
海口温度
-
2023年2月16日发(作者:)第32卷 第l期
2Ol1年 2月
地震地磁观测与研究
SEISM0L0GICAL AND GE0MAGNETIC
0BSERVAT10N AND RESEARCH
Vo1.32 NO.1
Feb. 2011
doi:10.3969/J.issn.1003—3246.2011.01.016
海口ZK26井多层位水温对比观测
张 慧 解晓静
明穗花
叶向顸 刘 阳
郭 南
(中国海南570203海曰地震台)
摘要 在系统清理海口ZK26井3个不同层位(一153 m、一336 m、一5]0 m)近1o年观测资料对比
的基础上,对比单井多层位水温动态多年趋势、年、月、日动态类型,并对其不同动态类型的成因及
影响因素进行分析。对比观测结果表明,海口ZK26井不同层位的水温表现出不同的正常动态特
征,与观测层位的水文条件、水力性质有着密切的联系。
关键词水温;不同观测层;对比观测;正常动态;频谱特征
O 引言
由于大地热流的作用,地壳中的固体介质具有一定的温度,赋存并活动与固体介质空隙中
的地下水也具有一定温度。地下水的温度,在含水层中常与岩石的温度保持平衡,并且水温背
景值主要取决于当地的地热或地温背景,但由于地下水具有流动性,当其发生流动后这种平衡
常遭到破坏,表现出不同的量值与不同的动态特征。目前,我国高精度水温观测已初具规模,
是地震前兆监测与地震预测的重要技术途径,并发挥重要的作用。但观测资料的深入研究不
足是水温观测普遍存在的问题之一。因此,本文研究以海口ZK26井为井筒系统,进行温度梯
度试验,并在全井中选取具有代表性的3个层位(一153 m、一336 ITI、一510 m)进行对比观测,
系统地清理各观测层位近1O年的对比观测资料,分析3个不同观测层位水温的多年趋势、年、
月、日正常动态特征及其相应的频谱特征。
1井孔地质环境
海口ZK26井位于海南岛北部海口市区内,处于琼北雷琼断陷区,周边有一组EW向与
Nw向断裂带,其中南距Ew向王五一文教大断裂33 km,以东约20 km为EW向马袅一铺前断
裂东段与Nw向铺前一清澜断裂交汇处,该交汇处于1605年发生了琼山7.5级地震,并且EW
向马袅一铺前断裂表现了晚更新世以后较强的活动;井区以南约6 km为Ew向马袅一铺前断裂
与Nw向海口一云龙断裂交汇,以西约19 km为马袅一铺前断裂与NW向长流一仙沟断裂交汇,
这两条NW向断裂在第四纪全新世时期仍有活动(沈繁銮等,2007)。因此,在地震地质构造
方面,Ew向深大断裂与NE向、Nw向断裂带形成了良好的导热、导水通道,对地下水深部循
环加热起到一定作用,海口ZK26井具备较好的地震前兆监测背景条件。
作者简介:张慧(1 983一),女,助理工程师,硕士,从事地下流体监测研究工作
基金项目:海南省地震局课题基金
本文收到日期:2010—07—13
地震地磁观测与研究 32卷
2观测井概述
海LI ZK26井地面标高2.32 m,井深706.39 m,井斜2。,水温约49.5 ̄C,原为自流井,1994年
断流。该井筒系统为敞开式(图1),井LI与大气连通,0—6O6.39 m设有套管,严格止水;12o一
150 m为第二含水层,在距海口以南100 km左右的南渡江附近有露头;609.37—693.25 m为第
七含水层,属Q4代玄武岩砂质亚粘土孔隙承压含水层,该井段为裸孔,为主要观测层,并且封闭
条件较好。井孔主要由一套第三系固结、半固结或松散的砂、砾、粘土层组成,水化学类型为
HCO3一C1一Na型氮气水,该井水主要由大气降水与现代海水混合补给(刘伟等,2000)。
敞开系统
———■’———■’
第七含水层
・ 93 25 n1.一
O
6O
1O0
1 5O
2OO
乓250
[
 ̄300
35O
4OO
450
50O
55O
温度/ ̄C
2O 30 40 50
图1海口ZK26井井简系统及水温梯度
Fig.1 Haikou ZK26 well system and water
temperature gradient
经过二次平行温度梯度试验,均出现温度异
常区(图1)。0—125 m深度段水温梯度正常,但
略有波动;125—175 m深度段水温梯度较大,并
