新疆温泉井水温梯度观测实验及结果分析*

何案华 汪成国 李晓东 高守权 赵 刚 邹 广

1)中国地震局地壳应力研究所(地壳动力学重点实验室)，北京 100085

2)新疆维吾尔自治区地震局，乌鲁木齐830011

1 引言

我国地震地下流体自20世纪80年代研发出高精度石英温度计［1］以来，已在全国360 多口观测井进行水(地)温动态观测，以此为基础组建了我国地热前兆观测网络。该网络曾多次记录到地震前水温异常现象，其中2007年宁洱6.4级地震前大范围同步异常尤为显著［2，3］;另外还在多次特大地震时记录到同震阶变现象［4，5］。然而对观测资料的研究表明，水既带有丰富的地壳运动信息，同时也由于地下水运动的复杂性，导致用水(地)温变化进行地震预测变得更为复杂。譬如井水温度微动态变化形成条件及其机理十分复杂，在一口井的不同深度观测到的井水温度微动态特征差异明显［4］，不仅其变化幅度不同，甚至变化形态及变化过程与持续时间等也不相同。对这种差异的形成机理，一些学者提出了井水温度微动态形成机理水热动力学的对流机制、地热动力学的传导机制等［5，6］，但这两种理论对上述复杂现象的成因尚不能给出圆满的解释。

针对这种状况，作者在新疆温泉地下流体观测井中开展了一系列探索性研究。本文将结合井孔柱状图、多层位水温微动态观测等，介绍温泉井水温梯度的高精度观测实验方法及分析结果。

2 观测井概况

温泉井又称新30 井，位于新疆维吾尔自治区温泉县三泉疗养院内，海拔高1 323 m。该井于2006年12月开始进行以地震前兆监测为目的的水位水温观测。该井地处博尔塔拉河谷之南缘地区，井区内主要发育有中石炭统凝灰质砂岩与花岗斑岩，上覆地层为厚仅几米的含大量碎石的第四系冲积洪积粘性土。井点位于博尔塔拉断陷谷地南缘断裂之南，该断裂为高角度正断层，走向近东西，倾向北，倾角75° ～85°。

根据地质勘探结果，该井完工深度为304 m，现今深度为212 m。井孔结构、围岩岩性与含水性及其温度与视电阻率测试结果如图1 所示。由图1 可见，井孔结构:0 ～24.77 m 设ф293 mm 套管，24.77～62.00 m 设ф159 mm 套管，以下为ф222 mm 祼孔;围岩主要为中石炭统凝灰质砂岩与上古代侵入岩，其岩性为花斑岩与霏细岩;钻孔揭露出有多层破碎带，其深度分别为2.5 ～65 m、77 ～91 m、104 ～124 m、130 ～141 m、164 ～173 m、187 ～196 m，视电阻率测井结果表明破碎带为低阻性，是主要含水段。温度测井结果表明，井孔内水温较高，30 m 处为29℃，52 m 处为31.3 ℃，109 m 处为33.5 ℃，110 ～115 m 深度段为高梯度段，至186 m 水温达37.8℃;然后水温呈负梯度下降特征，212 m 降至33.3℃。依此判定，主要热水层段为107 ～186 m(特别是110 ～115 m 深度段)，186 m 以下为相对冷水段。

3 观测实验

井水温度观测梯度实验于2012年7月13—15日进行;采用SZW-1A 型数字式温度计，该水温传感器的分辨率为0.000 1℃，观测精度不低于0.01 ℃，数据采样率为1 次/分钟。

观测实验始于13日17:00 时，当时井水位埋深为3.79 m，气温为25.1 ℃。由井口开始，0 ～70 m井段每10 m 深度测一组水温，75 ～210 m 井段每5 m 深度测一组水温;除75 m 与180 m 二个深度上观测了12 个小时左右外，其他每一个深度上连续观测30 分钟。整个试验是分深度段、连续间隔性观测的，观测数据由计算机现场采集与处理。

图1 井孔结构与围岩岩性、含水性、温度、视电阻率测试结果① 新疆第二水文工程地质大队地热地质勘查报告［R］.2003.Fig.1 wall-rock litho-logy，aquosity，temperature and apparent resistivity of the well

