地热正常动态特征的研究

地热正常动态特征的研究 3 地热正常动态特征的研究 1 2 1 1 1 3 赵 刚,王军,何案华,郭藐西,郭柏林,秦久刚 ( 1 . 中国地震局地壳应力研究所 , 北京 100085 ; 2 . 中国地震台网中心 , )北京 100045 ; 3 . 地壳运动监测工程研究中心 , 北京 100036 摘要 :为了研究地热正常动态特征 , 收集了 226 个地热前兆观测台站的数据 , 建立了地热前兆 应用数据库 。通过对地热前兆台站观测资料的整理分析 , 将地热正常动态分为地热的长期正常 动态和地热的短期动态两类 , 归纳出 6 种类型的地热长期正常动态和 4 种类型的地热短期正 常动态 , 并结合观测 点 处 的 水 文 地 质 情 况 , 对 不 同 的 地 热 正 常 动 态 类 型 的 成 因 进 行 了 初 步 分析 。 关键词 :地热前兆 ; 正常动态特征 ; 成因分析 () 文章编号 :100023274 20090320109208 中图分类号 : P315 . 7 文献标识码 : A 引言 地热前兆研究结果表明 , 地热前兆异常是观测数据中异常的一种 , 为了及时准确找到 所需的异常信息 , 就必须了解其正常动态特征 。作者先后整理了 1984 —2001 年约 30 个地 热前兆台站的打印记录数据 ; 并收集了 2001 年以后约 70 个地热前兆台站的分采样率的数 据 。至 2007 年底已将全部纸介质数据手工录入到数据库 , 将“九五”台网数据文件装载到数 [ 1 ] 据库 , 建立了地热前兆应用数据库。 () 2008 年 5 月 12 日 14 时 28 分四川省汶川县 31 . 0N? , 103 . 4E?发生 M8 . 0 地震 , 作者 及S 时收集了“十五”建设的 156 个台站产出的地热前兆观测数据 , 以汶川 M8 . 0 地震为震S 例 , 自动扫描出数据库中“九五”项目和“十五”项目建设的 226 个台站的数据 , 绘制出这些 [ 2 ] 台站的观测数据曲线, 为地热正常动态的进一步研究创造了条件 。 1 地热正常动态特征分类 1 . 1 长期动态特征的分类及成因 () 地热长期正常动态是指井孔观测点处温度的长期 最少 1 年形态及特征变化 , 是正常 的长期背景变化 。长期正常动态可分为 : 稳定型 、漂移型 、年周期型 、近似长周期型 、大幅 度波动型和跳变型 6 种 。 3 收稿日期 : 2008208206 ; 修改回日期 : 2008209226 ( ) ( )基金项目 : 公益性行业科研专项 H200708045; 基本科研业务专项 ZDJ 2008201 ( ) 作者简介 : 赵刚 19742, 男 , 山西晋城人 , 副研究员 , 主要从事前兆观测技术研究 。 () 1稳定型 。稳定型长期正常动态指的是井孔观测点处的温度随时间变化较小 , 基本 呈线性上升或下降 , 温度年变幅不超过 0 . 01 ?的动态类型 。稳定型长期动态的形成是因为 传感器安装于井孔中岩石完整的部位 , 岩石透水性较差 , 受该部位附近含水层地下水的影 ( ) 响很小 , 这类井孔进行地热前兆观测比较理想 。图 1 a为泉州台的地热分钟值数据曲线 , 是稳定型长 期 正 常 动 态 的 典 型 。该 井 孔 观 测 点 附 近 为 岩 浆 岩 类 , 其 温 度 年 变 化 不 到 0 . 001 ?。 () 2漂移型 。漂移型长期正常动态指的是井孔观测点处的温度随时间变化较大 , 基本 呈线性上升或下降 , 温度年变幅度超过 0 . 01 ?的动态类型 , 漂移型分为升温漂移和降温漂 移两种 。