青海水溫（地溫）觀測臺網井孔動態背景

李 滔王秋寧

1）中國西寧810001青海省地震局

2）中國西安710068陜西省地震局

青海水溫（地溫）觀測臺網井孔動態背景

李 滔1）王秋寧2）

1）中國西寧810001青海省地震局

2）中國西安710068陜西省地震局

通過對青海水溫（地溫）觀測臺網各井孔動態背景分析，確定各井孔水溫（地溫）動態變化類型，并對井孔性質與水溫（地溫）動態類型之間的關系、升溫型井孔特征及引起水溫（地溫）動態變動的原因等進行研究。結果認為，青海水溫（地溫）觀測臺網中，各井孔水溫（地溫）動態背景與水文性質具有一定關系。升溫型井孔變化形態表現為準斜直線上升和弧線上升，每種曲線形態各井孔數據間具有較好相關性，但曲線的上升速率與井孔的地理位置、水文性質、地質構造等關系不明顯。水溫（地溫）動態的明顯變化與觀測系統變動、對比觀測儀器間的相互影響有關，在此基礎上，提出加強監測系統檢查維護及改進對比觀測的建議。

水溫；地溫；臺網；動態背景

0 引言

地下流體具有活躍的物理化學性質，與地殼的固體介質發生相互作用，在地殼運動和地震過程中具有獨特作用。地殼巖石因受力膨脹或壓縮，或者地殼內部流體的遷移，會引起地下水位的升降變化，同時造成地下流體多種化學組分含量的變化；巖石變形及地下流體遷移，因熱效應與地熱再分配，亦造成水溫等地熱因子的改變。目前，地下流體動態監測已成為中國地震前兆監測3大手段之一（中國地震局監測預報司，2000）。“十五”計劃開展以來，青海省建成一批數字化流體觀測項目，與模擬人工觀測及“九五”數字化觀測，共同組成青海流體觀測臺網，其中水溫（地溫）均為數字化觀測，其臺網規模最大。

近年來，多位專家學者對水溫（地溫）變化動態進行了相關研究。車用太等（2003）將井水溫度動態類型分為多年、年、月和日動態），認為影響水溫動態類型的因素有：大氣降水的滲入補給、地表水的側向補給、鄰井地下水開采、觀測井內井水擾動及儀器自身不穩定性等。趙剛等（2009）通過對水溫（地溫）前兆臺站觀測資料的整理分析，歸納6類水溫（地溫）長期正常動態和4類水溫（地溫）短期正常動態，并對不同水溫（地溫）正常動態類型成因進行了分析。邱鵬成等（2010）分析了青海數字化水溫（地溫）井的觀測現狀及年、月、日不同層次的動態特征，并對地震前兆觀測效能作了宏觀評估。

青海水溫（地溫）觀測臺網自投入運行以來，各井孔觀測數據呈現不同動態背景特征。本文選取該觀測臺網2008年1月1日以來觀測資料，總結并分析其動態背景、動態特征及產生原因。

1 觀測背景

1.1 臺網概況

青海流體觀測臺網目前有觀測井孔17個，包括自流井5個，靜水位井7個，干井5個。其中，青海水溫（地溫）觀測臺網共有水溫（地溫）觀測井孔15個，其中水溫井10個，地溫井5個。青海流體觀測臺網井孔參數見表1，觀測井孔分布見圖1。

1.2 儀器參數

青海水溫（地溫）觀測臺網主要配備中國地震局地殼應力研究所研制的SZW-1A數字式溫度計，個別臺站安裝北京中科光大自動化技術有限公司生產的ZKGD300-N型地下流體自動監測系統作為對比觀測儀器。

SZW-1A數字式溫度計采樣率為1次/min和1次/h（整點值）兩種，適用于井水溫日變幅≤0.01℃的井孔，儀器的分辨力≤0.000 l℃，觀測精度≤0.05℃，短期穩定性≤ 0.000 1℃/d，長期穩定性≤0.001℃/a，傳感器耐壓性≥10 MPa。

