韓孔艷， 崔博聞， 邢成起， 楊明波

(北京市地震局，北京　100080)

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北京地區(qū)5口井溫度梯度分析

韓孔艷， 崔博聞， 邢成起， 楊明波

(北京市地震局，北京100080)

對北京市范圍內(nèi)5口觀測井進行了溫度梯度精細測量。結(jié)果顯示：不同區(qū)域受到的太陽輻射熱的影響深度存在差異，可能與巖性及巖土中夾雜砂礫石顆粒的大小、多少有關(guān)；不同觀測井的溫度梯度值不同，最小的僅0.014 ℃/hm，最大者達3.376 ℃/hm，推測與井孔結(jié)構(gòu)、地層巖性及構(gòu)造條件等有關(guān)。水溫傳感器放置處的溫度梯度特征很大程度上影響著水溫微動態(tài)特征及水溫前兆信息特征。

北京區(qū)域； 觀測井溫度梯度； 太陽輻射熱

0　引言

2012—2014年，我們對北京地區(qū)奧運保障期間新增的5口觀測井進行了升級改造，安裝了ZKGD3000-G型高精度水位、水溫及氣壓綜合觀測儀。在安裝水溫儀時，為提高觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，水溫探頭應放在觀測井溫度波動較小的部位，以期觀測到信噪比較高的前兆信息。對北京區(qū)域5口水溫觀測井進行了溫度梯度測量，結(jié)果顯示不同區(qū)域內(nèi)的觀測井受到太陽輻射熱的影響深度不同，各井的溫度梯度值也存在較大差異，通過對比分析認為其可能與觀測井巖性及井孔結(jié)構(gòu)等有關(guān)。溫度梯度的測量為井水溫度微動態(tài)特征及其成因機制的研究提供重要依據(jù)。

1　溫度梯度的測量

本文溫度梯度測量的5口觀測井分布在北京懷柔、昌平、平谷、密云及通州5個區(qū)縣內(nèi)，梯度測量實驗使用的是ZKGD3000-G型高精度水位、水溫及氣壓綜合觀測儀，該儀器水溫傳感器分辨率優(yōu)于0.000 1 ℃，儀器短期穩(wěn)定性為0.000 1 ℃/d；精度等級為：優(yōu)于0.1% F.S，數(shù)據(jù)采樣率為1次/分鐘。

梯度測量多從井口以下20 m處開始，每隔20 m測量一個值，150 m以下每隔10 m測量1個值，每測點先穩(wěn)定5～7 min，而后各測點測量時間大于10 min，取10 min內(nèi)較穩(wěn)定的幾個測值的平均值作為該深度的溫度值，溫度測量的精度和測點的間距等相對是比較精細的。

2　各井概況及溫度梯度測量結(jié)果

2.1懷柔七道梁井

七道梁井位于北京市懷柔區(qū)長哨營鄉(xiāng)七道梁正白旗村西，系侏羅系淺灰色礫巖夾砂巖。該井完鉆深度為305 m，下設壁厚5 mm，?146 mm無縫鋼管至290 m，290 m以下為裸孔。根據(jù)鉆探揭露巖心和施工過程中沖洗液消耗量分析，該井290.20～298.00 m是少量裂隙發(fā)育的礫巖，為含水層。該井孔結(jié)構(gòu)、巖性特征及溫度測量結(jié)果見圖1。

溫度梯度測量時，井水位埋深為0.97 m，井房內(nèi)溫度為24 ℃左右。該井中共測13個深度點，測得12個井段的梯度值(表1)。測量結(jié)果顯示該井太陽能輻射熱的影響深度(負梯度井段)在20 m以上，20 m深度以下不受太陽能輻射的影響，梯度值為0.406 0～2.504 0 ℃/hm，平均為1.466 7 ℃/hm，小于全球地殼的地溫平均梯度值3 ℃/hm[1]。由于地熱探頭電纜線長度有限，儀器安裝時將地熱傳感器探頭放置在井口以下190 m深度處。

