河北冀16井水溫動態(tài)分析

張明哲，王 靜，羅 娜，凌 燕，張朋杰

(河北省地震局紅山基準地震臺，河北 邢臺 054000)

0 引言

近年來，國內許多地震學者對水溫動態(tài)特征、形成機理及影響因素進行大量研究。車用太、楊竹轉、張子廣等對井水溫潮汐方面的研究表明，水溫潮汐為次生效應，是在潮汐力作用下含水層發(fā)生變形，井-含水層間及井筒內水流引起熱對流運動的結果[1-3]；楊竹轉等認為水溫固體潮效應是水溫對地殼應力應變信息最直接的響應，具有連續(xù)性的特點。研究水溫固體潮效應，對解釋水溫映震機制具有重要的指示意義[2，4]。陳大慶等對遠場大震的水溫同震響應及其機理進行研究[5]，車用太等認為地下水水溫動態(tài)變化是地下水動態(tài)變化的一個重要方面，其變化特征可在一定程度上揭示地下介質構造的變化[6]。

河北冀16井(以下簡稱冀16井)數字化水溫觀測是2018年新增測項，觀測資料顯示其具有清晰的潮汐效應。目前，對該井水溫的動態(tài)特征及成因機理研究較少，筆者基于2018至2019年的觀測資料，從水溫動態(tài)、影響因素及水溫潮汐形成機理等方面進行分析。

1 冀16井概況

冀16井位于衡水市深洲大屯鄉(xiāng)陳家口村南，地勢自西南向東北緩慢傾斜，海拔高度12～30 m，井口終孔深度1 700.41 m。該井屬巖溶裂隙承壓水，不受大氣降雨、地表水直接滲入補給，構造部位位于華北平原沉降帶冀中新河凸起高點上，屬邢臺-河間地震帶(見圖1)。觀測段為1 500.44 m至1 700.41 m(見第35頁圖2)。

圖1 河北冀16井地質構造圖Fig.1 Geological tectonic map of well

2 水溫動態(tài)特征

冀16井采用北京中科光大自動化技術有限公司生產的ZKGD3000-NT型水溫儀進行觀測，水溫傳感器分辨率優(yōu)于0.000 1 ℃，數據采樣率為1次/min。

2.1 水溫年動態(tài)

水溫年動態(tài)以日均值為基礎，反映井水溫度隨季節(jié)變化的特征。冀16井水溫測項自正式觀測以來數據穩(wěn)定，由2018-2019年水溫動態(tài)變化曲線看出，年動態(tài)為下降型。2018年下降幅度為1.7 ℃，2019年為1.3 ℃(見第35頁圖3a)。車用太等在對首都圈地區(qū)井水溫度的動態(tài)類型研究中指出，此類動態(tài)形成與自流井斷流之后井筒中水的冷卻作用有關[7]。冀16井斷流前水溫高達79.5 ℃，屬于高溫高壓自流井。2016年發(fā)生自然斷流，斷流后由于壓力降低，水位呈現快速下降趨勢，水溫也逐年下降。

圖2 井孔柱狀圖Fig.2 Borehole bar chart

圖3 水溫動態(tài)變化Fig.3 Dynamic change of water temperature

2.2 水溫月動態(tài)

水溫月動態(tài)以小時值為基礎建立，以月時間尺度反映井水溫度的變化特征。由圖3b看出，水溫月動態(tài)類型為下降-起伏型，整體呈下降趨勢，疊加有起伏。起伏中出現一定的規(guī)律，月變幅為0.3～0.4 ℃。

2.3 水溫日動態(tài)

水溫日動態(tài)以小時值為基礎，以多日時間尺度反映井水溫度的變化特征。從圖4可以看出，冀16井日動態(tài)具有顯著的潮汐效應，呈現明顯的波峰波谷起伏，日起伏同理論固體潮的波動吻合，與井水位潮汐變化反向對應，日變幅為0.01～0.02 ℃。

圖4 水溫潮汐效應Fig.4 Tidal effect of water temperature

3 水溫動態(tài)主要影響因素分析

3.1 自然環(huán)境干擾

自然環(huán)境因素對冀16井水溫度的影響主要體現在大氣壓強上，氣溫、降雨、地下水開采等因素對井水溫度影響不明顯。水位對氣壓的響應機理前人已有成熟的理論，劉國俊等指出氣壓變化引起井孔水位變化是通過井孔和含水層間滲流來實現的。當大氣壓變化時，井孔中的水流向含水層或含水層中的水流向井孔[8]。如第36頁圖5a所示，2018年5月12日16時04分至20時45分氣壓出現大幅波動，水位在同一時段也出現波動，幅度為0.065 7 m；水溫也出現相應波動，幅度為0.023 5 ℃，表明水溫、水位受氣壓影響時間基本一致。馬玉川等對本溪井水溫的研究指出，氣壓升降時水位與水溫均反向變化，氣壓的變化對水位有影響，水位的變化影響水溫。因此，氣壓的變化間接地影響水溫的變化[9]。

3.2 人為因素干擾

2018年3月19日10時19分至33分水溫數據出現急劇下降，變化幅度為0.087 6 ℃，由人為從井孔中采集水樣造成。水樣采集結束后，18時33分水溫恢復至正常觀測水平(見圖5b)。影響機理為采集水樣時引起井水位突然下降，破壞了井-含水層之間原有的水動力平衡，使含水層中的水補入井中，含水層中水的溫度低于井筒中的水溫，導致井水溫度突然下降。

