金沙江水網各觀測井溫度梯度的精細測量結果及其分析

車用太 何案華 魚金子 劉成龍 李萬明

1)中國地震局地質研究所，北京 100029

2)中國地震局地殼應力研究所，北京 100085

3)中國地震局工程力學研究所，哈爾濱 150080

金沙江水網各觀測井溫度梯度的精細測量結果及其分析

車用太1)何案華2)魚金子1)劉成龍1)李萬明3)

1)中國地震局地質研究所，北京 100029

2)中國地震局地殼應力研究所，北京 100085

3)中國地震局工程力學研究所，哈爾濱 150080

在金沙江水網的6口觀測井進行了溫度及其梯度的精細測量。測量結果表明:太陽輻射熱的影響深度為50～125m;不同井的平均水溫梯度不等，最小者僅0.11℃/hm，最大者可達2.81℃/hm，一般為1～2℃/hm;同一口井的不同深度段上溫度梯度變化較大，地層巖性及其完整性，尤其是高角度的斷層破碎帶，對各井受太陽輻射熱的影響深度與溫度梯度的影響是主要的;水溫微動態的特征如同震效應、潮汐效應與震前異常特征等，在相當程度上可能取決于水溫傳感器放置的深度段的溫度梯度特征。

溫度 溫度梯度 觀測井 金沙江水網

0 引言

金沙江下游梯級水電站水庫地震地下水動態監測網(下簡稱金沙江水網)由6口觀測井組成，布設在中國西南川滇邊界的金沙江向家壩水電站與溪洛渡水電站的兩個庫區誘發地震危險區內(李萬明等，2011)。各觀測井上均觀測水位與水溫兩個地下水前兆主測項。該網于2010年7月下旬安裝儀器設備，8月開始運行。

該水網各井的水溫儀器(傳感器)安裝時，對各井的水溫梯度作了精細的測量，獲取了很有意義的資料，特別是在太陽輻射熱的影響深度、不同大地構造區的地熱差異，觀測井中有水段與無水段的溫度梯度，同一口井有水段水溫梯度的差異性等方面均取得了新的科學認識。這些認識，為井水溫度微動態特征及其成因機制的理解，提供了重要的科學依據。

1 溫度梯度的測量

金沙江水網的溫度梯度測量是在6口觀測井中進行的，各井的分布如李萬明等(2011)中圖1所示。

溫度梯度測量是利用DRSW-1型高精度水溫水位綜合觀測儀進行的。該儀器的水溫分辨力為0.000,1℃，儀器的短期穩定性為0.000,1℃/d;采樣率為1cpm。

井中溫度測量多從井口以下25m深度處開始，一般每25m深度測一個值，每次測量時間一般＞10min，到深部大多測量0～60min，取10～60個測值的平均值作為該深度的溫度值。由此可見，溫度測量的精度與測點的間距等方面都是精細的。

有些井的水位埋深超過200m。在這些井中測量了相當深度的井中大氣段(無水段)的溫度梯度及井水面下有水段的溫度梯度，前者實為具有巨厚包氣帶的特殊水文地質地區包氣帶的地溫梯度。

2 各井地質與溫度梯度的測量結果

2.1 柑子(GZ)井

柑子井位于四川省雷波縣柑子鄉雞心村向家壩庫區范圍內，井點海拔高程為395m。井區位于金沙江左岸支流——柑子坪河的右岸斜坡上，井區主要發育上三疊統須家河組(T3xj)紫紅色泥巖與砂巖。

該井完鉆深度為153.05m，下設Φ127mm套管至100.71m，以下為祼孔。井孔圍巖較為完整，巖心采取率＞60%。該井地質基本特征及溫度測量結果如圖1所示。測量溫度梯度時，水位埋深為7.2m，井房內溫度為30℃左右。梯度測量后，溫度傳感器放置在井口以下134.4m深度處。

圖1 柑子井地質與水溫梯度圖Fig.1 Geologic profile and temperature gradient of Ganziwell.

