何案華 汪成國(guó) 李曉東 高守權(quán) 趙 剛 鄒 廣

1)中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所(地殼動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)，北京 100085

2)新疆維吾爾自治區(qū)地震局，烏魯木齊830011

1 引言

我國(guó)地震地下流體自20世紀(jì)80年代研發(fā)出高精度石英溫度計(jì)［1］以來(lái)，已在全國(guó)360 多口觀測(cè)井進(jìn)行水(地)溫動(dòng)態(tài)觀測(cè)，以此為基礎(chǔ)組建了我國(guó)地?zé)崆罢子^測(cè)網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)曾多次記錄到地震前水溫異?，F(xiàn)象，其中2007年寧洱6.4級(jí)地震前大范圍同步異常尤為顯著［2，3］;另外還在多次特大地震時(shí)記錄到同震階變現(xiàn)象［4，5］。然而對(duì)觀測(cè)資料的研究表明，水既帶有豐富的地殼運(yùn)動(dòng)信息，同時(shí)也由于地下水運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，導(dǎo)致用水(地)溫變化進(jìn)行地震預(yù)測(cè)變得更為復(fù)雜。譬如井水溫度微動(dòng)態(tài)變化形成條件及其機(jī)理十分復(fù)雜，在一口井的不同深度觀測(cè)到的井水溫度微動(dòng)態(tài)特征差異明顯［4］，不僅其變化幅度不同，甚至變化形態(tài)及變化過(guò)程與持續(xù)時(shí)間等也不相同。對(duì)這種差異的形成機(jī)理，一些學(xué)者提出了井水溫度微動(dòng)態(tài)形成機(jī)理水熱動(dòng)力學(xué)的對(duì)流機(jī)制、地?zé)釀?dòng)力學(xué)的傳導(dǎo)機(jī)制等［5，6］，但這兩種理論對(duì)上述復(fù)雜現(xiàn)象的成因尚不能給出圓滿的解釋。

針對(duì)這種狀況，作者在新疆溫泉地下流體觀測(cè)井中開(kāi)展了一系列探索性研究。本文將結(jié)合井孔柱狀圖、多層位水溫微動(dòng)態(tài)觀測(cè)等，介紹溫泉井水溫梯度的高精度觀測(cè)實(shí)驗(yàn)方法及分析結(jié)果。

2 觀測(cè)井概況

溫泉井又稱新30 井，位于新疆維吾爾自治區(qū)溫泉縣三泉療養(yǎng)院內(nèi)，海拔高1 323 m。該井于2006年12月開(kāi)始進(jìn)行以地震前兆監(jiān)測(cè)為目的的水位水溫觀測(cè)。該井地處博爾塔拉河谷之南緣地區(qū)，井區(qū)內(nèi)主要發(fā)育有中石炭統(tǒng)凝灰質(zhì)砂巖與花崗斑巖，上覆地層為厚僅幾米的含大量碎石的第四系沖積洪積粘性土。井點(diǎn)位于博爾塔拉斷陷谷地南緣斷裂之南，該斷裂為高角度正斷層，走向近東西，傾向北，傾角75° ～85°。

根據(jù)地質(zhì)勘探結(jié)果，該井完工深度為304 m，現(xiàn)今深度為212 m。井孔結(jié)構(gòu)、圍巖巖性與含水性及其溫度與視電阻率測(cè)試結(jié)果如圖1 所示。由圖1 可見(jiàn)，井孔結(jié)構(gòu):0 ～24.77 m 設(shè)ф293 mm 套管，24.77～62.00 m 設(shè)ф159 mm 套管，以下為ф222 mm 祼孔;圍巖主要為中石炭統(tǒng)凝灰質(zhì)砂巖與上古代侵入巖，其巖性為花斑巖與霏細(xì)巖;鉆孔揭露出有多層破碎帶，其深度分別為2.5 ～65 m、77 ～91 m、104 ～124 m、130 ～141 m、164 ～173 m、187 ～196 m，視電阻率測(cè)井結(jié)果表明破碎帶為低阻性，是主要含水段。溫度測(cè)井結(jié)果表明，井孔內(nèi)水溫較高，30 m 處為29℃，52 m 處為31.3 ℃，109 m 處為33.5 ℃，110 ～115 m 深度段為高梯度段，至186 m 水溫達(dá)37.8℃;然后水溫呈負(fù)梯度下降特征，212 m 降至33.3℃。依此判定，主要熱水層段為107 ～186 m(特別是110 ～115 m 深度段)，186 m 以下為相對(duì)冷水段。

