江苏地震观测井温度梯度与井孔构造对比

张 扬，宫 杰，张 敏，瞿 旻，王 凯，戴 波，鲍海英

（江苏省地震局，南京 210014）

0 引言

井孔水温观测属于地震前兆观测的重要观测项目之一，井孔水温的数据变化与地壳内部活动以及地震前兆信息存在一定的内在联系。井孔水温数据在一定深度后，受井孔上层的气温、气压等的影响逐渐变小，数据年变形态相对平稳，温度数据变化主要受到地壳内部构造活动的影响，能够反映井孔附近区域内地壳应力变化情况。井水温观测层的背景值主要取决于观测层围岩的温度与含水层水的补给温度，井水温度的动态变化主要取决于井-含水层间随水流运动产生的热对流，此外还同井水与井孔外围岩石间的热传导、井水面与大气间的热辐射等有关，但是热辐射影响很小[1]。地表水补给、含水层水动力作用以及井孔的地质构造是对井水温变化影响最重要的因素。刘耀炜[2]通过分析云南建水、宾川和嵩明三口观测井在2004年苏门答腊Mw9.0和2008年中国汶川Mw7.9地震时井孔水位、水温同震效应的关系，认为井孔水温变化主要受井孔观测含水层水动力作用的影响。

截止到2018年，江苏地震前兆观测流体台网（图1）在运行的台站共计22个。台站分布主要围绕着江苏省境内主要断裂带：郯庐断裂带、无锡-宿迁断裂、淮阴-响水断裂、茅东断裂等。观测范围涵盖了江苏省区域内活动性较强且与现代地震发生关系密切的断裂构造，布局较为合理。

图1 江苏区域地震前兆流体观测台网分布

1 研究方法

井孔水温度主要是地壳由内向地表热量释放的结果[3]。井孔水温测量背景值主要受外层围岩的温度与含水层水的补给温度的影响，此外还与含水层间随水流运动产生的热对流、井水与井孔外围岩石土壤间的热传导、井水面与大气间的热辐射等有关[4]。

井孔水温度测量应从水面开始至井底（当水位埋深大于50 m，从井口以下50 m开始）进行不同深度的等间距测量。传感器拟放置段应进行加密测量，加密测量段长度宜大于两个全程测量点间距的长度，测量出不同深度的井孔水温的背景值资料（表1）。

表1 不同深度水温观测井孔梯度测量方法

根据观测井孔水温度（Tw）随井孔深（H）变化的测量背景值数据，绘制井孔水温度分布曲线，计算井孔水温测量数据的差分值。正差分值表明随井孔深增加水温升高，负差分值表明随井孔深度增加水温降低。差分绝对值越大，则表明温度梯度变化越大。

梯度值的计算方法：

其中：△T为温度梯度；Xi为测点水温；hi为测点深度。

根据《地震地下流体观测方法井水和泉水温度观测》（地震行业标准DB/T 49-2012）中的要求，温度梯度测量温度探头入水后开始，通过查表找出温度测量点间隔距离，每组测量值在温度变化趋于稳定后，连续观测30 min开始读数，记录探头放置深度与数据读取时间。温度传感器的分辨率为0.000 1 ℃。加密测量段为原水温探头的放置位置附近，查取测量间距，测量时间不小于60 min。然后计算对应梯度值。

2 水温观测井孔的选择

江苏地震前兆观测流体台网水温观测2007年开始数字化升级改造，均未进行温度梯度测量。选择数据向国家前兆台网报数、映震效果较好的井孔来进行温度梯度普查。挑选流体井孔的原则是：①台站水温观测稳定运行超过一年以上，年度数据完整率超过95%；②台站数据映震效果较好，水位数据固体潮清晰；③台站地质构造清晰，靠近断裂带附近。

按照上述原则挑选出符合条件的地震前兆水温观测井为：徐州苏02井、徐州苏03井、金湖苏06井、兴化苏08井、姜堰苏10井、南通苏14井、丹徒苏18井、昆山苏21井、高邮台、灌云台、盐城台、新沂台十二口流体井孔作为温度梯度的测量点。

3 温度梯度测量结果及井孔柱状图对比分析

通过选择江苏区域流体台网12口地下流体井孔，来进行对温度梯度普查，通过温度探头入水后等间距测量以及加密观测，获取井孔不同深度温度背景值，然后计算出温度梯度值，参考井孔柱状图分析温度梯度变化特征，并将温度变化与井孔的地质构造、含水层分布结合起来，揭示出研究区内井孔水温特点。

