基于同井不同层位的水温资料对比分析
1.龙岩地震监测中心站，福建 龙岩 364000;2.福建地震台，福州 350001
关键词： 层位 ;水温 ;对比分析
Comparative Analysis of Water Temperature Data in Different Layers of the Same Well
LIU Shuilian1 ，CHEN Meimei1 ，ZHANG Qingxiu2 ，LIN Huiqing1
1.Longyan Earthquake Monitoring Center Station ， Longyan 364000， China;2.Fujian Seismic Station ， Fuzhou 350001， China
Keywords： Layers ;Water temperature ;Comparative analysis
DOI : 10.13512/j.hndz.2025.01.07
备注
收稿日期：2024-03-18
基金项目：福建省地震局科技基金面上项目（M202407）
作者简介：刘水莲（1983-），女，高级工程师，研究方向为地下流体监测与分析预报。E-mail：
470175472@qq.com
基于永安冷冻厂井180m、295m、330m三个层位的水温观测数据，结合井孔构造与梯度变化特征，对比不同层位的长短期背景动态、内在质量、各类干扰的特征及差异。经分析，此井三个层位水温均有显著的潮汐动态，年动态为波动-跳变型，日、月动态均显示清晰的双峰双谷固体潮形态，自然环境、供电干扰形态基本一致，但内在质量优劣、噪声大小和对地震响应的灵敏度受投放层位的直接影响，越远离含水层，梯度变化越平稳的层位，曲线噪声小，产出质量越高，能记录到的同震响应越多，反之，则不易凸显地下含水层应力变化信息。最后依据分析结果讨论了此井水温观测的最佳层位，可为其他井水温不同层位特征分析及合理投放层位的选择提供参考。
This paper analyzed the water temperature observation data from three layers of 180 m， 295 m， and 330 m in the well of Yong’an Refrigeration Plant. Combining well structure and gradient variations， the paper compared the characteristics and differences of long-term and short-term background dynamics，intrinsic quality， and various interferences in different layers. The analysis reveals that the water temperature of the three layers in this well shows significant tidal dynamics. The annual dynamics demonstrate a fluctuation-jump pattern， while both daily and monthly dynamics show clear bimodal and double valley earth tide patterns. The interference patterns of natural environment and power-supply are basically the same， while the internal quality， noise level， and sensitivity to earthquake response are directly affected by the placement depth. The layer further away from the aquifer with more stable gradients demonstrates superior performance characteristics， including reduced noise levels，enhanced data quality，and improved capability to record coseismic responses. Conversely，it is not easy to highlight the stress change information of the underground aquifer. Finally， based on the analysis results， the optimal layer for water temperature observation in the well was discussed， which can provide reference for analyzing the characteristics of water temperature of different layers in other wells and selecting reasonable placement layers.
