0 引言

作为地下流体观测的主要手段之一，井水温观测可记录到丰富的水温微动态信息，包括地震地球物理异常、水温潮汐现象、水温同震响应和震后效应等，杨竹转等（2010）、车用太等(2013, 2014)；杨明波等（2015）、陈其峰等（2022）相继对其形成机理开展了相关研究。水温观测目的是提取地震地球物理异常信息，而记录的同震—震后响应也能揭示地壳对应力、应变过程的响应（黄麒瑾等，2021；巩浩波等，2022）。水温变化是传感器周围地下水与介质进行能量交换的结果，与水位变化幅度及运动方式、水流速度、井孔周围空隙度、井孔温度梯度以及水温探头放置位置等有关（巩浩波等，2022）。同时，良好的观测效能与观测仪器和观测环境条件有关，水温仪分辨率越高，监测到地震地球物理异常的概率越大，但数据稳定性则相应降低（何案华等，2009；张慧等，2013），主要取决于环境噪声与扰动信号的强弱。

井水温观测的是传感器放置点的温度波动，其观测位置的合理选择是提高水温观测效能的重要方法之一。北京昌平兴寿镇地震监测井（下文简称兴寿井）是一口基岩观测井，井身观测条件良好，自2020年开始在井下3个不同深度进行水温对比观测，目前已积累一定量的水温数据。本文通过对兴寿井不同深度水温记录和同震响应特征的分析，以期为合理选择水温传感器放置深度提供参考。

1 昌平兴寿井概况

兴寿井位于国家地震重点监视防御区，成井于2013年5月20日，水温观测始于2019年9月，观测含水层为蓟县系雾迷组白云岩，穿插花岗斑岩，封闭性与承压性良好，站点周边无强干扰源，且不存在无法识别与排除的干扰影响。其地理位置地处昌平区沙沟河兴寿段西堤，距昌平城区约16 km；构造位置地处小汤山—东北旺断裂东盘、南口—孙河断裂北盘，距小汤山—东北旺断裂带约1.5 km，南口—孙河断裂带约12 km，黄庄—高丽营断裂约10 km。该构造区发育有南口—孙河、南口山前、小汤山—东北旺和黄庄—高丽营等多条地震活动断裂，为北京地区小震多发区之一，有历史地震记载以来，有10次地震的影响烈度达Ⅵ度以上，最大影响烈度为Ⅷ度。

该观测井井孔终孔深度为1 002 m，700 m深度井斜2°30′，1 000 m深度井斜6°，其中0—578 m井段设有套管，578 m以下为观测含水层。井段0—346 m为第四系细砂、砂砾石与粘土互层，井段346—1 002 m为蓟县系深灰色白云岩，其中在井段442—461 m、538—540 m、557—560 m穿插三段花岗斑岩，843—844 m有溶洞（图 1）。

该井使用DSC-Ⅱ型综合观测仪（国家自然灾害防治研究院研制）进行水位、水温观测，其中：水位仪传感器置于井下57 m，分辨率优于1 mm；水温仪分辨率为0.000 1 ℃，观测精度不低于0.01 ℃，分钟值采样率，将3个同型号水温传感器分别置于井下400 m、600 m和700 m深度进行比测，为便于分析，文中标注为S₁、S₂、S₃，对应温度标注为T₁、T₂、T₃。试运行期间对井段60—710 m进行水温梯度测量，结果见表 1。

由表 1可知：井段0—340 m水温梯度值分布在（2.215 5—3.725 5）℃/hm，平均水温梯度为3.146 8 ℃/hm；井段380—580 m水温梯度值分布在（1.228 0—0.078 5）℃/hm；井段620—700 m梯度值分布在（0.102 5—0.125 0）℃/hm。

2 兴寿井水温动态特征分析

选取2020年至2023年7月兴寿井水位及水温观测数据（水温传感器置深400 m、600 m、700 m处水温分别标为T₁、T₂、T₃）进行对比，分析水位与水温测项及3个水温测项间的长期趋势及中长期动态变化，结果见图 2。

2.1 水温、水位同步变化

由图 2(a)可见：①水位变化特征：兴寿井水位年变清晰且固体潮效应显著，表现为年初水位上升、春季水位下降、雨季水位回升的年动态和双峰双谷的日变形态。长期趋势看，2020—2021年6月井水位数据变化较平稳，变幅为2.231 m；2021年7月—2023年3月的水位数据变化较大，上升9.638 m。②水温变化特征：同井不同置深的水温测项均表现为升温漂移型特征，水温中长期动态呈缓慢上升趋势（车用太，2013），变化幅度为（0.004 3—0.004 8）℃/a，日变幅≤0.01 ℃，满足井水温观测标准（DB/T 32.2—2008），其中T₃年变动态较为规律，表现为2—3月水温最低，后缓慢回升，而T₁、T₂年变动态不明显。