其中，水温测量结果如图2所示。

图2 井孔测温曲线

通过对江苏地震观测十二口井孔不同深度水温背景值测量以及对比分析，能够在一定程度上反映井孔温度当前最新的状况。主要归纳如下：苏02井、灌云台、新沂台较低的水温曲线与地质构造密切相关，位于断裂带就会导致大气降水沿断裂下渗产生冷却效应，使得井孔温度曲线变化较小[5]；苏18井为动水位井的原因，温度曲线与其他静水位井有明显差别，初始温度较高且水温变化不大；温度曲线随深度增加大致为线性缓慢上升，两者呈现正相关关系；江苏地区井孔入水深度普遍较浅，入水温度16°～20°C之间，50 m以上部分受地表影响有部分波动，50 m以下部分线性相关较好。

3.1 徐州苏02井

徐州苏02井为国家级深井水温观测井，位于徐州市睢宁县王集镇。徐州苏02井现深度为305.7 m，该井位于溱潼凹陷的陈家堡-小海断裂带上。该井附近无明显干扰源，地下水类型属于岩溶裂隙承压水；观测含水层的岩性为白云岩、灰岩；水温探头放置位置273 m，加密观测段为260～300 m（图3）。

图3 徐州苏02井水温、梯度、井孔柱状图

50 m以上部分，存在负梯度；灰岩部分梯度值较大；井孔变窄部分水温变化明显。结合含水层数据来看，在100 m左右为高温含水层，使梯度值增大；140～270 m水温数据较稳定，梯度变化幅度很小；270 m以下角砾状灰岩，梯度呈现不规则规律。

结合含水层数据来看，在270 m左右为高温含水层，使梯度值增大。温度梯度均值为0.784 6，总体上来看，02井水温数据变化幅度不大，温度曲线与地质构造密切相关，属于数据较稳定的井孔，对井下地壳活动反应较为灵敏。

3.2 徐州苏03井

徐州苏03 井观测站位于徐州市睢宁县梁集镇，在地质构造上位于近NS向郯庐断裂带西侧约15 km处，NW向废黄河断裂南侧交汇处附近。地理位置上位于废黄河冲击平原上，台基为震旦系灰岩。徐州苏03井现井深104 m，探头位置103 m（图4）。

图4 徐州苏03井水温、梯度、井孔柱状图

结合含水层数据来看，在80 m左右为高温含水层，为水温提供热量补给，使梯度值增大。温度梯度均值为3.937 °C/hm，总体上来说，03井基本梯度变化较为稳定，但由于灰黏土层密闭特性，梯度大幅上升，水温变化明显。

3.3 金湖苏06井

金湖苏06 井为国家级深井水温观测井，位于淮安市金湖县陈桥镇，基底由中元古界张八岭群组成，岩性主要泥岩、砂岩。金湖苏06井深2 364.5 m，探头放置位置320 m、740 m，其中加密测量段为280～360 m、680～800 m（图5）。

图5 金湖苏06井水温、梯度、井孔柱状图

结合含水层数据来看，在290 m左右为高温含水层，使梯度值增大。200 m以上，400～650 m梯度值约为3，呈线性变化规律；200～400 m，亚黏土的下层和泥岩交界部分，梯度变化较为明显；650～750 m，泥岩与砂岩交汇部分，温度梯度又变化较大，680 m含水层为低温含水层；800～900 m，砂岩下层，梯度又呈现规律性变化；950 m以下，深灰岩层，水温变化剧烈；在980 m左右为高温含水层，使梯度值增大，水温提升迅速。

温度梯度均值为3.134 °C/hm，总体上来说，06井除去底层交界部分，基本梯度变化较为稳定，但在950米以下深灰岩之后，受高温含水层影响，梯度大幅上升，水温变化明显。

3.4 兴化苏08井

兴化苏08井为国家级深井水温观测井，位于兴化市戴窑镇，井深2 225 m。该井位于溱潼凹陷的陈家堡-小海断裂带上，现井深度为2 680 m，套管深度为2 225 m，水位埋深为9 m；地下水类型为岩溶裂隙承压水；附近无明显干扰源；观测含水层的岩性主要是白云岩、灰岩；水温探头放置位置360 m和950 m，加密测量段为330～390 m、930～978 m（图6）。

