Mechanisms of water-heat dynamics and earth-heat dynamics of well water temperature micro-behavior
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摘要: 以井-含水层热系统分析为基础， 结合井水温度(水温)动态观测到的实际结果， 提出了水温微动态形成的两类基本机制， 即水热动力学机制与地热动力学机制. 水热动力学机制指井水温度的动态是由于水流动产生的热对流引起的变化； 地热动力学机制指井区岩土中大地热流作用或热传导引起的井水温度变化. 结果表明， 多数同震响应是水热动力学机制下生成的水温微动态； 水温的震后效应或变化则多是热传导或深部热流变化引起的， 属于地热动力学机制下生成的水温微动态. 少数水温微动态特征较为复杂， 多是源于井-含水层系统中包含有多个水文地质特征差异明显的含水层， 尚不能简单地用水热或地热动力学机制予以解释.Abstract: On the basis of analysis on heat system of well-aquifer, combining with practical observation results of well water temperature behaviors, two mechanisms of water-heat dynamics and earth-heat dynamics of well water temperature micro-behavior are presented. The mechanism of water-heat dynamics is that the well water temperature micro-behavior originates from heat transport related to moving of water flow. The mechanism of earth-heat dynamics is that the well water temperature micro-behavior originates from heat flow or heat transfer in the earth. Results show that most coseismic responses of water temperature in a well are micro-behaviors produced under water-heat dynamics mechanism, whereas post-seismic effects or changes of water temperature in a well are micro-behaviors caused by heat conduction or change of deep heat flow, and belong to earth-heat dynamics mechanism. The characteristics of a few micro-behaviors of water temperature in a well are more complicated, which is due to existence of multilayer aquifers in a well-aquifer system. And the hydrogeological characteristics of these aquifers are more obviously different, which cannot be yet explained under the mechanisms of water-heat or earth-heat dynamics.
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引言
自20世纪80年代末我国开展高精度井水温度(简称水温)观测以来，除了在多次强震前观测到信度较高的水温前兆异常外，还在上百口井中观测到水温的同震响应，在几十口井中观测到水温潮汐效应． 笔者将上述水温动态，即与地壳动力作用有关的井水温度变化的信息，统称为水温微动态．
前人对水温微动态形成机制已作过一些研究，提出了多种观点． 付子忠(1988)通过研究一些震例中的水温异常,提出井水温度微动态的形成是由地壳岩石受力变形与地热作用耦合引起的． 刘耀炜(2009)通过研究井水温度的同震响应，认为井水温度微动态的形成是含水层变形导致含水层内地下水的上、 下运动引起的． 马玉川(2010)通过研究井水温度潮汐认为，当含水层受潮汐力作用而膨胀变形时，含水层上部水向下运动会使水温下降，而含水层压缩变形时下部水向上运动则使水温上升． 上述观点所强调的是井水温微动态的形成是含水层受力变形的直接结果，可统称为井水温度形成的岩体力学机制．
鱼金子等(1997)在北京太平庄自流井观测到地震波作用使井水位产生振荡，井水中有大量气泡逸出并伴有水温同震阶降的现象，认为自流热水井水温同震阶降是由气泡逃逸引起的． 陈大庆等(2007)从理论上论证了气泡逃逸论，并明确提出气泡逃逸机制．
张永仙等(1991)通过研究泉水温度动态的形成机制，认为水温的变化与泉水流量的变化密切相关． 石耀霖等(2007)通过研究唐山井水温的同震响应提出了井水温度变化的水动力学弥散观点，并解释了井水温度的同震阶变机制. 尹宝军(2010)在此基础上提出了井筒内水动力学弥散与井内-井外的热传导模式，较好地解释了井水温度的同震响应及其后恢复过程．
鱼金子等(1997)通过对太平庄井水温潮汐效应的研究提出了水动力学机制； 车用太等(2008)通过对水温同震响应的研究提出热对流与热传导机制； 鱼金子等(2012)通过研究金沙江水网对日本2011年3月11日MS9.0地震的同震响应及震后变化，提出水热动力学机制与地热动力学机制的概念,认为前者指水温变化是由带热的水流引起的，后者指水温变化是由井水与外围岩石之间的热传导或井区大地热流作用引起的.
