齊彬彬，黃瑞濱，郭延杰，于章棣

（赤峰地震監(jiān)測中心站, 內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

0 引言

地震地下流體觀測在地震監(jiān)測預(yù)報中發(fā)揮著重要作用，特別是在短臨預(yù)報中往往起決定性作用[1-2]。水溫作為地震地下流體重要觀測手段之一，自20世紀(jì)80年代開始經(jīng)過多年的發(fā)展，觀測精度逐漸提高，并觀測到越來越多的震前異常、同震響應(yīng)及潮汐效應(yīng)[3-4]。前人對水溫的微動態(tài)特征和形成機制進(jìn)行了研究，希望能對井水溫變化做出系統(tǒng)解釋。鑒于水溫動態(tài)變化的復(fù)雜性，不同學(xué)者提出了多種觀點。魚金子等提出了水動力學(xué)機制[5]；車用太等提出熱對流與熱傳導(dǎo)機制[6]；魚金子等提出了水－熱動力學(xué)機制的概念[7]；車用太等提出了水-熱動力學(xué)機制和地?zé)釀恿W(xué)機制。水熱動力學(xué)機制即水溫變化是由不同溫度水流運動引起的機制，地?zé)釀恿W(xué)機制即水溫的變化是井水和固體巖石之間的熱傳導(dǎo)及井區(qū)大地?zé)崃髯饔脧姸鹊淖兓鸬?。還有諸如冷水下滲說、氣體逸出說和熱彌散說也同樣揭示了水溫、水位同步變化的機理[3]。

通過了解水文地質(zhì)概況、井孔概況，井內(nèi)水位、水溫觀測等資料，對引起水溫變化的影響因素進(jìn)行熱動力學(xué)機制的解釋，有助于正確識別水溫的微動態(tài)變化和水溫干擾因素，以提高地震監(jiān)測預(yù)報水平。

針對克什克騰井，本文結(jié)合區(qū)域地下水開采、降雨補給、地表水補給、溫度梯度試驗和多年水位水溫觀測等資料，分析水溫動態(tài)的影響因素，并對水溫動態(tài)變化的形成機制進(jìn)行闡釋。

1 觀測井概況

1.1 區(qū)域水文地質(zhì)

克什克騰地震臺位于內(nèi)蒙古赤峰市西北部，南距赤峰市240 km，北距錫林浩特市140 km。觀測井孔位于內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市克什克騰旗熱水鎮(zhèn)旺泉賓館北面，南山北坡自然泉點附近，高程為1 098 m?？耸部蓑v旗地形、地貌復(fù)雜多樣，地勢西高東低、中沙北草，地處渾善達(dá)克和科爾沁兩大沙地的結(jié)合部，融西部草原、南部熔巖臺地和北部丘陵山區(qū)于一體,平均海拔1 100 m，屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫2～4 ℃，無霜期60～150天，年降雨量250～500 mm，多集中在6—8月內(nèi)。

該井所處的熱水塘地?zé)嵩磳儆谏絽^(qū)開放型基巖隆起帶低溫地?zé)豳Y源熱水、溫?zé)崴碜晕鞅辈奎S崗梁山脈山區(qū)地下水沿斷裂裂隙向下入滲，形成深部循環(huán)水，受地溫加熱后，沿斷裂破碎帶上升進(jìn)入地?zé)崽餆醿?，形成地?zé)崃黧w。地?zé)崽锏男纬珊头植际躈E向燕山中期運動主構(gòu)造和NW向晚期巖漿活動和新構(gòu)造運動產(chǎn)生的次級斷裂構(gòu)造控制和影響。在主、次兩組斷裂構(gòu)造的交匯部位形成基巖構(gòu)造破碎區(qū)域，構(gòu)成地?zé)崃黧w的有力存儲地段。熱水中心區(qū)為晚近期垂直上升運動產(chǎn)生斷裂構(gòu)造的活動區(qū)域（圖1）。

圖1 熱水鎮(zhèn)附近地質(zhì)構(gòu)造圖

據(jù)物探成果及鉆探揭露地層顯示，F(xiàn)4、F5斷層為通過熱水中心區(qū)的主要控?zé)釋?dǎo)水構(gòu)造，斷層近直立，向深部延伸大于400 m。晚近期構(gòu)造運動產(chǎn)生的NW向次級斷裂在本區(qū)較為發(fā)育，為熱水的主要導(dǎo)水通道。沿斷裂延伸方向推測，其補給源大部分來自黃崗山脈。因NE向F2斷層西南端的西部山區(qū)均出露全風(fēng)化花崗巖（Y52-2），局部穿插板巖巖脈，巖脈節(jié)理裂隙發(fā)育，傾角近直立，具有良好的深層補給垂直入滲條件，推測補給源來自沿F2正斷層附近出露的全風(fēng)化花崗巖（Y52-2）山區(qū)[8]。