引言
自数字式温度计投入观测以来，我国地热观测网记录到大量的水温资料，在单井单层位井水温度动态及其形成机制方面已有大量的研究成果[1-4] ，如车用太、鱼金子、赵刚等分别对井水温的微动态和形成机制进行了讨论，并分析归纳了井水温度的正常动态类型及其成因，其结果对于我们正确识别水温异常具有很强的借鉴意义。随着“十五”期间全国区域性地热网的布设，专家们多利用同井多层位同步观测继续探索井水温度微动态的差异及形成机理，如何案华、汪成国等在新疆进行多层水温梯度及对比观测的探索，也有一些针对单井多层位水温对比观测结果的分析，均表明同井不同层位观测到的水温动态特征有显著的差别，表现在变化幅度、日变形态、频域、背景噪声、同震响应等方面多层位观测更能捕捉地下含水层应力变化信息[5-7] 。
福建永安冷冻厂井水温观测始于2013年7月，配备1套SZW-1A型数字式温度计，2022年永安冷冻厂井改造列入福建省“十三五”项目《福建及海峡地震观测网工程—地球物理台网改造工程》，在原井新增两套SZW-2型数字式温度计，进行不同井深的水温对比观测，截止目前已积累了大量的观测数据，“十三五”以前，有一些对本井水位、SZW-1A型水温资料中的大幅异常、干扰因素、同震响应方面的分析[8-11] ，但目前还没有人对新投入运行的多套水温对比观测资料进行过探讨，因此本文拟对永安井三个不同层位观测段的水温数据进行对比分析，深入研究不同层位水温动态特征及差异。
1 观测概况
1.1 井孔构造
永安冷冻厂井为非自流井，成井时间为1978年，井深1000.44 m，位于武夷山—戴云山新华夏系一级复式隆折带，政和—海丰构造带西侧NNE向压性断裂与NW向张扭性断裂交汇部位。
本井观测含水层埋藏类型为基岩裂隙承压水，岩性大致分为三层，第一层从0～5.2 m，为不含水的第四系砂质粘土覆盖层；第二层从5.2～396.30 m，为第三系—白垩系上统赤石群（K2-Ech），地层岩性为紫红色砂岩，砾岩和砂砾岩混合为主，裂隙较发育，本井较好的含水段在279 m、307～311 m；第三层从396.30～1000.44 m，为侏罗系上统南园组（J3n），地层岩性以紫灰色、肉红色晶屑状凝灰熔岩为主。内部结构如图1 ，井内套管深度6.91 m，孔径变径6次，最大直径219 mm，最小直径91 mm，含水层揭露厚度为5 m，水面以下1 m以上的温度约为21℃。
图1 永安冷冻厂井井孔柱状图Fig.1 Well bore column of Yong’an Refrigeration Plant
表1 永安冷冻厂井水温分布及梯度值Table 1 Distribution and gradient values of well water temperature in Yong’an Refrigeration Plant
1.2 井孔水温梯度
2023年1月12日，根据相关标准《地震地下流体观测方法井水和泉水温度观测》（地震行业标准DB/T 49-2012）要求，永安冷冻厂井进行了井水温度梯度测试，测量深度为井段20～380 m，测点间隔20m，含水层段（280～330 m）进行5 m间隔加密测量，梯度结果见表1 ，梯度曲线见图2 。
由表1 、图2 可知，永安冷冻厂井水温梯度据变化趋势大致可分为以下6段：
①井段深度40～120 m，水温为正梯度，变化稍大，波动范围1.0020～2.7305℃/hm；
②井段深度120～160 m，水温呈负梯度，变化平稳，波动范围2.2020～2.7305℃/hm；
③井段深度160～200 m，水温转为正梯度，变化平稳，波动范围2.2020～2.3845℃/hm，第一套温度计放置180 m处，观测层背景噪声值0.0088；
④在井段深度200～260 m，水温又转为负梯度，变化较大，波动范围0.3570～2.3845 ℃/hm；在井段深度260～320m，水温梯度值大幅波动，此段310 m处出现全井梯度极大值5.2720℃/hm，290 m为极小值-0.5680℃/hm，井孔柱状图显示，此井279 m、307～311 m裂隙发育较好，是较好的含水段，因此，随着井孔深度不断增加，含水层与井孔水力联系变大，水流交换速度加快，梯度变化也随之变大，第二套温度计放置在此段295m处，观测层背景噪声值0.0012；
⑤含水层以下，井段320～360 m，井壁致密，含水层与井孔水力联系变小，水流交换速度减弱，变化为整个梯度测试段最平稳的井段，正梯度变化，波动范围在0.0420～0.2300℃/hm，第三套温度计放置在此段330m处，观测层背景噪声值0.0008。
图2 井水温度分布及梯度曲线Fig.2 Distribution and gradient curve of well water temperature