圖1　七道梁井孔結(jié)構(gòu)與水溫梯度圖

測點序號測點深度/m井段梯度/(℃/hm)七道梁井興壽井早立莊井西邵渠井西集井1202401.0445-2.0070-4.1943601.4105-1.0450-4.933-1.74104801.13102.70050.5005-2.9241.349051001.64552.7175-0.04101.158561202.12252.9185-0.2760-2.1251.796571401.34203.27900.1175-0.2642.036581501.41203.4830-0.1900-0.36991601.44503.1470-0.0670-0.042.7580101701.57703.43200.1050-0.169111801.56003.55000.2180-0.1532.6590121854.27400.3360131900.40604.26200.3160-0.100142002.50400.2040-0.0141.7150

2.2昌平興壽井

昌平興壽井位于北京市昌平區(qū)興壽鎮(zhèn)政府院內(nèi)，該井完鉆深度為301.50 m，第四系厚度為242 m，下為侏羅系灰色砂礫巖，290.90 m以上采用壁厚5 mm，?146 mm無縫鋼管。根據(jù)鉆探揭露巖心和施工過程中沖洗液消耗量分析，291.0～301.0 m段裂隙發(fā)育為含水層。

該井孔結(jié)構(gòu)、巖性特征及溫度測量如圖2所示。測量溫度梯度時，井水位埋深為51.34 m，井房內(nèi)溫度為22 ℃左右。該井中溫度共測13個深度點，取得12個井段的梯度值(表1)。測量結(jié)果顯示該井太陽能輻射熱的影響深度(負梯度井段)在40 m以上，40 m深度以下不受太陽能輻射的影響，計算處于井水中的10測點的溫度梯度值為2.700 5～4.274 0 ℃/hm，平均為3.333 4 ℃/hm，略大于全球地殼的地溫平均梯度值3 ℃/hm。溫度梯度測量后，地熱傳感器探頭放置在井口以下180 m深度處。

圖2　興壽井孔結(jié)構(gòu)與水溫梯度圖

2.3平谷早立莊井

平谷早立莊井位于北京市平谷馬坊鎮(zhèn)早立莊小學院內(nèi)，終孔深度為349.68 m，第四系厚度為155 m，下為二疊系砂巖夾頁巖。取得149～150 m段的中粗砂作為該井的含水層，下設?146 mm，壁厚5 mm無縫鋼管至301.32 m，底口用鋼板封死，144 m以上填入粘土球止水。

井孔結(jié)構(gòu)、巖性特征及溫度測量結(jié)果如圖3所示。測量溫度梯度時，井水位埋深為34.63 m，井房內(nèi)溫度為20 ℃左右。該井中溫度共測14個深度點，取得13個井段的梯度值(表1)。測量結(jié)果顯示該井中太陽能輻射熱的影響深度(負梯度井段)在60 m以上，但在80 ～120 m，140 ～160 m存在2個負梯度帶，梯度值都遠小于全球地殼的地溫平均梯度值，160 m以下為正梯度帶，梯度值為0.105～0.336 ℃/hm，平均為0.235 8 ℃/hm，遠小于全球地殼的地溫平均梯度值3 ℃/hm。溫度梯度測量后，地熱傳感器探頭放置在井口以下200 m深度處。

圖3　早立莊井孔結(jié)構(gòu)與水溫梯度圖

2.4密云西邵渠井

密云西邵渠井位于北京市密云縣東邵渠鎮(zhèn)西邵渠村南，終孔深度為300 m，5 m以上為第四系碎石土，5 ～300 m為震旦系石灰?guī)r。200 m以上下設壁厚5 mm，?165 mm的無縫鋼管，200～288 m下設濾水管。本文查閱鉆探成井時施工單位提供的施工報告，根據(jù)井鉆探揭露的巖芯特征并結(jié)合測井資料，該井48～109 m、154～196 m裂隙發(fā)育，裂隙內(nèi)充填方解石晶族，為該井孔未利用的含水層。本井孔利用的含水層深度為210.0～270.0 m、283.0～285.0 m，含水層裂隙較發(fā)育，但充填有花崗巖脈及少量方解石，富水性弱。該井孔結(jié)構(gòu)、巖性特征及溫度測量結(jié)果如圖4所示。測量溫度梯度時，井水位埋深為85.5 m，井房內(nèi)溫度為30 ℃左右。該井中溫度共測13個深度點，取得12個井段的梯度值，其中20～80 m間的4個測點是井內(nèi)空氣中測得的數(shù)值，此段溫度梯度為-4.932 5～-2.924 0 ℃/hm，平均為-4.017 ℃/hm；100～200 m間的9個測點是井水中測得的數(shù)值，此段溫度梯度為-2.124 5～-0.014 0 ℃/hm，平均為-0.404 2 ℃/hm。測量結(jié)果顯示該井中所測點全部為負梯度帶，該現(xiàn)象可能與該井地處深山峽谷區(qū)，且井孔多處裂隙發(fā)育，上層冷水易于下滲補給等情況有關(guān)。梯度測量后，溫度傳感器放置在井口以下200 m處。