3 觀測(cè)實(shí)驗(yàn)

井水溫度觀測(cè)梯度實(shí)驗(yàn)于2012年7月13—15日進(jìn)行;采用SZW-1A 型數(shù)字式溫度計(jì)，該水溫傳感器的分辨率為0.000 1℃，觀測(cè)精度不低于0.01 ℃，數(shù)據(jù)采樣率為1 次/分鐘。

觀測(cè)實(shí)驗(yàn)始于13日17:00 時(shí)，當(dāng)時(shí)井水位埋深為3.79 m，氣溫為25.1 ℃。由井口開(kāi)始，0 ～70 m井段每10 m 深度測(cè)一組水溫，75 ～210 m 井段每5 m 深度測(cè)一組水溫;除75 m 與180 m 二個(gè)深度上觀測(cè)了12 個(gè)小時(shí)左右外，其他每一個(gè)深度上連續(xù)觀測(cè)30 分鐘。整個(gè)試驗(yàn)是分深度段、連續(xù)間隔性觀測(cè)的，觀測(cè)數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)現(xiàn)場(chǎng)采集與處理。

圖1 井孔結(jié)構(gòu)與圍巖巖性、含水性、溫度、視電阻率測(cè)試結(jié)果① 新疆第二水文工程地質(zhì)大隊(duì)地?zé)岬刭|(zhì)勘查報(bào)告［R］.2003.Fig.1 wall-rock litho-logy，aquosity，temperature and apparent resistivity of the well

3.1 各個(gè)深度半小時(shí)動(dòng)態(tài)特征

經(jīng)統(tǒng)計(jì)研究，在每個(gè)測(cè)量深度上，井水溫度隨時(shí)間變化可以表示為

式中，T(t)為某一時(shí)刻水溫，t 為時(shí)間點(diǎn)(分鐘)，a、b、c、d 為常數(shù)。可以看出，水溫隨時(shí)間變化的基本特征是急速變化后逐漸趨于穩(wěn)定;在水溫正梯度段，水溫急速變化是由低變高，而在水溫負(fù)梯度段則為由高變低。圖2 為該井4 個(gè)典型深度段水溫半小時(shí)動(dòng)態(tài)曲線。

由圖2 可見(jiàn)，不同深度上的水溫半小時(shí)動(dòng)態(tài)特征有共性，但也有差異性。最明顯的共性是變化的形態(tài)基本一致，都是對(duì)數(shù)曲線;但變化的細(xì)節(jié)有明顯的差異:1)水溫由急劇升降變化轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的時(shí)間長(zhǎng)度10 ～20 分鐘不等，總體上淺部(20 ～50 m)短，約10 分鐘，中部(60 ～180 m)長(zhǎng)，多為15 ～20 分鐘，其中個(gè)別深度段較短(120、140 m 等);2)水溫急劇變化段(梯度變化幅度大的層位)水溫實(shí)際動(dòng)態(tài)與擬合曲線吻合程度，淺部(20 ～70 m)差，深部(80 m以下)好;3)水溫動(dòng)態(tài)穩(wěn)定段特征，有三種不同情況:第一種情況是水溫十分穩(wěn)定，實(shí)際動(dòng)態(tài)與擬合曲線基本吻合(50 ～80 m、90 ～120 m);第二種情況是水溫不十分穩(wěn)定，在平穩(wěn)背景上上下波動(dòng)(90 ～120 m、140 ～170 m);第三種情況是水溫仍有趨勢(shì)變化，略呈上升趨勢(shì)(130、150、170 m);4)180 m 深度上水溫動(dòng)態(tài)持續(xù)觀測(cè)了13 個(gè)半小時(shí)(約800 分鐘)，其動(dòng)態(tài)特征表現(xiàn)更為復(fù)雜，水溫動(dòng)態(tài)急劇上升過(guò)程持續(xù)了約200 分鐘，然后呈緩慢下降趨勢(shì)。

圖2 四個(gè)典型的深度半小時(shí)動(dòng)態(tài)曲線及擬合結(jié)果Fig.2 Typical dynamic curves in four depths and fitting results