1. 井-含水层热系统及其对水温动态的影响
观测井及其外围的热主要来源于地热． 观测井任何点上的温度，不论水温还是地温都 是 地球内部的热由深处向地表释放的结果． 但由于观测井-含水层系统中水温与井筒外地温之间、 观测井水温与井中无水段气温之间均存在热的不平衡与温度的差异，导致各点温度随时间变化，即形成了动态水温． 因此，分析井水温度的动态变化，必须先弄清楚井-含水层中的热系统．
首先，在地壳增温带范围内，井-含水层中的热系统(图1)存在两个梯度． 其一，井筒内水(井水)中存在随深度变化的水温垂向梯度，一般为正值，但梯度值在各深度段上是可变化的，个别情况下局部还可能出现负梯度； 其二，在井-含水层之间存在随井筒外边到含水层深处的距离而变化的水平向梯度，这种梯度不会太大，而且存在的范围也不会很大，一般在几—十几米． 在这两个梯度带内存在水流运动，垂向梯度带内井水的上下运动将引起井筒内热的对流； 水平向梯度带内井与含水层之间水的横向运动，也必然引起井筒内水的上下运动与相应的热对流． 其次，井筒内井水与井筒外围岩之间存在一个温差与热流． 由于井筒内水柱不断上下运动，其间的热平衡也不断遭到破坏，从而导致其间的热流(热传导)也在不断变化． 在某一深度上，当井水温度高于围岩地温时，热由井内向井外传导； 当井水温度低于围岩地温时，热由井外向井内传导． 再次，井水面上存在井水与大气间的热辐射，即不同介质界面上电磁效应向热物体外传递的热效应． 由此可见，井-含水层系统中的热运动有3种基本形式，即热对流、 热传导和热辐射，其方式决定了井筒内某一点的水温变化．
对于观测井某一深度处水温背景值与水温动态的分析，无疑应放在这个热系统中进行． 某一深度处水温的背景值，主要取决于该地大地热流作用下形成的地温梯度，此梯度与井筒内的水温梯度相近，但二者是有差异的． 目前由于离开钻孔还无法测得地温梯度，所以一般忽视了这种差异，认为水温梯度就是地温梯度，其实不然． 某一深度的水温动态虽取决于多种因素，但主要取决于井-含水层间水(热)流运动与两个梯度及井水与围岩之间的热平衡与热传导，有时还可能与当地大地热流作用的变化相关．
上述的井-含水层热系统分析，是指非自流井中水温动态观测的情况. 自流热水井中的情况则略有不同，主要有以下3点： ① 井筒内的水温梯度值相对较小，其大小不完全取决于当地的地温梯度，而主要取决于热水层的水温与井口泄流处的水温之差； ② 井-含水层间的水流运动，也不是井水与含水层地下水之间水流方向的变化，而表现为含水层流入井内的水流量变化； ③ 井筒内不会有水柱的上、 下运动，而表现为井筒内由下向上运动的水流速度发生变化． 尽管存在上述不同，但对观测井中某一点水温动态的形成机制不会有根本的改变．
非自流井井水表面存在的热辐射，对井中一定深度下水温动态的影响并不大. 其影响深度一般认为是当地的地温恒温层深度，平原区多为20—30 m，高山峡谷区可达100 m左右．
综上，一般情况下影响井水温度动态的主要因素是井-含水层间及井筒内的水流运动，其次是井水与井筒外岩石间存在的温度差异． 笔者将这两类因素作用下产生的水温动态，在形成机制上分别归纳为水热动力学机制与地热动力学机制．
2. 水热动力学机制
水热动力学机制指井水温度的变化是由水流运动引起的机制． 当含水层受到力的作用而变形破坏并导致孔隙压力变化时，会引起井-含水层间与井筒内的水流运动，此时在两个水温梯度作用下会产生井筒内各深度上的水温变化． 同样，当含水层内存在地下水的补给与排泄作用时，也会按此机制引起井水温度变化． 这种变化属于水温的宏观动态． 很显然，水热动力学机制下井水温度的变化与井水位的变化密切相关,如表1所示． 由表1可见，不同条件下，特别是水温梯度特征不同的情况下，同一水文地质条件或地球动力作用下可能表现出水温动态的不同特征．
表 1 水热动力学机制下井水温度变化特征Table 1. Characteristics of water temperature variation in a well under water-heat dynamics mechanism含水层内的变化 井-含水层间水流运动 井筒内水流
运动方向井水位
变化井水温变化 正梯度 负梯度 地下水补排
关系变化补给量增多或排泄量减小
排泄量增多或补给量减少含水层地下水→井水
井水→含水层地下水向上
向下上升
下降上升
下降下降
上升变形破坏与孔
隙压力变化被压缩使孔压增大
被拉张或破裂使孔压减小含水层地下水→井水
井水→含水层地下水向上
向下上升
下降上升
下降下降
