張亮娥，陳常俊，宮靜芝，范 磊，魏越超，呂永青

(1.山西省地震局太原地震監(jiān)測(cè)中心站，山西 太原 030025;2.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，山西 太原 030025)

0 引言

對(duì)井水溫度(以下簡(jiǎn)稱水溫)的觀測(cè)始于20世紀(jì)80年代，我國(guó)高精度水溫觀測(cè)始于1985年，在云南省和首都圈布設(shè)區(qū)域性臺(tái)網(wǎng)，獲得一些典型震例[1-2]。1988年11月6日云南7.6級(jí)地震時(shí)，首次獲得一組水溫前兆異常[3]，后來(lái)，1998年1月10日河北張北6.2級(jí)[4]、2007年6月2日云南普洱6.4級(jí)[5]等多次地震前均獲得多井的異常觀測(cè)資料。水溫觀測(cè)資料在地球物理場(chǎng)觀測(cè)與地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)中發(fā)揮出重要作用。

由于水溫動(dòng)態(tài)復(fù)雜，一些學(xué)者開始研究水溫各類動(dòng)態(tài)[6-8]。井水溫動(dòng)態(tài)反映的是溫度傳感器放置點(diǎn)的溫度波動(dòng)，與其放置的位置有關(guān)。研究表明，在同一口井觀測(cè)不同層位的水溫，結(jié)果不同。通過研究不同深度水溫動(dòng)態(tài)特征，及水溫動(dòng)態(tài)對(duì)地殼動(dòng)力作用響應(yīng)能力，可為傳感器的科學(xué)放置提供依據(jù)，推動(dòng)水溫觀測(cè)的規(guī)范化。

1 太原站晉7-1井基本情況

晉7-1井位于太原市晉祠鎮(zhèn)太原地震監(jiān)測(cè)中心站北墻外(見第2頁(yè)圖1)，成井于1981年，1983年11月8日，經(jīng)晉、冀、吉、黑4省地下水位觀測(cè)井網(wǎng)會(huì)議驗(yàn)收，正式納入華北井網(wǎng)，測(cè)項(xiàng)為井水位。成井深度765.78 m，現(xiàn)井深750 m，井口標(biāo)高828 m，水位觀測(cè)段在480 m以下(見第2頁(yè)圖2)。中國(guó)地震局“十五”項(xiàng)目時(shí)，增加水溫觀測(cè)，使用儀器為中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所生產(chǎn)的SZW-1A型數(shù)字式溫度計(jì)。2018年“華北儀器更新”項(xiàng)目時(shí)，儀器更新為中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所生產(chǎn)的SZW-Ⅱ型數(shù)字式溫度計(jì)。

圖1 太原站晉7-1井地理位置圖Fig.1 Geographic location map of Jin 7-1 well of Taiyuan Seismic Station

圖2 井孔柱狀圖Fig.2 Borehole histogram

晉7-1井水溫正式觀測(cè)始于2007年，儀器安裝前按照相關(guān)規(guī)范要求對(duì)井水溫梯度進(jìn)行測(cè)量[9]，傳感器放置在背景變化較小(小于0.003 ℃)的井底750 m處。2018年，儀器更新項(xiàng)目在測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)，傳感器置于梯度較大的700 m和較小的600 m處，背景噪聲變化一致。對(duì)此，臺(tái)站分析人員做了不同深度的日變化觀測(cè)，分析其變化特征，完善該井的基礎(chǔ)資料。

晉7-1井處于交城斷裂帶晉祠段北端的下盤，明仙溝口間歇河河床中，北、西、南三面環(huán)山。含水層為奧陶系下統(tǒng)和寒武系上統(tǒng)的石灰?guī)r、白云巖類，屬碳酸巖類巖溶地下水。上覆中奧陶系厚層灰?guī)r中的含水層均已進(jìn)行止水處理。地下水的補(bǔ)給區(qū)為西北和西部山區(qū)，補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水和汾河上游滲漏。

2 井水溫動(dòng)態(tài)變化分析

2.1 井水溫長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)

井水溫自觀測(cè)以來(lái)，總體變化呈上升趨勢(shì)。2008至2017年上升幅度為0.012 ℃，與該井同期水位變化趨勢(shì)一致，表明水位與水溫變化具有一定的相關(guān)性。2009至2012年，水位、水溫上升速率均相對(duì)較大，二者變化表現(xiàn)出正相關(guān)(見第3頁(yè)圖3)。計(jì)算出2009至2017年(2018年10月開始儀器更新、觀測(cè)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)化改造，數(shù)據(jù)缺失)，水位對(duì)水溫的影響為4.5×10-4(℃/m)；2009至2012年，水位對(duì)水溫的影響為5.9×10-4(℃/m)。

圖3 井水溫、水位日均值曲線圖Fig.3 Daily average curve of well water temperature and water level

2.2 井不同深度水溫日變化形態(tài)

