河北冀16井水温动态分析

张明哲，王 静，罗 娜，凌 燕，张朋杰

(河北省地震局红山基准地震台，河北 邢台 054000)

0 引言

近年来，国内许多地震学者对水温动态特征、形成机理及影响因素进行大量研究。车用太、杨竹转、张子广等对井水温潮汐方面的研究表明，水温潮汐为次生效应，是在潮汐力作用下含水层发生变形，井-含水层间及井筒内水流引起热对流运动的结果[1-3]；杨竹转等认为水温固体潮效应是水温对地壳应力应变信息最直接的响应，具有连续性的特点。研究水温固体潮效应，对解释水温映震机制具有重要的指示意义[2，4]。陈大庆等对远场大震的水温同震响应及其机理进行研究[5]，车用太等认为地下水水温动态变化是地下水动态变化的一个重要方面，其变化特征可在一定程度上揭示地下介质构造的变化[6]。

河北冀16井(以下简称冀16井)数字化水温观测是2018年新增测项，观测资料显示其具有清晰的潮汐效应。目前，对该井水温的动态特征及成因机理研究较少，笔者基于2018至2019年的观测资料，从水温动态、影响因素及水温潮汐形成机理等方面进行分析。

1 冀16井概况

冀16井位于衡水市深洲大屯乡陈家口村南，地势自西南向东北缓慢倾斜，海拔高度12～30 m，井口终孔深度1 700.41 m。该井属岩溶裂隙承压水，不受大气降雨、地表水直接渗入补给，构造部位位于华北平原沉降带冀中新河凸起高点上，属邢台-河间地震带(见图1)。观测段为1 500.44 m至1 700.41 m(见第35页图2)。

图1 河北冀16井地质构造图Fig.1 Geological tectonic map of well

2 水温动态特征

冀16井采用北京中科光大自动化技术有限公司生产的ZKGD3000-NT型水温仪进行观测，水温传感器分辨率优于0.000 1 ℃，数据采样率为1次/min。

2.1 水温年动态

水温年动态以日均值为基础，反映井水温度随季节变化的特征。冀16井水温测项自正式观测以来数据稳定，由2018-2019年水温动态变化曲线看出，年动态为下降型。2018年下降幅度为1.7 ℃，2019年为1.3 ℃(见第35页图3a)。车用太等在对首都圈地区井水温度的动态类型研究中指出，此类动态形成与自流井断流之后井筒中水的冷却作用有关[7]。冀16井断流前水温高达79.5 ℃，属于高温高压自流井。2016年发生自然断流，断流后由于压力降低，水位呈现快速下降趋势，水温也逐年下降。

图2 井孔柱状图Fig.2 Borehole bar chart

图3 水温动态变化Fig.3 Dynamic change of water temperature

2.2 水温月动态

水温月动态以小时值为基础建立，以月时间尺度反映井水温度的变化特征。由图3b看出，水温月动态类型为下降-起伏型，整体呈下降趋势，叠加有起伏。起伏中出现一定的规律，月变幅为0.3～0.4 ℃。

2.3 水温日动态

水温日动态以小时值为基础，以多日时间尺度反映井水温度的变化特征。从图4可以看出，冀16井日动态具有显著的潮汐效应，呈现明显的波峰波谷起伏，日起伏同理论固体潮的波动吻合，与井水位潮汐变化反向对应，日变幅为0.01～0.02 ℃。

图4 水温潮汐效应Fig.4 Tidal effect of water temperature

3 水温动态主要影响因素分析

3.1 自然环境干扰

自然环境因素对冀16井水温度的影响主要体现在大气压强上，气温、降雨、地下水开采等因素对井水温度影响不明显。水位对气压的响应机理前人已有成熟的理论，刘国俊等指出气压变化引起井孔水位变化是通过井孔和含水层间渗流来实现的。当大气压变化时，井孔中的水流向含水层或含水层中的水流向井孔[8]。如第36页图5a所示，2018年5月12日16时04分至20时45分气压出现大幅波动，水位在同一时段也出现波动，幅度为0.065 7 m；水温也出现相应波动，幅度为0.023 5 ℃，表明水温、水位受气压影响时间基本一致。马玉川等对本溪井水温的研究指出，气压升降时水位与水温均反向变化，气压的变化对水位有影响，水位的变化影响水温。因此，气压的变化间接地影响水温的变化[9]。

3.2 人为因素干扰

2018年3月19日10时19分至33分水温数据出现急剧下降，变化幅度为0.087 6 ℃，由人为从井孔中采集水样造成。水样采集结束后，18时33分水温恢复至正常观测水平(见图5b)。影响机理为采集水样时引起井水位突然下降，破坏了井-含水层之间原有的水动力平衡，使含水层中的水补入井中，含水层中水的温度低于井筒中的水温，导致井水温度突然下降。

3.3 供电干扰

冀16井数字化水温仪器设备自2018年1月1日正式投入观测以来，多次出现不明原因的单点突跳。通过断开交、直流及电压等测试，发现当电压出现较大波动时，水温便出现上述突跳，由此认为，此类突跳是仪器供电干扰造成的(见图5c)。

