0 引言

自20世纪80年代开展井水温动态观测以来，中国观测站(点)已超过441个，取得了丰富的井水温观测资料，记录到大量水温微动态信息，其中较为突出的是水温的地震前兆异常、固体潮、同震效应等(车用太等，2008)。谷元珠(2003)在分析塔院井水温微动态时发现，在井水温最佳观测深度，能观测到水温潮汐、同震阶变及前兆等现象。杨竹转等(2010)分析井水温动态变化的影响因素时认为，充分了解井孔水文地质条件、井孔结构和温度梯度分布是必要的。井位选定后，传感器放置深度对观测结果形态影响较大，直接决定井水温微动态特征(汪成国等，2012；车用太等，2013；张慧等，2013；何案华等，2014)。在此以重庆荣昌华江井为观测对象，开展详细的水温梯度测试。每隔5 m深度放置探头，每个探头放置时间均超过48 h。通过对各深度段水温潮汐响应和同震响应进行分析，初步分析该井不同深度处井水温微动态特征，以便为地震监测预报提供基础信息。

1 观测井简介

荣昌华江井位于重庆市荣昌县安富镇华江厂区，井径240—110 mm，井口套管直径240 mm，井深251 m，其中：0—70 m深度段设花管，70 m深度以下为裸孔。井孔地质概况为：0—5.2 m深度段为覆土；5.20—37.20 m深度段为中侏罗统J₂灰黑色页岩，裂隙发育，以层面裂隙为主，切层裂隙为次，岩层倾向ES，倾角45°；37.20—61.10 m深度段为中侏罗统J₂灰白色细砂岩，该层裂隙不发育；61.10—251.00 m深度段为晚侏罗统J₃中粒长石英砂岩，局部裂隙发育，岩层倾角45°，该层为主要观测含水层，岩性为三叠系上统须家河组长石石英砂岩(图 1)。

现在运行的“十五”井水温观测仪器为SZW-1A(2004)数字温度计，传感器安装在井下225 m处(置于主要含水层)，比荣升矿井开采面高145 m，比长田坎矿井开采面高45 m。自2007年9月运行以来，观测数据稳定。图 2为2008—2017年荣昌华江井水位与水温日均值曲线，可见水温长期动态类型为升温漂移型，年均升温0.02 ℃。在2008年5月12日汶川8.0级地震和2010年9月10日荣昌4.7级地震后，井水温出现群体型正脉冲异常变化，分析认为：该特殊的水温微动态现象是在特定地质条件下，区域性强震与当地中等地震活动激发深层气体释放并侵入观测井引起(陈敏等，2016)，说明煤矿开采时深部气体释放量的变化可能对井水温造成一定影响，且在一些地震后比较突出。

图 3为水温梯度曲线，测试段水温梯度均为正；70—90 m深度段的梯度值变化剧烈，70—80 m深度段温度梯度最大，约为0.03 ℃/m，到90 m深度处水温梯度降到最小，约为0.012 ℃/m；100 m深度段以下井水温梯度变化不大，除105 m处梯度值较大(0.02 ℃/m)，其余段温度梯度在(0.016—0.018)℃/m。70—80 m深度段温度梯度最大可能有以下原因：70—80 m深度段为套管到裸孔的过渡段，且井孔直径从168 mm减小到150 mm，井孔结构改变；70—80 m深度段处于太阳辐射带，故出现温度梯度不稳定情况。

2 水温频谱分析

SZW-1A水温仪采用分钟值采样，采样频率约为0.016 7 Hz，有效频率(Nyquist频率)约0.008 3 Hz，在此频率段内能记录到地球振动的物理信息有固体潮、地球自由振荡和长周期面波。固体潮频率在0.000 1 Hz范围内。与井水位记录一样，井水温变化也能记录到固体潮汐，许多学者对此进行了关注，如：马玉川(2014)统计中国356个井水温测点数据，发现35个测点存在水温潮汐变化现象。在分析井水温变化机制时，许多学者认为井水位潮汐变化引起井水温潮汐变化，如：张子广等(2007)认为，井水温潮汐现象是次生效应，即在潮汐力作用下含水层发生变形时，井—含水层系统中水流状态或流量发生变化，由含水层带入井筒的热量也相应发生变化。井水随体应变变化，由于温度梯度的存在，能观测到潮汐形态的温度变化。固体潮引起地下水流量潮汐变化，流量变化导致水温的潮汐变化。马玉川等(2010)研究自流井的潮汐变化认为，潮汐引起井水流量和井水流速的变化，从而引起水温的变化。非自流井在太阳辐射热影响深度段内没有水温潮汐动态，而受太阳辐射热影响较小的自流井，每个深度均可能有水温潮汐动态。