2 观测资料对比
2.1 背景动态特征
井水温度的背景动态变化指观测过程中的正常变化形态，包括长期动态和短期动态，长期动态一般指1年或多年动态，短期动态则指日、月动态，正确区分不同时间尺度上的背景动态特征，才能更准确地识别水温异常[1，4，12] 。我们分别以三个层位的水温日均值、正点值和分钟值建立年、月、日动态曲线，对比得出：
（1）长期动态：三个层位水温仪变化基本同步， 2023年年动态无明显规律，年变幅均超过0.01℃，见图3 （a）。
（2）短期动态:三个层位日、月曲线均能记录与同井水位同向的固体潮，月动态大、小潮周期动态清晰，月变幅分别为0.08～0.16 ℃、 0.10～0.14℃、0.05～0.07℃，见图3 （b），日曲线为典型的双峰双谷固体潮汐形态，日潮差分别为0.01~0.04℃、0.03～0.07℃、0.01～0.03℃，见图3 （c）。
赵刚等[3] 对全国台网产出的水温数据进行对比分析，将水温长期背景动态分为稳定型、漂移型、周期型、波动型和跳变型，短期背景动态分为稳定型、固体潮型、周期型等。本井水温年曲线为随机起伏动态，长期无规则波动，且呈现随降雨季节的大幅突升、突降变化，年变幅超过0.01℃/a，基本符合波动—跳变型的特征，按此动态类型的成因，除了观测探头置于含水层外，也与井孔所处地下水活跃，井内补给来源较为丰富有直接关系，说明井水既有深层地下水补给，也有大气降雨带来的地表水侧向补给。从短期动态来看，水温日、月曲线均为典型的固体潮型动态，且呈现与水位的同向变化，符合正梯度变化特征，当水位上升时，梯度线上移，水温升高，水位下降，梯度线下降，水温随之下降，但月变幅均超过0.002 ℃，日潮差也大大超出仪器稳定性指标0.0001 ℃/d，表明此井三个层位动态稳定性均有不足。
图3 不同层位水温日、月、年动态图Fig.3 Daily，monthly，and annual dynamic maps of water temperature in different layers
2.2 内在质量对比
地下流体学科组发布的评比办法规定，水温数据内在质量计算以年整点值曲线图为依据，用滤去趋势变化（一阶差分）后的均方差（σ）衡量，根据超过3倍σ的天数评定，超差个数越多，说明数据质量越差[13-14] 。
表中统计的即为本井三套水温仪2023年度12个月内在质量计算结果，可见，2023年度三套水温仪数据内在质量均能达到优，但三套之间存在差异较大，一阶差分均方差（σ）值及超差数由小到大分别为330 m、180 m、295 m，295 m层位在含水层附近，梯度变化大，因此内在质量最差，另两个层位虽然都远离含水层，但330 m是梯度平稳段，所以数据背景噪声最小，内在质量最好。
从井孔构造来看，水温变化在很大程度上取决于投放层位，探头投放位置的不同，接近或远离含水层，直接影响水温的变化形态，究其原因是由于井—含水层间会随地下水补给，水流运动产生热对流，从而引起水温的变化[15-16] ，如本井279 m、307～311 m裂隙发育较好，是较好的含水段，随着井孔深度不断增加，含水层与井孔水力联系变大，水流交换速度加快，梯度变化也随之变大，此段295 m处放置1套温度计，固体潮日潮差幅值三个层位中最大，但背景动态和内在质量计算显示曲线最粗，噪声最大。
表2 三个层位井水温内在质量计算表Table 2 Quality calculation for well water temperature in three layers
而另外两套水温仪，分别放置在井段浅部距离含水层较远的180 m、井段深部靠近含水层的330 m，结合井构造和梯度结果，这两段井壁致密，含水层与井孔水力联系变小，水流交换速度减弱，变化为平稳的井段，虽然固体潮日潮差幅值相比295 m层位较小些，但曲线噪声较小，内在质量相对较高。
从三套仪器日动态曲线也能看见明显的背景噪声差异，我们对三个层位水温日曲线（图4 中三行由上至下分别为180 m、295 m、330 m）进行频谱分析，FFT及功率谱显示三个层位水温信号基本处于0～3 HZ低频段，越靠近含水层，FFT频谱图显示幅值越大，功率谱结果显示0.02～5 HZ还有部分信号能量逐步衰减，表明存在较多的噪声信号，而330 m层位则与之相反，频率信号区分更加直观，能量集中，表明数据中的噪声信号最少，180 m是比较复杂的层位，虽然远离含水层，但也容易受到浅部地表水补给的干扰，所以数据中的不同频率信号也比较多，信号能量分布类似于295 m层位。
3 多层位水温干扰特征分析
井水温的动态除了正常背景外，还会受到干扰而产生变化，主要有含水层地下水补给、自然环境、观测系统、人为干扰、地震等[17] 。
3.1 自然环境干扰