上升杨竹转(2011)于2007年12月—2008年11月在北京塔院井的6个深度上进行了水温潮汐特征差异性的试验观测研究． 塔院井深361 m，套管设置深度为0—252 m，观测含水层是顶板埋深为252 m的J2t凝灰岩裂隙承压含水层(图2a). 井水温度梯度基本特征如下： 30—80 m井段为正梯度，80—184 m井段为负梯度，184 m以下井段又变为正梯度(图2b)． 在48,85,130,178,184和187 m等6个深度上分别进行水温潮汐动态观测，并与水位潮汐动态进行比较，其结果如图3所示． 显然，不同深度上观测到的水温潮汐特征差异明显(表2)，特别是130和178 m深度上观测到的水温潮汐相位与水位潮汐相位相反，即井水位上升时水温下降，而井水位下降时水温上升，这样的特征可能与此井段(相当于第四系孔隙含水层段)水温负梯度有关； 184和187 m深度上水温潮汐相位与水位潮汐相位一致，可能与此井段水温正梯度有关． 由此可见，水温潮汐微动态形成机制可用水热动力学机制予以很好的解释．
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表 2 塔院井6个深度上水温潮汐基本特征比较Table 2. Basic features of water temperature tide at six depths of the well Tayuan观测深度/m 日潮差/℃ 观测日期 月相 公历 农历 48 0 2008-04-04—08 二月廿八至三月初三 朔 85 0 2008-08-12—16 七月十二至十六 望 130 0.0005 2008-01-11—15 十二月初四至初八 上弦 178 0.0007 2007-12-21—25 十一月十二至十六 望 184 0.0035 2008-11-12—16 十月十五至十九 望 187 0.0020 2008-11-26—30 十月廿九至十一月初三 朔 水温的同震响应与水位同震响应的关系更为复杂． 据刘耀炜(2009)统计，2008年5月12日汶川MS8.0地震时，全国地下流体台网中水温和水位均有同震响应的井共有97口，二者的关系可分为6种情况，如表3所示． 这种复杂的情况也可用水热动力学机制给出合理的解释(图4)． 井水位振荡意味着井筒内不同温度的水上下混合. 当井水温度梯度为正时，混合结果使水温梯度线斜率改变. 井水上下混合后井筒上半部水温升高、 下半部水温下降，因此温度传感器若放置在井筒下半部时会记录到水温下降(图4a中A型),而传感 器若放置在井筒上半部时则会记录到水温上升(图4a中B型)． 在井水温度梯度值为正的井中，当水温传感器放置在观测含水层以上时，井水位上升时水温梯度线上移，井中某一点的水温上升(图4b中C型)； 井水位下降时水温梯度线下移，井中某一点的水温下降(图4c中E型)． 在井水温梯度值为负的井中，若将水温传感器放置在观测含水层以上，井水位上升时水温梯度线上移，井中某一点的水温下降(图4d中D型)； 井水位下降时水温梯度线下移，井中某一点的水温上升(图4e中F型)．
表 3 汶川MS8.0地震水温与水位同震响应的组合类型Table 3. Combination types of coseismic response of water temperature and water level of Wenchuan MS8.0 earthquake响应形态 井数 井数百分比 组合类型 水位 水温 A 振荡 下降 19 19.6% B 振荡 上升 10 10.3% C 上升 上升 23 23.7% D 上升 下降 17 17.5% E 下降 下降 18 18.6% F 下降 上升 10 10.3% ![]()
图 4 井水位与水温同震响应组合关系多样性的水热动力学机制解释虚线为井水温度的原梯度线； 实线为同震响应后井水位变化引起的水温梯度线变化(a) 井水位振荡时，井筒上半部水温上升，下半部水温下降； (b) 水温梯度值为正时，井水位上升，井水温上升； (c)水温梯度值为正时，井水位下降，井水温下降；(d) 水温梯度值为负时，井水位上升，井水温下降； (e)水温梯度值为负时，井水位下降， 井水温上升Figure 4. Explanation of several combination relations of coseismic response of water level and water temperature by using water-heat dynamic mechanism where dashed line denotes original gradient of water temperature,solid line denotes the gradient of water temperature resulted from change in water level after coseismic response(a) If water level oscillates,water temperature rises in upper half