3.1 各个深度半小时动态特征

经统计研究，在每个测量深度上，井水温度随时间变化可以表示为

式中，T(t)为某一时刻水温，t 为时间点(分钟)，a、b、c、d 为常数。可以看出，水温随时间变化的基本特征是急速变化后逐渐趋于稳定;在水温正梯度段，水温急速变化是由低变高，而在水温负梯度段则为由高变低。图2 为该井4 个典型深度段水温半小时动态曲线。

由图2 可见，不同深度上的水温半小时动态特征有共性，但也有差异性。最明显的共性是变化的形态基本一致，都是对数曲线;但变化的细节有明显的差异:1)水温由急剧升降变化转变为稳定的时间长度10 ～20 分钟不等，总体上浅部(20 ～50 m)短，约10 分钟，中部(60 ～180 m)长，多为15 ～20 分钟，其中个别深度段较短(120、140 m 等);2)水温急剧变化段(梯度变化幅度大的层位)水温实际动态与拟合曲线吻合程度，浅部(20 ～70 m)差，深部(80 m以下)好;3)水温动态稳定段特征，有三种不同情况:第一种情况是水温十分稳定，实际动态与拟合曲线基本吻合(50 ～80 m、90 ～120 m);第二种情况是水温不十分稳定，在平稳背景上上下波动(90 ～120 m、140 ～170 m);第三种情况是水温仍有趋势变化，略呈上升趋势(130、150、170 m);4)180 m 深度上水温动态持续观测了13 个半小时(约800 分钟)，其动态特征表现更为复杂，水温动态急剧上升过程持续了约200 分钟，然后呈缓慢下降趋势。

图2 四个典型的深度半小时动态曲线及拟合结果Fig.2 Typical dynamic curves in four depths and fitting results

分析结果表明，上述的差异性，主要取决于井孔的水文地质特征，即井孔的结构、井孔中含水层的分布及地下水温度的变化等［7］。井孔浅层水温急剧上升变化过程段，水温稳定时间短与该井段内下设有套管(0 ～62 m)、井水不受含水层地下水的直接有关;井孔中部水温稳定段中“稳中有起伏”，可能与该井段主要处在隔水段或非含水层段，但其下部又有一小截为含水层的水文地质特征有关，其中个别“稳中略升”的井段可能与该井发育在热水层有关;180 m 深度是井孔围岩中热水层与相对“冷”水层的分界，以上发育在热水层，以下发育在相对冷水层(水温降到32 ～33 ℃)，因此表现为半小时动态上、下截然不同，水温稳定而又呈下降趋势等特征(图3)。

图3 180 米处水温稳定过程Fig.3 A stable process of water-temperature in 180-meter

3.2 各井段的水温梯度特征

井深10 ～70 m、每10 m 的测试结果与井深75～205 m、每5 m 的测试结果构成的测井段水温梯度，如图4。

图4 水温梯度测量结果Fig.4 Water-temperature gradient

由图4 可见，水温梯度变化较大。180 m 井段以上的为正梯度段，即随深度水温升高，180 m 以下则为负梯度段，随深度水温下降;正梯度段内最大为34.3 ℃/hm(30 ～40 m 井段)，最小仅0.5 ℃/hm(175 ～180 m 井段)，多数在4 ～10 ℃(60 ～170 m井段);正梯度段又可分为二段，10 ～60 m 深度段为特高梯度带(＞10 ℃/hm)，60 ～170 m 深度段为高梯度带(＜10 ℃/hm)，但其中也有个别高梯度带(90 ～120 m 井段，8 ～12 ℃/hm)与个别特低梯度带(140 ～145 m，155 ～160 m，＜3 ℃/hm);负梯度段内，最大为－11.3 ℃/hm，最小为－5.9 ℃/hm，多数为－6.0 ～－8.0 ℃/hm。可见该井孔中水温梯度极不均匀。梯度的不均一性与井孔水文地质条件密切相关。10 ～60 m 井段为围岩破碎等(2.5 ～65 m)，是深部高温热水上漏的主要通道。正梯度段内的水温高梯度异常段(105 ～120 m，160 ～175 m)或低梯度异常段(70 ～90 m，135 ～165 m)都与围岩破碎、电阻率低的含水层段相吻合，证明各个含水层中渗出的地下水温度有高低之差，即高梯度带渗出的水温相对高，低梯度带渗出的水温相对低;水温梯度变化最大的是170 ～185 m 井段，由12.6 ℃/hm 降到－11.3 ℃/n，梯度变化剧烈与该深度为冷热水交界有关。