該井中溫度共測6個深度點，取得5個井段的梯度值，如表1所示。由表1可見，該井中太陽輻射熱的影響深度(負梯度井段)為約100m，該深度雖為均負梯度，但負梯度值逐段變小，說明太陽輻射熱的影響隨深度逐漸變小;100m深度以下變為正梯度，但梯度值很小，為0.064～0.236,2℃/hm，平均0.111 0℃/hm，遠小于全球地殼的地溫平均梯度值(3℃/hm)，尚未見梯度如此小的資料(滕吉文，2003)。

2.2 團結1(T1)井水溫梯度

團結1井位于云南省永善縣團結鄉田壩村向家壩庫區范圍內，井點海拔高程為384m。井區位于金沙江右岸支流——長坪河右岸Ⅰ級階地上，井區主要發育上三疊統須家河組(T3xj)紫紅色與灰綠色泥巖與砂巖，巖層平緩;井點距該區著名的翼子壩斷裂(馬邊-鹽津斷裂帶中段)僅200m，位于斷裂東側下降盤上。

該井完鉆深度為152.27m，下設Φ127mm套管至100.09m，以下為祼孔。井孔圍巖完整性差，巖心采取率多＜60%，特別是井孔底部見斷層破碎帶，其巖心采取率僅為17%。該井地質基本特征及溫度測量結果，如圖2所示。測量溫度梯度時，水位埋深為16.87m，井房內溫度為30℃左右。梯度測量后，溫度傳感器固定在井口下115m深度處。

圖2 團結1井地質與水溫梯度圖Fig.2 Geologic profile and temperature gradient of Tuanjie well-1.

該井中溫度共測5個深度點，取得4個井段的梯度值，如表2所示。由表2可見，該井中水溫受太陽輻射熱的影響深度為約75m;75m深度以下為正梯度，梯度值為0.744,4～1.218,7℃/hm，平均值為0.922,37℃/hm，也較全球地殼平均梯度值小很多。

2.3 團結2(T2)井水溫梯度

團結2井位于云南省永善縣團結鄉大毛灘村向家壩庫區范圍內，井點海拔高程為406m。井區位于金沙江右岸支流——長坪河左岸Ⅱ級階地上，井區主要發育下二疊統深灰色灰巖，巖層比較陡傾;井孔在88.0～115.0m深度段上揭露出翼子壩斷裂破碎帶，巖性十分破碎，呈砂狀，該斷裂走向近SN，傾向西，傾角60°～80°。

該井完鉆深度為155.10m，下設Φ127mm套管至100.75m，以下下設Φ127mm濾水管。井孔圍巖的完整性較差，巖心采取率多≤60%，斷層破碎帶上為29%。該井的地質特征及溫度測量結果，如圖3所示。測溫時井水位埋深為16.50m，井房內溫度為32℃。梯度測量后，溫度傳感器固定在井口以下150m深度處。

該井中溫度共測5個深度點，取得4個井段的梯度值，如表3所示。由表3可見，該井中太陽輻射的影響深度達125m，而且井下75～100m深度段上較50～75m井段其影響還要明顯，這些異常表現可能與井區發育高角度斷裂，且在井點附近出露等特殊的水文地質條件有關;125m深度以下，水溫梯度為2.810,8℃/hm，與全球地殼的平均梯度接近。

2.4 千萬貫(QW)井溫度梯度

千萬貫井位于四川省雷波縣千萬貫鄉石板溪村溪洛渡庫區范圍內，井點海拔高程為629m。井區位于金沙江左岸斜坡上，主要發育下奧陶統(O1)灰巖，巖層平緩，但裂隙較發育;井點以西約1km處，發育小型斷裂，橫穿金沙江。

該井完鉆深度為304.06m，下設Φ127mm套管至194.24m，以下為祼孔。井孔圍巖較完整，巖心采取率一般為60%～70%。該井的地質特征及溫度測量結果如圖4所示。測溫時井水位埋深為219.0m，井房內溫度為30℃左右。梯度測量后，溫度傳感器固定在井口以下290.0m深度處。

圖3 團結2井地質與水溫梯度圖Fig.3 Geologic profile and temperature gradient of Tuanjie well2.

圖4 千萬貫井地質與溫度梯度圖Fig.4 Geologic profile and temperature gradient of Qianwanguan well.