分析結(jié)果表明，上述的差異性，主要取決于井孔的水文地質(zhì)特征，即井孔的結(jié)構(gòu)、井孔中含水層的分布及地下水溫度的變化等［7］。井孔淺層水溫急劇上升變化過(guò)程段，水溫穩(wěn)定時(shí)間短與該井段內(nèi)下設(shè)有套管(0 ～62 m)、井水不受含水層地下水的直接有關(guān);井孔中部水溫穩(wěn)定段中“穩(wěn)中有起伏”，可能與該井段主要處在隔水段或非含水層段，但其下部又有一小截為含水層的水文地質(zhì)特征有關(guān)，其中個(gè)別“穩(wěn)中略升”的井段可能與該井發(fā)育在熱水層有關(guān);180 m 深度是井孔圍巖中熱水層與相對(duì)“冷”水層的分界，以上發(fā)育在熱水層，以下發(fā)育在相對(duì)冷水層(水溫降到32 ～33 ℃)，因此表現(xiàn)為半小時(shí)動(dòng)態(tài)上、下截然不同，水溫穩(wěn)定而又呈下降趨勢(shì)等特征(圖3)。

圖3 180 米處水溫穩(wěn)定過(guò)程Fig.3 A stable process of water-temperature in 180-meter

3.2 各井段的水溫梯度特征

井深10 ～70 m、每10 m 的測(cè)試結(jié)果與井深75～205 m、每5 m 的測(cè)試結(jié)果構(gòu)成的測(cè)井段水溫梯度，如圖4。

圖4 水溫梯度測(cè)量結(jié)果Fig.4 Water-temperature gradient

由圖4 可見(jiàn)，水溫梯度變化較大。180 m 井段以上的為正梯度段，即隨深度水溫升高，180 m 以下則為負(fù)梯度段，隨深度水溫下降;正梯度段內(nèi)最大為34.3 ℃/hm(30 ～40 m 井段)，最小僅0.5 ℃/hm(175 ～180 m 井段)，多數(shù)在4 ～10 ℃(60 ～170 m井段);正梯度段又可分為二段，10 ～60 m 深度段為特高梯度帶(＞10 ℃/hm)，60 ～170 m 深度段為高梯度帶(＜10 ℃/hm)，但其中也有個(gè)別高梯度帶(90 ～120 m 井段，8 ～12 ℃/hm)與個(gè)別特低梯度帶(140 ～145 m，155 ～160 m，＜3 ℃/hm);負(fù)梯度段內(nèi)，最大為－11.3 ℃/hm，最小為－5.9 ℃/hm，多數(shù)為－6.0 ～－8.0 ℃/hm?？梢?jiàn)該井孔中水溫梯度極不均勻。梯度的不均一性與井孔水文地質(zhì)條件密切相關(guān)。10 ～60 m 井段為圍巖破碎等(2.5 ～65 m)，是深部高溫?zé)崴下┑闹饕ǖ?。正梯度段?nèi)的水溫高梯度異常段(105 ～120 m，160 ～175 m)或低梯度異常段(70 ～90 m，135 ～165 m)都與圍巖破碎、電阻率低的含水層段相吻合，證明各個(gè)含水層中滲出的地下水溫度有高低之差，即高梯度帶滲出的水溫相對(duì)高，低梯度帶滲出的水溫相對(duì)低;水溫梯度變化最大的是170 ～185 m 井段，由12.6 ℃/hm 降到－11.3 ℃/n，梯度變化劇烈與該深度為冷熱水交界有關(guān)。

3.3 井孔水溫梯度對(duì)井水溫度微動(dòng)態(tài)特征的影響分析

為了分析不同層位水溫變化特性與井孔水文地質(zhì)條件之間關(guān)系，汪成國(guó)［8］于2010年1 ～2月間進(jìn)行了140 ～185 m 不同深度上的水溫微動(dòng)態(tài)觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果表明，水溫的日起伏度隨觀測(cè)深度的增加而逐漸變小，即水溫微動(dòng)態(tài)隨深度而趨于平穩(wěn);觀測(cè)深度為180 m 與185 m 時(shí)水溫微動(dòng)態(tài)顯示出潮汐變化，日潮差為0.004 7 ～0.006 4 ℃。