3.3 井孔水温梯度对井水温度微动态特征的影响分析

为了分析不同层位水温变化特性与井孔水文地质条件之间关系，汪成国［8］于2010年1 ～2月间进行了140 ～185 m 不同深度上的水温微动态观测，观测结果表明，水温的日起伏度随观测深度的增加而逐渐变小，即水温微动态随深度而趋于平稳;观测深度为180 m 与185 m 时水温微动态显示出潮汐变化，日潮差为0.004 7 ～0.006 4 ℃。

4 结论

1)从130、140、190、200 m 四个曲线拟合结果可以看出，温度稳定过程遵循指数函数规律，只在稳定所需时间上略有区别。130、140 m 处10 分钟后基本已经稳定，但仍有着较明显的小幅上升趋势;而190、200 m 处稳定时间相对较快，15 分钟后已经看不出趋势性变化。另外从拟合中的预期范围也可以得到同样的结论，在预期范围95%基础上，深部明显小于浅部。经过水样抽取时发现，190 m 处井孔内呈淤泥状，一定程度上削弱了该处水交替的剧烈程度，淤泥状的水对水温到了滤波作用，从而出现上述现象，深部水稳定速度、稳定程度都优于浅层水;由此可见，水温响应特性跟传感器所处的位置的地质特征、地下水类型有着十分紧密的联系。地震前兆中地热观测手段，由于水的参与，使其观测过程、反应机理变得极其复杂多变;井与井之间、同一口井中不同部位之间，其变化过程都需进行现场确认、观测才可能得到确切的答案。

2)从水温梯度看，存在正梯度段(最大达34.3℃/hm)与负梯度段(最小达－5.9 ℃/hm);另外从不同深度动态响应特征看，180 m 水温表现出较为明显的地球潮汐现象，而其他观测段没有出现。

3)从梯度测量数据还可以看出，其梯度拐点的出现，一般距离为5 ～10 m;以此来看，在井孔内地质结构较复杂段进行梯度测量时，其间隔宜小不宜大，以免遗漏许多信息。每点固定稳定时间不应小于30 分钟。

致谢感谢车用太研究员、许秋龙、王建国高级工程师的悉心指导，以及新疆温泉地震台、新疆自治区地震局地下流体中心同仁的倾力协助!

1 付子忠.地热动态观测与地热前兆［J］.地壳构造与地壳应力，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 刘耀炜，等.井孔水温异常与2007年宁洱6.4级地震关系分析［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 车用太，等.张北-尚义地震的地下流体异常场及其成因分析［J］.地震学报，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.地热观测资料清理及映震能力分析［J］.地震学报，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)

5 赵刚，等.地热对汶川8.0级地震的同震响应及震后调整［J］.大地测量与地球动力学，2009，(2):29－32.(Zhao Gang.Co-seismic response and post-seismic effect of geothermic on Wenchuan Ms8.0 earthquake［J］.Journal of Geodesy and Geodynamic，2009，(2):29－32)

6 冯恩国，王华.我国地震地下流体观测现状的调查与分析［J］.地震与地磁观测研究，2012，32(3):37－46.(Feng Enguo and Wang Hua.Investigation and analysis on the current status of the seismic underground fluid observation in China［J］.Seismologic and Geomagnetic Observation and Research，2012，32(3):37－46)

7 刘炜.动力加载作用与地下水特征动态过程比较［D］.中国地质大学(北京)，2009.(Liu Yaowei.Dynamic loading and physical dynamics process of groundwater［D］.China University of Geosciences，2009)

8 汪成国，等.新30 井不同深度下的水温观测试验及其结果［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)