2017, Vol. 37
2. 新疆维吾尔自治区地震局，乌鲁木齐市科学二街338号，830011
我国地热前兆台网拥有400余口观测用井孔，如何科学地开展水温观测、温度传感器安装以及台网布局与建设，一直是地震地下流体学科讨论的热点[1-6]。对于安装及观测层位的选择，我国已有相应的行业标准(DB/T 49-2012)。按照标准要求，水温传感器宜选择在水温梯度变化大、水温背景噪声小、最好水温潮汐效应明显的区段。根据该要求，笔者尽可能详实地收集观测井孔基础资料，对新疆维吾尔自治区地震局红雁池新11井进行温度梯度测量与动态分析。
1 红雁池新11井概况红雁池新11井位于87.63°E、43.70°N，标高1 120 m，构造上处于北西向的柳树沟-红雁池断裂西端。该断裂在剪切作用下，呈顺时针方向扭动，并在北盘形成一系列次级断裂和拖曳褶曲。
新11井深度532.3 m，其中0~34 m为粉砂质泥岩，粉砂质结构，块状构造，质密，参差状断口，有水浸现象；34~380 m为泥岩，泥质结构，块状构造，以粘土矿物为主，参差状断口，夹微晶质泥岩团块；380~532 m为石灰岩，隐晶体结构，块状构造，巨厚层状，质密坚硬，多含条带状方解石脉，中下部细小溶洞发育，局部水蚀现象明显。井孔0~378 m设套管，以下为裸孔(图 1)。
|
图 1 梯度-深度分析 Fig. 1 The relationship analyzing between water temperature and depth |
由于成井资料中未提及详细的含水层分布以及抽水实验数据，笔者通过聚焦电阻率、自然电位以及自然伽玛等测井结果进行分析。从数据上可见，聚焦电阻率测量是在套管安装完成后进行的，0~378 m其值非常小，378 m以下出现正常值。从378 m以下的电阻率来看，除471 m处有一异常高值外，没有出现异常低值。据此估计，378 m以下可视为弱透水性含水层，471 m处有一很薄的隔水带。通过自然电位以及自然伽玛也得到了大致相同的结果。
红雁池新11井于2013-09安装SZW-1A型数字式温度计以及SWY-Ⅱ型数字式水位仪。观测井房采用半地下室结构，仪器与太阳能充电器安放在地下室内。地下室有一定恒温作用，从而保证仪器连续稳定工作。
2 水温梯度实验及分析红雁池井水温梯度实验开始于2013-12，初次安装深度为100 m，同时安装有SWY-Ⅱ型水位仪。随后每星期进行温度传感器下放，每次下放深度10 m，持续到2015-08完成100~510 m的梯度测量。笔者取各层位最后1 d(传感器下放前1 d)的数据进行计算，取其日均值作为该点的温度值，并对该天观测值的最大值与最小值的差以及标准差[2]进行计算，结果见表 1。
|
表 1 梯度测量及动态分析实验过程汇总表 Tab. 1 Experimentation of temperature gradient and dynamic analysis |
将表 1中温度与深度的关系示于图 1。其中图 1(a)为深度-温度曲线，图 1(b)为梯度-温度曲线，图 1(c)为井孔柱状图及套管信息。
从图 1(a)可以看出，全井温度梯度均为正梯度。从图 1(b)可以看出，400 m以上处温度梯度范围为2.0~2.5 ℃/hm，最大值2.497 3 ℃/hm，最小值2.087 1 ℃/hm，略低于或相当于大地地热梯度值，并且以dt=-0.132 3 h+2.636的曲线下降，其中h是井深(单位hm)，dt是温度梯度值(单位℃/hm)。400 m以下温度梯度范围为1.2~2.0 ℃/hm，最小值1.244 5 ℃/hm，最大值1.991 ℃/hm，明显低于大地地热梯度值，并且以dt=-0.754 5 h+5.055的曲线下降。
整体来看，400 m处为温度梯度拐点，400 m以上温度梯度以-0.132 3℃/hm的速率下降，400 m以下温度梯度以-0.754 5℃/hm的速率下降。
2.2 稳定性-深度分析将表 1中标准差与深度关系示于图 2，其中图 2(a)为标准差-深度曲线，图 2(b)为最大最小差值-深度曲线，图 2(c)为井孔柱状图。
|
图 2 新11井温度动态分析 Fig. 2 The dynamic analysis of groundwater temperature in Xin 11 well |
从图 2可以看出，最大值和最小值的差与标准差之间同步较好，其变化趋势都是越往下值越小。也就是说，越往下，温度的短期稳定性越好(温度日变化幅度越小)。同时，470 m处的下降趋势出现明显拐点，标准差在470 m以上以-0.000 4 ℃/hm的速率下降，而在470 m以下则以-0.006 7 ℃/hm的速率下降，470 m以下其下降速率明显加速，也即日变化幅度迅速下降，甚至出现日变化幅度达0.000 1 ℃的极小值。水的横向或纵向交替运动，会由于井孔内垂向温度梯度以及横向温度梯度的存在而使层温度场不稳定；相反，如果水温稳定性越好，说明不同层位之间水的交替活跃程度越低。
结合温度-深度、梯度-深度以及标准差-深度3者关系可知，该井内水温分布复杂：拐点位置差别较大，梯度-深度拐点在400 m左右，标准差-深度拐点在470 m左右，井孔内泥岩与石灰岩交界面在380 m处，而井孔套管深度在378 m处。单纯从这些数据来看，相互之间很难找到联系，唯一可以较牵强的解释是，梯度-深度拐点(400 m)与岩性交界面(380 m)两者之间相距较近，考虑到梯度测量步长是10 m，在误差范围内梯度-深度拐点取380 m处也未尝不可。
这样带来新的问题是，由于岩性交界面与套管深度两者之间仅相差2 m，从而使问题更加复杂化：梯度-深度拐点到底是由于岩性的变化，还是由于套管到裸孔的变化带来的，至少目前还无法给出理想答案。梯度越小，可以从2个角度来解释：其一是井孔内上下层水交替活跃，不同温度的水充分混合，降低了上下层位之间的温度差，导致温度梯度下降；其二是由于浅层低温循环水的注入导致水温相对下降，从而缩小了上下层位之间的温度差。