2.5通州西集井

通州西集井位于通州區(qū)西集通州地震臺院內(nèi),終孔深度為301.57 m,下設?146 mm的無縫鋼管至249 m。該井251～257 m和287～291 m為粘性土充填，結(jié)合測井資料分析為非含水層，含水層深度為249～251 m和257～287 m及291～301.57 m，厚度為42.57 m，為中粗砂和中細砂充填的卵礫石層。

該井孔結(jié)構(gòu)、巖性特征及溫度測量結(jié)果如圖5所示。測量溫度梯度時，井水位埋深為35.28 m，井房內(nèi)溫度為30 ℃左右。該井中溫度共測9個深度點，取得8個井段的梯度值(表1)。測量結(jié)果顯示該井中太陽能輻射熱的影響深度(負梯度井段)在60 m以上，60 m深度以下為正梯度帶，梯度值為1.159～2.758 ℃/hm，平均值為2.129 ℃/hm，小于全球地殼地溫平均梯度值3 ℃/hm。梯度測量后，傳感器放置在井口以下200 m處。

圖4　西邵渠井孔結(jié)構(gòu)與水溫梯度圖

圖5　西集井孔結(jié)構(gòu)與水溫梯度圖2

2本文井孔資料來自《北京奧運會地震安全保障工程-前兆流體觀測井施工報告》，作者：山東省地礦工程勘察院，2008年6月，保存于北京市地震局。

3　溫度與梯度特征分析

3.1太陽輻射熱影響深度特征

據(jù)有關(guān)資料，太陽輻射熱的影響深度在陸地一般被認為僅為10～20 m[1-2]，車用太的研究結(jié)果揭示了不同井受太陽能輻射熱影響深度的差異主要與地層巖性和斷裂構(gòu)造等有關(guān)[3]。本研究所測北京區(qū)域5個水溫觀測井中，受太陽能影響最淺的為懷柔七道梁井，大概在20 m以上；密云西邵渠井終孔深度為300 m，井水位埋深為85.5 m，所測的200 m深度仍為負梯度帶，其它觀測井的影響深度多在40～60 m以上。我們結(jié)合觀測井位置及井孔結(jié)構(gòu)圖對影響深度的差異進行解釋。

西邵渠井(圖4)上層為4～5 m的碎石層，第四系分布較淺，利于太陽能輻射熱的向下傳導，下層為震旦系石灰?guī)r，但多處地層裂隙發(fā)育為含水層，且地處深山峽谷區(qū)的山坡上，深部地層裸露于地表，易于熱量向下傳遞。該井孔48～109 m、154～196 m裂隙發(fā)育，裂隙內(nèi)充填方解石晶族，2個裂隙較發(fā)育含水層段的存在，使得大量地表水可以沿裂隙快速下滲，與套管內(nèi)封閉的井水進行熱量交換，從而降低了井水的溫度，因而觀測數(shù)據(jù)上顯示所測200 m井段的溫度梯度全為負梯度帶。七道梁井第四系覆蓋層較淺，其上層為粘土夾碎石，下層為侏羅系淺灰色礫巖夾砂巖，多夾有頁巖，可能阻礙了太陽輻射熱的傳導，因而太陽能輻射熱的影響深度較小。興壽井、早立莊井、西集井受到太陽能輻射熱影響的深度在40～60 m，多為第四系粘土夾砂礫石，影響深度未達到基巖，粘土中夾雜砂礫石顆粒的大小及多少導致了輻射熱影響深度的差異。