圖1　青海水溫（地溫）觀測井孔分布Fig.1 Distribution map of Qinghai water temperature（ground temperature）borehole observation network

表1　青海流體觀測臺網井孔參數Table 1 Basic situation table of borehole fluid network in Qinghai Province

2 數據動態特征

2.1 動態變化類型

根據趙剛等（2009）研究認為，水溫（地溫）長期正常動態是指井孔觀測點溫度的長期（最少1年）形態及特征變化，是正常的長期背景變化。長期正常動態可分為：穩定型、漂移型、年周期型、近似長周期型、大幅度波動型和跳變型6種；水溫（地溫）短期正常動態是指井孔觀測點溫度1天至1個月的短期形態及特征變化，是正常的短期背景變化，短期正常動態可分為：穩定型、日周期型、固體潮型和短周期型4種形態。

根據此標準，對青海流體觀測臺網各井孔觀測數據的長期和短期動態類型進行判別，結果見表2。

表2　青海水溫（地溫）臺網觀測數據變化動態分類Table 2 Dynamic classification change of water temperature（ground temperature）observation data of Qinghai seismic network

2.2 背景變化形態

對青海水溫（地溫）觀測臺網各井孔觀測數據曲線的變化形態進行分析，發現各井孔背景變化形態主要有：準斜直線上升、弧線上升、起伏下降。這3種變化形態在每個井孔并非完全獨立存在，有幾個井孔在不同時期分別呈現不同變化形態，具體情況見表3。

表3　青海水溫（地溫）臺網觀測數據變化形態分類Table 3 Morphological classification table of water temperature（ground temperature）observation data changes of Qinghai seismic network

3 典型動態

3.1 干井

3.1.1 西寧井。西寧井地溫自2008年以來，特別是2010年以后數據基本呈直線上升狀態，在部分時段有一些幅度較小的突升突降變化，年變幅約0.003℃，日變幅在0.000 1℃（圖2）。長期變化與短期變化均屬于穩定型。

3.1.2同仁井。同仁井地溫觀測數據自2008年以來呈弧線上升狀態，年變幅由0.04℃逐漸降至約0.01℃，日變幅約0.000 4℃（圖2）。長期動態為升溫漂移型，短期動態為穩定型。

圖2　西寧、同仁井2008—2015年地溫觀測曲線Fig.2 Ground temperature observations graph in Xining，Tongren wells from the year 2008 to 2015

3.2 靜水位井

3.2.1 湟源井。湟源井水溫自2008年以來基本呈直線上升狀態，2013年1月起疊加幅度明顯的階升階降變化。年變幅約0.005℃，日變幅0.000 1℃（圖3）。長期動態為伴隨少量跳變的穩定型，短期動態為穩定型。

圖3　湟源、門源井2008—2015年水溫觀測值曲線Fig.3 Curve of ground temperature observation for Huangyuan，Menyuan wells from the year 2008 to 2015

3.2.2 門源井。門源井水溫自2008年以來基本呈弧線上升狀態，出現幾次明顯的階升階降。年變幅從0.037℃下降到約0.009℃，日變幅約0.000 1℃（圖3）。長期動態為升溫漂移型，短期動態為穩定型。

3.3 自流井

3.3.1 德令哈井。德令哈井水溫觀測數據，自2008年以來基本呈弧線上升狀態，疊加幅度明顯的上下跳變。年變幅從0.052℃下降到約0.024℃（圖4）。長期動態為伴隨反復跳變的升溫漂移型，短期動態為穩定型。

3.3.2 格爾木井。格爾木井水溫長期動態在2012年前為降溫漂移型，短期動態為短周期型。從2012年起在下降趨勢基礎上疊加大幅度起伏波動。由于觀測數據變化不穩定，2014年6月16日安裝對比觀測儀器進行對比觀測。之后，水溫長期動態變成大幅度波動型，整體趨勢緩慢上升（圖4）。短期動態仍為短周期型，變化幅度減小。