4 結(jié)論

1)從130、140、190、200 m 四個(gè)曲線擬合結(jié)果可以看出，溫度穩(wěn)定過(guò)程遵循指數(shù)函數(shù)規(guī)律，只在穩(wěn)定所需時(shí)間上略有區(qū)別。130、140 m 處10 分鐘后基本已經(jīng)穩(wěn)定，但仍有著較明顯的小幅上升趨勢(shì);而190、200 m 處穩(wěn)定時(shí)間相對(duì)較快，15 分鐘后已經(jīng)看不出趨勢(shì)性變化。另外從擬合中的預(yù)期范圍也可以得到同樣的結(jié)論，在預(yù)期范圍95%基礎(chǔ)上，深部明顯小于淺部。經(jīng)過(guò)水樣抽取時(shí)發(fā)現(xiàn)，190 m 處井孔內(nèi)呈淤泥狀，一定程度上削弱了該處水交替的劇烈程度，淤泥狀的水對(duì)水溫到了濾波作用，從而出現(xiàn)上述現(xiàn)象，深部水穩(wěn)定速度、穩(wěn)定程度都優(yōu)于淺層水;由此可見(jiàn)，水溫響應(yīng)特性跟傳感器所處的位置的地質(zhì)特征、地下水類型有著十分緊密的聯(lián)系。地震前兆中地?zé)嵊^測(cè)手段，由于水的參與，使其觀測(cè)過(guò)程、反應(yīng)機(jī)理變得極其復(fù)雜多變;井與井之間、同一口井中不同部位之間，其變化過(guò)程都需進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)、觀測(cè)才可能得到確切的答案。

2)從水溫梯度看，存在正梯度段(最大達(dá)34.3℃/hm)與負(fù)梯度段(最小達(dá)－5.9 ℃/hm);另外從不同深度動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征看，180 m 水溫表現(xiàn)出較為明顯的地球潮汐現(xiàn)象，而其他觀測(cè)段沒(méi)有出現(xiàn)。

3)從梯度測(cè)量數(shù)據(jù)還可以看出，其梯度拐點(diǎn)的出現(xiàn)，一般距離為5 ～10 m;以此來(lái)看，在井孔內(nèi)地質(zhì)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜段進(jìn)行梯度測(cè)量時(shí)，其間隔宜小不宜大，以免遺漏許多信息。每點(diǎn)固定穩(wěn)定時(shí)間不應(yīng)小于30 分鐘。

致謝感謝車用太研究員、許秋龍、王建國(guó)高級(jí)工程師的悉心指導(dǎo)，以及新疆溫泉地震臺(tái)、新疆自治區(qū)地震局地下流體中心同仁的傾力協(xié)助!

1 付子忠.地?zé)釀?dòng)態(tài)觀測(cè)與地?zé)崆罢祝跩］.地殼構(gòu)造與地殼應(yīng)力，1998，1(1):1－7.(Fu Zizhong.The dynamic observation of geothermal and geothermal precursor［J］.Crustal Structure and Crustal Stress，1998，1(1):1－7)

2 劉耀煒，等.井孔水溫異常與2007年寧洱6.4級(jí)地震關(guān)系分析［J］.地震研究，2008，31(4):347－353.(Liu Yaowei，et al.Relationship between bore-hole water temperature anomaly and the 2007 Ning’er M6.4 earthquake［J］.Journal of Seismological Research，2008，31(40):347－353)

3 車用太，等.張北-尚義地震的地下流體異常場(chǎng)及其成因分析［J］.地震學(xué)報(bào)，1999，21(2):194－201.(Che Yongtai，et al.The anomalous field of underground fluids related to the Zhangbei-Shangyi earthquake and formation cause［J］.Acta Seismological Sinica，1999，21(2):194－201)

4 王瑜青.地?zé)嵊^測(cè)資料清理及映震能力分析［J］.地震學(xué)報(bào)，1994，16(增刊):148－152.(Wang Yuqing.Analysis of the ability of geothermal observations reflecting earthquakes［J］.Acta Seismological Sinica，1994，16(supplement):148－152)

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7 劉煒.動(dòng)力加載作用與地下水特征動(dòng)態(tài)過(guò)程比較［D］.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)，2009.(Liu Yaowei.Dynamic loading and physical dynamics process of groundwater［D］.China University of Geosciences，2009)

8 汪成國(guó)，等.新30 井不同深度下的水溫觀測(cè)試驗(yàn)及其結(jié)果［J］.地震，2012，32(3):37－46.(Wang Chengguo，et al.Water temperature observation test and results at different depths of the new 30 well［J］.Earthquake，2012，32(3):37－46)