永安冷冻厂井水文地质条件复杂，地处燕江岸边高阶地，距离50 m有一新桥溪流，井孔周围以透水性差、不含水的砂粘土为主的坡积层出露地表，形成良好的顶板，封闭性能较好，水位稳定，井孔接受盆地南部山区大气降水的补给。上游建有一个安砂水库，水库距离测点约26 km，距离测点1 km处还有燕江及西门水电站，因此遇到强对流天气，会对水温观测数据产生自然环境干扰，引起水温微动态的变化[18] ，典型如降水会引起水温大幅下降，气压引起水温的反向变化等，2023年度，本井水温共受到12次降水干扰，4次气压干扰，降水影响为正相关，干扰幅度不仅与降水总量有直接关系，也与观测层位（深度）有关，相关系数由大至小的层位分别为180 m、295 m、330 m，气压则为负相关，变化规律与气压变化量及层位的关系不如降水明显，及见表3 、表4 。
图5 中即为两次典型的自然环境干扰，2023年7月26日至7月29日，三套水温同步出现与气压的反向变化，同时段气压变化量为14.8 hPa，降雨总量为50.7 mm，水温最大变化幅度约0.1884℃，滞后约2小时，2023年8月29至30日则为典型的降雨影响，水温测值同步出现下降，同时段降雨总量为106 mm，水温最大变化幅度约0.1480℃，滞后约6 h。笔者曾在2019—2020年对本井水温观测受降水影响机理和形态进行过分析，认为本井水温受降水影响的形态，基本为持续降雨引起的直接下降，这种形态较为常见，水质化验结果也显示本井补给来源均为大气降水，周边溪流与井孔存在一定的水力联系，因此其干扰幅度、相关系数与降水总量和观测层位直接关系；还有一种为瞬时暴雨或泄洪后造成深部热流上涌，使水温先上升，而后又缓慢下降恢复，这种情况2023年没有出现，主要是井内水动力机制先于热对流而作用[9-10] 。
图4 不同层位水温日数据频谱分析图Fig.4 Spectral analysis of daily water temperature data in different layers
表3 三个层位井水温2023年度降水量影响统计表Table 3 Effects of precipitation in 2023 on well water temperature in three layers
表4 三个层位井水温2023年度气压影响统计表Table 4 Effects of air pressure on well water temperature in three layers in 2023
图5 不同层位水温气压、降雨干扰图Fig.5 Disturbance of air pressure and rainfall on water temperature in different layers
3.2 供电干扰
永安冷冻厂井三套水温仪采用市电和智能电源直流供电两种方式，市电电压不稳会造成180 m层位的水温下降台阶，295 m、330 m水温“V”型变化。
3.3 地震影响
在地壳活动时段，含水层岩石的受力状态发生改变，井水温度随时间出现变化，由此形成了水温的微动态，有地震前兆、同震响应、震后效应等[12] 。本井水温正式运行以来，永安冷冻厂井三个层位的水温几乎没有记录到地震前兆异常信息，但180 m、 330 m层位水温记录到了多次同震响应，均在水位振荡后出现，见表5 。
图6 不同层位水温供电干扰图Fig.6 Interference of power supply on water temperature in different layers
表5 三个层位井水温同震响应统计表Table 5 Coseismic responses of well water temperature at three layers
专家研究认为，具有水温同震响应的震例，同井水位必能记录到水震波，反之则不然，主要有同步阶升、同步阶降、水位上升水温下降、水位振荡水温下降四种形态，与地震方位关系不大[19] 。2022年7月1日以来，本井水位共记录到42次水震波，表5 中仅列出水温有同震效应的强震，同期295m层位水温未记录到显著的同震响应，180 m层位水温仅同步记录同震响应2次，330 m层位同步记录到7次；如图7 中所绘，两套水温仪记录到同震变化形态均为水位振荡+水温下降型，水位振荡幅度越大，水温下降速度越快、幅度越大，水位振荡持续时间越长，水温恢复时间越慢，但恢复形态有差异，330 m层位为短时间快速恢复上升的“V”型形态，180 m层位则呈现缓慢下降形态，特别是2024年1月1日日本本州M7.4级、2024年4月3日台湾花莲M7.3级地震后，180 m层位水温值持续下降，330 m层位水温则在日本7.4级震后持续升高，均呈现出明显的震后效应动态，造成此差异的原因比较复杂，除了震级大小及震中距的直接影响外，应当还与观测层位有关。
图7 永安井水位、水温同震响应图Fig.7 Coseismic responses of water level and water temperature in Yong’an well