圖4　德令哈井、格爾木井水溫觀測值曲線Fig.4 Average temperature curve of observation for Delhi well and Golmud well

4 井孔水文性質影響

青海水溫（地溫）觀測臺網中不同井孔的水（地）溫動態與井孔水文性質之間存在一定關系。

4.1 水文性質不同井孔水溫（地溫）動態特征

（1）干井的地溫觀測數據變化相對穩定。在現有4個干井中，西寧井長期動態和短期動態均為穩定型，都蘭、大武、同仁井長期動態均為升溫漂移型，短期動態均為穩定型。

（2）自流井的水溫觀測數據，多在下降（個別為上升，如德令哈井）的長期趨勢上，疊加幅度不等的明顯起伏變化，短期變化以短周期變化為主。

（3）靜水位井的水溫觀測數據，長期變化多以穩定（上升）或升溫漂移為主，短期變化則有穩定和短周期變化兩種。

4.2 原因分析

王瑜青等（1997）研究認為，觀測井水溫（地溫）不同動態類型與觀測點水文地質情況密切相關。

（1）在無水井孔中，地溫探頭的放置形式主要有兩種：放置后被上部井壁坍塌物質掩埋；靠著井孔內壁放置。井孔內無可流動液體作為溫度傳播媒介，無法將地下含水層所受應力變化通過液體流動表現出來。被掩埋探頭觀測其所處位置固體介質的溫度變化，靠井壁放置探頭觀測的溫度變化為所靠井壁與探頭周圍空氣溫度共同作用的結果。由于井孔封閉，井下深部氣體溫度主要受井壁溫度變化影響，通過井壁與空氣間的熱交換來實現，略滯后于井壁溫度變化。因而靠井壁探頭觀測的溫度變化，更多緣于探頭所靠部位固體介質的溫度變化。不論探頭采用哪種放置形式，儀器觀測數據均為探頭所處位置固體介質傳導的溫度變化。固體介質的溫度變化主要緣于周圍物質的熱傳導和應力變化導致介質自身溫度的變化，因介質受應力變化引起自身溫度明顯變化的情況較少，因此無水井孔地溫觀測數據變化較平穩，無大幅度起伏變化。

（2）在自流井中，水的流動性大，溫度變化相對較大，且因水頭出露，溫度受外界因素影響，導致水溫觀測數據的長期和短期動態相對不穩定。

（3）在靜水位井中，水作為傳導媒介，與周圍含水構造系統形成流動的動力系統。地下介質構造發生變化，影響到含水層中水的匯集方式，進而使得水溫發生變化，由此可以反映一定范圍內構造應力場的變化，且因靜水位井所受外界干擾少，因此水溫觀測數據的長期和短期動態均比較穩定，與干井相比，變化幅度更明顯。

著名的教育學家陶行知先生說：“單純的勞動，不算做，算蠻干，單純的想，只是空想，只有將操作與思維結合起來，才能達到思維的目的”。因此，教師在教學中，應根據學生的心理特征和思維特點，讓全體學生動眼看、動手做，理解和掌握抽象的物理規律和概念，不斷發展學生的抽象思維能力。

5 上升變化形態分析

青海水溫（地溫）觀測臺網約1/3井孔水溫背景動態呈下降形態，動態特征不穩定，規律性不明顯；其他井孔水溫（地溫）背景動態均呈上升形態，動態特征顯示出一定規律性。西寧、湟源、民和、同仁、平安、門源、德令哈、大武等8個井孔水溫（地溫）觀測數據變化形態連續上升，且動態無明顯變動（表4），在此選取2008—2014年觀測數據進行分析。

5.1 變化形態和相關性

8個井孔的水溫（地溫）動態曲線分別呈現準斜直線上升和弧線上升兩種變化形態，且呈同一種上升形態的水溫（地溫）觀測數據，各組數據變化曲線形態類似，呈現較好的相關性（表4，圖5）。

