新04井水温梯度观测试验及其结果分析①

颜 龙, 王 斌, 梁 卉, 李 娜, 雷 晴

(新疆维吾尔自治区地震局，新疆 乌鲁木齐 830011)

地震的孕育和发生是一个地壳动力学过程，同时，也是一个地球内部物质、能量、信息的迁移和交换的过程[1-2]。其中，必然引起岩石变形和地下流体的物理化学动态变化，由于热效应与地热的再分配，亦可造成水温等地热因子的改变[3]。随着高精度石英温度计在20世纪80年代末研制成功，地震地下流体井水温动态观测在中国得到广泛推广应用，目前已有400多口观测井进行井水温动态观测并取得了良好的效果，是地下流体学科重要的观测项目之一。

水温梯度是水动力学和热动力学综合影响的结果[4-6]。对观测井水温进行梯度测试可以很好地了解井孔所处区域补给水源温度特性和含水层连通情况，是分析水位水温观测资料必不可少的参考依据。车用太等根据精细测量的水温梯度实验结果，认为水温微动态的特征与震前异常特征很大程度上取决于水温传感器所放置的深度的温度梯度特征[7]。汪成国等通过在同一井孔不同深度放置水温传感器记录到不同的观测曲线形态，认为水温探头放置的深度对井水温观测结果有明显的影响[8]。闫玮等利用水温梯度实验得到了井孔的水温稳定参数方程，很好地应用于水温水位发生较大变化时分析其异常来源追溯[9]。

新04井自1989年开始井水温动态观测，是中国较早实施水温连续观测的测点，为新疆区域地震预报提供了大量前兆数据和震例信息。但由于井孔温度梯度相关信息不完整，造成对该井出现异常时的判定上存在较大不确定性。2020年6月，对新04井水温梯度做了精细测量试验，收集了该井井孔的基础资料，并结合该井深层水温的长期观测数据对部分现象予以分析讨论。

1 新04井概况

新04井位于乌鲁木齐市水磨沟疗养院内，井孔海拔高程821 m，地质构造上处于乌鲁木齐山前拗陷带水磨沟背斜北翼，北东向延伸的水磨沟—白杨沟断裂为该区域的主干断裂，与一条近南北向分支断裂于温泉区形成交汇(图1)。该井于1975年6月成井，完井深度145.48 m，直径203 mm套管下放至60.54 m，以下为150 mm裸孔，井孔穿过破碎带。该井上部为第四系碎石、砾石和砂土，下部为二叠系页岩、油页岩夹薄层砂岩，井水矿化度1.66 g·L-1, pH值为8.3(1990年数据)。该井水位于1977年开始观测，水温于1989年开始观测，多年的观测资料表明，新04井水位水温对远场强震的同震响应和震后效应具有显著反应[10-11]，同时对乌鲁木齐周边的地震具有较好的映震效能[12]。

图1 新04井井点位置和井区地质构造图Fig.1 Location of Xin 04 Well and Geological Structure of Well Area

2 水温梯度测试与结果

新04井水温梯度测试于2020年6月16日11点开始进行，依据行业标准，对新04井水温从水面以下10 m开始测量至井底，测量间距为10 m，每个深度固定测试时间30 min，取稳定后的数据均值为该点温度，使用的仪器为SZW-Ⅱ型数字水温仪，水温传感器的分辨率为0.000 1 ℃，观测精度优于0.01 ℃，数据采样率为0.1 Hz。水温梯度测试之前，首先对新04井的水位埋深进行校测并对井孔中浅层水进行取样，测得水位埋深3.6 m，观测室室温25.3 ℃，浅层水样水温14.4 ℃，pH值8.87，水样取回后实验室测得其矿化度为2.36 g·L-1。

水温梯度测量结果见图2，新04井水温测量由水面至井孔底部，测试过程中，当探头下放至98.0 m处感受到明显的阻滞感，该段位置探头虽然可以继续下沉，但下降阻力逐渐增加。再向上拉回探头时，初段拉拽较为费力，经过反复测试确定，水温探头在98.3 m到达井孔底部，98.3 m以下部位的井孔被淤泥堵塞，探头无法继续下放(图2c)。本次测试井孔内的水温变化范围为14.311 5 ℃～19.755 0 ℃，水温梯度变化范围为(0.001 6～0.126 1) ℃·m-1，均为正梯度(图2b)，水温梯度在井孔43.6 m以上部位的变化范围表现出复杂的变化特征，分别在23.6 m和43.6 m处两次出现大幅度转折变化，43.6 m以下水温梯度逐渐减小，底部位置水温梯度为0.02 ℃·m-1。

图2 新04井水温梯度测量结果及井孔柱状图(a) 温度/℃ (b) 温度梯度/℃·m-1 (c) 井孔柱状图 Fig.2 Water temperature gradient measurement results and borehole structure of Xin 04 well