且存在梯度异常区,即随深度增加而减小(图1);
175 m以下水温梯度正常,随深度增加而稳定上
升。出现温度异常的原因,尚待研究。笔者认
为原因为:①可能与地层岩性的热导率异常有
关,上部热导率高而下部热导率低影响了温度
梯度的正常变化(谷元珠,2003);②从热力学与
水力学角度分析,125 175 m深度段位于井筒
系统上部,与大气相通,并且所处的第二含水层
在距井孔100 km处南渡江附近有露头,亦与大
气相通,因此受系统上部热交换及此含水层热
传递的影响,井筒系统上部存在比重较大的相
对冷水分子,由于井筒垂向梯度存在流体分子
运动,上部冷水分子向下运动,下部比重较小的
热水分子向上运动,产生热对流,可能在125一
]75 m深度段混合,使该段水温梯度波动较大并
出现异常。此外,井水的热对流与地温下高上
低相互作用于井内,相互平衡可能产生温度分带现象,即变温带、水温转变带和增温带(胡玉禄
等,2004),这可以解释井水温度梯度由波动趋于平稳的现象。
为了更进一步研究海LI ZK26井井筒系统的动态特征,选取3个温度层进行对比观测,分
别是:一153 m(含水层,梯度异常区)、一336 m(中部非含水层)、一510 m(深部非含水层)。其
中,一153 m与一336 m自1998年同步观测,一510 m自2009年观测。
3多层位水温的正常动态
3.1 多层位水温多年趋势动态
水温的多年动态以月均值为基础,反映多年时间尺度井水温度的变化特征。对比观测结
果表明,一153 m与一336 m反映不同的多年动态特征(图2)。
153 m以多年起伏型为主,由图2(a)可以看出,一153 m水温自1998年观测以来,起伏
变化规律不明显,并且起伏形态与幅度各年不等。一336 m以多年趋势下降型为主,由图2(b)
可以看出,一336 m水温自1998年观测以来,井水温度持续下降,1998 2000年下降
第1期 张慧等:海口ZK26井多层位水温对比观测研究 87
0.362 ̄C,2004 2006年下降0.o122 ̄C,下降速率逐年降低。
33 806
赠33 535
33 264
40 027
赠39 846
1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008
t/正
(b)33
.7352
赠39 7291
*
39 7230
1999 2000 2004 2005 20(16
年t/年
图2 海口ZK26井井水温度多年趋势动态
(a) 153 m:多年起伏型;(b)一336 m:多年趋势下降型
Perennial tendency of water temperature at Haikou ZK26 well
同一井筒系统,出现两种截然不同的多年动态特征,与观测层位的水力性质有关。
一153 m垂向与大气连通,横向含水层在地表有露头。因此,当井筒系统于1994年断流后,
一153 m与大气的热对流作用及地表水补给作用相对明显,使水温多年动态起伏变化显著,相
比之下,一336 m处于井筒中部非含水层,垂向与横向未能与大气有效相通,可视为相对封闭的
流体层,当井水断流后水温波动起伏较弱,但水温急剧下降并趋于变缓。此时,井水之间水流分
子间相对运动以及井水与井筒外围岩石之间热传导作用相对明显,并逐渐达到新的热平衡状态。
3.2多层位水温年动态
水温年动态以日均值为基础,反映水温季节变化特征。对比观测结果(图3)表明,
153 m水温年动态多是起伏变化,起伏形态各年不等,年变幅<0.4℃,而一336 m水温
1998--2006年动态持续下降,下降速率趋于平缓,年变幅<o.06℃,这可能与自流井断流后井
筒中水的冷却作用有关(车用太,2003)。
\ 赠
*
鞍 三
(a)~153 133:(b)~336 m
Fig.3 Annual behaviors of water temperature at Haikou ZK26 well
3.3 多层位水温月动态
水温月动态以整点值为基础。对比观测结果表明,同一井筒系统不同层位的水温月动态
特征规律较为复杂,一153 m水温尤为显著。