of a well and drops in lower half of the well； (b) If the gradient of water temperature in a well is positive,water level rises, water temperature also rises； (c) If the gradient of water temperature in a well is positive,water level drops,water temperature also drops； (d) If the gradient of water temperature in a well is negative,water level rises,water temperature drops; (e) If the gradient of water temperature in a well is negative,while water level drops,water temperature rises上述的水热动力学机制，只适合于简单的井-含水层水文地质模型. 如果观测井有多个观测含水层，且各含水层的渗透系数(K)与厚度(M)不同时，由于各层的导水系数(T=KM)不同，同一力学作用下各含水层对井水温度或热变化的贡献不同，再加上温度传感器放置深度不同，因此会导致更加复杂多样的水位与水温同震响应关系和水温同震响应形态． 这种情况下，用水热动力学机制解释水温微动态特征，显然是复杂的．
但是，有些水温微动态的形成是无法用水热动力学机制解释的． 例如，井水温度变化后，为什么有时逐渐恢复？ 为什么恢复时间有长有短？ 甚至为什么有时又不能恢复?特别是无水的干井中为什么也可记录到地温同震阶变？ 这些矛盾，说明了水热动力学机制尽管可以解释很多水温微动态的形成机制，但也有很多现象是无法解释的． 因此，下面又提出了另一类机制 地热动力学机制．
3. 地热动力学机制
地热动力学机制指井水温度的变化是由固体(岩土)介质的热传导引起的，是一种与井筒或井-含水层系统中水热运动无关的机制． 这种机制可以合理地解释井水温度同震响应之后的两类变化： 一类是同震响应逐渐消失； 另一类是同震响应“长久”不消失，或井水温度背景值发生变化的震后效应(图5)．
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图 5 汶川MS8.0地震的3个典型的水温同震响应及震后效应记录图(a) 同震下降-震后恢复型； (b) 同震上升-震后高值型； (c) 同震下降-震后低值型Figure 5. Three recordings of typical coseismic response to the Wenchuan MS8.0 earthquake and post-seismic change of water temperature in some wells(a) Coseismic response drops,post-seismic effect is resumable (Mengyin well,Shandong Province);(b) Coseismic response rises,post-seismic effect keeps on a high value (Nanxi well,Sichuan Province); (c) Coseismic response drops,post-seismic effect keeps on a lower value (Zhouzhi well,Shanxi Province)图5a为山东省蒙阴井汶川MS8.0地震时的水温同震响应及震后效应记录图． 该井深491 m，观测含水层为顶板埋深331 m的第四系(Q)砂砾石孔隙承压含水层． 水温同震响应为下降，但震后水温很快转为上升，约8小时后水温完全恢复到震前水平． 据107口井对汶川地震的水温震后效应统计(赵刚等，2008)，约占38%的井属于此类. 但各井震后水温恢复到震前水平所需的时间长度差异很大，其中短者仅为1—2小时，长者则需3—10天． 对于这类井的水温震后恢复机制，可用井筒内水热(温)与井筒外地热(温)的热(温度)平衡和热传导的地热动力学机制给出合理的解释． 各井水温震后恢复时间之所以有长有短，主要取决于井筒外岩土层的热传导能力． 不同岩石的导热系数，以及裂隙化程度有差异的同一种岩石的导热系数差异都较大(表4)，表现为井筒外围岩的导热系数大，井筒内水温的震后恢复时间就短； 井筒外围岩的导热系数小，井筒内水温的震后恢复时间则长．