溫泉的形成是遠(yuǎn)古時代內(nèi)蒙古高原隆起和大興安嶺火山噴發(fā)造成地面斷裂，形成花崗巖破碎帶，大氣降水、孔隙水、裂隙水沿斷裂破碎帶滲透、循環(huán)，在地殼深處受熱后，又在導(dǎo)水花崗巖破碎帶中匯集，沿裂隙上升涌至地表形成溫泉。地下熱水賦存于花崗巖體的構(gòu)造裂隙中，出水溫度最高達(dá)87 ℃。熱水主要分布在嘎拉達(dá)斯汰河北岸山前洪積扇裙上，分布范圍1 km2，動儲量3 017 t/d，熱水穩(wěn)定自流量2 592 t/d，水溫在83 ℃左右。

1.2 井孔資料概況

克什克騰井2011年完成鉆井，2014年正式投入觀測使用，成井深度160 m。井內(nèi)有水溫和水位觀測兩套儀器，觀測初期采用SZW-1AV2004型數(shù)字式溫度計、SWY-II型數(shù)字式水位儀進(jìn)行觀測，2020年1月SZW-1AV2004型水溫儀器探頭故障，更換為SZW-II型溫度計。水溫觀測探頭安裝在井下155 m處，水位探頭安裝在井下14 m處。

如圖2井孔柱狀圖所示，觀測井鋼套管下至井下50 m，50 m以下為裸孔出水。套管以下有多段破碎帶發(fā)育，破碎帶主要有碎、塊石組成，巖性為花崗巖，粒徑為一般10～30 cm。井下破碎帶位置分別為66.90～81.05 m、84.20～91.15 m、94.40～104.41 m、115.50～119.70 m、144.20～146.90 m，巖芯一般呈碎塊狀或短柱，裂隙發(fā)育，觀測含水層為井下100 m以下破碎帶的溫泉水。

圖2 克什克騰井井孔柱狀圖

1.3 水溫梯度試驗結(jié)果

由于該井水位在井下5 m左右，水溫探頭放置于井下155 m處，所以選擇從井下155 m至15 m，每10 m一個點。從圖3水溫曲線上來看，克什克騰井呈現(xiàn)水溫隨深度增加的現(xiàn)象，淺層水溫曲線無明顯因漏水而產(chǎn)生的陡變，105 m以下水溫隨深度稍有降低，而后基本穩(wěn)定在52 ℃左右，結(jié)合井孔柱狀圖分析認(rèn)為105 m以下為含水層所在的破碎帶，并且以105 m處層位為主要出水點。從水溫梯度來看，前105 m井深梯度變化劇烈，水溫隨井深度上升迅速下降。其中井下50 m處梯度存在明顯轉(zhuǎn)折，結(jié)合資料分析認(rèn)為是由于觀測井鋼套管下至井下50 m，而鋼材的熱傳導(dǎo)系數(shù)與井壁圍巖的熱傳導(dǎo)系數(shù)相差較大，使得溫度衰減速率不同。井下105～135 m處梯度呈現(xiàn)負(fù)值，推測是由于105 m附近有大量熱水流不斷補給，而其他位置與周邊水利交互作用相對較弱，熱量以擴散為主，因此溫度低于105 m處，進(jìn)而呈現(xiàn)出熱量從105 m處同時向上和向下擴散的曲線形態(tài)?？偟膩碚f，克什克騰井井下105 m處為主要出水點，未發(fā)現(xiàn)淺層存在明顯的漏水點。

圖3 克什克騰井溫度分布及溫度梯度

2 水溫微動態(tài)特征分析

2.1 水溫、水位動態(tài)變化特征

從圖4中可知，克旗井2016年1月至2021年3月水溫觀測數(shù)據(jù)在52.559 4～52.863 9 ℃范圍內(nèi)變化，水溫呈逐年下降的趨勢。在年變形態(tài)上，1—6月表現(xiàn)為下降，6月出現(xiàn)趨勢性轉(zhuǎn)折，7—12月表現(xiàn)為上升，年變化幅度約為0.1 ℃，水溫觀測數(shù)據(jù)總體表現(xiàn)為夏季水溫低、冬季水溫高的特點。

