我国自1966年邢台地震后开始利用地下水水位进行震后趋势预测，在全国范围内进行地下水网建设。经过长期发展，特别是后期“九五”、“十五”以及“背景场”项目的建设，在全国范围内已建成400多口地震地下流体观测井(统计数据来源于国家台网中心，未包含未接入国家地震前兆数据库的观测井)。随着大量观测资料的积累和实验研究的开展，越来越多的资料表明，地下水是反映地壳变动最灵敏的因素之一。通过长期的数据积累，试图找寻构造作用或地球动力学及地震活动等与地下水动态变化的关系，甚至探索地震前是否存在地下水异常信息，是地下水观测网络建设与运动的初衷与目标^[1-3]。

通过地下水动态进行地震活动性研究主要集中在震前异常变化、同震响应、震后调整过程等方面，这些都离不开以下因素：1)连续有效的观测数据；2)观测井点的构造地质、水文地质环境；3)井-含水层系统结构、参数，井孔内部结构。遗憾的是，我国地下水观测台网建设初期，由于经费以及场地限制，大部分观测井(占比达85%以上)沿用原有资源勘探井、水资源调查井等，不是专门针对地震观测新建的钻井^[4]，缺少详细的基础资料，直接影响到对观测数据进行分析时的科学性与逻辑性。对这些井基础资料的补全，也是地震地下流体学科组近些年所关注的任务，主要采用以下几种方式进行：1)历史资料收集，尽量收集当年钻井资料并电子化归档，但有些井的资料由于时间久远、管理部门或人员变更已无从找起；2)通过地球物理方法来获取部分井孔结构及水文地质信息，包括重、磁、电、震、声、放射性、成像等各种测井方法，但大部分实施成本较高、对观测井环境影响较大而很少使用，目前较多采用井下电视来查明井孔堵塞、井壁或套管破损情况；3)通过水温梯度精细测量来对井孔内部信息进行反演。

1 保山新井主涌水段的确定

保山市地震局于2017年新建钻孔一口，完井时深度764.17 m，日出水量15 m³，钻孔位置上部为湖泊相冲洪积地貌单元。由于出水量较大，且出水温度较高，钻井施工单位受技术设备与条件所限，并未给出具体的井孔详细资料(特别是主涌水段)，而这些基础资料对于今后观测数据(特别是水温观测数据)的分析有着关键作用。

经现场勘察，决定采用精密温度梯度测量的方法来进行主涌水段位置的反推。梯度测量采用SZW-Ⅱ型数字式温度计(量程0~100 ℃，准确度±0.03 ℃，分辨力0.000 1 ℃)，每10 m(其中井深500~705 m段用5 m)测量一个点，每个测点观测时间超过30 min，取稳定后5 min数据的均值作为该测点的温度值，最终得到梯度测量结果如表 1所示。

通过温度实验发现，虽然完井时深度为764.17 m，但梯度测量时传感器在708 m处就无法再继续工作，可能是由于井孔岩性主要是粘土、泥岩、灰岩等，经过水流冲击、沉淀，导致井孔底部淤泥较厚所致。将测量结果结合钻孔岩性分布、井孔套管布设进行绘图，如图 1所示。

结合围岩与含水层分布，从图 1可以看出，在进行温度梯度数据分析时，温度梯度-深度曲线比温度-深度曲线在反映井孔内部信息时，可更清晰地反映井孔内部参数变化的细节。通过图 1(b)可以清晰地看出，在640 m处温度梯度存在明显拐点，也是全井段梯度极低值段。由于保山新井为自流高温井，温度梯度越小意味着该井段水流上下交替越剧烈；而对于自流井，井孔内上下水交替最剧烈段即为主涌水段，从而通过640 m处温度梯度极小值即可推断，保山新井主涌水段位于640 m处。在640 m以上，随着井口套管的导热效应，导致离井口(即离地面、离空气)越近，散热越快，梯度值越大；而在640 m以下，由于处在主出水口之下，越往下，温度梯度越大。结合钻孔施工单位给出的含水层分布来看，可能存在由于钻井过程中含泥、粘土较多，导致出水层糊住的可能性，推断施工单位给出的含水层分布存在较大误差。

2 川03井不同层位水温同震相应差异性机理研究

利用四川川03井进行梯度反演含水层分布实验^[5]。川03井位于四川省西昌市太和镇，地处著名的安宁河断裂带中段，井深765.6 m，其中0~100 m设Ø108 mm套管，以下为∅91 mm的裸孔。揭露的主要地层是上古生代含铁辉长岩与钒钛磁铁矿体，井中主要观测含水层为202.91 m以下的辉长岩体中的多层承压裂隙水层；含水层渗透系数为0.01~0.345 m/d，地下水化学类型为HCO₃-Na型，矿化度为0.173 g/L，pH值为9.5；含水层的承压性较好，成井时为自流井，汶川地震时由于区域井水位下降而成为静水位。

