張亮娥，張建增，陳?？?，宮靜芝，魏越超，范 磊

（1.太原地震監(jiān)測中心站，太原 030025；2.太原大陸裂谷動力學 國家野外科學觀測研究站，太原 030025）

0 引言

中國高精度水溫觀測開始于1985 年，截至2018 年水溫測項達到358 項，取得了豐富的水溫觀測資料。水溫觀測記錄到了大量的微動態(tài)信息，較為突出的有同震效應、“潮汐變化”、震前異常變化[1]。針對水溫動態(tài)的復雜狀況，一些學者開始清理和研究水溫各類動態(tài)，認為觀測井的特定層能夠觀測到“固體潮”[2-4]，這種觀測層一般是水溫梯度較小段[5]。傳感器的放置深度直接決定了井溫微動態(tài)變化特征，所以充分了解觀測井水溫地質條件、井孔結構、井溫度梯度是必要的[6-7]。

山西太原臺位于交城斷裂中段，臺站現(xiàn)有兩口流體觀測井位于斷裂下盤，一口井（晉7-1）井深750 m，另一口晉源井井深度270 m，二者相距100 m（圖1）。太原臺（晉7-1）觀測井水溫觀測開始于2007 年，使用儀器為中國地震局地殼應力研究所研制生產的SWZ-1 型高精度溫度計。儀器安裝時按照規(guī)范要求對井水溫溫度梯度做了測量[8]，傳感器放置于井底（750 m）。多年觀測表明，水溫背景噪聲小于0.03%，無明顯日變化。2018 年10 月臺站水溫儀器更新改造，在井水溫溫度梯度測試時發(fā)現(xiàn)，傳感器放置在100 m 時背景噪聲與750 m 處一致，且具有“潮汐”日變化。

圖1 晉7-1 井、晉源井位置圖

為進一步了解該井不同深度水溫變化的微動態(tài)特征，以及這些特征是否具有普適性，本文對晉7-1井和與其處于同一構造位置的晉源井進行不同深度、不小于24 h 的溫度測量，并對兩口觀測井的溫度梯度以及不同深度水溫微動態(tài)特征進行對比分析。

1 觀測井基本情況

晉7-1 井位于太原市晉祠鎮(zhèn)太原基準地震臺北墻外（圖1）。該井成井時間為1981 年，成井深度765.78 m，現(xiàn)有井深750 m，井口標高828 m，水位觀測段在480 m 以下（圖2）。1983 正式納入華北井網，測項為井水位。2007 年，中國地震局“十五”項目增加了水溫觀測，使用儀器為中國地震局地殼應力所生產的“SZW-1A 型數(shù)字式溫度計”。2018 年華北儀器更新項目，儀器更新為中國地震局地殼應力所生產的“SZW-Ⅱ型數(shù)字式溫度計”。

圖2 晉7-1 井、晉源井井孔柱狀圖

晉7-1 井位于交城斷裂帶晉祠段北端的下盤，明仙溝口間歇河河床中，北、西、南三面環(huán)山。含水層為奧陶系下統(tǒng)和寒武系上統(tǒng)的石灰?guī)r、白云巖類，屬碳酸巖類巖溶地下水。地下水的補給區(qū)為西北和西部山區(qū)，水的來源主要為大氣降水和汾河上游滲漏。

晉源井位于臺站院內（圖1），該井為晉源區(qū)水資源辦公室觀測井，成井時間為2012 年，成井深度為350 m。晉源井與晉7-1 井相距約100 m，處于同一地質構造帶。

2 井水溫梯度與日變化動態(tài)對比分析

2.1 井水溫梯度與日變化動態(tài)測量

晉源井水溫梯度觀測間隔為20 m，每個深度觀測時間包含一個24 h 完整日，觀測層的溫度值為24 h的平均值。測試儀器采用中國地震局地殼應力所生產的“SZW-Ⅱ型數(shù)字式溫度計”。

晉7-1 井溫度梯度觀測間隔為10～30 m 不等，每個深度的觀測時間為30 min，取后10 min 的平均值作為該深度的溫度值。同時對該井80～220 m 段做了20 m 間隔，其他段以50 m 的間隔做了觀測時間大于24 h 的測量，觀測其不同深度的日變化動態(tài)。

2.2 井水溫梯度對比分析

圖3 為晉源井溫度與晉7-1 井溫度梯度對比曲線圖，兩口井溫度梯度總體一致，在100～200 m 范圍為負梯度，溫度梯度約-0.01 ℃/m，其余深度為正梯度，溫度梯度在0.03～0.04 ℃/m。兩口井不同深度絕對溫度來看，在100～200 m 負梯度深度，晉源井溫度小于晉7-1 井，而在其他深度范圍內晉源井溫度大于晉7-1 井，絕對溫度差約0.15 ℃。隨著深度的加深，在270 m 處，兩井溫度趨于一致。

圖3 晉7-1 井、晉源井溫度與溫度梯度圖

一些學者認為負梯度的存在是由地層巖性的熱導率異常引起，比如凝灰?guī)r、板巖其密度低，含水性弱，熱阻大，熱導率低，因而影響地溫隨深度的變化[4]，也有學者認為是由井區(qū)附近自下而上的熱流或自上而下冷水引起的，總之是由于井區(qū)特殊的水溫地質構造引起[9]。經過分析認為，造成晉源井和晉7-1 井溫度為負梯度的原因為后者。從晉7-1 井柱狀圖顯示，該井在75 m 處裂隙發(fā)育，裂隙的發(fā)育造成內外水流交換的頻繁，從而造成兩口井該深度段溫度為負梯度；晉源井92.82 m 之下均為水位觀測層，該段正好位于裂隙發(fā)育段，水流交換頻繁，而晉7-1 井觀測層在480 m 以下，裂隙段對水流交換的影響低于晉源井，這是造成晉源井在負梯度深度范圍絕對溫度低于晉7-1 井的原因。