3.3 供電干擾

冀16井數字化水溫儀器設備自2018年1月1日正式投入觀測以來，多次出現不明原因的單點突跳。通過斷開交、直流及電壓等測試，發(fā)現當電壓出現較大波動時，水溫便出現上述突跳，由此認為，此類突跳是儀器供電干擾造成的(見圖5c)。

圖5 水溫受干擾曲線Fig.5 Water temperature disturbed curve

3.4 同震影響

據中國地震信息網地震目錄統(tǒng)計，2018年1月至2019年12月全球發(fā)生7級以上地震26次。冀16井水溫記錄到同震響應17次，響應率達65%，能記錄到大多數7級以上地震，同震響應如表1所示。從表中看出，該井對7級以上地震的映震能力強，記錄振幅大小與持續(xù)時間受震中距及震級大小的直接影響。冀16井水溫記錄到的同震效應均為振蕩型，振蕩過后水溫曲線形態(tài)仍按正常潮汐形態(tài)變化。如第37頁圖6所示，水溫記錄到的2018年1月23日17時31分41秒阿拉斯加灣發(fā)生的M8.0遠震，井水溫同震變化明顯，于17時47分至20時12分記錄到同震，振蕩持續(xù)時間達145 min，最大變幅為0.028 5 ℃。

4 水溫潮汐特征分析

4.1 水溫梯度特征

井水溫度儀器安裝通常是先進行溫度梯度測量，獲得最佳觀測位置，從地下水溫觀測資料中提取較為可靠的地震前兆信息。冀16井采用分段測量法，以10 m為步長逐步上提溫度傳感器，提至10 m處結束，共38個深度測點。首先，將調整水溫傳感器深度的短時波動數據處理掉；然后，計算每次調整傳感器深度后靜置觀測時間內的平均值及對應梯度值，水溫梯度測量結果如第37頁圖7所示。測試的變化范圍為-82.0～59.9 ℃/hm，存在多處負梯度，在深度為60～100 m范圍梯度值變化較大，由54.258 ℃/hm下降到-82.01 ℃/hm，又轉折上升至28.648 ℃/hm；在深度150～200 m間變化相對劇烈，變化范圍為-53.8～59.9 ℃/hm；在深度310～330 m處出現顯著負梯度，整體呈現顯著不穩(wěn)定性。關于溫度探頭放置位置的選擇在《地震地下流體觀測方法：井水和泉水溫度觀測》(DB/T49—2012)中已有說明[10]。參考水溫梯度測量結果及觀測規(guī)范，認為320 m位于含水層負梯度變化大的區(qū)段，背景噪聲較小，最終將水溫傳感器放置在320 m深度。

表1 河北冀16井水溫同震響應Table 1 Coseismic response of water temperature

圖6 水溫同震曲線Fig.6 Coseismic curve of water temperature

圖7 井水溫度梯度圖Fig.7 Temperature gradient map of well

4.2 水溫潮汐形態(tài)

冀16井水溫日變觀測數據具有雙峰雙谷形態(tài)，水溫潮差變幅為0.020 6～0.037 2 ℃，有明顯的潮汐效應，能記錄到清晰的潮汐動態(tài)，表現出與水位反向變化的形態(tài)，且滯后于水位變化，滯后時間為1～2 h(見圖8)。

圖8 水溫與水位對比圖Fig.8 Comparison of water temperature and water level

4.3 水溫潮汐效應形成機制

水溫固體潮的形成機制已有許多學者進行研究，并提出多種觀點。趙剛等從體應變原理方面建立模型，認為體應變變化是引起水溫變化的原因[11]。馬玉川等認為固體潮引起地下水流量的潮汐變化，流量變化又導致水溫的潮汐變化[9]。魚金子、車用太、張子廣等先后提出水動力學模式，認為當含水層受力作用時，導致井-含水層內水流狀況的變化，由于井孔內兩個水溫梯度的作用，水體熱量隨水流量的變化導致井水溫度的升降變化[1，3，6，12]。劉耀煒認為水溫固體潮效應是由含水層固體變形引起井孔內部排水與吸水，使得上下層不同溫度水混合形成溫差效應的結果[13]。

冀16井系油田部門勘探井，非專門的地震觀測井，對于329 m以上第四系覆蓋層的鉆孔巖性未進行詳細編錄。筆者認為，冀16井井水溫度潮汐效應的響應條件主要是井一含水層系統(tǒng)的水動力條件，其影響機制為：當含水層受到潮汐引力作用而膨脹變形時，井筒內的水流向含水層，導致水位下降，使井筒中的水回流到含水層，造成井筒中水溫升高；當含水層受到潮汐引力作用而壓縮變形時，含水層中的水滲入井筒，導致水位上升，含水層的水流向井筒，低溫水補充造成水溫下降[12-14]。因缺少觀測段詳細的水文地質資料，對冀16井潮汐形成機理、水溫滯后性仍需繼續(xù)研究分析。

5 結論與討論

通過對水溫動態(tài)特征進行分析，得出以下結論：

冀16井水溫呈現趨勢性下降特征，年變幅為1.3～1.7 ℃，月變幅為0.3～0.4 ℃，日變幅一般為0.01～0.02 ℃；水溫具有明顯的潮汐變化特征，日變具有雙峰雙谷形態(tài)，在形態(tài)上與水位表現為反向變化，且滯后水位1～2 h；影響冀16井水溫動態(tài)的因素主要為環(huán)境和觀測系統(tǒng)設施，自然因素主要為大氣壓強，與同井水位變化基本一致，是水位受影響的次生效應；該井水溫較靈敏，同震效應顯著，對強震具有一定的響應能力。由于缺少觀測段詳細的水文地質資料，水溫滯后性及形成機理仍需進一步研究。