目前认为漂移型温度变化规律的成因 : 一是因为大地热流值的微弱改变在地热上 的反映 ; 二是由于围岩在缓慢线性增加或减弱的应力场作用下 , 导致孔隙水升降引起观测 [ 3 ] ( ) 点处温度的变化。图 1 b为安溪台的地热分钟值数据曲线 , 是漂移型长期正常动态的典 型 。该台温度值在 2005 年 7 月至 2008 年 1 月基本呈现直线上升趋势 , 温度每年升高约 0 . 08 ?, 观测点岩性为花岗岩 。 图 1 地热长期正常动态类型 () 3近似长周期型 。近似长周期型长期正常动态指的是井孔观测点处的温度呈周期为 () 1 月至数月的长周期变化 , 周期形态相对较稳定 。图 1 c为北川台的地热分钟值数据曲线 ,是近似长周期型长期正常动态的典型 。该井温度从 2007 年 5 月至 2008 年 5 月呈现周期约 为 3 个月的变化 , 观测点岩性为黑灰色粉沙质页岩 , 观测部位为含水层 。 3 期 赵 刚等 : 地热正常动态特征的研究 111 化较大 , 呈无规则长期波动的动态类型 。大幅度波动型的观测点温度无规律变化 , 可能因 为传感器安装在流动含水层内或安装部位附近有溶洞 , 当观测点处有水或含水层流动时 、 ( ) 自流井流量不稳定等因素将出现这样的观测结果 。图 1 d为庐江台的地热分钟值数据曲 线 , 是大幅度波动型长期正常动态的典型 。该井温度值在 2005 年 11 月至 2008 年 1 月从 63 . 30 ?波动变化至 63 . 46 ?。 () 5年周期型 。年周期型长期正常动态指的是井孔观测点处的温度呈年周期变化的动 () 态类型 。图 1 e为石嘴山台的地热分钟值数据曲线 , 是年周期型长期正常动态的典型 。该 井温度从 2001 年 10 月至 2007 年 10 月 , 帄均变化周期为 1 年 , 传感器安装深度为 5 m , 受 地表温度影响明显 , 观测点探头温度滞后地表温度 3 个月 , 符合浅层地温随深度变化的规 律 。 () 6跳变型 。跳变型长期正常动态指的是井孔观测点处的温度每年出现几次温度突 升 、突降的动态类型 。跳变型是观测点温度会出现一定幅度突跳 , 可能是升温突跳 , 也可 能是降温突跳 , 这种跳动有时在几分钟至几小时完成 , 有时甚至会持续几天 , 主要原因可 () 能是地下水活跃 , 补给渠道较多等 , 造成温度跳跃 。图 1 f 为山龙峪台的地热分钟值数据 曲线 , 是跳变型长期正常动态的典型 。该井温度在 2001 年 1 月至 2008 年 1 月出现几次温 度突升 、突降的形态 , 该井处在铁岭 - 靖宇台拱与太子河凹陷交汇部位和两山夹一沟的低 山与沟谷交界部位 , 观测点岩性为石英二长斑岩 。 1 . 2 短期动态特征的分类及成因 地热短期正常动态是指井孔观测点处温度 1 天至 1 个月短期的形态及特征变化 , 是正 常的短期背景变化 , 短期正常动态可分为 : 稳定型 、日周期型 、固体潮型和短周期型 4 种 形态 。 () 1稳定型 。稳定型短期正常动态是指井孔观测点处的温度月变幅在 0 . 0020 ?以内的 动态类型 , 反映该观测点温度的短期动态变化是稳定的 。这类动态成因是探头放到了较完 整的岩石中或者探头在井底被井中的沉淀物掩埋 , 导致观测点附近一般没有地下水交换 , () 从而温度的波动较小 。图 2 a为宁波台 2007 年 2 月 1 日 - 2 月 28 日的地热分钟值数据曲 线 , 是稳定型短期正常动态的典型 。该台位于宁波向斜盆地的西北翼 , 北东向为本区的主 要构造线方向 , 区内地下水类型分为第四系孔隙潜水和基岩构造裂隙水 , 观测点部位岩石 完整 , 温度月变幅为 0 . 