2.3 井水溫日變化對比分析

1）圖4 為晉源井不同深度日變化曲線，整體看各深度變化平穩(wěn)，無明顯日變形態(tài)；在80～180 m 深度背景噪聲小于其他深度；270 m 處井底背景噪聲小于0.1 %℃，達到最小。晉7-1 井在80～180 m 深度背景噪聲小于其他深度；100 m 深度日變化類似于“潮汐”，其他深度變化平穩(wěn)，無明顯日變化；750 m處井底背景噪聲小于0.1 %℃,達到最?。▓D5）。

圖4 晉源井不同深度溫度日變化曲線圖

2）晉源井80～180 m 平均絕對溫度梯度0.008 ℃/m，其他深度平均溫度梯度0.03 ℃/ m；晉7-1 井80～180 m 平均絕對溫度梯度0.004 ℃/m，其他深度平均溫度梯度0.03 ℃/m。兩口井在80～180 m背景噪聲小的原因是該深度溫度梯度小于其他深度。關于水溫“潮汐”變化，潮汐現(xiàn)象是井管內特定深度才可以反映，是一種次生效應[10]。當含水層受到壓縮潮汐力發(fā)生變形，含水層中的地下水流入井筒，使得井水得到熱水溫度升高；反之當含水層受到膨脹潮汐力井水溫降低，如此反復形成“潮汐”[11]。晉7-1 井在100 m 深度能記錄到微弱的“潮汐”變化，是因該深度處于溫度正負梯度轉換，梯度接近于零，背景變化較小，對含水層地下水變化更為敏感；其次，太原臺晉7-1 井水位潮汐日變化幅度只有3～5 cm，水位潮汐變化的大小與水溫變化成正比，這是造成該井水溫“潮汐”弱的原因。

2.4 井水溫日變化周期分析

測試儀器采用SZW-Ⅱ型水溫儀，采樣率1 次/min，能夠記錄到地球震動的多周期變化信息。從圖4“晉源井”和圖5“晉7-1 井”日變化曲線圖來看，日變化包含的周期成分在正梯度和負梯度范圍存在明顯不同。采用“傅里葉分析去多個周期方法（該方法對日變化中幅度大于3 ℃的周期成分進行提?。睂Σ煌疃热兆兓M行分析，結果表明：兩口井在100～200 m 負梯度深度時，日變化中包含的周期成分相對簡單，主要為大于80 min 的長周期成分，而在其他正梯度深度，日變化中包含周期成分豐富，最小周期小于20 min，而20～40 min 周期變化占到所有周期變化的一半以上（表1～2）。

表1 晉源井不同深度周期成份分析

表2 晉7-1 井不同深度周期成份分析

圖5 晉7-1 井不同深度溫度日變化曲線圖

造成以上不同深度周期成分復雜程度不一的原因是井溫度梯度的大小。表面上負梯度深度范圍內周期成分相對單一，實際分析發(fā)現(xiàn)兩口井100～200 m 的深度其負梯度的絕對值只有0.004 ℃/m 和0.008 ℃/m，而其他深度溫度梯度絕對值達到0.03 ℃/m，也就是說傳感器所在深度的溫度梯度決定了其日變化形態(tài)，溫度梯度大的觀測層日變化中所含的周期成分豐富。

3 討論與認識

通過對位于斷裂帶同側的晉7-1 井與晉源井不同深度水溫變化的對比分析，得出以下認識。

1）觀測井所處位置的水文地質構造是決定井水溫梯度的主要因素。晉7-1 井與晉源井雖然深度不一致，但其溫度梯度變化趨勢一致；兩口井的絕對溫度值隨著井深度的增加，趨于一致。

2）觀測井傳感器所在位置的水溫梯度是決定日變化形態(tài)的主要因素。水溫梯度大，日變化中所包含的周期成分豐富。

3）井溫度梯度與水溫背景噪聲成正比。對于同一口井井底、正負溫度轉換帶或者是恒溫井，這些溫度梯度為零或近零點水溫觀測背景最小。

4）水溫“潮汐”變化為次生變化，大小與水位“潮汐”相關，具有“潮汐”日變化的觀測層溫度梯度為零或近零點。

5）觀測發(fā)現(xiàn)由于水溫傳感器同一深度兩次放置，造成日變化前后的不一致，原因可能是井水溫橫向梯度的影響。一般來說，觀測井的直徑在十幾公分，但投放水溫傳感器時無法控制其橫向的準確位置，這是井水溫橫向梯度測量的難點。

6）根據“震臺網函〔2016〕257 號關于印發(fā)《觀測井水位校測與水溫梯度測量要求（試行）》的通知”要求，觀測井200～500 m 內測點間距為20 m，本實驗中溫度梯度的測量間隔的選擇為20 m，觀測井溫度的日動態(tài)變化在千分之幾，還不能對一些細節(jié)變化做出詳細的解釋。