由表4和圖5可見：西寧、湟源、民和3個井孔觀測數據曲線均為準斜直線上升，3組數據之間線性擬合相關系數大于0.976；同仁、平安、門源、德令哈、大武觀測井數據曲線均呈弧線上升形態，5組數據之間線性擬合相關系數大于0.976。

另外，都蘭、玉樹觀測井孔的水溫（地溫）觀測數據在觀測系統變化前后先后呈現出與以上井孔類似的弧線上升和準斜直線上升形態。

表4　青海水溫（地溫）臺網8個上升背景動態井孔參數變化Table 4 The statistical table of water temperature（ground temperature） at the eight stations with rising background dynamic water temperature（ground temperature） boreholes conditions in Qinghai

圖5　井水溫（地溫）觀測值對比曲線Fig.5 Contrast curve of well water temperature（ground temperature） observations

5.2 上升速率

對8個井孔各組觀測值日均值，采用公式：N1=N-N0，進行歸一化處理，直觀對比分析曲線變化形態。其中：N1為歸一化數據；N為原始值；N0為基值，選用表4中的變化基值數據（2008年1月1日觀測數據日均值）。經計算，得到各井孔2008年1月1日以來起始點為0的數據，在同一坐標系內繪制曲線，變化形態和幅度對比見圖6。

從表4和圖6可以看出，準斜直線上升速率慢，弧線上升速率則相對較快。干井（圖中虛線）和水井（圖中實線）的曲線在圖中交錯分布，沒有明顯分界。其中西寧井（干井）上升速率最慢，而大武井（有水井）上升速率最快。

綜上所述，8個井孔水溫（地溫）觀測數據的上升形態和速率，與井孔介質、深度、水文性質、地質構造位置等關系不大，均未呈現明顯規律性。

一般，觀測數據呈現相同或相似的變化形態，應為同一類影響因素所致。但是，井孔水溫（地溫）觀測數據曲線相似變化的西寧、湟源、民和觀測井除觀測儀器相同、井孔深度類似外，其他如地質構造背景特征等均不相同，同仁、平安、門源、德令哈、大武井孔同樣如此。因此，導致這些井孔地溫數據出現相似形態上升的原因有待研究。

圖6　溫度上升動態井孔觀測數據歸一化對比曲線Fig.6 Normalized contrast curve of increased dynamic observation data at the geothermal wells

6 動態變化原因

6.1 儀器維修導致動態變化

都蘭、玉樹、樂都3個井孔觀測儀器出現較大故障并修復，水溫（地溫）數據動態發生明顯變化，見圖7。圖中，都蘭井的變動原因是儀器檢修，格爾木井的變動原因是安裝對比觀測儀器。由圖7可見，以上井孔水溫（地溫）觀測數據原來動態不穩定，觀測系統變動后，動態相對穩定，甚至長期動態呈反向變化，如長期的大幅度起伏變化消失、下降變為上升、短期變化由短周期型變為穩定型等（圖7）。出現以上變化可能是因為，這幾個井孔的水溫（地溫）觀測儀器維修前存在問題，從而導致觀測數據動態不穩定，維修后問題得以解決，使得觀測數據變得趨于穩定。如：在儀器檢修中，發現都蘭井數采電容工作不正常，更換電容后，數據動態相對穩定。

圖7　觀測儀器檢修前后水溫觀測數據動態變化（a）都蘭井；（b）格爾木井Fig.7 Water temperature dynamic contrast curve before and after observation system changed at Touraine，Golmud well

6.2 對比觀測引起動態變化

2014年6月16日，格爾木井安裝對比觀測儀器，兩套儀器探頭位于同一深度，但未進行捆綁，之后，井水溫（地溫）原始觀測儀器觀測數據維持大幅度上下突跳的變化動態，對比儀器觀測數據則呈平穩變化，6月24日—25日兩套儀器觀測數據相繼發生數次向下突跳，之后觀測數據變化平穩，基本呈同步變化，細節上存在一定差異（圖8）。