3 分析与讨论

根据汪成民等的研究结果，水磨沟—白杨沟断裂南北两盘透水性能差异明显[13]，新04井处构造位于断裂南盘上，该处二叠系妖魔山组油页岩、砂岩掩伏于北盘下侏罗系八道湾组砂泥岩及煤系地层之上，而北盘的通水性微弱的地层沿断裂构成地下径流阻隔，造成南盘上浅层基岩裂隙水向上运移与深循环地下热水在此处混合出露，而新04井水温梯度在23.6～43.6 m处出现2次大幅转折，明显不同于正常的地温梯度(0.02～0.03) ℃/m的变化范围，恰好说明新04井处于地热异常区，井孔外至少存在2个以上不同深度的含水层流经该段，通过热传导至套管从而影响井孔内水温变化。

从水温梯度测试试验的结果来看，新04井井孔98.3 m以下部位已被淤泥完全填充，严重影响到底部含水层和井孔内水体的正常交换，并且该井的深层水温探头刚好布设在井孔 100 m 处，由此得知，该水温探头已被淹没于淤泥中，使得大量水温有效信息无法获取。为了剔除在地震预报过程中这些无效信息，分析造成井孔内淤泥淤积的可能原因和淤泥埋没水温探头从何时开始就变得十分必要。

经过梳理，从统计的2000年以来新04井深层水温对远场强震的同震响应(表1)可知，这期间共记录到9次同震响应，而在2008年5月12日汶川MS8.0地震之后再没有记录到同震响应，对包括2011年3月11日日本MS9.0地震，或同一地点发生的强震如2012年4月11日印尼苏门答腊MS8.6地震、2014年2月12日新疆于田MS7.3地震皆未记录到水温同震响应。从表1中可以看出汶川MS8.0地震的同震响应类型明显不同于其余地震，由图3可以看出，在这次地震发生后，深层水温先是上升0.011 2 ℃，之后逐渐下降，但并未恢复到原有背景值，而是经过一个月的下降调整后，在一个新的背景水平上变化，下降幅度达0.312 ℃，远大于同震响应的变化幅度，震后效应显著。

表1 新04井深层水温同震响应统计表(2000～2020年)

图3 2008年新04井深层水温观测曲线图Fig.3 Deep water temperature observation curve of Xin 04 well in 2008

根据杨竹转等对新04井的研究，该井水温对远场强震的响应形态总是表现为上升变化，水位的同震变化既有上升型也有下降型，由此可知水温传感器附近存在一个热水含水层[14-15]。新04井井孔穿过破碎带夹带较多泥质砂岩和夹层薄砂岩砂、泥岩，裂隙节理发育,具备水温同震上升的地质背景条件，当井孔受远场强震振荡激发后，该热含水层所处裂隙总是处于挤压状态，在水位达到平衡状态后，热水停止向井内补给，水温恢复原有背景值。该热含水层向井孔内排泄热水时，可能也带入较多淤泥杂质逐渐沉积在井孔底部，恰好在2008年汶川MS8.0地震发生之后淤泥淤积到达探头位置，导致新04井深层水温在该地震之后再没有记录到同震响应，此后该水温探头附近井孔-含水层之间的水体再也无法正常交换。

另外，新04井自成井至今已有55年有余，从未进行过洗井和抽水，而该井的水体矿化度一直较高，水体中还常伴有少量絮状物，从本次测出的水样矿化度和之前的对比，发现井水矿化度已由1.66 g·L-1(1990年数据)增长到2.36 g·L-1，由此推断井孔内造成水体矿化度上升，可能也是淤泥持续淤积的影响因素之一。

4 结论

通过新04井水温梯度观测试验得到了该井现有水温梯度结果，并结合该井所处水文地质构造和深层水温同震响应特征等资料进行分析，得到几点认识。

(1) 新04井井水温度随深度增加而上升，属于正梯度，但水温变化的线性度较差，井孔所处区域的特殊地质构造使得该井受多个含水层的影响，是导致水温梯度转折较多并表现出复杂变化特征的主要原因。

(2) 本次水温梯度试验仅做到该井98.3 m处，之后由于井孔内淤泥沉积，探头便无法下放，判断用于日常观测水温探头埋深在井孔100 m处，已淹没在淤泥之中。结合该井深层水温同震响应特征和水样的矿化度结果，认为新04井水温探头附近存在一热含水层，由于每次远场强震振荡激发后，该热含水层所处裂隙总是处于挤压状态，使其向井孔内排泄热水的同时，也不断向井内带入较多淤泥和杂质沉积在井孔底部，造成井孔内淤泥淤积；另外，井孔内水体固体杂质的沉积也是造成淤泥持续淤积的影响因素之一。这一发现对该井今后资料分析时剔除无效信息提供了有效参考。

(3) 鉴于新04井深层水温探头已埋入淤泥，井孔有效深度由145.48 m减少至98.3 m，井孔-含水层之间的水体的渗流、交换条件已完全不同于成井之初，水位水温的观测都受到了严重影响，导致大量有效前兆信息无法获取，建议及时对该井进行井孔清洗工作，并在清洗完毕后再次进行水温梯度测试。