表 4 常见岩石的导热系数Table 4. Heat conductivity of common rocks岩浆岩导热系数/(×4.23 mW·m-1·K-1) 变质岩导热系数/(×4.23 mW·m-1·K-1) 花岗岩 闪长岩 安山岩 玄武岩 石英岩 大理岩 千枚岩 页岩 2.09—3.10 1.85—2.10 1.10 1.87 1.60—4.80 2.60—3.20 1.94—2.66 2.16 沉积岩导热系数/(×4.23 mW·m-1·K-1) 砂岩 砾岩 石灰岩 白云岩 凝灰岩 1.1—2.6 1.8 1.88 0.94—4.3 0.61—1.37 图5b与图5c分别为四川省南溪井与陕西省周至井的水温同震响应及震后效应记录图． 南溪井深101 m，观测层为顶板深仅5 m的上三迭统(T3xj)石英砂岩裂隙承压水层； 汶川地震的同震响应为上升，升幅为0.14 ℃，上升后一直保持在高值上． 周至井深3 201 m，观测层为顶板埋深1 100 m的上第三系(N2)砂岩孔隙承压水层，井水自流； 汶川地震的同震响应为突降转缓降，下降过程持续8天，降幅为0.5 ℃，然后一直保持在低值上．
对于上述两种震后效应的机制，目前有两种不同的观点． 一种观点是，井区大地热流作用强度发生变化，即用地热动力学机制解释． 大地热流是由地球内部向地球外通过热传导作用释放的热，一般用热流密度(q)表示，其大小取决于地壳介质的导热系数(к)与地温梯度(ΔT/Δh)，即q=к(ΔT/Δh)． 全球的平均热流密度为(63±6) mW/m2，我国大陆为40—70 mW/m2. 总体上南北构造带、 华北平原带、 东南沿海带等多震强震区偏高，塔里木盆地、 鄂尔多斯块体等少震弱震区偏低(高文学等，2000)． 一般认为，各地的大地热流值是长期稳定的，短时可视为稳定不变，但由上述强震区高热流值与弱震区低热流值的事实推测地震活动可改变各地的大地热流值． 任雅琼等(2012)利用DODIS卫星观测资料系统地研究了依兰—伊通断裂带2000—2011年地表温度变化，发现2011年3月11日日本MS9.0地震前2个月有明显的降温异常． 这一发现佐证了地震活动可改变有关地区大地热流作用强度的认识． 近几年我国对震前热红外异常的研究逐步加深，尤其是关于汶川地震的震区及外围地区震前、 震时与震后的异常. 多数研究者认为热异常出现在震前几—几十天，发震前后一两天热异常表现最为强烈，而震后的热异常则有很快消失与久不消失之别(王成喜等，2009; 李美等，2010； 张元生等，2010)，甚至有的在外围地区震后几十天才出现热异常(程建等，2010)等复杂现象． 这些结果进一步表明，无论震前还是震后都存在着地热的显著异常． 因此，大震后井水温度的“永久”性变化，可认为是由井点所在区的大地热流作用强度变化引起的动态背景值的变化．
关于井水温度的同震及震后变化机制的另一种观点是，水温震后效应是由井-含水层系统的水文地质条件变化所致(史浙明等，2013). 该观点认为在地震波的强烈作用下含水层岩体结构发生变化，如含水裂隙被冲开或被堵塞，导致其渗透性或导水性发生改变，甚至造成新的裂隙，使不同温度的含水层地下水彼此沟通等，从而改变了井筒内水温梯度以 及不同含水层水流对井水的热贡献比例等． 这种观点有一定的合理性，但目前尚难以确认．
干井中地温的同震响应及震后效应的记录是支持强震导致井区大地热流作用强度变化的有力依据． 图6为青海省德令哈井地温对汶川地震的同震响应及震后效应曲线． 该井深88 m，为无水干井，井底岩石为华力西期花岗岩(γ4)； 同震阶升(升幅0.01 ℃)，接着缓升约10天(升幅0.007 ℃)后，稳定在高值上． 类似的情况在青海西宁井(干井，深105.6 m，观测层为N含石膏砂岩)的地温动态中也曾出现． 显然，上述干井中地温的同震响应及震后效应肯定是地热动力学作用机制．
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图 6 青海省德令哈干井中地温对汶川MS8.0地震的同震响应及震后效应曲线Figure 6. Recordings of coseismic response to the Wenchuan MS8.0 earthquake and post-seismic change of earth temperature in a dry well,Delingha,Qinghai Province4. 水热动力学与地热动力学的复合机制
水热动力学机制与地热动力学机制是两种基本机制，可以用来解释较为简单的井-含水层系统井水温度微动态的形成． 但当井-含水层系统较为复杂时，如与观测井相连通的含水层为多层时，用这两种基本机制尚难以圆满地解释水温微动态的形成．