图5 水温受干扰曲线Fig.5 Water temperature disturbed curve

3.4 同震影响

据中国地震信息网地震目录统计，2018年1月至2019年12月全球发生7级以上地震26次。冀16井水温记录到同震响应17次，响应率达65%，能记录到大多数7级以上地震，同震响应如表1所示。从表中看出，该井对7级以上地震的映震能力强，记录振幅大小与持续时间受震中距及震级大小的直接影响。冀16井水温记录到的同震效应均为振荡型，振荡过后水温曲线形态仍按正常潮汐形态变化。如第37页图6所示，水温记录到的2018年1月23日17时31分41秒阿拉斯加湾发生的M8.0远震，井水温同震变化明显，于17时47分至20时12分记录到同震，振荡持续时间达145 min，最大变幅为0.028 5 ℃。

4 水温潮汐特征分析

4.1 水温梯度特征

井水温度仪器安装通常是先进行温度梯度测量，获得最佳观测位置，从地下水温观测资料中提取较为可靠的地震前兆信息。冀16井采用分段测量法，以10 m为步长逐步上提温度传感器，提至10 m处结束，共38个深度测点。首先，将调整水温传感器深度的短时波动数据处理掉；然后，计算每次调整传感器深度后静置观测时间内的平均值及对应梯度值，水温梯度测量结果如第37页图7所示。测试的变化范围为-82.0～59.9 ℃/hm，存在多处负梯度，在深度为60～100 m范围梯度值变化较大，由54.258 ℃/hm下降到-82.01 ℃/hm，又转折上升至28.648 ℃/hm；在深度150～200 m间变化相对剧烈，变化范围为-53.8～59.9 ℃/hm；在深度310～330 m处出现显著负梯度，整体呈现显著不稳定性。关于温度探头放置位置的选择在《地震地下流体观测方法：井水和泉水温度观测》(DB/T49—2012)中已有说明[10]。参考水温梯度测量结果及观测规范，认为320 m位于含水层负梯度变化大的区段，背景噪声较小，最终将水温传感器放置在320 m深度。

表1 河北冀16井水温同震响应Table 1 Coseismic response of water temperature

图6 水温同震曲线Fig.6 Coseismic curve of water temperature

图7 井水温度梯度图Fig.7 Temperature gradient map of well

4.2 水温潮汐形态

冀16井水温日变观测数据具有双峰双谷形态，水温潮差变幅为0.020 6～0.037 2 ℃，有明显的潮汐效应，能记录到清晰的潮汐动态，表现出与水位反向变化的形态，且滞后于水位变化，滞后时间为1～2 h(见图8)。

图8 水温与水位对比图Fig.8 Comparison of water temperature and water level

4.3 水温潮汐效应形成机制

水温固体潮的形成机制已有许多学者进行研究，并提出多种观点。赵刚等从体应变原理方面建立模型，认为体应变变化是引起水温变化的原因[11]。马玉川等认为固体潮引起地下水流量的潮汐变化，流量变化又导致水温的潮汐变化[9]。鱼金子、车用太、张子广等先后提出水动力学模式，认为当含水层受力作用时，导致井-含水层内水流状况的变化，由于井孔内两个水温梯度的作用，水体热量随水流量的变化导致井水温度的升降变化[1，3，6，12]。刘耀炜认为水温固体潮效应是由含水层固体变形引起井孔内部排水与吸水，使得上下层不同温度水混合形成温差效应的结果[13]。

冀16井系油田部门勘探井，非专门的地震观测井，对于329 m以上第四系覆盖层的钻孔岩性未进行详细编录。笔者认为，冀16井井水温度潮汐效应的响应条件主要是井一含水层系统的水动力条件，其影响机制为：当含水层受到潮汐引力作用而膨胀变形时，井筒内的水流向含水层，导致水位下降，使井筒中的水回流到含水层，造成井筒中水温升高；当含水层受到潮汐引力作用而压缩变形时，含水层中的水渗入井筒，导致水位上升，含水层的水流向井筒，低温水补充造成水温下降[12-14]。因缺少观测段详细的水文地质资料，对冀16井潮汐形成机理、水温滞后性仍需继续研究分析。

5 结论与讨论

通过对水温动态特征进行分析，得出以下结论：

冀16井水温呈现趋势性下降特征，年变幅为1.3～1.7 ℃，月变幅为0.3～0.4 ℃，日变幅一般为0.01～0.02 ℃；水温具有明显的潮汐变化特征，日变具有双峰双谷形态，在形态上与水位表现为反向变化，且滞后水位1～2 h；影响冀16井水温动态的因素主要为环境和观测系统设施，自然因素主要为大气压强，与同井水位变化基本一致，是水位受影响的次生效应；该井水温较灵敏，同震效应显著，对强震具有一定的响应能力。由于缺少观测段详细的水文地质资料，水温滞后性及形成机理仍需进一步研究。