圖4 克什克騰井水位、水溫及降雨量對比曲線

在觀測時段內(nèi)，該井水溫自觀測以來，一直呈現(xiàn)下降趨勢。對于水溫漂移型的成因一般認(rèn)為：①大地?zé)崃鞯奈⑷踝兓?；②巖土應(yīng)力場緩慢線性變化，導(dǎo)致孔隙水變化，引起溫度變化；③儀器“零漂”變化?？耸部蓑v井水溫年變幅度大概下降0.08 ℃/a，意味著如果這是真實年變，600年前水溫為100 ℃，700年后水溫降到0 ℃，顯然這是不可能的。目前根據(jù)全國水溫抽查資料，在調(diào)查的40多口井中，水溫有趨勢性變化的有26口，其中趨勢上升的占61.5 %，趨勢下降的占39.5 %[9]。通過對該井水位和水溫的變化曲線對比，該井水溫趨勢下降，可能是觀測儀器存在“零飄”導(dǎo)致。

克什克騰井水位數(shù)據(jù)年動態(tài)特征表現(xiàn)為夏季下降，冬季上升。每年3月左右開始下降，8月中旬達(dá)到水位年最低值，然后逐漸回升至翌年3月。年變化幅度約為3 m?？耸部蓑v井水位變化主要受到溫泉療養(yǎng)區(qū)內(nèi)同層水位超采所致，夏季進(jìn)入旅游旺季，抽水量增多，水位下降；冬季用水量減少，水位上升。

通過觀察多年觀測資料發(fā)現(xiàn)，水溫、水位的動態(tài)變化對應(yīng)關(guān)系并不明顯。選取2016—2021年水位、水溫數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，計算得到相關(guān)系數(shù)為0.419 149，說明二者在年動態(tài)變化規(guī)律相關(guān)性不顯著。

克什克騰井位于克什克騰旗熱水塘鎮(zhèn)，該地地?zé)豳Y源豐富，屬于溫泉旅游區(qū)，旅游區(qū)內(nèi)每日7時、11時、17時定時抽取地下水，用于溫泉療養(yǎng)。觀察水溫水位短期對比圖5，可觀察到水位日變波形呈鋸齒形，水位的日變幅度達(dá)到0.5 m，而水溫日變幅只有0.015 ℃左右，水溫的動態(tài)情況并沒有出現(xiàn)明顯的日變化，水溫水位也在日變化內(nèi)沒有明顯的對應(yīng)關(guān)系。選取3月1—15日水位、水溫數(shù)據(jù)做相關(guān)性分析，計算的得到相關(guān)系數(shù)僅為0.089 186，從上述分析可以說明，水位的變化對水溫動態(tài)的影響不大。

結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)（圖4c），該地區(qū)降雨主要集中在5—8月，6、7月降雨量最多，降雨量大約在300～400 mm。水位在降雨期間依然表現(xiàn)為下降，并未出現(xiàn)因降雨而出現(xiàn)明顯水位上升情況，可能是降雨因素引起的水位變化湮沒在抽水干擾動態(tài)中；而水溫的動態(tài)表現(xiàn)為1—6月下降、7—12月上升，水溫的動態(tài)特征與降雨也不存在明顯的同步對應(yīng)關(guān)系。經(jīng)過上述幾個因素的分析，克什克騰井的水溫并無對應(yīng)規(guī)律可循，無法說明水溫微動態(tài)的原因。

3 熱動力學(xué)機制分析

在井-含水層熱系統(tǒng)體系下，存在2個溫度梯度。第一個梯度是指在地溫梯度的存在和熱傳導(dǎo)作用的影響下，在垂直方向存在水溫隨著深度增加而變化的梯度，一般情況下水溫隨著深度增加而上升；第二個梯度是指在井筒到含水層水平方向上存在水溫梯度。其中，垂直方向的溫度梯度對水溫梯度起到?jīng)Q定性作用[10]。

對于克什克騰井在同層水位超采情況下，井筒內(nèi)水流向含水層，水位下降，上部溫度低的井水流入含水層；抽水停止，含水層內(nèi)熱水流入井筒，水位上升。井筒內(nèi)井水的垂直向運動引起井筒內(nèi)的熱對流，但是由于探頭位置較深，處于含水層以下較深的位置，含水層以下水的交互作用較小，溫度只能通過熱傳導(dǎo)的方式向探頭方向傳遞熱量。在頻繁的抽水停止活動中，向下方向熱量的傳導(dǎo)受阻。首先，通過溫度梯度實驗證實在探頭附近溫度梯度較小，溫度比較穩(wěn)定；其次，水位、水溫對比圖（圖5）也能證實，水位的變化對水溫影響較小。故井筒內(nèi)水的垂直向運動對水溫的干擾極其微小，所以該井水溫的動態(tài)與水熱運動機制關(guān)系不明顯。

圖5 2021年3月1 —15日克什克騰井水位、水溫短期對比曲線

影響水溫動態(tài)機制有水熱動力學(xué)和地?zé)釀恿W(xué)。一般情況，大地?zé)崃髦岛蛥^(qū)域熱場是長期穩(wěn)定的[3,6]，那么影響水溫動態(tài)的因素普遍認(rèn)為是降雨補給和水熱動力學(xué)機制[10]。