2008年5月6-15日在四川省西昌川03井3个不同深度(395，595和765 m)上同步观测到汶川地震前、 后的水温微动态曲线(图7a)． 该井深765 m，套管深0—40 m，观测含水层有多个，除了39.95—100.02 m间第三系半胶结的砂砾石孔隙水层外，以下有8个含铁辉长岩与钒钛磷铁矿层裂隙含水层，但各层的渗透系数和厚度均不同(图7b)． 井筒内水 温梯度为正，但各井段的梯度大小差异较大，最低为1.234 ℃/hm，最高可达3.353 ℃/hm，平均为2.3586 ℃/hm (图7c)． 在此种复杂多变的水文地质与地热条件下，井水温的同震响应(表5)和水温潮汐效应(表6)都表现得相当复杂，不可能用上述两种机制予 以合理解释．浅层(395 m)水温微动态的形成可能以水热动力学机制为主，深层(765 m)水温微动态形成可能以地热动力学机制为主，而中层(595 m)水温微动态可能是水热动力学与地热动力学共同机制下形成的. 但利用现有的资料尚难以给出令人信服的论证．
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图 7 四川西昌川03井3个不同深度上水温微动态(a)、 井孔水文地质特征(b)和井水温度梯度变化(c)图Figure 7. Micro-behavior of water temperature at three depths (a),hydrogeological characteristic of well hole (b) and change in gradient of water temperature (c) in the well Chuan03,Xichang,Sichuan Province表 5 川03井3个不同深度水温的汶川地震同震响应与震后效应特征比较Table 5. Characteristics of coseismic response to Wenchuan MS8.0 earthquake and post-seismic change of water temperature at three depths of the well Chuan03传感器置深/m 同震响应 震后效应 说明 形态 幅度/(10-2 ℃) 形态 持续时间/d 395 振荡 1.96 缓降 >3.5 水温持续下降，水位持续上升 595 急升 2.36 缓降—转平 1.5 水温在高值上稳定 765 缓升 0.76 缓升 >3.5 水温持续上升 表 6 川03井3个不同深度水温的潮汐效应特征比较Table 6. Tide response of water temperature at three depths of the well Chuan3传感器置深/m 形态显示 日潮差/(10-2 ℃) 水位潮汐关系 395 很明显 2.64 相位一致，关系密切 595 较明显 0.83 相位基本一致，有关系 765 不明显 ？ 关系不明显 由此可见，井水温度微动态的形成机制，在井孔水文地质与地热条件复杂多变时，表现得相当复杂，尚需进一步研究. 特别是在弄清井孔水文地质条件与精密测量水温梯度的前提下，除了开展水动力学与热动力学的综合研究，重点剖解一些典型井孔的观测资料外，还需开展必要的物理实(试)验与数值模拟研究，以深化对井水温度微动态形成机制的认识，提升井水温度观测及其动态分析的科学性．
5. 讨论与结论
井水温度观测已发展成为我国地震地下流体前兆观测的第二大主测项，不仅在多次强震前记录到成组的水温前兆异常，而且还记录到潮汐效应、 同震响应及震后效应等重要的地球动力学作用信息． 然而，目前对上述水温微动态的形成机制众说纷纭． 笔者在前人研究的基础上，经过进一步的分析研究，对水温微动态形成机制归纳为两类基本机制： 水热动力学机制和地热动力学机制．
水热动力学机制的核心是井水中某一点的温度变化是由井-含水层间与井筒内伴随着水流运动产生的热对流作用引起的． 这种机制可以很好地解释井水温度的潮汐效应与同震响应． 地热动力学机制的核心则是井中某一点的温度变化是由井水与井筒外围岩间热传导及井区大地热流作用强度的变化引起的． 井筒内外热传导机制较好地解释了井水温度同震响应后可恢复的变化过程，大地热流作用强度变化机制则较好地解释了井水温度同震响应后不可恢复的“永久”性变化．
然而，水温微动态的特征十分复杂，其形成机制也相当复杂． 用上述的水热动力学机制和地热动力学机制尚难以解释已记录到的某些水温微动态特征．
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图 4 井水位与水温同震响应组合关系多样性的水热动力学机制解释
虚线为井水温度的原梯度线； 实线为同震响应后井水位变化引起的水温梯度线变化(a) 井水位振荡时，井筒上半部水温上升，下半部水温下降； (b) 水温梯度值为正时，井水位上升，井水温上升； (c)水温梯度值为正时，井水位下降，井水温下降；(d) 水温梯度值为负时，井水位上升，井水温下降； (e)水温梯度值为负时，井水位下降， 井水温上升
