張凱靖, 宋春陽, 穆慧敏, 高娟

1.臨汾市地震局， 山西 臨汾 041000；2.山西省地震局， 山西 太原 030021

0 引言

我國的地下流體觀測開始于1966年邢臺(tái)MS7.2級(jí)地震后，經(jīng)過四十多年的發(fā)展，地下流體臺(tái)網(wǎng)現(xiàn)在已經(jīng)遍布我國31個(gè)省，擁有專業(yè)觀測用井638個(gè)，其中用于水溫觀測的井孔有400余口，在我國的地震前兆監(jiān)測與地震預(yù)測實(shí)踐中起了十分重要的作用[1～3].利用水溫的異常變化，來捕捉地震前兆信息，已成為現(xiàn)在進(jìn)行地震前兆分析的重要方面.根據(jù)《地震地下流體觀測方法井水和泉水溫度觀測》(DB/ 49-2012)標(biāo)準(zhǔn)的要求，在水溫觀測時(shí)，傳感器的下放深度有明確的要求，在傳感器下放前要進(jìn)行水溫梯度試驗(yàn)，下放層位需選擇在水溫梯度變化大、水溫背景噪聲小的位置.

目前，洪洞井的水溫觀測項(xiàng)目開始于2013年8月，2015年9月并入國網(wǎng)觀測，在觀測前未進(jìn)行水溫梯度實(shí)驗(yàn)，根據(jù)地層柱狀圖將傳感器下放深度200 m，位于水面下約194 m.為了提高觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，以期觀測到信噪比較高的前兆信息，我們對洪洞井進(jìn)行了水溫梯度補(bǔ)測，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，為現(xiàn)階段洪洞井水溫傳感器下放的合理性進(jìn)行了分析驗(yàn)證，同時(shí)為研究該井的水溫變化動(dòng)態(tài)特征等研究提供了重要依據(jù).

1 洪洞井概況

山西臨汾洪洞井位于山西省臨汾市洪洞縣廣勝寺鎮(zhèn)板塌村北 20 m，為臨汾市地震局直屬觀測井，井孔地理坐標(biāo)為東經(jīng)111.75°，北緯36.31°，海拔高度為 500 m.該井位于汾河以東三級(jí)階地后緣，霍山山前洪積扇前部地下水溢出帶，霍山斷裂西側(cè)約 5 km 處，附近有NW向斷層通過(圖1).該井成井于1983年10月，完鉆深度 423 m，套管下設(shè)深度 370 m，濾水管部位深 180 m～366 m，觀測段為 178.45 m～368.09 m，觀測層厚度大，透水性強(qiáng).含水層巖性為下更新世中粗砂夾礫層，揭露厚度為212.73 m，地下水類型為孔隙承壓水，水溫常年保持在19 ℃左右.該井的補(bǔ)給區(qū)為東部山區(qū)及以東 5 km 的霍泉，附近溝谷中有Q3地下小泉水出露，該井不受大氣降水和地表水的直接影響，具有明顯的固體潮汐效應(yīng)和氣壓效應(yīng)[4,5].

圖1 洪洞井周邊地質(zhì)構(gòu)造圖
Fig.1 Geological structure map around Hongtong well

2 溫度梯度的測量

洪洞井水溫梯度實(shí)驗(yàn)于2018年9月27日進(jìn)行，所使用的儀器是由北京中科光大自動(dòng)化技術(shù)有限公司生產(chǎn)的 ZKGD3000-N型地下流體監(jiān)測設(shè)備，該儀器具有測量精度高、漂移小、信號(hào)傳輸穩(wěn)定等特點(diǎn)，該儀器的水溫分辨力為 0.000 1 ℃，精度等級(jí)優(yōu)于0.1 %F.S采樣率為 1 cpm.

傳感器從下放10 m開始，井深每增加10 m為一個(gè)測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)觀測時(shí)間約10 min，測點(diǎn)的實(shí)測溫度取10 min的平均值，探頭下放至359 m時(shí)無法繼續(xù)下放，共測得35個(gè)井段的梯度值.測量溫度梯度時(shí)，水位埋深為 6.16 m，井房內(nèi)溫度為 17 ℃ 左右.表1為水溫梯度實(shí)驗(yàn)觀測數(shù)據(jù)結(jié)果，圖2為水溫深度曲線與地質(zhì)柱狀圖.

由水溫梯度測量結(jié)果(圖2)可知：溫度拐點(diǎn)出現(xiàn)在井下 20 m～30 m處(該兩測段溫差較小)，井口到水面的距離為6.16 m，受太陽輻射影響深度從水面以下計(jì)算，即受太陽輻射影響深度在約14 m～24 m左右，井口30 m之下不受太陽輻射的影響.隨著井深的增加水溫不斷增加，屬正梯度；井深每增加100 m，溫度大約上升2.6 ℃，全井段溫度變化范圍在0.183 ℃/hm～12.261 ℃/hm 之間，平均為2.494 ℃/hm，略小于全球地殼地溫平均梯度值3 ℃/hm；同時(shí)，該井的水溫梯度存在明顯的四段：低水溫梯度段、高水溫梯度段、零水溫梯度段，低水溫梯度段[6,7].

