解析地下流體井水溫動態形成機理

賀北芳 栗寧 趙瑞

摘要：地下流體中井水溫觀測是地震觀測中非常重要的一環，而井水溫觀測的基礎便是深入了解井水溫動態變化的形成機理，明確影響地下流體的諸多因素。本文將從地下流體井水溫動態變化入手，探析地下流體井水溫動態變化的形成機理，為井水溫動態分析與機理解釋研究提供一定的參考。

關鍵詞：地下流體;井水溫;動態機理

引言：井水溫是地下流體觀測的重要項目之一，其動態特點在過往觀測中表現為信息豐富、分布點位廣、特征復雜，需要進一步研究井水溫動態形成機理，才能夠認清井水溫形成機制，為地下流體觀測提供可靠依據。

1地下流體井水溫動態變化

井水溫動態變化主要以井水溫度和水位變化有關，會受到井孔半徑、含水層水平梯度、地熱情況的影響，根據影響井水溫出現變化的因素，可以大致將井水溫動態變化分為兩大類。一類是水位與水溫的相關性變化，在水位發生變化后，水溫也會隨之發生變化，這種變化主要集中在淺水層和中水層，水溫變化與水位變化呈現正相關或負相關，其變化原理可以用水熱動力學關系進行解釋，即水位的某一點會伴隨著水流運動而引發熱對流作用，從而引發動態變化。

另一類則是水位和水溫之間基本無相關性，主要集中在深水層，這類井水溫水溫變化較為穩定，地質環境、斷層狀況影響水溫變化的幅度較為正常，雖然在地溫場變化時起伏較大，但是井水溫觀測前后較為清晰，動態變化也較為容易解釋。不過深水層會受井內雜質的影響，尤其是在井底環境會因為井內雜質脫落、井壁脫落、巖石碎屑等問題增加了水溫動態變化的復雜性，從而為井水溫動態變化機理的評定提出了挑戰。

2地下流體井水溫動態形成機理

2.1物質因素

物質因素是地下流體井水溫動態形成機理的關鍵性內容。首先是地表水對井水溫變化影響，由于地表存在著豐富的水體。例如河流、沼澤、冰雪等地表水體都會自然滲透入地下，從而補充到井水當中，形成井水溫變化。一般來說大氣因素所導致的井水溫動態變化是較為復雜且難以預測規律的，即便是同一井孔，在不同季節也會產生不同的溫度變化。地表水補給會出現兩種情況，一種是直接引起水位變化，另一種則是通過地表水體的荷載作用引發水位變化，進而帶動溫度變化。大氣條件下井水溫動態變化難以準確預測，卻有著明顯的參考依據，在經年累月的變化觀測中受大氣條件影響的井水溫動態變化會處在一定范圍之內，不過也會受如暴雨、地震等極端天氣而超出范圍。

其次是含水層對井水溫的影響，地下水本身的溫度應當與巖土層保持平衡，但是地下水具有流動性，在流動過程中平衡關系難免會被打破。例如當高溫水進入含水層時水溫自然會升高，井筒內水溫也就會升高;當高溫水流入較少時，井筒內水溫也就會下降。從過往動態觀測來看，含水層對井水溫影響的關系表現為峰谷同步變化，為正向變化關系。而當低溫水進入含水層時，流入量減少會導致水溫上升，即反向變化關系，需要根據地下水溫情況進行判斷。

最后是地質條件引起的井水溫變化，主要有地熱和斷層摩擦熱兩種情況。地熱就是井所在位置地下熱流發生變化，深部熱流向上涌。通常來說地球內部熱釋放是相當緩慢的，在有限的時間內井水溫變化情況很容易掌握。而斷層摩擦熱導致井水溫發生變化是井水溫發生異常變化的重要原因之一。斷層摩擦熱活動所產生的溫度可達130℃，地震所引發的斷層摩擦能達到500℃以上，而且斷層活動會產生大量的熱。當前分析斷層產生摩擦熱的方法主要是以地震發生后短時間內進行鉆探斷層帶進行測量，其對井水溫動態變化的影響規律或特點還沒有明確的理論證實[1]。

2.2動力作用

水的動力作用是影響水位及水溫變化的最關鍵因素。井水溫變化受水動力作用的影響更為明顯，應力加載作用下會使地下水溫度場出現明顯變化。例如高溫水在裂縫或斷層的作用下開啟或閉合時將會導致高溫水流入量的增加或減少，從而引起水溫的上升或下降，而且應力作用也會對水壓造成一定影響，進而造成水流動速度變化。動力作用根據地下水運動狀態以及應力加載的情況來看，可以分為瞬間短期加載、緩慢性加載和周期性加載三種現象。

瞬間短期加載以地震波作用為主，在短時間內應力加載范圍和幅度較大，使巖層在短時間內受到沖擊，引發含水層與巖土層孔隙度的變化，造成地下水流的突然改變，致使井水溫動態出現變化。瞬間短時加載的作用特點是地震波經過含水層時會產生高頻的交替運動，即震動感。井水位也會出現反復振蕩，低溫水和高溫水反復對流，造成井水溫度反復變化，這種變化沒有明顯的規律可言，需要結合多種情況和因素進行分析。通常來說地質情況越簡單，短期加載作用對井水溫變化的影響越小。

緩慢性加載的動力作用會在一段時期內持續性變化，作用方向基本不會改變，受應力作用影響，整個區域的地質構造和相應力場會出現一定變化，不過在力學作用較小的時候，變形程度也較小，井水溫變化幅度較小。緩慢性加載所導致的井水溫變化機理難點主要是當應力作用于地區力場達到某極限值時，相關力學作用會突然性發生變化，即便其所帶來的變化幅度不及瞬間短期加載，但是在井水溫動態變化規律中依然會有明顯的特征，需要多加注意[2]。

周期性加載變化是由固體潮和潮汐作用所引起的，周期性應力加載作用有著規律性特征，引發的地下水流場變化以及井水溫動態變化有跡可循，對固體潮所造成的含水層膨脹或收縮進行分析后，便能得到井水受固體潮應力作用而出現的溫度變化規律。周期性加載變化需要經過長期的觀測和分析進行確定，避免受地下水周期性流動而出現判斷偏差。

結論：地下流體井水溫動態變化機理是捕捉地震前兆的重要途徑之一，根據含水層受力變形的異常所引發井水溫異常變化來判斷地質前兆。為了更為準確的判斷異常變化，需要對地下流體井水溫動態形成機理進行分析，深入了解影響因素和動力作用兩方面對井水溫動態形成的影響程度，進一步明確井水溫動態形成的正常機理，從而準確判斷異常變化。

參考文獻：

[1]李旭茂，劉耀煒，張磊，等.井水溫觀測分析中的水-熱動力學研究綜述[J].地震，2020，40（01）：34-51.

[2]鄧衛平，何案華，車用太，等.全國水溫臺網井水溫度2008年動態及其汶川地震前后的異常變化[J].大地測量與地球動力學，2019，39（07）：751-755.

1作：賀北芳，女，1973年9月，湖北鐘祥市，漢族，本科，工程師，地震監測與預報分析。

2作：栗寧，男，1986年02月，河南開封市，工程師，地震監測與預報分析

3作：趙瑞，男，1985年11月，湖北襄陽市，工程師，地震監測與預報分析