2.2 水温动态变化特征

由图 2(b)可见：兴寿井3个不同深度的水温数据T₁、T₂、T₃的日、月动态均呈随机起伏型变化；2022年4—7月仪器故障，T₁出现日变幅为0.007 ℃的起伏变化，T₂出现0.005 ℃的日变波动，但两异常时间不同步，推测为观测系统本身影响，故统计计算中排除T₁和T₂在该时段的数据。选取T₁、T₂、T₃统计数据，分析兴寿井水温动态变化特征，结果见表 2。

由图 2(b)、表 2可知，T₂（600 m深度）波动最小，其平均日、月变幅度分别为0.001 4 ℃和0.002 7 ℃；T₁（400 m深度）波动次之，平均日、月变幅度分别为0.001 8 ℃和0.003 3 ℃；T₃（700 m深度）波动最大，平均日、月变幅度分别为0.003 6 ℃和0.005 5 ℃（表 2）。

用一阶差分去除长周期趋势干扰，并用处理后数据的日变差和均方差考察数据稳定性和离散程度。由表 2可知，T₂数据的离散度最小，稳定性最好，其日变差和差分均方差分别为0.004 3 ℃和0.000 33 ℃；T₃数据离散程度大，稳定性最差，其均方差为0.001 22 ℃；T₁数据的离散度和稳定性介于T₂和T₃之间，其日变差和差分均方差分别为0.006 1 ℃和0.000 42 ℃。

2.3 水温对地震的响应特征分析

据统计，2020年—2023年3月，兴寿井周边半径17 000 km范围内，全球发生M≥7.0地震37次，其中国内半径1 800 km范围内1次，为2021年5月22日02时04分青海玛多M_S 7.4地震，震后该井水位、水温测项具有同震响应（图 3）；国外36次，其中水位测项对其中17次地震产生同震响应，而水温测项中，T₁对其中1次地震产生同震响应，T₂对其中8次地震产生同震响应，T₃无同震响应（图 3）。

选取2021年5月22日02时04分青海果洛州玛多县M_S 7.4地震（震中距1 710 km）和2021年7月29日14时15分美国阿拉斯加M_S 8.1（震中距6 184 km）、2023年2月6日18时24分土耳其M_S 7.8地震（震中距6 600 km），分析兴寿井水位、不同深度水温对远大震的同震响应特征，结果见图 3。由图 3可知：①2021年5月22日青海玛多M_S 7.4地震；地震发生后，兴寿井T₂于2时12分快速下降，至2时42分下降0.006 5 ℃，后快速回升，至3时34分回升0.007 9 ℃，此后再次出现类似变化，但水温变幅仅约为上次变化幅度的一半；T₃仅出现1个类似变化过程，即2时53分开始下降，至4时10分下降0.006 ℃，5时19分回升0.007 1 ℃，变化幅度较T₁减小，但持续时间变长；T₁相似变化过程不明显，上升幅度仅0.001 4 ℃，且被数据自身波动所掩盖。②2021年7月29日美国M_S 8.1和2023年2月6日土耳其M_S 7.8地震。2次地震发生后，T₂的响应形态表现为阶变下降，后快速回升，响应幅度在0.001 2 ℃—0.004 9 ℃，响应持续时间在42—123 min；T₁仅对2021年美国阿拉斯加M_S 8.1地震有同震响应，响应时间为14:33—15:08，表现为阶降—回升，震荡幅度为0.001 7 ℃；T₃未记录到明显的同震响应。

综上所述，在兴寿井3个不同深度的水温观测中，T₂对地震响应次数、响应幅度有优势，表明该井水温传感器置深600 m时，水温测项观测效能最佳。

3 兴寿井水温动态机理探讨

影响井水温动态的因素较多，普遍因素有观测井含水层条件、含水层水体的补给与排泄、含水层受力状态的变化以及传感器放置位置等（杨竹转等，2010；张慧等，2013）。本研究就兴寿井水温传感器置深为400 m、600 m、700 m时水温观测数据特性及对地震的响应差异，结合井孔柱状图，探讨温度梯度数据及水温传感器位置对水温观测效能的影响。

3.1 水温梯度带的影响

兴寿井0—346 m井段为第四系砂砾岩与粘土互层，水温梯度分布在2.215 5 ℃/hm—3.725 5 ℃/hm，平均梯度为3.146 8 ℃/hm，接近全球平均地温梯度值3.0 ℃/hm。346 m以下井段为白云岩，岩性比较均一，其温度梯度值明显变小，其中380 m和400 m深度接近砂砾岩与白云岩石界限，对应温度梯度值分别为1.228 ℃/hm、0.405 ℃/hm；420—700 m井段水温梯度值较小，变化范围为0.078 5 ℃/hm—0.223 ℃/hm，其中420—580 m井段的温度梯度值随深度增加而逐渐变小，620—700 m井段的温度梯度值随深度增加而逐渐变大，判断600 m上下可能为水温受地温梯度影响的平衡点，推测该区段因是套管底部，与下层观测含水层间有较强的水流渗入交换，使得540—600 m井段水温梯度值较小，T₂波动性小于T₁。