Figure 4. Explanation of several combination relations of coseismic response of water level and water temperature by using water-heat dynamic mechanism where dashed line denotes original gradient of water temperature,solid line denotes the gradient of water temperature resulted from change in water level after coseismic response
(a) If water level oscillates,water temperature rises in upper half of a well and drops in lower half of the well； (b) If the gradient of water temperature in a well is positive,water level rises, water temperature also rises； (c) If the gradient of water temperature in a well is positive,water level drops,water temperature also drops； (d) If the gradient of water temperature in a well is negative,water level rises,water temperature drops; (e) If the gradient of water temperature in a well is negative,while water level drops,water temperature rises
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图 5 汶川MS8.0地震的3个典型的水温同震响应及震后效应记录图
(a) 同震下降-震后恢复型； (b) 同震上升-震后高值型； (c) 同震下降-震后低值型
Figure 5. Three recordings of typical coseismic response to the Wenchuan MS8.0 earthquake and post-seismic change of water temperature in some wells
(a) Coseismic response drops,post-seismic effect is resumable (Mengyin well,Shandong Province);(b) Coseismic response rises,post-seismic effect keeps on a high value (Nanxi well,Sichuan Province); (c) Coseismic response drops,post-seismic effect keeps on a lower value (Zhouzhi well,Shanxi Province)
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图 6 青海省德令哈干井中地温对汶川MS8.0地震的同震响应及震后效应曲线
Figure 6. Recordings of coseismic response to the Wenchuan MS8.0 earthquake and post-seismic change of earth temperature in a dry well,Delingha,Qinghai Province
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图 7 四川西昌川03井3个不同深度上水温微动态(a)、 井孔水文地质特征(b)和井水温度梯度变化(c)图
Figure 7. Micro-behavior of water temperature at three depths (a),hydrogeological characteristic of well hole (b) and change in gradient of water temperature (c) in the well Chuan03,Xichang,Sichuan Province
