太原地震监测中心站晋7-1井水温动态变化初步分析
张亮娥，陈常俊，宫静芝，范 磊，魏越超，吕永青
(1.山西省地震局太原地震监测中心站，山西 太原 030025;2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西 太原 030025)
对井水温度(以下简称水温)的观测始于20世纪80年代，我国高精度水温观测始于1985年，在云南省和首都圈布设区域性台网，获得一些典型震例[1-2]。1988年11月6日云南7.6级地震时，首次获得一组水温前兆异常[3]，后来，1998年1月10日河北张北6.2级[4]、2007年6月2日云南普洱6.4级[5]等多次地震前均获得多井的异常观测资料。水温观测资料在地球物理场观测与地震预测预报中发挥出重要作用。
由于水温动态复杂，一些学者开始研究水温各类动态[6-8]。井水温动态反映的是温度传感器放置点的温度波动，与其放置的位置有关。研究表明，在同一口井观测不同层位的水温，结果不同。通过研究不同深度水温动态特征，及水温动态对地壳动力作用响应能力，可为传感器的科学放置提供依据，推动水温观测的规范化。
晋7-1井位于太原市晋祠镇太原地震监测中心站北墙外(见第2页图1)，成井于1981年，1983年11月8日，经晋、冀、吉、黑4省地下水位观测井网会议验收，正式纳入华北井网，测项为井水位。成井深度765.78 m，现井深750 m，井口标高828 m，水位观测段在480 m以下(见第2页图2)。中国地震局“十五”项目时，增加水温观测，使用仪器为中国地震局地壳应力研究所生产的SZW-1A型数字式温度计。2018年“华北仪器更新”项目时，仪器更新为中国地震局地壳应力研究所生产的SZW-Ⅱ型数字式温度计。
图1 太原站晋7-1井地理位置图Fig.1 Geographic location map of Jin 7-1 well of Taiyuan Seismic Station
图2 井孔柱状图Fig.2 Borehole histogram
晋7-1井水温正式观测始于2007年，仪器安装前按照相关规范要求对井水温梯度进行测量[9]，传感器放置在背景变化较小(小于0.003 ℃)的井底750 m处。2018年，仪器更新项目在测试过程中发现，传感器置于梯度较大的700 m和较小的600 m处，背景噪声变化一致。对此，台站分析人员做了不同深度的日变化观测，分析其变化特征，完善该井的基础资料。
晋7-1井处于交城断裂带晋祠段北端的下盘，明仙沟口间歇河河床中，北、西、南三面环山。含水层为奥陶系下统和寒武系上统的石灰岩、白云岩类，属碳酸岩类岩溶地下水。上覆中奥陶系厚层灰岩中的含水层均已进行止水处理。地下水的补给区为西北和西部山区，补给来源主要为大气降水和汾河上游渗漏。
2.1 井水温长期动态
井水温自观测以来，总体变化呈上升趋势。2008至2017年上升幅度为0.012 ℃，与该井同期水位变化趋势一致，表明水位与水温变化具有一定的相关性。2009至2012年，水位、水温上升速率均相对较大，二者变化表现出正相关(见第3页图3)。计算出2009至2017年(2018年10月开始仪器更新、观测环境标准化改造，数据缺失)，水位对水温的影响为4.5×10-4(℃/m)；
2009至2012年，水位对水温的影响为5.9×10-4(℃/m)。
图3 井水温、水位日均值曲线图Fig.3 Daily average curve of well water temperature and water level
2.2 井不同深度水温日变化形态
水温探头的放置位置对井水温度的观测有较大影响[10]。2018年的水温梯度测试结果表明，680至700 m深度的水温梯度变化较大。将传感器放置在700 m处，记录数据背景噪声较大；
放置于梯度较小的620 m处，背景噪声无明显变化；