我们在对水温同震变化机理的研究中发现，无论水位初始振荡是上升还是下降，水温同震响应初始变化均为下降，因此猜测水温同震变化并不受地下水动力学的控制，与水位升降、梯度线的变化无关，有可能是地震波激发水体振荡后，井孔中发生垂向运动，浅部水体与深部热流混合对流加快，导致水温下降，即冷水下渗观点，还有气泡脱逸观点认为水温同震下降是由气体脱逸带走部分热量造成的[20-21] ，据记录到的几次震例显示，本井水温对于远震、大震的映震效果更显著，说明当远震波到达时，区域应力场发生弹性形变，井—含水层孔隙压力变化，含水层及地下水中吸附的气体脱逸，导致水温下降。对于震后效应的差异，笔者认为受观测层位与含水层距离的影响，当水位震荡结束，含水层热流补给，井壁与井水温之间产生热传递，越靠近含水层，热传递发生得更早，水温也上升地更早些[20] 。
4 结论及讨论
（1）永安冷冻厂井井深1000.44 m，全国少有，利于开展多层位水温对比观测，梯度测试结果显示本井总体呈现正梯度变化，但内部梯度变化较为复杂，本文对6个层次的水温梯度特征及变化范围进行了分析，并计算了背景噪声及标准差，三个观测层位所在处水温梯度大，区段背景噪声相对较小，均有明显的潮汐效应，探头投放位置基本符合规范。
（2）本井三个层位水温变化背景变化基本同步，长期年动态为波动—跳变型，短期日、月动态均显示清晰的双峰双谷固体潮形态，日潮差及月、年变幅较大，稳定性由好至差分别为330 m、 180 m、295 m。
（3）内在质量及FFT分析显示：观测层位越接近含水层，含水层与井孔水力越大，数据背景噪声越大，内在质量相对越差。内在质量优劣同前述稳定性排序一致。
（4）本文对不同层位的水温干扰动态特征进行了对比分析，三套水温仪受自然环境、供电系统的干扰形态规律一致，对于地震的响应能力则差异显著，背景噪声弱、梯度稳定的330 m层位更易反应远场大震信息，295 m层位处于含水层，背景噪声大，数据变化易被掩盖混淆，因此未提取到显著的同震响应信号。地震的响应形态和震后效应也有区别，330 m层位均为下降-上升-恢复的“V”型形态，180 m层位则呈现缓慢持续下降形态，我们还对水温的同震响应机理进行了分析，认为井内上下层水流加速交换及气体脱逸模式均有可能是本井水温下降的直接原因。
综上所述，本井3套水温仪，1套置于含水层， 1套靠近含水层，1套远离含水层，通过梯度测试、背景动态及内在质量的对比、潮汐效应及地震响应能力分析，靠近含水层且梯度平稳的330 m属于最佳观测层位，不仅有明显的潮汐效应，产出质量最高，本文的分析结果对于其他井水温不同层位特征分析及合理投放层位的选择具有一定的参考意义。
图1 永安冷冻厂井井孔柱状图Fig.1 Well bore column of Yong’an Refrigeration Plant 表1 永安冷冻厂井水温分布及梯度值Table 1 Distribution and gradient values of well water temperature in Yong’an Refrigeration Plant 图2 井水温度分布及梯度曲线Fig.2 Distribution and gradient curve of well water temperature 图3 不同层位水温日、月、年动态图Fig.3 Daily，monthly，and annual dynamic maps of water temperature in different layers 表2 三个层位井水温内在质量计算表Table 2 Quality calculation for well water temperature in three layers 图4 不同层位水温日数据频谱分析图Fig.4 Spectral analysis of daily water temperature data in different layers 表3 三个层位井水温2023年度降水量影响统计表Table 3 Effects of precipitation in 2023 on well water temperature in three layers 表4 三个层位井水温2023年度气压影响统计表Table 4 Effects of air pressure on well water temperature in three layers in 2023 图5 不同层位水温气压、降雨干扰图Fig.5 Disturbance of air pressure and rainfall on water temperature in different layers 图6 不同层位水温供电干扰图Fig.6 Interference of power supply on water temperature in different layers 表5 三个层位井水温同震响应统计表Table 5 Coseismic responses of well water temperature at three layers 图7 永安井水位、水温同震响应图Fig.7 Coseismic responses of water level and water temperature in Yong’an well