經勘察現場并請教相關專家，認為格爾木觀測井兩組數據產生明顯差異，可能是觀測儀器兩個未捆綁探頭放置深度相同，相互影響所致。這是因為：①格爾木井孔徑大（250 mm），兩個探頭未經捆綁，盡管深度相同，但所處位置仍可能有一定橫向距離。井孔流量較大（3 L/s），水下橫向和縱向溫度梯度比較大。當兩個探頭之間存在位置差異時，觀測的溫度值也會有明顯差異；②兩個探頭在大孔徑井孔中有一定活動自由度。水流沖擊使得探頭在活動時，有可能發生碰撞，造成探頭工作狀態發生變化，導致觀測結果不一致。兩組數據在2014年6月24日—25日相繼發生的突跳，可能為二者碰撞所致；③兩個探頭加電后，工作電流使得傳感器發熱，導致周圍環境溫度發生微量改變，兩個距離相近的探頭共同作用，環境溫度變化更明顯，從而使觀測數據受到影響；④儀器各自存在不同速率的零漂。

圖8　2014年7月1日—2015年6月30日格爾木井水溫觀測數據對比曲線（a）原始觀測；（b）對比觀測Fig.8 Comparative observational data curve of Golmud original temperature observation wells from July 1，2014 to June 30，2015

7 結論

通過對青海水溫（地溫）觀測臺網井孔動態背景進行分析，可以得出以下結論。

（1）干井和靜水位井多為穩定型或升溫漂移型，自流井動態多為降溫型，且干井動態較靜水位井穩定。動態背景的不同特征與井孔的水文性質有一定關系。

（2）升溫型井孔的背景變化形態有準斜直線上升和弧線上升兩種，且弧線上升速率較快，相似曲線形態的各井孔數據之間有較好的相關性。水溫（地溫）曲線的上升形態和速率，與井孔介質、深度、水文性質、地質構造位置等因素無關，均未呈現明顯規律性，需要進一步研究。

（3）部分井孔觀測儀器維修前后水溫（地溫）動態發生變化。建議加強對觀測系統的檢查和維護，盡可能排除不正常因素，保證數據真實可靠。

（4）鑒于格爾木井放置水溫對比觀測探頭時存在的問題，建議今后進行相關對比觀測時，探頭置于不同深度，應該可以解決二者的相互影響問題。

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Abstract

Based on the analysis of dynamic background of each borehole in Qinghai water temperature（ground temperature） station network，the type of water temperature（ground temperature）dynamic changes of every borehole is determined.The relationship between borehole properties and water temperature（ground temperature） dynamic types are also studied and the characteristics of heating type borehole and the reason of water temperature（ground temperature） change are also studied.The results show that there are some relationships between dynamic water temperature（ground temperature） backgrounds of each well and its hydrological properties.There are two types of quasi oblique rise and straight up rise in borehole temperature change.There is a good correlation between the borehole data for each curve shape.But the relationship between the rate of rise of the curve and the borehole location，hydrological properties，geological structure and so on is not obvious.On the one hand，the significantly change of water temperature（ground temperature） change has some relationships with the change of observing system.It maybe have some relationships of the observed presence of two compared probes.

The study on the dynamic background of Qinghai water temperature（ground temperature） seismic network

Li Tao1）and Wang Qiuning2）
1） Earthquake Administration of Qinghai Province，Xining 810001，China
2） Earthquake Administration of Shaanxi Province，Xi′an 710068，China

water temperature，ground temperature，seismic networks，dynamic background

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.03.006

李滔（1973—），女，山西太原人，高級工程師，現從事地震監測與臺站管理工作。

E-mail：250506709@qq.com

王秋寧（1973—），女，陜西涇陽人，工程師，現從事前兆臺網觀測工作

2015年青海省地震科普基金項目——青海省水溫對比觀測資料分析（項目編號2015A08）