該井中溫度共測8個深度點，取得7個井段的梯度值，如表4所示。其中，4個測點3個井段是在井中空氣中測得的數值，另4個測點3個井段是井水中測得的數值。由表4可見，該井中溫度受太陽輻射熱的影響深度為約100m;100～200m間的3個測點是空氣中值，此段溫度梯度為0.556,8～1.435,2℃/hm，平均值為+0.994,2℃/hm;225～290m間的4個測點是水中值，此段溫度梯度為1.611,6～2.058,0℃/hm，平均為1.820,2℃/hm;無論是井水面以上還是井水面以下，梯度均小于地殼平均梯度。

2.5 務基1(W1)井溫度梯度

務基1井位于云南省永善縣務基鄉青龍村溪洛渡庫區內，井點海拔高程為746m。井區位于金沙江右岸斜坡上，井區主要發育下奧陶統(O1)灰巖，巖層較平緩。

該井完鉆深度為302.12m，下設Φ127mm套管至201.90m，以下為祼孔。井孔圍巖總體上較完整，巖心采取率多≥80%，僅局部≤60%。該井的地質特征與溫度梯度測量結果如圖5所示。測溫時，井水位埋深為241.8m，井房內溫度為30℃左右。梯度測量后，溫度傳感器固定在井口以下285m深度處。

圖5 務基1井地質與溫度梯度圖Fig.5 Geologic profile and temperature gradient ofWujiwell-1.

該井中溫度共測11個深度點，取得10個井段梯度值，如表5所示。其中8個測點7個井段是井內空氣中測得的數值，3個測點2個井段是井水中測得的數值。由表5可見，該井中受太陽輻射熱影響的深度＜50m;井中50～225m間無水井段空氣中溫度梯度為+1.454 8～+4.308,0℃/hm，平均梯度為2.694,6℃/hm，與全球地殼平均梯度相當或稍低;250～285m間有水井段的水溫梯度為 0.430～3.016,8℃/hm，平均為1.844℃/hm，比全球地殼平均梯度偏低。

2.6 務基2(W2)井溫度梯度

務基2井位于云南省永善縣務基鄉青龍村溪洛渡庫區范圍內，井點海拔高程為723m;距W1井約500m。井區位于金沙江右岸斜坡，井區主要發育下奧陶統(O1)灰巖，巖層較平緩。

該井完鉆深度為300.11m，下設Φ127mm套管至201.11m，以下為祼孔。井孔圍巖完整性好壞不均，巖心采取率多半≤60%，局部僅25%。該井的地質特征與溫度梯度測量結果，如圖6所示。測溫時井水位埋深為217.9m，室溫為32℃左右。梯度測量后，溫度傳感器固定在井口以下264m深度處。

2.3.3 PO2 納入18篇文獻，各研究間存在異質性（P＜0.000 1，I2=79%），采用隨機效應模型進行Meta‐分析，見圖3。結果顯示治療前后，試驗組PO2增加值顯著大于對照組，差異有統計學意義［MD=9.75，95%CI（8.27～11.27），P＜0.000 1］。

該井中溫度共測10個深度點，取得9個井段梯度值，如表6所示。其中，50～200m間7個測點與6個井段為空氣中測得的數值，225～264m間3個測點2個井段為水中測得的數值。由表6可見，該井中受太陽輻射熱影響的深度為75m;井中75～200m深度段大氣的溫度梯度為2.444,4～5.125,2℃/hm，平均梯度為3.318,6℃/hm，較全球地殼平均梯度值高;225～264m井段井水溫度梯度為2.243,2～2.560,7℃/hm，平均梯度為2.357 2℃/hm，較全球地殼平均梯度值稍低。

3 溫度與梯度特征分析

3.1 淺層溫度特征與太陽輻射熱的影響深度

圖6 務基2井地質與溫度梯度圖Fig.6 Geologic profile and temperature gradient ofWujiwell-2.

金沙江水網地區6口井中溫度受太陽輻射熱的影響深度明顯偏大。據有關資料，太陽輻射熱的影響深度在陸地一般被認為僅10～20m(滕吉文，2003;《地球科學大辭典》編委會，2005)，而金沙江水網區最淺是50m，最深是125m。該區井中溫度受太陽輻射的影響深度如此之大，可能與區域的地形地貌條件有關，因地處深山峽谷區，很多深部地層在峽谷內裸露于地表，直接受太陽輻射熱的影響。然而，不同井中表現出的影響深度的明顯差異，主要與2種因素有關，一是地層巖性，二是斷裂構造。影響溫度與地層巖性的關系，一般說來，上三疊統須家河組(T3xj)紫紅色泥巖與砂巖互層的地區，影響深度為75～100m;下奧陶統(O1)灰巖發育的地區，影響深度為50～75m。斷裂構造對太陽輻射熱影響溫度的反映較為明顯的是T2井中，該井揭露出高角度大型斷裂破碎帶，其中太陽輻射熱的影響可深達125m。