000 9 ?。 () 2固体潮型 。固体潮型短期正常动态是指井孔观测点处的温度存在固体潮的日波和 ( ) 半日波分量的动态类型 。图 2 b为本溪台 2007 年 2 月 1 日至 2 月 28 日的地热分钟值数据 曲线 , 是固体潮型短期正常动态的典型 。该井传感器安装深度为 40 m , 对观测数据作快速傅立叶变换后 , 其幅度最大的两个主要周期分别与理论固体潮的日波和半日波周期吻合 。 很多台站的地热观测数据经傅立叶变换后能发现固体潮的日波和半日波分量 , 只是明显程 度不同 。固体潮形态的形成可以用体应变原理解释 , 即钻孔连接一个相对封闭的含水层 ,在体应变固体潮作用下 , 钻孔内的水将随体应变固体潮的变化而变化 , 由于钻孔温度梯度 的存在 , 就能观测到固体潮形态的温度变化 。 () 3短周期型 。短周期型短期正常动态是指井孔观测点处的温度存在周期为数分钟至数百分钟 , 幅度约千分之几至百分之几度的温度波动变化的动态类型 。这类动态的成因是 由于观测部位地下水的不规则流动而引起的 , 从短周期信息中提取地热前兆异常信息可能 比较困难 , 但其长期背景可能稳定 , 所以在长期动态明确的基础上 , 排除水的影响因素 , () 也可能观测到地热前兆异常 。图 2 c为甘肃高台 2007 年 2 月 1 日至 2 月 28 日的地热分钟 值数据曲线 , 是短周期型短期正常动态的典型 。该井位于黎山 —龙首山褶皱带南缘与走廊 断陷的分界处 , 传感器安装深度 90 m 。 图 2 地热短期正常动态类型 () 4日周期型 。日周期型短期正常动态是指井孔观测点处的温度存在日周期的动态类 型 。这类动态的成因主要是一些自流井 、温泉等在较浅部位观测 , 会出现大幅度的周期变 ( ) 化 , 某些一二百米深的井孔中也有微弱的日周期波动现象 , 观测井 泉每天抽水 、放水 , ( ) 观测井装有定时抽水观测的仪器也会引起日周期变化 。图 2 d为清丰台 2007 年 2 月 1 日至 2 月 28 日的地热分钟值数据曲线 , 是日周期型短期正常动态的典型 。该井位于安阳断裂 与大名南乐断裂交汇部附近 , 含水层为层间承压水 , 观测部位岩性为砂岩 。对河南清丰台 的观测数据经过快速傅立叶变换后 , 可以得到数据的主要周期依次为 24 h 、12 h 和 8 h 。 1 . 3 地热正常动态特征小结 作者对 226 个台站的地热正常动态进行了分类统计 。长期正常动态统计结果见表 1 , 长期正常动态分布图见图 3 。短期正常动态统计结果见表 2 , 短期正常动态分布见图 4 。 表 1 地热长期正常动态分类统计 升温 降温 大幅度 年周 近似 ? 其它 类型 稳定型 跳变型 漂移型漂移型波动型期型长周期型井孔数量/ 个 33 55 19 71 33 8 3 4 14 . 6 24 . 3 8 . 4 31 . 4 14 . 6 3 . 5 1 . 4 1 . 8 占百分比/ % 注 : 其它 ?指的是数据长度太短 , 无法判断其长周期类型 。 表 2 地热短期正常动态分类统计 类 型 稳定型 固体潮型 日周期型 短周期型 井孔数量/ 个 43 34 10 139 19 15 4 61 . 5 占百分比/ % 3 期 赵 刚等 : 地热正常动态特征的研究 113 图 3 全国地热前兆台站的长期正常动态分布图 图 4 全国地热前兆台站的短期正常动态分布图 1 . 