2007年川03井在395 m、595 m、765 m 3处位置分别安装有温度传感器，2008年汶川地震时3个不同层位的温度、水位都表现出很明显的同震响应，且3个不同层位水温同震响应其形态、过程不一，结合水位无法用一个简单的统一模型来进行解释。分别于2007年、2012年进行该井的详细梯度测量，测量采用每20 m一个点，每点固定30 min以上，取最后5 min平均值为该点温度值。测量结果(图 2)表明，全井段梯度处在2~3 ℃/hm，且越往下温度梯度越小，其变化速率较为平稳，但500 m处可明显看出温度梯度-深度曲线有一“鼓泡”结合已有的井孔资料发现，全井段除了200 m处一个46 m厚的含水层为全井主涌水段之外，500 m处还有一很薄的含水层(8 m厚)。通过梯度测量可以推断，500 m处的含水层虽然厚度仅为8 m，但其特性为温度梯度相对异常(高温)层。从同震响应过程来看，该相对高温含水层在同震过程中，对于中层(595 m)水温的同震响应过程起着重要的控制作用。

从水温同震响应过程来看，浅层(395 m，图 3(a))同震过程为水温持续下降，这可能受井孔内注入的相对冷水有关(水位持续上升)；而中层(595 m，图 3(b))表现则与浅层完全不同，水温先是快速上升，然后略微下降。通过温度梯度来看，同震过程中首先受到500 m处相对高温含水层的控制，注入较多的相对热水，从而地震后的温度快速上升，而后由于全井段受200 m主涌水段(相对冷水)控制，从而温度出现一定程度的缓慢下降；而对于深层水温，由于该传感器远离相对冷水(热水)含水层，所以同震过程中含水层流速的变化并未影响到深层温度传感器，它们只是随着水柱体进行上下运动。

通过川03井的温度梯度实验以及汶川地震的同震分析可清晰地看出，详细的温度梯度数据对于后期数据分析起着决定性、基础性的作用。

3 静乐井“地下水库”模型的提出

静乐井位于山西省静乐县娘子神乡偏梁村，井深362.29 m，观测层为中奥陶系(O₂)马家沟灰岩岩溶承压水。井区构造地质上属于宁武-静乐复式向斜的东翼中南段，区内以单斜构造为主，岩层走向NNW，倾向SSW，倾角30°左右。静乐井0~46.30 m为第四系冲洪积砂砾石，其下为下奥陶系白云质灰岩、硅质灰岩和上寒武系泥质灰岩，井深229.81~245.95 m、258.28~288.76 m处见断层破碎带，观测含水层为寒武系和奥陶系岩溶裂隙含水层，富水地段是井深229.81~288.76 m的断层破碎带。通过娘子神供水勘查报告，静乐井在331 m、336 m分别有1.2 m与1.5 m掉钻，结合该地区其他几口井的资料，该区域在300~350 m段喀斯特岩溶非常发育，存在溶洞、暗河的可能。

2007年和2014年分别对该井进行深度-温度测量^[6]，测量仪器采用SZW-1A型数字温度计，测量方法采用以5~50 m为步进，每个点停留30 min，取最后5 min的均值作为该位置的温度值，结果如图 4所示。蓝线为2007年测量结果，采用50 m步进进行梯度测量，红线为2014年测量结果，采用10 m步进进行梯度测量。

静乐井早期为自流井，后来由于附近抽水导致水位下降成静水位。从梯度测量数据可以明显看出，250 m以上井段其梯度几乎为0，推断虽然该井已下降成静水位，但250 m以上井段其井水上下交替仍很剧烈，可能其水流还存在动水位的运动趋势，即从下往上流的趋势，只是观测井上部存在砂砾层、透水性强，从而水在井孔内部上下循环而已；而250 m以下部分，水温梯度呈现负梯度，结合钻井资料、区域水文资料，特别是330 m处的两次掉钻来看，250 m以下存在一库容量很大的地下水库。

2015年尼泊尔地震时，静乐井水位同震响应幅度达1.75 m，而水温却保持不变(图 5)，这是由于水温传感器(安装于335 m)位于地下水库中央部分，虽然水位大幅度振荡，但水库中央由于水几乎没有振荡，温度可保持不变。

4 结语

水温梯度精细测量对于后续的观测数据分析有着很直接的作用。水温梯度变化很直观地体现出井水上下交替、甚至含水层横向水流的基本特征。影响水温梯度分布的因素有很多，包括含水层的分布、含水层的循环特性、套管分布、岩性分布等。利用井孔水温数据进行地震监测、预测时，需要井孔内水温梯度分布这一基础资料，特别对于一些基础资料不全的钻孔，通过分析精细水温梯度进行含水层分布、主涌水段位置的确定、水温水位同震响应分析以及判断岩性或井口套管^[7]对温度的影响，可为数据分析的科学性提供技术保障。