青海水温（地温）观测台网井孔动态背景

李 滔王秋宁

1）中国西宁810001青海省地震局

2）中国西安710068陕西省地震局

青海水温（地温）观测台网井孔动态背景

李 滔1）王秋宁2）

1）中国西宁810001青海省地震局

2）中国西安710068陕西省地震局

通过对青海水温（地温）观测台网各井孔动态背景分析，确定各井孔水温（地温）动态变化类型，并对井孔性质与水温（地温）动态类型之间的关系、升温型井孔特征及引起水温（地温）动态变动的原因等进行研究。结果认为，青海水温（地温）观测台网中，各井孔水温（地温）动态背景与水文性质具有一定关系。升温型井孔变化形态表现为准斜直线上升和弧线上升，每种曲线形态各井孔数据间具有较好相关性，但曲线的上升速率与井孔的地理位置、水文性质、地质构造等关系不明显。水温（地温）动态的明显变化与观测系统变动、对比观测仪器间的相互影响有关，在此基础上，提出加强监测系统检查维护及改进对比观测的建议。

水温；地温；台网；动态背景

0 引言

地下流体具有活跃的物理化学性质，与地壳的固体介质发生相互作用，在地壳运动和地震过程中具有独特作用。地壳岩石因受力膨胀或压缩，或者地壳内部流体的迁移，会引起地下水位的升降变化，同时造成地下流体多种化学组分含量的变化；岩石变形及地下流体迁移，因热效应与地热再分配，亦造成水温等地热因子的改变。目前，地下流体动态监测已成为中国地震前兆监测3大手段之一（中国地震局监测预报司，2000）。“十五”计划开展以来，青海省建成一批数字化流体观测项目，与模拟人工观测及“九五”数字化观测，共同组成青海流体观测台网，其中水温（地温）均为数字化观测，其台网规模最大。

近年来，多位专家学者对水温（地温）变化动态进行了相关研究。车用太等（2003）将井水温度动态类型分为多年、年、月和日动态），认为影响水温动态类型的因素有：大气降水的渗入补给、地表水的侧向补给、邻井地下水开采、观测井内井水扰动及仪器自身不稳定性等。赵刚等（2009）通过对水温（地温）前兆台站观测资料的整理分析，归纳6类水温（地温）长期正常动态和4类水温（地温）短期正常动态，并对不同水温（地温）正常动态类型成因进行了分析。邱鹏成等（2010）分析了青海数字化水温（地温）井的观测现状及年、月、日不同层次的动态特征，并对地震前兆观测效能作了宏观评估。

青海水温（地温）观测台网自投入运行以来，各井孔观测数据呈现不同动态背景特征。本文选取该观测台网2008年1月1日以来观测资料，总结并分析其动态背景、动态特征及产生原因。

1 观测背景

1.1 台网概况

青海流体观测台网目前有观测井孔17个，包括自流井5个，静水位井7个，干井5个。其中，青海水温（地温）观测台网共有水温（地温）观测井孔15个，其中水温井10个，地温井5个。青海流体观测台网井孔参数见表1，观测井孔分布见图1。

1.2 仪器参数

青海水温（地温）观测台网主要配备中国地震局地壳应力研究所研制的SZW-1A数字式温度计，个别台站安装北京中科光大自动化技术有限公司生产的ZKGD300-N型地下流体自动监测系统作为对比观测仪器。

SZW-1A数字式温度计采样率为1次/min和1次/h（整点值）两种，适用于井水温日变幅≤0.01℃的井孔，仪器的分辨力≤0.000 l℃，观测精度≤0.05℃，短期稳定性≤ 0.000 1℃/d，长期稳定性≤0.001℃/a，传感器耐压性≥10 MPa。

图1　青海水温（地温）观测井孔分布Fig.1 Distribution map of Qinghai water temperature（ground temperature）borehole observation network

表1　青海流体观测台网井孔参数Table 1 Basic situation table of borehole fluid network in Qinghai Province

2 数据动态特征

2.1 动态变化类型

根据赵刚等（2009）研究认为，水温（地温）长期正常动态是指井孔观测点温度的长期（最少1年）形态及特征变化，是正常的长期背景变化。长期正常动态可分为：稳定型、漂移型、年周期型、近似长周期型、大幅度波动型和跳变型6种；水温（地温）短期正常动态是指井孔观测点温度1天至1个月的短期形态及特征变化，是正常的短期背景变化，短期正常动态可分为：稳定型、日周期型、固体潮型和短周期型4种形态。

根据此标准，对青海流体观测台网各井孔观测数据的长期和短期动态类型进行判别，结果见表2。

表2　青海水温（地温）台网观测数据变化动态分类Table 2 Dynamic classification change of water temperature（ground temperature）observation data of Qinghai seismic network

