (℃/hm)，与全球地壳地温平均梯度值3 (℃/hm)基本一致[6]。

图4 水温梯度与地质柱状图

表2 水温梯度及背景噪声

4 测试结果分析

水温梯度测量结果显示，在井深70～198 m段，水温梯度变化稳定，在2.586～2.947 (℃/hm)范围内变化，与地壳地温平均梯度(3 ℃/hm)接近；在198 m～202 m段，温度梯度较上一测段增大约0.8 (℃/hm)，从井孔柱状图上看，该段岩性为透水性较好的粗砂层；在202 ～290 m段，水温梯度恢复到地壳地温平均梯度 (3 ℃/hm)附近，在2.807 9～3.041 5 (℃/hm)范围内变化，该段地层岩性为亚黏土；在290～294 m段，水温梯度升高至3.752 9 (℃/hm)，该段地层为含水量较大的中粗砂；在294～310 m段，水温梯度恢复到地壳地温平均梯度附近[6-8]；在310～314 m段，水温梯度为7.278 (℃/hm)，较上一测段增加约4.5 (℃/hm)，为此次测量的最大梯度段，该段地层为含水量丰富的中细砂；在314～330 m处，水温梯度下降至1.922 6 (℃/hm)，该段位于水量丰富的中细砂地层下方；在330～522 m段 ，水温梯度开始重新上升，在2.567 6～3.141 6 (℃/hm)范围内变化，与地温梯度基本接近，该段大部分位于亚黏土地层；511 m以下为该井的观测段，地层为中细砂层，在510～516 m处水温梯度较其他井段略低；在522～533 m段，水温梯度变小，降至0.220 3 (℃/hm)，该段仍处于含水层较丰富的中粗砂层。

根据前面提及的《测量要求》和标准(DB/49-2021)，传感器下放层位宜选择在水温梯度变化大、背景噪声小、潮汐效应明显的区段。从表2中看出，在井深约198～202 m处，背景噪声为0.000 78～0.000 09，水温梯度为3.800 65 (℃/hm)；在290～294 m处，背景噪声为0.000 27～0.000 057，水温梯度为3.752 9 (℃/hm)；在310～314 m处，背景噪声为0.000 75～0.000 04，水温梯度为7.278 5 (℃/hm)，这三个井段背景噪声小、水温梯度大，适合井水温观测。

为进一步确定该井水温最佳观测段，除满足背景噪声小、水温梯度大条件外，还应考虑能否记录到水温固体潮。为此，笔者对该井100 m、200 m、300 m、400 m、500 m深度分别进行2～4 d不同时长的观测。结果表明，在井深200 m处，有水温固体潮汐现象，水温日潮差最大为0.09 ℃；在其他实验井段无明显固体潮汐现象。根据临汾井多年的水温观测数据，在320 m处固体潮汐明显，日潮差在0.08 ℃左右(见第37页图5至第38页图10)。分析认为，临汾井水温观测最佳深度为200 m左右和320 m左右。从图6和图10显示的水温固体潮曲线来看，200 m处固体潮曲线可能受其他因素的影响，畸变现象严重；320 m处固体潮曲线光滑，日变形态规律性强，且该深度段水温梯度大、背景噪声低，是水温观测较理想的位置。

5 结论与讨论

通过对临汾流体观测井水温梯度测验结果分析，可得出如下结论与认识：

(1) 临汾井不同深度段水温测试结果显示，水温随井深的增加而增加，为正梯度；井深每增加100 m，水温大约升高2.9 ℃，水温梯度平均值约2.956 (℃/hm)。

(2) 不同深度的水温梯度值和背景噪声各不相同，在198～202 m、290～294 m和310～314 m深度段背景噪声小、水温梯度大。

(3) 在200 m和320 m深度段均记录到固体潮汐现象，310～314 m处水温梯度最大，该深度段可能是水温观测的最佳位置。

(4) 从此次水温梯度测试实验的结果来看，水温梯度较大的层位一般在含水层或含水层和隔水层交接位置。据车用太等通过对四川西昌川 03井、北京塔院井的水温数据分析，认为不同置深的传感器记录到的水温动态特征存在差异，可能与传感器所置处的水温梯度、围岩热传导率及大地热流特征等多种因素有关[7]。在开展实际水温梯度测量时，部分测段根据规范要求，测量点的密度为20～30 m，不同的地层导热性差异较大，间距较大的梯度测量极有可能漏掉较多的观测最佳位置。因此，为确定观测井的水温探头最佳置深，建议对观测井全井进行水温梯度精细测量。

临汾井水温测项自观测以来，在测点附近的几次中等地震前均未记录到有效的震兆异常信息，其原因可能与水温探头放置不合理有关，建议在有水温固体潮记录的不同深度进行同步观测。