153 m水温月动态规律复杂多变[图4(a)],月变幅范围较大,可达0.004℃一0.O4℃,
同时每个月的月动态均可表现为升、降、起伏等形态,并且月动态随降雨变化而变化的形态特
征不明显。一153 m处于第二含水层,补给源较丰富多样,水温表现出复杂多变的月动态特征。
2
g
9
88 地震地磁观测与研究
33 7213O
33 71650
33 711 70
、
40 0008
赠 39 9902
39 9796
、
45 99780
赠45 99305
芒
h 45 98830
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 l2 13 14 l5 16 17 18 l9 2O 21 2223 24 2526 27 28 29 3O
tf日
图4 海口ZK26井水温月动态
(a) 1 53 m水温(2004年7月);(b)一336 m水温(1998年6月);(c)一510 m水温(2009年6月)
Fig.4 Monthly behaviors of water temperature at Haikou ZK26 well
336 Yn水温月动态特征表现为下降起伏型[图4(b)]与起伏波动型。该井断流初期,
336 m水温动态背景下降,并在此背景下起伏波动;但自2004年起,下降速率已趋于平缓,
井水系统达到新平衡,此时该层位月动态特征表现为起伏波动型。但是任何时期该层位的月
变幅变化范围均较小,达0.01℃~0.02℃,并且受降雨影响较小。
510 m水温月动态特征表现为起伏波动型[图4(c)],但相比前两个层位,月变幅最小,
基本小于0.01℃。由于一510 m水温观测时间较短,其月动态特征仍需研究。
3.4 多层位水温日动态
水温日动态以整点值为基础。对比观测结果表明, 153 m、一336 m、一510 m不同层位
水温日动态均为随机起伏,但起伏幅度不等,一150 m日变幅最小,平均日变幅约0.004℃;其
次为一5lO m,平均13变幅约0.006℃;一336 m日变幅较大,约为0.01℃。
此外,层位的水温日动态与日降雨量有着不同的联系。当日降雨量大于10 miD_,一153 m
日降雨量/mm
图 一153 m水温日变幅与El降雨量关系
Fig.5 The relationship between一153 m daily ampli
tude of water temperature and daily rainfall
水温当日变幅较明显地增大(图5),但日降雨量
与水温日变幅并不呈线性关系,日降雨量L(单
位ram)以及水温日变幅AT(单位℃)经拟合满
足对数关系式:△T----alnL+b,相关系数达
0.77一O.84。但是降雨对水温的影响关系较为
复杂,目前尚无明确定论,因此对数关系式还待
进一步深入研究。
336 m水温、一510 m水温日变幅与当日
降雨量的对数关系不显著,尤其一336 m水温
与降雨量无明显的关系。但一5lO m水温日动
态与水位有明显的滞后关系(图6),当降雨量较
大时,受大气降雨深层补给影响,随着井水水位的上升,井水温度滞后1—2个月下降。
从以上分析可以看出,海口ZK26深井系统中井水虽然为同一水源,但是3个层位受降雨
的影响不同。一153 m水温可能因处于井筒系统浅部第二含水层,当日变幅与日降雨量呈对
数关系;一510 m水温接近该井水源层(第七含水层,609.37—693.25 m),受大气降雨深层补
给影响,存在滞后关系;而一336 m水温与降雨量无明显的关系,可能与处于相对封闭含水层
㈣
第1期 张慧等:海口ZK26井多层位水温对比观测研究 89
有关。因此,笔者认为,3个层位所表现出的不同日变特征,可能与所处层位的水力性质有关,
但水温与降雨的关系较为复杂,目前各学者尚无明确定论,仍待进一步深入研究。
45 99450
赠4599265
45 99080
宝 302
咖】t51
斟0
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12
一一u上一山.: L J山LL1 . 。.. 山 J .. J. 1.. ...... 1I.. ..j I上l I1. .