2.2 背景变化形态

对青海水温（地温）观测台网各井孔观测数据曲线的变化形态进行分析，发现各井孔背景变化形态主要有：准斜直线上升、弧线上升、起伏下降。这3种变化形态在每个井孔并非完全独立存在，有几个井孔在不同时期分别呈现不同变化形态，具体情况见表3。

表3　青海水温（地温）台网观测数据变化形态分类Table 3 Morphological classification table of water temperature（ground temperature）observation data changes of Qinghai seismic network

3 典型动态

3.1 干井

3.1.1 西宁井。西宁井地温自2008年以来，特别是2010年以后数据基本呈直线上升状态，在部分时段有一些幅度较小的突升突降变化，年变幅约0.003℃，日变幅在0.000 1℃（图2）。长期变化与短期变化均属于稳定型。

3.1.2同仁井。同仁井地温观测数据自2008年以来呈弧线上升状态，年变幅由0.04℃逐渐降至约0.01℃，日变幅约0.000 4℃（图2）。长期动态为升温漂移型，短期动态为稳定型。

图2　西宁、同仁井2008—2015年地温观测曲线Fig.2 Ground temperature observations graph in Xining，Tongren wells from the year 2008 to 2015

3.2 静水位井

3.2.1 湟源井。湟源井水温自2008年以来基本呈直线上升状态，2013年1月起叠加幅度明显的阶升阶降变化。年变幅约0.005℃，日变幅0.000 1℃（图3）。长期动态为伴随少量跳变的稳定型，短期动态为稳定型。

图3　湟源、门源井2008—2015年水温观测值曲线Fig.3 Curve of ground temperature observation for Huangyuan，Menyuan wells from the year 2008 to 2015

3.2.2 门源井。门源井水温自2008年以来基本呈弧线上升状态，出现几次明显的阶升阶降。年变幅从0.037℃下降到约0.009℃，日变幅约0.000 1℃（图3）。长期动态为升温漂移型，短期动态为稳定型。

3.3 自流井

3.3.1 德令哈井。德令哈井水温观测数据，自2008年以来基本呈弧线上升状态，叠加幅度明显的上下跳变。年变幅从0.052℃下降到约0.024℃（图4）。长期动态为伴随反复跳变的升温漂移型，短期动态为稳定型。

3.3.2 格尔木井。格尔木井水温长期动态在2012年前为降温漂移型，短期动态为短周期型。从2012年起在下降趋势基础上叠加大幅度起伏波动。由于观测数据变化不稳定，2014年6月16日安装对比观测仪器进行对比观测。之后，水温长期动态变成大幅度波动型，整体趋势缓慢上升（图4）。短期动态仍为短周期型，变化幅度减小。

图4　德令哈井、格尔木井水温观测值曲线Fig.4 Average temperature curve of observation for Delhi well and Golmud well

4 井孔水文性质影响

青海水温（地温）观测台网中不同井孔的水（地）温动态与井孔水文性质之间存在一定关系。

4.1 水文性质不同井孔水温（地温）动态特征

（1）干井的地温观测数据变化相对稳定。在现有4个干井中，西宁井长期动态和短期动态均为稳定型，都兰、大武、同仁井长期动态均为升温漂移型，短期动态均为稳定型。

（2）自流井的水温观测数据，多在下降（个别为上升，如德令哈井）的长期趋势上，叠加幅度不等的明显起伏变化，短期变化以短周期变化为主。

（3）静水位井的水温观测数据，长期变化多以稳定（上升）或升温漂移为主，短期变化则有稳定和短周期变化两种。

4.2 原因分析

王瑜青等（1997）研究认为，观测井水温（地温）不同动态类型与观测点水文地质情况密切相关。

（1）在无水井孔中，地温探头的放置形式主要有两种：放置后被上部井壁坍塌物质掩埋；靠着井孔内壁放置。井孔内无可流动液体作为温度传播媒介，无法将地下含水层所受应力变化通过液体流动表现出来。被掩埋探头观测其所处位置固体介质的温度变化，靠井壁放置探头观测的温度变化为所靠井壁与探头周围空气温度共同作用的结果。由于井孔封闭，井下深部气体温度主要受井壁温度变化影响，通过井壁与空气间的热交换来实现，略滞后于井壁温度变化。因而靠井壁探头观测的温度变化，更多缘于探头所靠部位固体介质的温度变化。不论探头采用哪种放置形式，仪器观测数据均为探头所处位置固体介质传导的温度变化。固体介质的温度变化主要缘于周围物质的热传导和应力变化导致介质自身温度的变化，因介质受应力变化引起自身温度明显变化的情况较少，因此无水井孔地温观测数据变化较平稳，无大幅度起伏变化。