結(jié)合井口柱狀圖分析[8]：在井段30 m～150 m 處，屬于該井的止水段，水溫梯度在1.118 ℃/hm～3.328 ℃/hm 范圍內(nèi)變化，與地殼地溫平均梯度接近，說明在該段水流上下交替比較穩(wěn)定，止水效果好；在100 m～110 m處，溫度梯度較其上下兩段的變化減小，分析認(rèn)為是由于在100 m附近為透水性較好的砂礫石層，有溫度較低的地表水流過，透過井壁進(jìn)行了溫度交換，造成井水溫度下降.

在該井水溫梯度變化較大的井段170 m～200 m處，出現(xiàn)12.261 ℃/hm的梯度變化.從地層柱狀圖看，該段為觀測段與止水段的交界段，同時(shí)地層巖性為中細(xì)砂，是該井含水層最豐富的地層.分析認(rèn)為是由于該段有深循環(huán)熱水層流過，對該段上下兩層的水都有加溫，尤其是在200 m處水溫交替劇烈，與梯度劇烈變化相吻合.

表1 洪洞井水溫梯度測量及其梯度值Tab.1 The measurement results of water temperature and its gradient in Hongtong well

圖2 洪洞井水溫梯度與地質(zhì)柱狀圖
Fig.2 The temperature gradient and geologic profile of Hongtong well

在井段 210 m～320 m 處，溫度在 0.187 ℃/hm～1.398 ℃/hm 左右范圍內(nèi)變化，變化較小，出現(xiàn)近似于0的最低值0.187 ℃/hm，分析認(rèn)為是由于該段位于該井含水層最豐富的觀測段，在200 m處有熱水層水流向下加溫，在井孔內(nèi)上下層水交替活躍，與其他含水層不同溫度的水流進(jìn)行了充分融合，降低了上下層位之間的溫度差，導(dǎo)致溫度梯度較小.

在井段 330 m～350 m 處，水溫梯度又開始上升，溫度在1.53 ℃/hm ～3.146 ℃/hm 左右范圍內(nèi)變化，與地溫梯度逐漸接近.從柱狀圖上看該段仍處于含水層較豐富的層段，該段的水流上下交替應(yīng)該較活躍，水溫梯度理論值應(yīng)該小于實(shí)驗(yàn)值.認(rèn)為可能是由于井底淤泥較多，堵塞濾水管，導(dǎo)致該段水溫交替變緩，這也與探頭下放至359 m無法繼續(xù)下放十分吻合.

根據(jù)《地震地下流體觀測方法井水和泉水溫度觀測》(DB/ 49-2012)標(biāo)準(zhǔn)的要求，水溫傳感器下放深度要在水溫梯度較大的地方，自2013年該測項(xiàng)觀測以來，傳感器下放深度符合規(guī)范要求.根據(jù)近年的觀測數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果，該段的背景噪聲均方差為0.022 3，背景噪聲相對較大，與水溫梯度大這一要求有所矛盾；同時(shí)，從近五年的水溫觀測數(shù)據(jù)來看(圖3)，該觀測段的數(shù)據(jù)年變規(guī)律明顯，整體呈逐年下降的趨勢，年均下降約0.02 ℃，但是同震響應(yīng)較差，未記錄到國內(nèi)外地震信息，所以需下一步進(jìn)行精細(xì)化水溫梯度測試，以確定最佳位置.

圖3 洪洞井水溫日均值曲線圖(201401～201905)
Fig.3 The daily mean water temperature curve of Hongtong well (201401～201905)

3 認(rèn)識(shí)

在該井210 m～320 m 處，出現(xiàn)接近于0的溫度梯度值，從理論上分析認(rèn)為是在200 m處有深循環(huán)的熱水層水流向下加溫，同時(shí)在井孔內(nèi)上下層水交替活躍，與其他含水層不同溫度的水流進(jìn)行了充分融合，降低了上下層位之間的溫度差.這需要在該井段分別下放不同深度的溫度探頭進(jìn)行同步的長時(shí)間觀測來進(jìn)一步驗(yàn)證，如果不同層位的水溫變化趨勢一致，說明在該段溫度探頭下放深度不受井深影響，可放在任意井深.

4 結(jié)論

(1)洪洞井探頭目前下放深度為200 m，處于溫度梯度最大的井段，下放深度符合標(biāo)準(zhǔn)要求.

(2)洪洞井水溫梯度存在明顯的低、高、零、低梯度段，測試結(jié)果與地層柱狀圖高度吻合，其中水溫梯度最高梯度段分析該段有深循環(huán)熱水層流過，對該段上下兩層的水都有加溫，尤其是在200 m處水溫交替劇烈，與梯度劇烈變化相吻合，水溫梯度近于零的層段認(rèn)為是由于冷熱水交替劇烈造成水溫變化較小.

(3)在現(xiàn)觀測段洪洞井同震效應(yīng)較差，未記錄到地下構(gòu)造引起的水溫變化信息，同時(shí)，因背景噪聲均方差相對較大，仍需進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來確定最佳下放位置.

致謝：本文得到中國地震局地殼應(yīng)力研究所何案華老師的指導(dǎo)，同時(shí)得到了臨汾市地震局高級(jí)工程師張梅、臨汾中心地震臺(tái)工程師張聰聰?shù)阮I(lǐng)導(dǎo)同事的大力支持，在此表示感謝.