4 地热正常动态的组合与变化 井孔观测点处的温度长期动态与短期动态的常见组合有 : 稳定2稳定型 : 长期动态和短期动态都是稳定型的 , 如泉州台 、西宁台等 ; 稳定2短周期型 : 长期动态是稳定型而短期动态是短周期型的 , 如上饶台 、帄罗台等 ; 漂移2稳定型 : 长期动态是漂移型而短期动态是稳定型的 , 如武都台 、大武台等 。 从地热的正常动态中还可以类推得到以下几种组合 : 大幅度波动2短周期型 , 如巢湖台 、集宁台等 ; 年周期2短周期型 , 如祁连台 、石嘴山台等 ; 近 似长周期2短周期型 , 如北川台 、临汾台等 。 地热长期动态形态和短期动态形态会发生变化 , 例如山东栖霞台在汶川 M 8 . 0 地震S () 后 , 由短周期形态变为稳定形态 图 5a, 陕西洛南台在地震后 , 由稳定形态变为短周期形 () 态 图 5 b。动态类型发生变化多数是由于某些事件引起的 , 除强震外 , 包括改变探头在井 孔中的观测部位 、井孔崩塌或泥沙沉积 、自流井停止自流或其他水文地质条件的改变等 。 图 5 地热正常动态的改变 2 地热正常动态特征分类的意义 2 . 1 地热正常动态类型与水文地质条件关系 [ 4 ] 不同的动态类型与观测点处的水文地质情况密切相关。 长期动态为稳定型的观测点 , 因为传感器安装于井孔中岩石完整的部位 , 岩石透水性 较差 , 受该部位附近含水层地下水的影响很小 , 有利于观测到地热前兆异常 。漂移型的观 测点温度随时间变化较大 , 观测点处的围岩在缓慢线性增加或减弱的应力场作用下或水文 地质条件的缓慢变化 , 导致观测点处温度的漂移变化 , 这类观测点由于长期动态基本呈线 性上升或下降 , 也可以观测到相对持续时间较短的地热前兆异常 。 波动型长期动态是由于传感器安装在流动含水层里 、安装部位附近有溶洞 、地下水交 换频繁的部位 , 地热前兆信息很容易被淹没 , 有时无法显现前兆信息 。波动型和跳变型的 观测点对于地热前兆观测是不利的 , 通常需要观察其形态变化来判断是否为前兆异常 , 一 般不太可靠 。 稳定型短期动态表明该处地下水活动轻微 , 地下水温度与围岩温度帄衡 , 较确切地反 映了地热场在该处的温度值 , 该点处在稳态地热场环境中 。从地热前兆观测角度看 , 这样 的观测点应该是比较理想的地热前兆观测点 。 短周期型短期动态表明该处温度受地下水活动影响明显 , 波动幅度越大 , 地下水活动 越强烈 ; 波动幅度越小 , 地下水活动越弱 。该处地下水温度未能与围岩温度完全帄衡 , 特 别是动态部分主要受地下水活动控制 。从这个意义上讲 , 该处所观测到的温度是“水温”没 有错 。由于短周期形态的温度波动幅度较大 , 通常可达到千分之几度到百分之几度 , 一般 3 期 赵 刚等 : 地热正常动态特征的研究 115 温波动的背景中 , 甚至发现不了地热前兆异常 , 这对地热前兆观测是很不利的 。 正常动态形态的研究结果表明 , 对于静水井来说 , 理想的地热前兆观测位置应该是 :该观测位置处在稳态地热场中 ; 该处地下水活动静止或极微弱 ; 该点围岩有较小的透水 率 , 在震源应力场作用下孔隙水能产生移动 , 特别是垂直方向的移动 。对于热水自流井和 温泉来说 , 理想的观测位置是 : 该观测位置温度应是稳定的 , 帄时不与其他含水层或地表 水混合 , 没有用水干扰 。 2 . 2 提取异常的前提条件 大量观测资料表明 , 地热前兆观测方法是一个短临方法 , 即地热前兆异常出现在震前 [ 5 ] 几小时至 3 个月左右时间段内较多。而地热前兆异常是观测数据中异常的一种 , 为了能 够及时准确找到所需要的异常信息 , 必须了解其正常动态特征 , 因此对地热正常动态的正 确认识是提取异常的基础 。 