再放置在750 m处(原传感器深度)，数据变化仍不稳定。为找出原因，进行不同深度日变化的测试。第4页图4为晋7-1井不同深度水温日变化曲线图，将传感器置于100 m深度，水温具有明显的类似潮汐日变化，日变幅约0.002 ℃，背景噪声小于0.001 ℃；
在300 m、500 m、700 m的深度，水温无明显日变化，表现为某一温度范围内的稳定变化，背景变化约0.01 ℃；
在750 m(井底)，水温无明显日变化，表现为某一温度范围内的稳定变化，背景变化小于0.001 ℃。
图4 不同深度井水温日变化曲线图Fig.4 Daily variation curve of well water temperature at different depths
2006年，“十五”项目仪器安装之前的深度间隔为25 m；
2018年10月仪器更新之前，间隔缩短为10 m，从两次的梯度测试结果看，时间上相差12年，但测量曲线形态基本吻合，个别不吻合可能是由于每次选取的步长不一导致。第4页图5显示，140 m井段处存在一负梯度段，150至200 m处温度梯度几乎为0。观测井柱状图显示，75至320 m裂隙溶洞发育，可能会导致该深度水上下交替剧烈，水温梯度为0。传感器投放不同深度出现日变化动态不一致的原因从以下两方面进行分析。
图5 井水温梯度及井孔柱状图Fig.5 Well water temperature gradient and borehole histogram
(1) 传感器置于100 m、750 m深度，水温日变幅小，对比水温梯度实验资料分析，该段水温梯度属变化平稳区。
(2) 传感器置于300 m、500 m、700 m深度，水温无明显日变化，在一定温度范围内振荡起伏，程度不同，随深度增加日变幅增加，在0.007～0.001 ℃之间，未能反映观测井水温日变特征。参照水温梯度实验结果，250～375 m、475～525 m、650～725 m处水温梯度较大，变化幅度大是导致水温动态变化特征的主要影响因素。
车用太等根据精细测量的水温梯度实验结果认为，水温微动态特征在很大程度上取决于水温传感器所放置深度的温度梯度特征[11]。晋7-1井水温梯度实验结果表明，井200 m之下为正梯度，即随着深度的增加水温升高。2008年以来，受煤矿整合、引黄入晋等系列政策影响，区域内地下水开采减少，含水层中地下水流入井中，井水位上升，水温传感器埋深增加，导致传感器之处的水温升高，出现了近年来的井水温与水位同步上升的变化。
通过对晋7-1井水温长趋势变化及不同深度日变化实验结果进行分析，得出如下结论：
(1) 晋7-1井水温总体是随着井深度的增加而增加，在90至200 m出现温度梯度为负或零的现象，主要原因是该井在75～320 m裂隙溶洞发育，造成该段内水补给循环加快导致温度下降。
(2) 观测井所处位置构造应力应变变化会对井的物理(水位、水温)、化学性质产生影响[12]，大气降水、地表水的渗入是影响水温动态的因素[6]，同时，也是水位上升的影响因素。晋7-1井水位2008年以来呈上升趋势，主要原因是受煤矿整合、引黄入晋等系列政策影响，区域内地下水开采减少。水位上升时，含水层高温水流入量增加，井筒中水温升高，水温、水位趋势变化呈正相关。
(3) 晋7-1井传感器置于750 m(井底)时，观测结果介于水温和地温之间，观测数据稳定，背景变化小于0.002 ℃；
在100 m时，背景变化小于0.002 ℃，具有类似潮汐的日变化动态；
其他深度观测到的日变化不明显，其原因目前暂无定论。有学者认为，水温潮汐现象明显的井多为自流井或曾经为自流井[13]，晋7-1井为非自流井，需要进一步的实验、探讨。
(4) 鉴于晋7-1井正负梯度交错及不同深度日变化不一致等现象，建议开展同井不同深度的多层位观测研究。
感谢中国地震局地壳应力研究所张彬和何案华两位老师对文章提出的宝贵意见！
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