通过测井数据分析，套管以上(378 m以上)止水，套管以下为裸孔，表现出弱透水性特点。但从新11井的温度标准差-深度关系看，越往下其温度越稳定(日变化幅度越小)，表明不同温度间水的交替混合越不活跃，显然可以排除第一种可能性。唯一可能的是，祼孔段虽然为弱透水性，但可能由于浅层低温循环水的横向注入，导致梯度下降速度加快，同时日变化幅度保持越来越小。
3 结语虽然新11井岩性较为单一，也没有透水性很强的含水层存在，但其温度分布仍表现出复杂性：全井段温度梯度越来越小，稳定性越来越好；梯度-深度拐点出现在400 m处，稳定性-深度拐点出现在470 m处。结合岩性变化界面在380 m处等数字来看，这些拐点的出现是由于岩性变化还是套管到裸孔的变化导致，仍是未知数。
结合梯度-深度关系与稳定性-深度关系分析，虽然越往下，不同层位(具有不同温度)水的交替越弱，但裸孔段仍可能受浅循环低温水横向注入影响，从而在梯度迅速减小的同时，其日变化幅度还能保持越来越小。所以，对于观测部位，不能简单地根据梯度变化或短期稳定性来选择，而是要综合考虑梯度变化、短期稳定性以及围岩特性、地下水的活动性来选择。对新11井来说，首先几个有特点的温度拐点最有可能作为观测部位，如梯度-深度拐点(400 m)、稳定性-深度拐点(470 m)等。考虑到背景噪声小的原则，470 m以下井段可能较为理想，并且该段受远处带来的浅循环低温水影响，较易带来远处的异常信息。
致谢: 本文得到新疆地震局同仁的帮助，在此深表谢意！
| [1] |
车用太, 何案华, 鱼金子. 水温微动态形成的水热动力学与地热动力学机制[J]. 地震学报, 2014, 36(1): 106-117 (Che Yongtai, He Anhua, Yu Jinzi. Mechanisms of Water-heat Dynamics and Earth-heat Dynamics of Well Water Temperature Micro-Behavior[J]. Acta Seismologica Sinica, 2014, 36(1): 106-117 DOI:10.3969/j.issn.0253-3782.2014.01.009)
(  0) |
| [2] |
韩兆洲, 杨林涛. 极差、平均差和标准差之间测度关系研究[J]. 统计与信息论坛, 2008, 23(4): 5-8 (Han Zhaozhou, Yang Lintao. The Study of Measurement Relationship between Range, Average Deviation and Standard Deviation[J]. Statistics & Information Forum, 2008, 23(4): 5-8 DOI:10.3969/j.issn.1007-3116.2008.04.001)
( 0) |
| [3] |
何案华, 汪成国, 李晓东, 等. 新疆温泉井水温梯度观测实验及结果分析[J]. 大地测量与地球动力学, 2014, 34(1): 51-54 (He Anhua, Wang Chengguo, Li Xiaodong, et al. Observation and Data Analysis of Water Temperature Gradient in Wenquan Well, Xinjiang[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2014, 34(1): 51-54)
( 0) |
| [4] |
马文娟, 赵刚, 李芳芳, 等. 水温前兆台网观测井条件研究[J]. 地震研究, 2011, 34(2): 178-182 (Ma Wenjuan, Zhao Gang, Li Fangfang, et al. Research on the Observation Conditions of Geothermal Precursor Network[J]. Journal of Seismological Research, 2011, 34(2): 178-182 DOI:10.3969/j.issn.1000-0666.2011.02.012)
( 0) |
| [5] |
许秋龙, 李晓东.井水、泉水温度观测传感器投放位置实验研究[C].地震流体专业委员会学术年会, 郑州, 2013 (Xu Qiulong, Li Xiaodong.Well Water, Spring Water Temperature Observation Sensor Placement[C].Earthquake Fluid Professional Committee of Academic Annual Meeting, Zhengzhou, 2013)
( 0) |
| [6] |
赵刚, 王军, 何案华, 等. 地热对汶川8.0级地震的同震响应及震后调整[J]. 大地测量与地球动力学, 2009, 29(2): 29-32 (Zhao Gang, Wang Jun, He Anhua, et al. Co-Seismic Response and Postseismic Effect of Geotherm on Wenchuan MS8.0 Earthquake[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2009, 29(2): 29-32)
( 0) |
2. Earthquake Administration of Xinjiang Uygur Autonomous Region, 338 Second-Kexue Street, Urumqi 830011, China