荣昌华江井为静水位观测井，分析“十五”水温仪器测点(探头深度225 m)的观测资料发现此深度段并不能记录到潮汐效应。对此在这次水温梯度试验中，分析每个深度段(55—215 m)水温的频谱特征，部分深度段的水温振幅谱见图 4，可见在记录时间不长(平均48 h)的情况下，半日潮信息较为明显。以能记录到半日潮且较突出为标志，经过对每个深度段水温分钟值频谱作对比分析，发现特定深度段能记录到潮汐效应：在深度段105—120 m及135—140 m能记录到半日潮信息，日潮变化与1/3日潮信息不明显，见图 4中(a)、(b)、(c)图，半日潮明显；其他深度段未记录到潮汐效应，见图 4(d)；105 m深度段半日潮傅氏谱值最大，但无日潮。

为进一步分析记录到潮汐效应深度段的水温微动态特征，分别把探头投放至深度117 m和133 m处，观测时长均2个月以上。对2处深度段水温分钟值数据进行频谱分析，分别与相应时间的理论固体潮振幅谱做对比，见图 5。

由图 5可见，117 m、133 m深度段均能记录到日潮与半日潮信息，且半日潮突出，日潮不清晰。由于理论固体潮的1/3潮不明显，故未记录到。其中，117 m深度处固体潮信息较133 m深度处突出。

虽然在2处深度段上均可以记录到水温固体潮，但原始观测数据并不直观，需对数据做进一步处理。小波分析可将信号分解成近似部分(低频部分)和细节信号(高频部分)。在此选择db4小波对117m原始观测数据进行8阶小波变换，得到水温8阶近似信号，见图 6。从图 6可以看出，高频信号去除后的8阶近似信号(红色线)，清晰可见水温潮汐变化，而在原始曲线中，潮汐变化基本淹没在噪声里。

马玉川(2014)分析认为，利用分钟值序列一阶差分，取差分绝对值均值，则2倍绝对值的平均值即为水温背景幅差的均幅度。据此计算117 m深度段水温背景波动幅度，约0.000 86 ℃。而近似信号的固体潮每日起伏范围约在0.003 ℃内，平均约为0.002 6 ℃。该深度段水温虽然克服了水温背景噪声，但未达到突显程度，若清晰显示固体潮变化，井水温对潮汐响应程度应大于水温背景波动幅度的3倍。

3 同震响应

试验水温仪器共2套，仪器测点编号分别为5#和6#，加上1套“十五”观测仪器，可在荣昌井不同深度做长期对比观测，分析水温记录同震响应特征。

选取中国地震台网发布的2014—2015年13次国外7.5级以上地震及国内与周边强震(表 1)，统计荣昌井不同深度水温对地震的响应特征，与水位同震响应进行对比，统计结果见表 2。

从表 2可以看出，水位记录对13个地震均有同震响应，而水温只记录到6次地震，水温记录同震响应能力较小。水温记录的6次同震响应变化形态均表现为上升型，部分地震同震响应见图 7中(a)、(c)、(d)图。由表 2可知，225 m深度处水温记录到6次同震响应，而133 m处仅记录到1次地震，而对于探头更浅处，未记录到同震响应，见图 7(b)，可见浅层水温反映地震能力较弱。对于同一地震，随观测深度增加，水温记录地震能力增强。对比225 m与215 m深度处水温记录的同震幅度，发现随深度增加，同震响应幅度加大。

4 结论

通过对荣昌井水温测项进行梯度测试、频谱分析和同震响应特征分析，得到以下结论。

(1) 荣昌华江井105—120 m及135—140 m深度段井水温能记录到半日潮信息，日潮与1/3潮信息不明显。虽然荣昌井特定深度段能记录到潮汐效应，但水温背景噪声相对于潮汐幅度来说太大，潮汐形态不能直观显现。笔者通过小波分析提取水温潮汐变化，认为荣昌井水温梯度较小(温度梯度平均在0.016 ℃/m—0.018 ℃/m)，井水位变化所引起的温度变化较小，而高频噪声相对较大，影响该井记录潮汐现象。

(2) 对于同一地震，荣昌井水温记录地震的能力随深度增加而变强，如225 m深度处水温记录的同震幅度较215 m深度处大。

(3) 对荣昌井水温观测记录分析发现，潮汐效应与同震响应不一定能在同一层被记录到。荣昌井较浅层能记录到微弱的潮汐现象，而更深层处能记录到地震，可能与二者的形成机制和“源”不同有关。

(4) 荣昌华江井的同震效应记震能力较弱。如：云南鲁甸6.5级地震(震中距330 km)时，水位测项只记录到0.014 m的水震波，而水温测项无变化，可能与该井钻孔结构(井孔直径从110 mm变化为240 mm)及当地煤矿开采(煤矿开采改变井孔周围地质环境)有关。