解析地下流體井水溫動(dòng)態(tài)形成機(jī)理

賀北芳 栗寧 趙瑞

摘要：地下流體中井水溫觀測(cè)是地震觀測(cè)中非常重要的一環(huán)，而井水溫觀測(cè)的基礎(chǔ)便是深入了解井水溫動(dòng)態(tài)變化的形成機(jī)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(dòng)態(tài)變化入手，探析地下流體井水溫動(dòng)態(tài)變化的形成機(jī)理，為井水溫動(dòng)態(tài)分析與機(jī)理解釋研究提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：地下流體;井水溫;動(dòng)態(tài)機(jī)理

引言：井水溫是地下流體觀測(cè)的重要項(xiàng)目之一，其動(dòng)態(tài)特點(diǎn)在過往觀測(cè)中表現(xiàn)為信息豐富、分布點(diǎn)位廣、特征復(fù)雜，需要進(jìn)一步研究井水溫動(dòng)態(tài)形成機(jī)理，才能夠認(rèn)清井水溫形成機(jī)制，為地下流體觀測(cè)提供可靠依據(jù)。

1地下流體井水溫動(dòng)態(tài)變化

井水溫動(dòng)態(tài)變化主要以井水溫度和水位變化有關(guān)，會(huì)受到井孔半徑、含水層水平梯度、地?zé)崆闆r的影響，根據(jù)影響井水溫出現(xiàn)變化的因素，可以大致將井水溫動(dòng)態(tài)變化分為兩大類。一類是水位與水溫的相關(guān)性變化，在水位發(fā)生變化后，水溫也會(huì)隨之發(fā)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(xiàn)正相關(guān)或負(fù)相關(guān)，其變化原理可以用水熱動(dòng)力學(xué)關(guān)系進(jìn)行解釋，即水位的某一點(diǎn)會(huì)伴隨著水流運(yùn)動(dòng)而引發(fā)熱對(duì)流作用，從而引發(fā)動(dòng)態(tài)變化。

另一類則是水位和水溫之間基本無相關(guān)性，主要集中在深水層，這類井水溫水溫變化較為穩(wěn)定，地質(zhì)環(huán)境、斷層狀況影響水溫變化的幅度較為正常，雖然在地溫場(chǎng)變化時(shí)起伏較大，但是井水溫觀測(cè)前后較為清晰，動(dòng)態(tài)變化也較為容易解釋。不過深水層會(huì)受井內(nèi)雜質(zhì)的影響，尤其是在井底環(huán)境會(huì)因?yàn)榫畠?nèi)雜質(zhì)脫落、井壁脫落、巖石碎屑等問題增加了水溫動(dòng)態(tài)變化的復(fù)雜性，從而為井水溫動(dòng)態(tài)變化機(jī)理的評(píng)定提出了挑戰(zhàn)。

2地下流體井水溫動(dòng)態(tài)形成機(jī)理

2.1物質(zhì)因素

物質(zhì)因素是地下流體井水溫動(dòng)態(tài)形成機(jī)理的關(guān)鍵性內(nèi)容。首先是地表水對(duì)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(huì)自然滲透入地下，從而補(bǔ)充到井水當(dāng)中，形成井水溫變化。一般來說大氣因素所導(dǎo)致的井水溫動(dòng)態(tài)變化是較為復(fù)雜且難以預(yù)測(cè)規(guī)律的，即便是同一井孔，在不同季節(jié)也會(huì)產(chǎn)生不同的溫度變化。地表水補(bǔ)給會(huì)出現(xiàn)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(fā)水位變化，進(jìn)而帶動(dòng)溫度變化。大氣條件下井水溫動(dòng)態(tài)變化難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，卻有著明顯的參考依據(jù)，在經(jīng)年累月的變化觀測(cè)中受大氣條件影響的井水溫動(dòng)態(tài)變化會(huì)處在一定范圍之內(nèi)，不過也會(huì)受如暴雨、地震等極端天氣而超出范圍。

其次是含水層對(duì)井水溫的影響，地下水本身的溫度應(yīng)當(dāng)與巖土層保持平衡，但是地下水具有流動(dòng)性，在流動(dòng)過程中平衡關(guān)系難免會(huì)被打破。例如當(dāng)高溫水進(jìn)入含水層時(shí)水溫自然會(huì)升高，井筒內(nèi)水溫也就會(huì)升高;當(dāng)高溫水流入較少時(shí)，井筒內(nèi)水溫也就會(huì)下降。從過往動(dòng)態(tài)觀測(cè)來看，含水層對(duì)井水溫影響的關(guān)系表現(xiàn)為峰谷同步變化，為正向變化關(guān)系。而當(dāng)?shù)蜏厮M(jìn)入含水層時(shí)，流入量減少會(huì)導(dǎo)致水溫上升，即反向變化關(guān)系，需要根據(jù)地下水溫情況進(jìn)行判斷。