T₂、T₃温度梯度值相差不大，2个深度为水温梯度变化平稳层位，理论上水温测值波动性小，稳定性应该相差不大，但实际上T₃变幅和稳定性明显次于T₂，推测温度梯度仅为影响水温波动的因素之一。

3.2 传感器位置的影响

传感器放置深度对水温动态有影响已成为普遍共识（刘耀炜，2009；杨竹转等，2010），学者对影响机理进行了总结（陈其峰等，2022），认为传感器放置于“活”水段和“死”水段，对水温动态类型及年、月、日变化幅度等各项特征均有影响。当水温传感器放置在观测含水层上部和中部，传感器周围水体与观测段地下水有水力联系，称为“活”水段，传感器记录的水温变化与井—含水层间水流水平运动和井筒内水柱的上下运动有关。当传感器放置在与观测段地下水无水力联系的“死”水段，传感器只记录到大地热流变化或者构造运动产生的纯地热动态，水温波动更小，观测效能也更好。

对传感器只能放置在观测含水层上部和中部的观测井，推测其井—含水层间的水流运动量应与传感器和含水层顶板间距有关。间距越大，引起的水平水体交换量越大，水温波动幅度、变化速率等越大。该因素在水温动态变化初期影响显著，随着动态形成过程的持续，其影响会逐渐减弱（陈其峰等，2022）。T₂探头放置在距观测含水层顶板仅22 m处，其数据变幅、均方差均较小，说明此处水温波动性小，稳定性好，异常或同震响应易被识别，故对青海玛多M_S 7.4地震的响应幅度大，对全球7级以上地震的同震响应次数多；T₃探头放置在距观测含水层顶板122 m处，井—含水层间大量水体交换，引起的水温日变波动大，平均日波动为0.003 6 ℃，大于前兆异常变化幅度集中区域的0.001 ℃（黄麒瑾等，2021），因此即使观测井对异常或同震有所响应，但其响应变化也容易被湮没而无法显示。

4 讨论与结论

环境噪声和扰动是影响地震地球物理异常信息提取的主要因素之一，水温日变量、干扰信号强度、本底噪声强度等来自环境的扰动信号都决定着可提取的最小地球物理异常信息。环境的扰动信号强度大，数据稳定性就差，小于扰动信号的水温异常信号则将无法被识别。扰动信号强度小，数据稳定性好，大于扰动信号的异常就能从背景噪声中被识别。

传感器放置位置是影响单口观测井水温动态差异的重要因素之一，传感器放置段的温度梯度值、相对观测含水层位置以及与观测含水层顶板的距离等都是影响观测数据扰动信号强弱的因素，也影响着水温的观测效能。

水温动态受控于观测段的温度梯度值，放置于正或负梯度带内，决定了井水温与水位动态是正或负相关关系，同时水温变化幅度不仅与井水位变化幅度有关，还与水温传感器所在深度的水温梯度大小有关，梯度越大，水温变化幅度也越大。

当水温传感器放置于观测含水层以下，水温动态受控于大地热流与构造活动产生的地热作用形成的地热动力学机制，观测数据的环境扰动信号强度小，数据更稳定，地震地球物理异常更易被识别。当水温传感器放置于观测含水层上部或观测含水层内部，水温动态受控于井—含水层间的水流运动形成的水热动力学机制，其水温变化与井—含水层间水流的水平运动和井筒内水柱的上下运动有关，而传感器与含水层顶板间距又使得水温动态过程更复杂化，造成不同深度处水温观测差异更大。

文中对比了兴寿井3个不同深度水温数据的动态差异，结合井孔柱状图、温度梯度测量和传感器位置等资料，对差异成因和机理进行了深入研究，得到以下结论：

（1）在3个不同深度处，水温与水位趋势变化不同步，表明降雨、开采等干扰因素对该观测井水位有影响，对水温影响不明显。

（2）T₂（传感器置深600 m）受观测含水层水体渗入影响，水温数据变幅和差分均方差最小，数据更平稳，震后响应更佳。

（3）T₁（传感器置深400 m）受温度梯度影响大，数据变幅较大。T₃（传感器置深700 m）数据差分均方差最大，稳定性差，可能由其水温传感器距观测含水层顶板（578 m以下都为观测含水层）过长所致。干扰因素使得2处水温观测数据的扰动信号增强，异常信息被湮没而无法识别。

环境噪声和扰动是影响地震地球物理异常信息提取的主要因素之一，而传感器位置在一定程度上决定了环境扰动信号的强弱，也影响着水温的观测效能，应结合井孔条件，综合评估传感器放置的合理位置。