上述分析已經(jīng)證實，克旗井水溫的動態(tài)與水熱運動機制關(guān)系不顯著，那么降雨補給極有可能是影響水溫微動態(tài)的影響因素，但不同于典型的降雨補給因素影響動態(tài)變化，例如通遼井、九江井、大興黃村井、金沙江水網(wǎng)觀測井、首都圈地區(qū)觀測井等[11-15]。一般情況下，水溫下降出現(xiàn)在3—9月，9月至次年3月水溫上升，對應(yīng)溫度下降時段內(nèi)，降雨開始增多。但是克旗井出現(xiàn)了較為特殊的年動態(tài)特征，出現(xiàn)了水溫動態(tài)變化與降雨時間不同步，其水溫動態(tài)特征表現(xiàn)為1—6月下降、7—12月上升，按照降雨入滲補給的影響解釋不通。通過研究典型大氣降雨入滲補給案例發(fā)現(xiàn)，在觀測含水層埋深較淺觀測井中的水溫動態(tài)普遍受大氣降水入滲補給的影響，這些觀測井一般位于垂直裂隙比較發(fā)育、地下水補給區(qū)與觀測井間的距離較近的區(qū)域。

根據(jù)克什克騰地區(qū)物探成果及鉆探揭露地層顯示，由補給區(qū)、排泄點地下水及雨水同位素計算得到補給區(qū)海拔高度為：H=1 164 m。據(jù)此推測，熱水補給源來自基巖山區(qū)或海拔較高地帶的大氣降水入滲。由補給區(qū)及排泄點同位素計算的地下熱水在含水層停留時間為：北側(cè)補給區(qū)59.49年，西側(cè)補給區(qū)為32.07年。當(dāng)采用經(jīng)驗估算法時，根據(jù)國際原子能委員會同位素水文組建議，本區(qū)地下熱水在含水層停留時間為20年。

根據(jù)圖1顯示的區(qū)域水文地質(zhì)資料和勘探結(jié)果發(fā)現(xiàn)2點不同之處。一是降水補給區(qū)距離觀測井較遠(yuǎn)，補給源來自沿F2正斷層附近出露的全風(fēng)化花崗巖（Y52-2）山區(qū)；二是地下熱水在含水層停留時間較長。在大氣降雨干擾情況下，不同水文地質(zhì)條件下干擾源作用時段與干擾出現(xiàn)時間一般存在滯后性，隨著觀測井距降雨滲入補給區(qū)距離的增大，滯后時間越來越長[16]。由于該地區(qū)年平均氣溫較低，夏季降雨溫度相對地?zé)釡厝^低，低溫降水由較遠(yuǎn)的補給區(qū)進(jìn)入含水層，低溫水會導(dǎo)致含水層的水溫降低，或者較冷的降雨滲入有可能引起含水層附近區(qū)域巖土溫度下降，并向含水層附近區(qū)域擴散，引起井筒含水層附近溫度的下降。由于上述原因，所以較冷降雨滲入影響水溫動態(tài)的時間有可能滯后，并解釋了水溫動態(tài)與降雨補給因素的滯后性和時間不統(tǒng)一的問題。

根據(jù)上述研究，克什克騰井水溫特殊的動態(tài)特征可以采用降雨補給的滯后影響和地?zé)釀恿W(xué)解釋較為合理，即降雨補給引起含水層和含水層附近固體巖石的溫度下降，較遠(yuǎn)的降水補給區(qū)和較長的熱水在含水層的停留時間引起了水溫動態(tài)與降雨補給因素不同步。

4 結(jié)論

通過對克什克騰井水溫動態(tài)特征進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。

1）用降雨補給的滯后影響和地?zé)釀恿W(xué) 可以解釋克旗水溫形成的動態(tài)特征，即降雨補給引起含水層和含水層附近固體巖石的溫度下降，較遠(yuǎn)的降水補給區(qū)和較長的熱水在含水層的停留時間引起了水溫動態(tài)與降雨補給因素的不同步。

2）對于克什克騰井在同層水位超采情況下，通過溫度梯度實驗證實在探頭附近水溫溫度梯度較小，溫度比較穩(wěn)定；通過水位、水溫變化對比，并計算相關(guān)系數(shù)，發(fā)現(xiàn)水位的變化對水溫變化影響較小。故井筒內(nèi)水的垂直向運動對水溫的干擾很小，所以該井水溫的動態(tài)與水熱運動機制關(guān)系不明顯。

3）通過對該井水位和水溫的變化曲線對比，該井水溫趨勢下降，可能是觀測儀器存在“零飄”導(dǎo)致。