水溫探頭的放置位置對(duì)井水溫度的觀測(cè)有較大影響[10]。2018年的水溫梯度測(cè)試結(jié)果表明，680至700 m深度的水溫梯度變化較大。將傳感器放置在700 m處，記錄數(shù)據(jù)背景噪聲較大；放置于梯度較小的620 m處，背景噪聲無(wú)明顯變化；再放置在750 m處(原傳感器深度)，數(shù)據(jù)變化仍不穩(wěn)定。為找出原因，進(jìn)行不同深度日變化的測(cè)試。第4頁(yè)圖4為晉7-1井不同深度水溫日變化曲線圖，將傳感器置于100 m深度，水溫具有明顯的類似潮汐日變化，日變幅約0.002 ℃，背景噪聲小于0.001 ℃；在300 m、500 m、700 m的深度，水溫?zé)o明顯日變化，表現(xiàn)為某一溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定變化，背景變化約0.01 ℃；在750 m(井底)，水溫?zé)o明顯日變化，表現(xiàn)為某一溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定變化，背景變化小于0.001 ℃。

圖4 不同深度井水溫日變化曲線圖Fig.4 Daily variation curve of well water temperature at different depths

3 井水溫動(dòng)態(tài)變化原因分析

2006年，“十五”項(xiàng)目?jī)x器安裝之前的深度間隔為25 m；2018年10月儀器更新之前，間隔縮短為10 m，從兩次的梯度測(cè)試結(jié)果看，時(shí)間上相差12年，但測(cè)量曲線形態(tài)基本吻合，個(gè)別不吻合可能是由于每次選取的步長(zhǎng)不一導(dǎo)致。第4頁(yè)圖5顯示，140 m井段處存在一負(fù)梯度段，150至200 m處溫度梯度幾乎為0。觀測(cè)井柱狀圖顯示，75至320 m裂隙溶洞發(fā)育，可能會(huì)導(dǎo)致該深度水上下交替劇烈，水溫梯度為0。傳感器投放不同深度出現(xiàn)日變化動(dòng)態(tài)不一致的原因從以下兩方面進(jìn)行分析。

圖5 井水溫梯度及井孔柱狀圖Fig.5 Well water temperature gradient and borehole histogram

(1) 傳感器置于100 m、750 m深度，水溫日變幅小，對(duì)比水溫梯度實(shí)驗(yàn)資料分析，該段水溫梯度屬變化平穩(wěn)區(qū)。

(2) 傳感器置于300 m、500 m、700 m深度，水溫?zé)o明顯日變化，在一定溫度范圍內(nèi)振蕩起伏，程度不同，隨深度增加日變幅增加，在0.007～0.001 ℃之間，未能反映觀測(cè)井水溫日變特征。參照水溫梯度實(shí)驗(yàn)結(jié)果，250～375 m、475～525 m、650～725 m處水溫梯度較大，變化幅度大是導(dǎo)致水溫動(dòng)態(tài)變化特征的主要影響因素。

車用太等根據(jù)精細(xì)測(cè)量的水溫梯度實(shí)驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為，水溫微動(dòng)態(tài)特征在很大程度上取決于水溫傳感器所放置深度的溫度梯度特征[11]。晉7-1井水溫梯度實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，井200 m之下為正梯度，即隨著深度的增加水溫升高。2008年以來(lái)，受煤礦整合、引黃入晉等系列政策影響，區(qū)域內(nèi)地下水開采減少，含水層中地下水流入井中，井水位上升，水溫傳感器埋深增加，導(dǎo)致傳感器之處的水溫升高，出現(xiàn)了近年來(lái)的井水溫與水位同步上升的變化。

4 結(jié)論與討論

通過對(duì)晉7-1井水溫長(zhǎng)趨勢(shì)變化及不同深度日變化實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：

(1) 晉7-1井水溫總體是隨著井深度的增加而增加，在90至200 m出現(xiàn)溫度梯度為負(fù)或零的現(xiàn)象，主要原因是該井在75～320 m裂隙溶洞發(fā)育，造成該段內(nèi)水補(bǔ)給循環(huán)加快導(dǎo)致溫度下降。

(2) 觀測(cè)井所處位置構(gòu)造應(yīng)力應(yīng)變變化會(huì)對(duì)井的物理(水位、水溫)、化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響[12]，大氣降水、地表水的滲入是影響水溫動(dòng)態(tài)的因素[6]，同時(shí)，也是水位上升的影響因素。晉7-1井水位2008年以來(lái)呈上升趨勢(shì)，主要原因是受煤礦整合、引黃入晉等系列政策影響，區(qū)域內(nèi)地下水開采減少。水位上升時(shí)，含水層高溫水流入量增加，井筒中水溫升高，水溫、水位趨勢(shì)變化呈正相關(guān)。

(3) 晉7-1井傳感器置于750 m(井底)時(shí)，觀測(cè)結(jié)果介于水溫和地溫之間，觀測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，背景變化小于0.002 ℃；在100 m時(shí)，背景變化小于0.002 ℃，具有類似潮汐的日變化動(dòng)態(tài)；其他深度觀測(cè)到的日變化不明顯，其原因目前暫無(wú)定論。有學(xué)者認(rèn)為，水溫潮汐現(xiàn)象明顯的井多為自流井或曾經(jīng)為自流井[13]，晉7-1井為非自流井，需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)、探討。

(4) 鑒于晉7-1井正負(fù)梯度交錯(cuò)及不同深度日變化不一致等現(xiàn)象，建議開展同井不同深度的多層位觀測(cè)研究。

感謝中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所張彬和何案華兩位老師對(duì)文章提出的寶貴意見！