最后是地質(zhì)條件引起的井水溫變化，主要有地?zé)岷蛿鄬幽Σ翢醿煞N情況。地?zé)峋褪蔷谖恢玫叵聼崃靼l(fā)生變化，深部熱流向上涌。通常來說地球內(nèi)部熱釋放是相當(dāng)緩慢的，在有限的時(shí)間內(nèi)井水溫變化情況很容易掌握。而斷層摩擦熱導(dǎo)致井水溫發(fā)生變化是井水溫發(fā)生異常變化的重要原因之一。斷層摩擦熱活動(dòng)所產(chǎn)生的溫度可達(dá)130℃，地震所引發(fā)的斷層摩擦能達(dá)到500℃以上，而且斷層活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生大量的熱。當(dāng)前分析斷層產(chǎn)生摩擦熱的方法主要是以地震發(fā)生后短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行鉆探斷層帶進(jìn)行測(cè)量，其對(duì)井水溫動(dòng)態(tài)變化的影響規(guī)律或特點(diǎn)還沒有明確的理論證實(shí)[1]。

2.2動(dòng)力作用

水的動(dòng)力作用是影響水位及水溫變化的最關(guān)鍵因素。井水溫變化受水動(dòng)力作用的影響更為明顯，應(yīng)力加載作用下會(huì)使地下水溫度場(chǎng)出現(xiàn)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(shí)將會(huì)導(dǎo)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(yīng)力作用也會(huì)對(duì)水壓造成一定影響，進(jìn)而造成水流動(dòng)速度變化。動(dòng)力作用根據(jù)地下水運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及應(yīng)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(xiàn)象。

瞬間短期加載以地震波作用為主，在短時(shí)間內(nèi)應(yīng)力加載范圍和幅度較大，使巖層在短時(shí)間內(nèi)受到?jīng)_擊，引發(fā)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(dòng)態(tài)出現(xiàn)變化。瞬間短時(shí)加載的作用特點(diǎn)是地震波經(jīng)過含水層時(shí)會(huì)產(chǎn)生高頻的交替運(yùn)動(dòng)，即震動(dòng)感。井水位也會(huì)出現(xiàn)反復(fù)振蕩，低溫水和高溫水反復(fù)對(duì)流，造成井水溫度反復(fù)變化，這種變化沒有明顯的規(guī)律可言，需要結(jié)合多種情況和因素進(jìn)行分析。通常來說地質(zhì)情況越簡(jiǎn)單，短期加載作用對(duì)井水溫變化的影響越小。

緩慢性加載的動(dòng)力作用會(huì)在一段時(shí)期內(nèi)持續(xù)性變化，作用方向基本不會(huì)改變，受應(yīng)力作用影響，整個(gè)區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造和相應(yīng)力場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)一定變化，不過在力學(xué)作用較小的時(shí)候，變形程度也較小，井水溫變化幅度較小。緩慢性加載所導(dǎo)致的井水溫變化機(jī)理難點(diǎn)主要是當(dāng)應(yīng)力作用于地區(qū)力場(chǎng)達(dá)到某極限值時(shí)，相關(guān)力學(xué)作用會(huì)突然性發(fā)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(dòng)態(tài)變化規(guī)律中依然會(huì)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(yīng)力加載作用有著規(guī)律性特征，引發(fā)的地下水流場(chǎng)變化以及井水溫動(dòng)態(tài)變化有跡可循，對(duì)固體潮所造成的含水層膨脹或收縮進(jìn)行分析后，便能得到井水受固體潮應(yīng)力作用而出現(xiàn)的溫度變化規(guī)律。周期性加載變化需要經(jīng)過長(zhǎng)期的觀測(cè)和分析進(jìn)行確定，避免受地下水周期性流動(dòng)而出現(xiàn)判斷偏差。

結(jié)論：地下流體井水溫動(dòng)態(tài)變化機(jī)理是捕捉地震前兆的重要途徑之一，根據(jù)含水層受力變形的異常所引發(fā)井水溫異常變化來判斷地質(zhì)前兆。為了更為準(zhǔn)確的判斷異常變化，需要對(duì)地下流體井水溫動(dòng)態(tài)形成機(jī)理進(jìn)行分析，深入了解影響因素和動(dòng)力作用兩方面對(duì)井水溫動(dòng)態(tài)形成的影響程度，進(jìn)一步明確井水溫動(dòng)態(tài)形成的正常機(jī)理，從而準(zhǔn)確判斷異常變化。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]鄧衛(wèi)平，何案華，車用太，等.全國(guó)水溫臺(tái)網(wǎng)井水溫度2008年動(dòng)態(tài)及其汶川地震前后的異常變化[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，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(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)分析。

2作：栗寧，男，1986年02月，河南開封市，工程師，地震監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)分析

3作：趙瑞，男，1985年11月，湖北襄陽市，工程師，地震監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)分析