顏 龍, 王 斌, 梁 卉, 李 娜, 雷 晴

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011)

地震的孕育和發(fā)生是一個地殼動力學過程，同時，也是一個地球內部物質、能量、信息的遷移和交換的過程[1-2]。其中，必然引起巖石變形和地下流體的物理化學動態(tài)變化，由于熱效應與地熱的再分配，亦可造成水溫等地熱因子的改變[3]。隨著高精度石英溫度計在20世紀80年代末研制成功，地震地下流體井水溫動態(tài)觀測在中國得到廣泛推廣應用，目前已有400多口觀測井進行井水溫動態(tài)觀測并取得了良好的效果，是地下流體學科重要的觀測項目之一。

水溫梯度是水動力學和熱動力學綜合影響的結果[4-6]。對觀測井水溫進行梯度測試可以很好地了解井孔所處區(qū)域補給水源溫度特性和含水層連通情況，是分析水位水溫觀測資料必不可少的參考依據。車用太等根據精細測量的水溫梯度實驗結果，認為水溫微動態(tài)的特征與震前異常特征很大程度上取決于水溫傳感器所放置的深度的溫度梯度特征[7]。汪成國等通過在同一井孔不同深度放置水溫傳感器記錄到不同的觀測曲線形態(tài)，認為水溫探頭放置的深度對井水溫觀測結果有明顯的影響[8]。閆瑋等利用水溫梯度實驗得到了井孔的水溫穩(wěn)定參數方程，很好地應用于水溫水位發(fā)生較大變化時分析其異常來源追溯[9]。

新04井自1989年開始井水溫動態(tài)觀測，是中國較早實施水溫連續(xù)觀測的測點，為新疆區(qū)域地震預報提供了大量前兆數據和震例信息。但由于井孔溫度梯度相關信息不完整，造成對該井出現異常時的判定上存在較大不確定性。2020年6月，對新04井水溫梯度做了精細測量試驗，收集了該井井孔的基礎資料，并結合該井深層水溫的長期觀測數據對部分現象予以分析討論。

1 新04井概況

新04井位于烏魯木齊市水磨溝療養(yǎng)院內，井孔海拔高程821 m，地質構造上處于烏魯木齊山前拗陷帶水磨溝背斜北翼，北東向延伸的水磨溝—白楊溝斷裂為該區(qū)域的主干斷裂，與一條近南北向分支斷裂于溫泉區(qū)形成交匯(圖1)。該井于1975年6月成井，完井深度145.48 m，直徑203 mm套管下放至60.54 m，以下為150 mm裸孔，井孔穿過破碎帶。該井上部為第四系碎石、礫石和砂土，下部為二疊系頁巖、油頁巖夾薄層砂巖，井水礦化度1.66 g·L-1, pH值為8.3(1990年數據)。該井水位于1977年開始觀測，水溫于1989年開始觀測，多年的觀測資料表明，新04井水位水溫對遠場強震的同震響應和震后效應具有顯著反應[10-11]，同時對烏魯木齊周邊的地震具有較好的映震效能[12]。

圖1 新04井井點位置和井區(qū)地質構造圖Fig.1 Location of Xin 04 Well and Geological Structure of Well Area

2 水溫梯度測試與結果

新04井水溫梯度測試于2020年6月16日11點開始進行，依據行業(yè)標準，對新04井水溫從水面以下10 m開始測量至井底，測量間距為10 m，每個深度固定測試時間30 min，取穩(wěn)定后的數據均值為該點溫度，使用的儀器為SZW-Ⅱ型數字水溫儀，水溫傳感器的分辨率為0.000 1 ℃，觀測精度優(yōu)于0.01 ℃，數據采樣率為0.1 Hz。水溫梯度測試之前，首先對新04井的水位埋深進行校測并對井孔中淺層水進行取樣，測得水位埋深3.6 m，觀測室室溫25.3 ℃，淺層水樣水溫14.4 ℃，pH值8.87，水樣取回后實驗室測得其礦化度為2.36 g·L-1。

水溫梯度測量結果見圖2，新04井水溫測量由水面至井孔底部，測試過程中，當探頭下放至98.0 m處感受到明顯的阻滯感，該段位置探頭雖然可以繼續(xù)下沉，但下降阻力逐漸增加。再向上拉回探頭時，初段拉拽較為費力，經過反復測試確定，水溫探頭在98.3 m到達井孔底部，98.3 m以下部位的井孔被淤泥堵塞，探頭無法繼續(xù)下放(圖2c)。本次測試井孔內的水溫變化范圍為14.311 5 ℃～19.755 0 ℃，水溫梯度變化范圍為(0.001 6～0.126 1) ℃·m-1，均為正梯度(圖2b)，水溫梯度在井孔43.6 m以上部位的變化范圍表現出復雜的變化特征，分別在23.6 m和43.6 m處兩次出現大幅度轉折變化，43.6 m以下水溫梯度逐漸減小，底部位置水溫梯度為0.02 ℃·m-1。

圖2 新04井水溫梯度測量結果及井孔柱狀圖(a) 溫度/℃ (b) 溫度梯度/℃·m-1 (c) 井孔柱狀圖 Fig.2 Water temperature gradient measurement results and borehole structure of Xin 04 well