为了提取这个频段内的异常 , 对观测仪器的稳定性指标提出了相应的要求 : 短期稳定 性优于 0 . 000 1 ?/ d , 长期稳定性优于 0 . 01 ?/ a 。这给提取几小时内大于万分之几度的异 常 , 提取数天至 3 个月内大于千分之几度的异常提供了仪器保证 。 在实际井孔的观测资料中 , 能提取的异常由其动态类型决定 , 不同的动态背景上所显 示出的异常的幅度 、形态也不尽相同 。通常异常幅度大于动态波动幅度才有可能提取 。对 ( 于动态背景是稳定型的观测数据 , 提取异常的方法是根据它的温度相对变化幅度 升温或 ) 者降温, 稳定型的井孔处在稳态地热场环境中 , 虽然异常出现的幅度相对可能较小 , 但是 其异常的形态还是比较突出的 , 易于辨认 ; 对于动态背景是漂移型的观测数据 , 先利用线性拟合的方法排除观测资料中的漂移性影响 , 然后提取异常 ; 对于动态背景是波动型和跳 变型的观测数据 , 可以根据其形态和幅度改变来提取异常 ; 对于动态背景是年周期型 、近 似长周期型和固体潮型的观测数据 , 应在规则性周期变化的基础上 , 通过温度变化的周期 或振幅的改变来发现异常 。 3 结束语 作者对地热正常动态进行分类研究后发现 , 地热前兆观测数据中的各类异常通常幅度 较大 , 形态变化明显 , 容易确认 。有时为了帮助确认提取异常 , 可以辅助使用线性拟合 、滤 波 、差分等数学处理方法 。 () 对于稳定型 、稳定的周期型 如固体潮型形态 , 部分短周期形态 , 通过判断温度变化 幅度提取异常 , 通常可靠性较高 ; 对于大幅度波动型 、大部分短周期型或跳变型形态 , 通 过判断其形态变化提取异常 , 可靠性较低 , 通常需要积累多个周期或长时间的背景数据才 可识别异常 。 地热前兆观测井孔的映震能力 , 特别是提供前兆信息的能力 , 与观测数据的正常动态 类型密切相关 , 这可供地热前兆台站建设参考 。 ( ) 本项研究是在付子忠研究员的指导下完成的 , 中国地震局地震台网中心和各省 市地 震局为本项研究提供了宝贵的数据 , 在此深表谢意 。 参考文献 : [ 1 ] 王军 , 赵刚 , 何案华 , 等 . 地热前兆观测数据录入软件的设计与应用 [ A ] . 中国地震局地壳应力研究 () 所 . 地壳构造与地壳应力文集 20[ C ] . 2007 . 1372143 . 王军 , 赵刚 , 何案华 , 等 . 通过 C + + 类封装 O racle 调用接口实 现地热数据库的快速建 库与访问 [ 2 ] () [J ] . 地震研究 , 2008 , 31 3: 2842288 . 付子忠 . 云南省地热前兆台网及地热前兆方法技术的研究主要研究实验 [ R ] . 北京 : 中国地震 [ 3 ] 局地壳应力研究所 , 1990 . 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Sho r t t e r m geo t he r mal dyna mic s a re cla ssified i nto fo ur ba sic t yp e s. Co mbi2 ni ng geo hydrolo gic co nditio n wit h i n st alli ng locatio n , t he fo r mi ng mec ha ni sm of t he se t wo t yp e s i s a nal yzed. Key words : Geo t her mal p recur so r ; Dyna mic s ; Mec ha ni sm a naly si s