3.2溫度梯度特征及其影響因素

大量的研究成果揭示，觀測井的溫度梯度特征差異主要取決于井孔的水文地質(zhì)特征，即井孔的結(jié)構(gòu)、地層巖性、構(gòu)造條件及井孔中含水層分布和地下水溫的變化等[3-5]。本研究所測量的5口水溫觀測井的溫度梯度特征存在很大差異，去除各井空氣中的溫度梯度值，我們對各井水溫梯度特征進行了分析(表2)。

表2　北京水網(wǎng)各井的水溫梯度對比

從圖4密云西邵渠井孔結(jié)構(gòu)圖可知，該井上層為4～5 m的碎石層，第四系厚度較淺，且下層為震旦系石灰?guī)r，喀斯特地貌發(fā)育。根據(jù)鉆探揭露巖芯并結(jié)合測井資料分析，該井48～109 m、154～196 m裂隙發(fā)育，裂隙內(nèi)填充方解石晶族，為該觀測井孔未利用的含水層，此構(gòu)造特征利于熱量的交換。由于以上2個裂隙較發(fā)育含水層段的存在，使得大量地表水可以沿裂隙向下滲入，與套管內(nèi)封閉的井水進行熱量交換，從而降低了井水的溫度。根據(jù)冷水下滲的原理，溫度低的水會向下運動，從而使得井孔下部的水溫越低，所以該井所測200 m井段的溫度梯度全為負梯度帶。48～109 m間發(fā)育的裂隙對100～120 m間的影響較大，其溫度梯度值達-2.125 ℃/hm。但隨深度的增加，其冷水下滲的影響將逐漸減小，因而160 m以下的梯度值僅在-0.014～-0.169 ℃/hm范圍內(nèi)。

懷柔七道梁井為侏羅系淺灰色礫巖夾砂巖(圖1)，其透水性、熱導率較石灰?guī)r好，所以水溫梯度也相對增大， 40～200 m段水溫梯度為1.044 5～2.504 0 ℃/hm(除180～190 m段外)。180～190 m段為深灰色凝灰?guī)r，透水性和熱導率都低，該段水溫梯度值也僅為0.406 0 ℃/hm。

通州西集(圖5)和昌平興壽(圖2)井分別下設套管至249.0 m和290.9 m，巖性多為粘土夾砂礫巖，其巖性含水性好，熱阻小，熱導率高，有利于地溫隨深度的正常變化，其溫度梯度值與全球地殼地溫平均梯度值3 ℃/hm相近。

平谷早立莊井(圖3)觀測含水層為149～150 m，其上為粘土夾砂礫巖，巖性利于地溫隨深度的正常變化，但150 m以下設套管至終孔，且孔底用鋼板封死，不利于井孔內(nèi)水流的熱對流運動。當熱傳導時，一般熱量向溫度低的地方傳導擴散，但含水層上部存在負梯度帶猶如加了一個蓋子，使得傳導擴散受阻，這可能是導致160～200 m段水溫梯度值較小的原因，僅為0.105～0.316 ℃/hm。

3.3溫度梯度對水溫微動態(tài)的影響

水溫觀測數(shù)據(jù)的動態(tài)特征與水溫傳感器放置的位置有很重要的關(guān)系。當水溫探頭放置在水溫正梯度帶上，水溫潮汐與水位同向變化，水溫探頭放置在負梯度帶上，水溫潮汐與水位反向變化(也存在特殊時段，水位有潮汐但水溫顯示不出潮汐效應)。

地震前水溫微動態(tài)也存在復雜性，既有上升型也有下降型。這種復雜性也與水溫傳感器的放置深度有重要的關(guān)系。在水溫負梯度段，如果傳感器放置在上部淺處時水溫會階降，放置在下部深度處水溫會階升；在水溫正梯度段，上部水溫會階升，下部水溫會階降[4]。

在安裝水溫儀器前，對觀測井進行水溫梯度測量并結(jié)合井孔結(jié)構(gòu)和電纜線許可范圍，選擇梯度變化較小的位置放置傳感器。進行水溫梯度測量為進行水溫微動態(tài)特征及水溫前兆信息的提取提供重要依據(jù)。