图6 兴化苏08井水温、梯度、井孔柱状图

结合含水层数据来看，对梯度值略微提升。温度梯度均值为3.233 °C/hm，符合地层变化规律。泥岩与粉细砂岩密封特性，上下层水温交换不频繁，水温变化呈现一定的规律性。

3.5 姜堰苏10井

姜堰苏10井为国家级深井水温观测井，位于泰州姜堰市华港镇，台址基岩为砂砾岩，井深3 200 m，探头放置192 m，加密测量段为180～194 m（图7）。

图7 姜堰苏10井水温、梯度、井孔柱状图

温度梯度均值为3.945 °C/hm，温度梯度整体呈现递增趋势，水温随井深变化加剧；砂质黏土的中层变化较大；粉质砂岩的下层，受高温含水层影响，梯度变化明显，呈现最大值。

3.6 海门苏14井

海门苏14井为国家级深井水温观测井，位于南通海门市包场镇，岩性主要为大理石（第三纪以前），井深453 m，探头放置204 m，加密测量段为180～220 m（图8）。

图8 海门苏14井水温、梯度、井孔柱状图

结合含水层数据来看，对温度梯度值略微提升；总体变化较为规律，温度梯度均值为3.20 °C/hm；黏土和砂质泥岩对水温影响变化幅度较小；砂质灰岩与石英岩交界部分，温度梯度值最大。

3.7 丹徒苏18井

丹徒苏18井为国家级深井水温观测井，位于丹徒区荣炳乡，为动水位流体井。该井位于茅山断裂带主干断裂北延的分支上，地震活动反映较为灵敏。井深250 m，水温探头放置148 m，加密观测段120～160 m（图9）。

图9 丹徒苏18井水温、梯度、井孔柱状图

动水位流体井水温变化规律与静水位井有一定差别，温度梯度均值为0.824 °C/hm，变化较小。由于测量时间是冬季，井口水温受气温影响较大。结合含水层数据来看，在160 m左右为低温含水层，使梯度值变小。动水位流体井的温度梯度还受到水 流速度、套管布设等因素的影响。

3.8 昆山苏21井

昆山苏21井为国家级深井水温观测井，位于苏州昆山市玉山镇，属于EW 向苏州-昆山断裂带，正断层性质，岩性为砂岩、大理岩，井深676 m，水温探头放置位置192 m，加密观测段为180～194 m（ 图10）。

图10 昆山苏21井水温、梯度、井孔柱状图

结合含水层数据来看，对温度梯度值略微提升。温度梯度均值为3.945 °C/hm，温度梯度随深度增加逐渐增大趋势；亚黏土与砂质黏土交界部分、砂质黏土与粉质砂岩交界部分，温度梯度呈现该层最大值。

3.9 高邮流体井

高邮地震台为国家基本站，位于扬州高邮市城南新区，台基为第四系松散层，厚度为 165 m。台站地理位置于淮河下游，苏中里平原地质构造为扬子准地台高邮凹陷内，流体井深528 m，探头放置196 m（图11）。

图11 高邮流体井水温、梯度、井孔柱状图

结合含水层数据来看，对温度梯度值略微提升。温度梯度均值为2.275 °C/hm，温度梯度总体变化幅度不大，最大值为2.668 °C/hm，基本梯度变化较为稳定，能够正确的反应地层活动情况。

3.10 灌云流体井

灌云地震台为江苏省属站，台址位于灌云县城西部，灌云流体井深268 m，探头放置位置267 m，加密测量段240～268 m（图12）。

图12 灌云流体井水温、梯度、井孔柱状图

结合含水层数据来看，在160 m左右为高温含水层，使梯度值增大。石英片岩、白色石英岩、灰绿色石英岩部分，梯度变化较为规律；变粒岩层，安装渗水岩层交汇部分，梯度出现较大变化，水温变化较为剧烈；250 m以下，梯度数据又逐渐趋近于3。温度梯度均值为1.693 °C/hm，位于邵店-板浦断裂使得该井水温曲线变化幅度较小。

3.11 新沂流体井

新沂地震台为国家基本地震台，流体井位于郯庐断裂带中南段新沂市唐店镇，井深400 m，探头放置160 m、360 m，加密测量段为140～180 m、340～380 m（图13）。