（2）在自流井中，水的流动性大，温度变化相对较大，且因水头出露，温度受外界因素影响，导致水温观测数据的长期和短期动态相对不稳定。

（3）在静水位井中，水作为传导媒介，与周围含水构造系统形成流动的动力系统。地下介质构造发生变化，影响到含水层中水的汇集方式，进而使得水温发生变化，由此可以反映一定范围内构造应力场的变化，且因静水位井所受外界干扰少，因此水温观测数据的长期和短期动态均比较稳定，与干井相比，变化幅度更明显。

著名的教育学家陶行知先生说：“单纯的劳动，不算做，算蛮干，单纯的想，只是空想，只有将操作与思维结合起来，才能达到思维的目的”。因此，教师在教学中，应根据学生的心理特征和思维特点，让全体学生动眼看、动手做，理解和掌握抽象的物理规律和概念，不断发展学生的抽象思维能力。

5 上升变化形态分析

青海水温（地温）观测台网约1/3井孔水温背景动态呈下降形态，动态特征不稳定，规律性不明显；其他井孔水温（地温）背景动态均呈上升形态，动态特征显示出一定规律性。西宁、湟源、民和、同仁、平安、门源、德令哈、大武等8个井孔水温（地温）观测数据变化形态连续上升，且动态无明显变动（表4），在此选取2008—2014年观测数据进行分析。

5.1 变化形态和相关性

8个井孔的水温（地温）动态曲线分别呈现准斜直线上升和弧线上升两种变化形态，且呈同一种上升形态的水温（地温）观测数据，各组数据变化曲线形态类似，呈现较好的相关性（表4，图5）。

由表4和图5可见：西宁、湟源、民和3个井孔观测数据曲线均为准斜直线上升，3组数据之间线性拟合相关系数大于0.976；同仁、平安、门源、德令哈、大武观测井数据曲线均呈弧线上升形态，5组数据之间线性拟合相关系数大于0.976。

另外，都兰、玉树观测井孔的水温（地温）观测数据在观测系统变化前后先后呈现出与以上井孔类似的弧线上升和准斜直线上升形态。

表4　青海水温（地温）台网8个上升背景动态井孔参数变化Table 4 The statistical table of water temperature（ground temperature） at the eight stations with rising background dynamic water temperature（ground temperature） boreholes conditions in Qinghai

图5　井水温（地温）观测值对比曲线Fig.5 Contrast curve of well water temperature（ground temperature） observations

5.2 上升速率

对8个井孔各组观测值日均值，采用公式：N1=N-N0，进行归一化处理，直观对比分析曲线变化形态。其中：N1为归一化数据；N为原始值；N0为基值，选用表4中的变化基值数据（2008年1月1日观测数据日均值）。经计算，得到各井孔2008年1月1日以来起始点为0的数据，在同一坐标系内绘制曲线，变化形态和幅度对比见图6。

从表4和图6可以看出，准斜直线上升速率慢，弧线上升速率则相对较快。干井（图中虚线）和水井（图中实线）的曲线在图中交错分布，没有明显分界。其中西宁井（干井）上升速率最慢，而大武井（有水井）上升速率最快。

综上所述，8个井孔水温（地温）观测数据的上升形态和速率，与井孔介质、深度、水文性质、地质构造位置等关系不大，均未呈现明显规律性。

一般，观测数据呈现相同或相似的变化形态，应为同一类影响因素所致。但是，井孔水温（地温）观测数据曲线相似变化的西宁、湟源、民和观测井除观测仪器相同、井孔深度类似外，其他如地质构造背景特征等均不相同，同仁、平安、门源、德令哈、大武井孔同样如此。因此，导致这些井孔地温数据出现相似形态上升的原因有待研究。

图6　温度上升动态井孔观测数据归一化对比曲线Fig.6 Normalized contrast curve of increased dynamic observation data at the geothermal wells

6 动态变化原因

6.1 仪器维修导致动态变化

都兰、玉树、乐都3个井孔观测仪器出现较大故障并修复，水温（地温）数据动态发生明显变化，见图7。图中，都兰井的变动原因是仪器检修，格尔木井的变动原因是安装对比观测仪器。由图7可见，以上井孔水温（地温）观测数据原来动态不稳定，观测系统变动后，动态相对稳定，甚至长期动态呈反向变化，如长期的大幅度起伏变化消失、下降变为上升、短期变化由短周期型变为稳定型等（图7）。出现以上变化可能是因为，这几个井孔的水温（地温）观测仪器维修前存在问题，从而导致观测数据动态不稳定，维修后问题得以解决，使得观测数据变得趋于稳定。如：在仪器检修中，发现都兰井数采电容工作不正常，更换电容后，数据动态相对稳定。