Ol O2 O3 04 O5 06 O7 O8 O9 10 11 12
t/月
图6 2009年月水位、一510 m水温与降雨关系
Fig.6 The relationship between water level,一510m water temperature and rainfall
综上所述,~153 m、一336 m、一510 m水温受各层位水力性质不同的影响,各层位呈现不
同的水温正常动态特征。一153 m日变幅最小,但因所处浅部第二含水层则易受降雨影响,多
年、年、月动态变化规律复杂,变化范围较大;一336 m处于中部非含水层,水力系统相对封闭,
年、月变幅为0.O1℃一O.02℃,动态特征较为平稳,与降雨无明显关系;一510 m处于深部非
含水层,年、月变化范围最小,均小于0.01℃,动态特征随机起伏,但该层位易受大气降雨深层
补给影响,随着井水水位上升,井水温度滞后下降。
4 多层位水温频谱特征分析
对比分析各观测层水温的正常动态特征,可以看出同一井筒系统不同层位的水温动态特
征各异,并且规律较为复杂,笔者试图从频谱角度分析各层位的频带特征(顾申宜等,2010)。
选取各层位月形态,以整点值为基础,各层位的功率谱分析结果见图7。
33 7O48
33 6887
33 6726
45 99700
45—99245
芒45 98790
墨4
10
日 周期m
图7海口ZK26井一153 m、一336 m、一510 111_水温月动态及相应功率谱
Fig.7 Monthly behavior of water temperature and related power spectra in
153 m,一336 m,一510 m at Haikou ZK26 well
4 3 8
叭 ∞
0
E~ *
90 地震地磁观测与研究
从图7可以看出,3个层位的水温频带不同。从频率域来看,一153 m存在一个较弱的长
周期背景,周期为24 h以上,而--336 m与一510 m均存在脉冲性的趋势变化;从功率谱来看,
153 m功率谱在10 h、24 h存在峰值,一336 m与一510 m功率谱峰值主要存在于1—1o h
之间。由此可知,一153 m水温主要处于低频带,高频及低频干扰较少,一336 m与一510 m水
温主要处于高频带,并且高频段干扰频率较多。
5 结束语
分析海口ZK26井的水温观测环境与条件,经过一153 m、一336 m、一510 m水温的对比观
测,系统清理多层位水温的多年、年、月、日动态特征及相应的频谱特征分析,初步得到以下认识。
(1)单井多层位水温的对比观测,较好地揭示了井一含水层系统中丰富的正常动态信息,
为更细致的了解单井水温动态提供了新的观测技术途径。
(2)海口ZK26井不同层位的水温表现出不同的正常动态特征,与观测层位的水文条件、
水力性质有着密切的联系。
(3)一153 m为负梯度层位,因所处的第二含水层易受地表水补给影响,多年、年、月动态
规律复杂,变化范围较大,但所呈现的日变幅最小;一336 m层位位于水力系统相对封闭的中
部非含水层,年、月变化范围较小,动态特征较平稳;一510 m处于深部非含水层,年、月变化范
围最小,动态特征随机起伏,但因接近该井的水源层,降雨深层补给对其有滞后影响。
(4)从频谱特征分析看,一153 m水温处于低频带,存在较弱的长周期背景,高频段干扰较
弱;一336 m与一510 m水温主要位于高频带,高频段干扰频率较强。
(5)单井多层位水温具有不同的频带特点,可利用正常动态的频谱特征对各层位的水温微
动态(潮汐效应、震前异常、同震响应等)进行深入研究探讨,有助于进一步探讨井筒系统的映
震能力。
参考文献
车用太.首都圈地区井水温度的动态类型及其成因分析[j].地震地质,2003,25(3):403—42
谷元珠,车用太,等.塔院井水温微动态研究EJ2.地震,2003,1(23):102—108.
顾申宜,李志雄,等.海南地区5口井水位对汶川地震的同震响应及其频谱分析EJ].地震研究,2010,1(33):35—42
胡玉禄,等.地热盖层中井温梯度与地温梯度的关系及应用[J].成果与方法,2004,20(3).
荆伟,胡久常,顾申宜,等.海口ZK26井水温动态特征[J].华南地震,2000,1(3):43—47.
沈繁銮,吴小江,李志雄,等.海口市活断层探测与地震危险性评价工程技术报告[R].海南省地震局,2007.
The comparative study of water temperature in different observation
layers at Haikou ZK26 well
Zhang Hui,Xie Xiaojing,Ye Xiangding,Liu Yang,Ming Suihua and Guo Nan
(Haikou Seismic Station,Hainan Province 570203,China)
Abstract
On the basis of comparative observation data of different layers(一153 m,一336 m,一510 m)for
nearly 10 years of water temperature in the Haikou ZK26 well,the behaviors of well temperature in
the different layers are comparatively observed,such as perennial tendency,annual dynamic,
monthly dynamic and daily dynamic features.Then the factors of different dynamic characteristics
are analyzed.The results of comparative observation show that the temperatures in different layers
of Haikou ZK26 well display different dynamic characteristics because of the different hydrological
conditions and hydraulic properties.
Key words:water temperature,different observation layers,normal behavior,spectrum char—
acteristics