表 1 水热动力学机制下井水温度变化特征
Table 1 Characteristics of water temperature variation in a well under water-heat dynamics mechanism
含水层内的变化 井-含水层间水流运动 井筒内水流
运动方向井水位
变化井水温变化 正梯度 负梯度 地下水补排
关系变化补给量增多或排泄量减小
排泄量增多或补给量减少含水层地下水→井水
井水→含水层地下水向上
向下上升
下降上升
下降下降
上升变形破坏与孔
隙压力变化被压缩使孔压增大
被拉张或破裂使孔压减小含水层地下水→井水
井水→含水层地下水向上
向下上升
下降上升
下降下降
上升
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表 2 塔院井6个深度上水温潮汐基本特征比较
Table 2 Basic features of water temperature tide at six depths of the well Tayuan
观测深度/m 日潮差/℃ 观测日期 月相 公历 农历 48 0 2008-04-04—08 二月廿八至三月初三 朔 85 0 2008-08-12—16 七月十二至十六 望 130 0.0005 2008-01-11—15 十二月初四至初八 上弦 178 0.0007 2007-12-21—25 十一月十二至十六 望 184 0.0035 2008-11-12—16 十月十五至十九 望 187 0.0020 2008-11-26—30 十月廿九至十一月初三 朔
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表 3 汶川MS8.0地震水温与水位同震响应的组合类型
Table 3 Combination types of coseismic response of water temperature and water level of Wenchuan MS8.0 earthquake
响应形态 井数 井数百分比 组合类型 水位 水温 A 振荡 下降 19 19.6% B 振荡 上升 10 10.3% C 上升 上升 23 23.7% D 上升 下降 17 17.5% E 下降 下降 18 18.6% F 下降 上升 10 10.3%
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表 4 常见岩石的导热系数
Table 4 Heat conductivity of common rocks
岩浆岩导热系数/(×4.23 mW·m-1·K-1) 变质岩导热系数/(×4.23 mW·m-1·K-1) 花岗岩 闪长岩 安山岩 玄武岩 石英岩 大理岩 千枚岩 页岩 2.09—3.10 1.85—2.10 1.10 1.87 1.60—4.80 2.60—3.20 1.94—2.66 2.16 沉积岩导热系数/(×4.23 mW·m-1·K-1) 砂岩 砾岩 石灰岩 白云岩 凝灰岩 1.1—2.6 1.8 1.88 0.94—4.3 0.61—1.37
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表 5 川03井3个不同深度水温的汶川地震同震响应与震后效应特征比较
Table 5 Characteristics of coseismic response to Wenchuan MS8.0 earthquake and post-seismic change of water temperature at three depths of the well Chuan03
传感器置深/m 同震响应 震后效应 说明 形态 幅度/(10-2 ℃) 形态 持续时间/d 395 振荡 1.96 缓降 >3.5 水温持续下降，水位持续上升 595 急升 2.36 缓降—转平 1.5 水温在高值上稳定 765 缓升 0.76 缓升 >3.5 水温持续上升
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表 6 川03井3个不同深度水温的潮汐效应特征比较
Table 6 Tide response of water temperature at three depths of the well Chuan3
传感器置深/m 形态显示 日潮差/(10-2 ℃) 水位潮汐关系 395 很明显 2.64 相位一致，关系密切 595 较明显 0.83 相位基本一致，有关系 765 不明显 ？ 关系不明显
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