4　基本認識與討論

1)北京不同區(qū)域受太陽能輻射熱的影響深度不同，最淺的懷柔七道梁井為20 m，興壽井、早立莊井、西集井受太陽輻射熱的影響深度在40～60 m左右，都為第四系覆蓋層，未達到基巖深度，影響深度的差異可能與粘土中夾雜砂礫石顆粒的大小及多少有關(guān)；同時由于西邵渠井地處深山峽谷區(qū)，且井孔多處裂隙發(fā)育，上層冷水易于下滲補給等情況，使得該井200 m以內(nèi)全部為負梯度帶。

2)西邵渠井第四系分布較淺，下層灰?guī)r喀斯特地貌發(fā)育，且48～109 m及154～196 m段裂隙較發(fā)育含水層，利于上層冷水的下滲，所以該井所測200 m井段的溫度梯度全為負梯度帶，且48～109 m間發(fā)育的裂隙對100～120 m間的影響較大，其溫度梯度值達-2.125 ℃/hm，但由于冷水下滲的影響有限，160 m以下的梯度值僅在-0.014～-0.169 ℃/hm范圍內(nèi)。

3)西集和興壽井為粘土夾砂礫巖，其巖性含水性好，熱導率高，其溫度梯度值與全球地殼地溫平均梯度值3 ℃/hm相近。平谷早立莊井150 m以下設套管至終孔，孔底用鋼板封死，不利于井孔內(nèi)水流的熱對流運動，且含水層上部存在的負梯度帶猶如加了一個蓋子，使得傳導擴散受阻，導致160～200 m段水溫梯度值較小，僅為0.105～0.316 ℃/hm。

4)水溫觀測數(shù)據(jù)的動態(tài)特征以及地震前水溫微動態(tài)的復雜性都與水溫傳感器放置的深度有重要關(guān)系。在水溫儀器安裝時必須對水溫梯度進行測量，結(jié)合井孔結(jié)構(gòu)和電纜線許可范圍，選擇梯度變化較小的位置放置傳感器，傳感器放置段內(nèi)的梯度特征為進行水溫微動態(tài)特征的研究及水溫前兆信息的提取提供重要依據(jù)。

[1]滕吉文. 固體地球物理學概論[M]. 北京: 地震出版社, 2003: 410-442.

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[3]車用太, 何案華, 魚金子, 等. 金沙江水網(wǎng)各觀測井溫度梯度的精細測量結(jié)果及其分析[J]. 地震地質(zhì), 2011, 33(3): 615-626.

[4]劉耀煒. 動力加載作用與地下水物理動態(tài)過程研究[D]. 北京: 中國地質(zhì)大學(北京), 2009.

[5]何案華, 汪成國, 李曉東, 等. 新疆溫泉井水溫梯度觀測實驗及結(jié)果分析[J]. 大地測量與地球動力學, 2014, 34(1): 51-54.

Temperature Gradient Analysis of Five Wells in Beijing Area

HAN Kong-yan, CUI Bo-wen, XING Cheng-qi, YANG Ming-bo

(Earthquake Administration of Beijing Municipality, Beijing 100080, China)

The temperature and its gradient of 5 wells in Beijing area are measured and analyzed. The result shows that the effect of sun-radiation heat is regionally different and depends on the percentage of the sandy gravel particles and its size in the clay. The average water temperature gradient is different in different wells, the minimum value is 0.014 ℃/hm, the maximum is 3.376 ℃/hm. The difference is mainly related to hydrogeology structure, lithology of stratum and the tectonic condition. The micro-behavior characteristics of water temperature of well and the anomalies before an earthquake depend largely on the temperature gradient of the section in where the temperature sensor is fixed.

Beijing area; temperature gradient of observation well; sun-radiation heat

2016-04-20

2012年度北京市地震局任務性科技專項(JZX-201201);2016年度北京市地震局任務性科技專項(JZX-201603)

韓孔艷(1982-)，女，安徽太和人，碩士，主要從事首都地下流體前兆資料分析與處理工作.E-mail:kyhan106@126.com

P315.723

A

1003-1375(2016)03-0053-08

10.3969/j.issn.1003-1375.2016.03.010

韓孔艷，崔博聞，邢成起，等．北京地區(qū)5口井溫度梯度分析[J]．華北地震科學，2016，34(3):53-60.