3 分析與討論

根據汪成民等的研究結果，水磨溝—白楊溝斷裂南北兩盤透水性能差異明顯[13]，新04井處構造位于斷裂南盤上，該處二疊系妖魔山組油頁巖、砂巖掩伏于北盤下侏羅系八道灣組砂泥巖及煤系地層之上，而北盤的通水性微弱的地層沿斷裂構成地下徑流阻隔，造成南盤上淺層基巖裂隙水向上運移與深循環(huán)地下熱水在此處混合出露，而新04井水溫梯度在23.6～43.6 m處出現2次大幅轉折，明顯不同于正常的地溫梯度(0.02～0.03) ℃/m的變化范圍，恰好說明新04井處于地熱異常區(qū)，井孔外至少存在2個以上不同深度的含水層流經該段，通過熱傳導至套管從而影響井孔內水溫變化。

從水溫梯度測試試驗的結果來看，新04井井孔98.3 m以下部位已被淤泥完全填充，嚴重影響到底部含水層和井孔內水體的正常交換，并且該井的深層水溫探頭剛好布設在井孔 100 m 處，由此得知，該水溫探頭已被淹沒于淤泥中，使得大量水溫有效信息無法獲取。為了剔除在地震預報過程中這些無效信息，分析造成井孔內淤泥淤積的可能原因和淤泥埋沒水溫探頭從何時開始就變得十分必要。

經過梳理，從統(tǒng)計的2000年以來新04井深層水溫對遠場強震的同震響應(表1)可知，這期間共記錄到9次同震響應，而在2008年5月12日汶川MS8.0地震之后再沒有記錄到同震響應，對包括2011年3月11日日本MS9.0地震，或同一地點發(fā)生的強震如2012年4月11日印尼蘇門答臘MS8.6地震、2014年2月12日新疆于田MS7.3地震皆未記錄到水溫同震響應。從表1中可以看出汶川MS8.0地震的同震響應類型明顯不同于其余地震，由圖3可以看出，在這次地震發(fā)生后，深層水溫先是上升0.011 2 ℃，之后逐漸下降，但并未恢復到原有背景值，而是經過一個月的下降調整后，在一個新的背景水平上變化，下降幅度達0.312 ℃，遠大于同震響應的變化幅度，震后效應顯著。

表1 新04井深層水溫同震響應統(tǒng)計表(2000～2020年)

圖3 2008年新04井深層水溫觀測曲線圖Fig.3 Deep water temperature observation curve of Xin 04 well in 2008

根據楊竹轉等對新04井的研究，該井水溫對遠場強震的響應形態(tài)總是表現為上升變化，水位的同震變化既有上升型也有下降型，由此可知水溫傳感器附近存在一個熱水含水層[14-15]。新04井井孔穿過破碎帶夾帶較多泥質砂巖和夾層薄砂巖砂、泥巖，裂隙節(jié)理發(fā)育,具備水溫同震上升的地質背景條件，當井孔受遠場強震振蕩激發(fā)后，該熱含水層所處裂隙總是處于擠壓狀態(tài)，在水位達到平衡狀態(tài)后，熱水停止向井內補給，水溫恢復原有背景值。該熱含水層向井孔內排泄熱水時，可能也帶入較多淤泥雜質逐漸沉積在井孔底部，恰好在2008年汶川MS8.0地震發(fā)生之后淤泥淤積到達探頭位置，導致新04井深層水溫在該地震之后再沒有記錄到同震響應，此后該水溫探頭附近井孔-含水層之間的水體再也無法正常交換。

另外，新04井自成井至今已有55年有余，從未進行過洗井和抽水，而該井的水體礦化度一直較高，水體中還常伴有少量絮狀物，從本次測出的水樣礦化度和之前的對比，發(fā)現井水礦化度已由1.66 g·L-1(1990年數據)增長到2.36 g·L-1，由此推斷井孔內造成水體礦化度上升，可能也是淤泥持續(xù)淤積的影響因素之一。

4 結論

通過新04井水溫梯度觀測試驗得到了該井現有水溫梯度結果，并結合該井所處水文地質構造和深層水溫同震響應特征等資料進行分析，得到幾點認識。

(1) 新04井井水溫度隨深度增加而上升，屬于正梯度，但水溫變化的線性度較差，井孔所處區(qū)域的特殊地質構造使得該井受多個含水層的影響，是導致水溫梯度轉折較多并表現出復雜變化特征的主要原因。

(2) 本次水溫梯度試驗僅做到該井98.3 m處，之后由于井孔內淤泥沉積，探頭便無法下放，判斷用于日常觀測水溫探頭埋深在井孔100 m處，已淹沒在淤泥之中。結合該井深層水溫同震響應特征和水樣的礦化度結果，認為新04井水溫探頭附近存在一熱含水層，由于每次遠場強震振蕩激發(fā)后，該熱含水層所處裂隙總是處于擠壓狀態(tài)，使其向井孔內排泄熱水的同時，也不斷向井內帶入較多淤泥和雜質沉積在井孔底部，造成井孔內淤泥淤積；另外，井孔內水體固體雜質的沉積也是造成淤泥持續(xù)淤積的影響因素之一。這一發(fā)現對該井今后資料分析時剔除無效信息提供了有效參考。

(3) 鑒于新04井深層水溫探頭已埋入淤泥，井孔有效深度由145.48 m減少至98.3 m，井孔-含水層之間的水體的滲流、交換條件已完全不同于成井之初，水位水溫的觀測都受到了嚴重影響，導致大量有效前兆信息無法獲取，建議及時對該井進行井孔清洗工作，并在清洗完畢后再次進行水溫梯度測試。