图7　观测仪器检修前后水温观测数据动态变化（a）都兰井；（b）格尔木井Fig.7 Water temperature dynamic contrast curve before and after observation system changed at Touraine，Golmud well

6.2 对比观测引起动态变化

2014年6月16日，格尔木井安装对比观测仪器，两套仪器探头位于同一深度，但未进行捆绑，之后，井水温（地温）原始观测仪器观测数据维持大幅度上下突跳的变化动态，对比仪器观测数据则呈平稳变化，6月24日—25日两套仪器观测数据相继发生数次向下突跳，之后观测数据变化平稳，基本呈同步变化，细节上存在一定差异（图8）。

经勘察现场并请教相关专家，认为格尔木观测井两组数据产生明显差异，可能是观测仪器两个未捆绑探头放置深度相同，相互影响所致。这是因为：①格尔木井孔径大（250 mm），两个探头未经捆绑，尽管深度相同，但所处位置仍可能有一定横向距离。井孔流量较大（3 L/s），水下横向和纵向温度梯度比较大。当两个探头之间存在位置差异时，观测的温度值也会有明显差异；②两个探头在大孔径井孔中有一定活动自由度。水流冲击使得探头在活动时，有可能发生碰撞，造成探头工作状态发生变化，导致观测结果不一致。两组数据在2014年6月24日—25日相继发生的突跳，可能为二者碰撞所致；③两个探头加电后，工作电流使得传感器发热，导致周围环境温度发生微量改变，两个距离相近的探头共同作用，环境温度变化更明显，从而使观测数据受到影响；④仪器各自存在不同速率的零漂。

图8　2014年7月1日—2015年6月30日格尔木井水温观测数据对比曲线（a）原始观测；（b）对比观测Fig.8 Comparative observational data curve of Golmud original temperature observation wells from July 1，2014 to June 30，2015

7 结论

通过对青海水温（地温）观测台网井孔动态背景进行分析，可以得出以下结论。

（1）干井和静水位井多为稳定型或升温漂移型，自流井动态多为降温型，且干井动态较静水位井稳定。动态背景的不同特征与井孔的水文性质有一定关系。

（2）升温型井孔的背景变化形态有准斜直线上升和弧线上升两种，且弧线上升速率较快，相似曲线形态的各井孔数据之间有较好的相关性。水温（地温）曲线的上升形态和速率，与井孔介质、深度、水文性质、地质构造位置等因素无关，均未呈现明显规律性，需要进一步研究。

（3）部分井孔观测仪器维修前后水温（地温）动态发生变化。建议加强对观测系统的检查和维护，尽可能排除不正常因素，保证数据真实可靠。

（4）鉴于格尔木井放置水温对比观测探头时存在的问题，建议今后进行相关对比观测时，探头置于不同深度，应该可以解决二者的相互影响问题。

中国地震局监测预报司.地震前兆异常落实工作指南［M］.北京：地震出版社，2000.

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Abstract

Based on the analysis of dynamic background of each borehole in Qinghai water temperature（ground temperature） station network，the type of water temperature（ground temperature）dynamic changes of every borehole is determined.The relationship between borehole properties and water temperature（ground temperature） dynamic types are also studied and the characteristics of heating type borehole and the reason of water temperature（ground temperature） change are also studied.The results show that there are some relationships between dynamic water temperature（ground temperature） backgrounds of each well and its hydrological properties.There are two types of quasi oblique rise and straight up rise in borehole temperature change.There is a good correlation between the borehole data for each curve shape.But the relationship between the rate of rise of the curve and the borehole location，hydrological properties，geological structure and so on is not obvious.On the one hand，the significantly change of water temperature（ground temperature） change has some relationships with the change of observing system.It maybe have some relationships of the observed presence of two compared probes.

The study on the dynamic background of Qinghai water temperature（ground temperature） seismic network

Li Tao1）and Wang Qiuning2）
1） Earthquake Administration of Qinghai Province，Xining 810001，China
2） Earthquake Administration of Shaanxi Province，Xi′an 710068，China

water temperature，ground temperature，seismic networks，dynamic background

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.03.006

李滔（1973—），女，山西太原人，高级工程师，现从事地震监测与台站管理工作。

E-mail：250506709@qq.com

王秋宁（1973—），女，陕西泾阳人，工程师，现从事前兆台网观测工作

2015年青海省地震科普基金项目——青海省水温对比观测资料分析（项目编号2015A08）