太陽輻射熱對井水溫度的影響深度，有些學者認為與水溫觀測的精度有關(陳葆仁等，1988)，但在金沙江水網測得的影響深度不是水溫觀測精度高引起的，因為不同深度上的溫差表現在零點幾度的量級上，而不是本次測量用儀器的萬分之幾度的量級上。因此，即使存在高精度溫度觀測的影響，但這種影響不足以造成上述的影響帶深度值。

3.2 水溫梯度特征及其影響因素

金沙江水網區6口觀測井的水溫平均梯度，總體上偏小，最小0.111℃/hm，小得沒有先例(滕吉文，2003)，最大2.810,8℃/hm，一般為1～2℃/hm;各井不同深度段上水溫梯度變化較大。從區域與地層巖性上分析，上三疊統須家河組(T3xj)紫紅色泥巖與砂巖發育地區多不足1℃/hm，有高角度大型斷裂發育的T2井，水溫梯度可超2℃/hm;下奧陶統(O1)灰巖發育的地區為2～3℃/hm，個別可達4～5℃/hm;水溫梯度大小，與地層的完整性或裂隙發育程度(由巖心采取率推測)有一定關系，同樣是T3xj泥巖與砂巖發育區，巖心采取率多≥60%的T1井梯度小，同樣是O1灰巖發育區巖心采取率多≤70%的W2井水溫梯度較巖心采取率多≥70%的W1井大。這些測量結果表明，地層巖性與構造條件是影響水溫梯度大小的重要因素，巖體相對破碎地區的水溫梯度大。這樣的特征，說明井孔深部的溫度不僅與深部地熱的熱傳導有關，而且還與水熱系統的熱對流作用有關。

水溫梯度的另一個特征是，水溫梯度的不穩定性。不僅各井不同，而且同一口井的不同井段差異也很大(表7)。這種差異，估計還是與井-含水層系統的特征差異有關，但目前的資料還難以對造成這種差異的原因作具體的分析。

3.3 觀測井中的水溫梯度與氣溫梯度的比較

金沙江水網溪洛渡庫區3口井中，井水位埋深多在200m以下，因此進行了3井中無水段內空氣溫度梯度測量并與水溫梯度測量結果作了對比。

觀測井內無水段空氣的溫度無疑受井內空氣與井口外大氣之間的大氣對流的影響，但從井內空氣的梯度與井水梯度之間基本上連續變化并均表現為正梯度的特征看，太陽輻射熱影響深度以下的井內氣溫主要還受地溫梯度的影響，大氣對流的影響基本上還只表現在負梯度段內。然而，井內氣溫梯度與水溫梯度還表現出一定的差異 (表8)。

由表8可見，兩口井(W1，W2)中水溫梯度明顯低于氣溫梯度，一口井(QW)中則水溫梯度明顯高于氣溫梯度。QW中的這種異常表現，可能與該井的特殊水文地質條件有關，即與井區發育溝通井水和江水的斷裂有關。近幾個月的觀測結果表明，該井水位隨金沙江水位的變化而變化，說明井水與江水相溝通，其水溫可能受江水溫度的影響，即其梯度不僅受深部大地熱流的影響，還可能受地表江水熱作用(夏季溫度高)的影響。

3.4 溫度與梯度特征對水溫微動態的影響

各類水溫微動態特征的上述復雜性，可能與多種因素相關，有待于今后的深入研究。然而，從金沙江水網6口井的溫度與其梯度的精細測量結果看，水溫傳感器的放置深度是非常重要的影響因素。

以井水溫度的潮汐動態為例，如果是與含水層應力應變狀態的變化及由此引起的與井-含水層系統中水熱運動有關(車用太等，2008)，那么同樣含水層受壓應力作用而使含水層中地下水流入井筒中，并使井筒內水體向上運移時，水溫傳感器放置在正梯度井段時井水溫度的動態將表現為上升，當水溫傳感器放置在負梯度井段時井水溫度動態會表現為下降。當含水層受張應力作用時，傳感器放置在正梯度井段時水溫動態表現為下降，放置在負梯度井段時表現為上升。

由此看來，水溫固體潮與水位固體潮的關系可以同向變化，即水位與水溫潮汐峰值與谷值一一同向對應，前提條件是水溫傳感器放置在正梯度井段上;反過來，水溫傳感器放置在負梯度井段時，則可能造成水溫固體潮與水位固體潮關系表現為反向對應，即峰對谷，谷對峰的變化;潮汐因子大小則更可由傳感器放置段梯度值的大小不同而不同。