图13 新沂流体井水温、梯度、井孔柱状图

温度梯度均值为2.187 °C/hm，总体梯度数据较为规律；在150 m、350 m左右为岩层破碎部分，梯度变化较为剧烈；位于郯庐断裂带使得该井水温曲线变化幅度较小。

3.12 盐城流体井

盐城地震台为江苏省属站，台址位于盐城市龙冈镇，台基为第四纪松散沉积层，盐城流体井深540 m，探头放置180 m、360 m，加密测量段为150～200 m、352～372 m（图14）。

图14 盐城流体井水温、梯度、井孔柱状图

结合含水层数据来看，对温度梯度值略微提升。温度梯度均值为3.692 °C/hm，总体梯度数据较为规律；亚黏土与泥岩交汇部分、泥岩附近水温变化较为明显[6]；砂岩下层350～380 m岩层破碎部分，水温变化较为明显。

3.13 总结

结合12口井孔温度变化与井孔的地质构造，对比分析研究区的井孔水温变化特征：

1）钻孔岩性变化的交界部分，特别是泥岩与砂岩或者泥岩与灰岩交界部分，苏03井70～100 m灰黏土段，新沂台90～220 m亚黏土、泥岩段。苏21井80～180 m砂质黏土段，温度变化较为剧烈，梯度值较大。泥岩、黏土等致密性好，水流动性差，导致水的交替运动相对较少，从而温度梯度变化较为复杂；相反，砂岩、灰岩由于裂隙等，水的交替运动较活跃，从而导致温度梯度相对变化较小。

2）井孔岩层破碎处、岩层交界处与井孔外围热交换效果显著，温度梯度呈现一定的不规律性。

3）水温曲线与地质构造密切相关，位于断裂带就会导致大气降水沿断裂下渗产生冷却效应，使得井孔温度曲线变化较小，温度梯度值越接近0，且变化幅度较小。温度梯度值越接近0，证明该井段水温交换越剧烈，该钻孔水温数据对地表下层构造应力活动反应越明显。苏02井、苏03井、苏18井、苏21井位于断裂带附近，地震活动反应较为灵敏。

4）井水温度梯度的变化既受到井孔外围介质热传导影响，与井孔地质构造密切相关，又与含水层分布存在重要联系。

4 结论

通过对江苏地震观测十二口井孔温度梯度普查及对比分析，能够在一定程度上反映该区域温度梯度当前最新的状况。通过将温度梯度数据、井孔地质构造与含水层分布结合起来，更清晰明确地认识了研究区内井孔水温特点。

1）井孔温度梯度是水热动力学与地热动力学复合机制[1]综合影响的结果。

2）泥岩、黏土等致密性好，水流动性差，导致水的交替运动相对较少，从而温度梯度变化较为复杂；相反，砂岩、灰岩由于裂隙等，水的交替运动较活跃，从而导致温度梯度相对变化较小。

3）动水位井温度曲线与静水位井孔存在明显区别，动水位流体井初始温度值较高，且变化幅度较小。

4）含水层分布对温度梯度值存在重要影响。含水层对该测段梯度值有直接影响，高温含水层会提升附近水温，增大梯度值；低温含水层会降低附近水温，降低梯度值。含水层的厚度影响梯度值变化率，含水层厚度越小，梯度变化越剧烈；含水层厚度越大，梯度变化趋于平缓。

5）江苏地区井孔入水深度普遍较浅，入水温度16°～20°C之间，50 m以上部分受地表影响有部分波动，50 m以下部分线性相关较好。随着井孔深度的不断增加，井水温度平均值逐渐增大，两者呈现正相关关系。

综上所述，通过对井孔水温背景值测量以及水温梯度研究总结，为地震监测预报井孔水温定量分析与机理解释提供了新的研究思路[7]。结合钻孔地质构造、含水层分布能够有助于水温动态变化分析与同震响应分析[8]，印证地表下层应力变化以及构造活动，为地震监测预报提供了基础数据支撑[9-10]。

致谢作者在此特向中国地震局地壳应力研究所何案华老师、邓卫平老师，苏02井董维聪、苏06井沈宽重、苏08井吴粉金、苏10井刘来山，苏18井潘龙华，感谢他们在江苏地震观测井温度梯度普查以及论文编写过程中给予的多方面的支持和帮助。