又以井水溫度同震階變動態為例，如果井水溫度的同震階變是水震波作用下井筒內水體的上下振蕩及不同溫度的水的混合作用引起的，那么水溫負梯度段內傳感器放置在上部淺處時水溫會階降，放置在下部深度處時水溫會階升;而在水溫正梯度段內，上部水溫會階升，下部水溫會階降。

水溫傳感器置深對水溫微動態的影響，不僅與傳感器置深段的水溫梯度有關，而且傳感器放置位置相對于觀測含水層(熱源)的距離大小、含水層內地下水與井水的溫差大小等也有關。當地下水溫度高于同一深度的井水溫度，傳感器距含水層的距離越小時，井水溫度的微動態變化幅度也會相對較大。

4 基本認識與討論

金沙江水網6口井中溫度及其梯度的精細測量，給出如下新的科學認識與啟示:

(1)在深山峽谷地區太陽輻射熱的影響深度遠遠大于平原區測得的10～20m，可達幾十乃至上百m。

(2)不同井的平均水溫梯度差異較大，小者僅0.11℃/hm，大者可達2.81，一般為1～2℃ /hm。

(3)同一口井不同深度井段的溫度梯度變化很大，小時僅0.1℃/hm，大時可達4～5℃/hm，因此水溫傳感器放置的深度對水溫微動態的特征影響很大，對水溫的地震前兆特征也會產生影響，不能簡單地把井水溫度上升理解為含水層受壓，水溫下降理解為含水層受張。

(3)地層的巖性、裂隙發育程度，尤其是高角度斷層帶的存在對觀測井深部的溫度梯度的影響較明顯，泥巖與砂巖地區較灰巖發育地區梯度小，地層裂隙不發育地區的溫度梯度較裂隙發育地區梯度小，而高角度斷層發育區的溫度梯度明顯偏大。

(4)一般情況下，井口氣溫梯度大于水溫梯度，但特定水文地質條件下可以表現為相反。

(5)水溫微動態是十分重要的地球物理或水文地質現象，需要深入進行其形成條件與形成機理的研究，從而進一步推進水溫微動態映震機理的研究，盡早著手建立有物理基礎的水溫異常預測地震的理論和方法，進一步提高其地震預測的效能。

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THE RESULTSOF FINE MEASUREMENT OF TEMPERATURE GRADIENT IN WELLSOF JINSHAJIANG GROUNDWATER OBSERVATION NETWORK AND ITS ANALYSIS

CHE Yong-tai1)HE An-hua2)YU Jin-zi1)LIU Cheng-long1)LIWan-ming3)
1)Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China
2)Institute of Crustal Dynamics，China Earthquake Administration，Beijing 100085，China
3)Institute of Engineering Mechanics，China Earthquake Administration，Harbin 150080，China

The temperature and its gradient ismeasured carefully in 6 wells of Jinshajiang groundwater observation network.The result shows that the influence depth of sun-radiation heat is 50～125m.The average water temperature gradient is different in deferent wells，the minimum value is 0.11℃ /hm，themaximum is2.81℃ /hm，and the general is1～2℃ /hm.The temperature gradient diversity in deferent depth sections in one well is very obvious，with values being in decimal fraction of℃ /hm，and the larger ones being 4 ～5℃ /hm.Lithology of stratum and completeness of rockmass，particularly the high-angle fault crush zone，play amajor role in affecting the influence depth of sun-radiation heat and temperature gradient of each well.Themicro-behavior characteristics of water temperature in well，e.g.co-seismic effect，tide effectand anomalies before an earthquake etc，depend largely on the temperature gradient of the depth section where the temperature sensor is fixed.

temperature，temperature gradient，observation well，Jinshajiang groundwater observation network

P315.72+3

A

0253-4967(2011)03-0615-12

10.3969/j.issn.0253-4967.2011.03.011

2011-04-11收稿，2011-08-02改回。

中國長江三峽工程開發集團金沙江開發有限責任公司項目(JSJ(06)007)資助。

車用太，男，1942年生，1969年研究生畢業于中國科學院地質研究所水文地質專業，研究員，主要致力于地震地下流體監測與地震預測研究，電話010-62009057，E-mail:che@ies.ac.cn。