山西省4口井(泉)水化學特征與水氡映震效能研究

穆慧敏 黃春玲 常姣 楊靜 李民 姚林鵬 張文男

1)山西省地震局，太原 030025 2)山西省地震局夏縣中心地震臺，山西夏縣 044400 3)山西省地震局臨汾中心地震臺，山西臨汾 041000 4)太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，太原 030025

0 引言

在地震地下流體觀測中，地下水的補給來源、循環(huán)與演化等水文地質(zhì)環(huán)境特征，是分析地下流體前兆信息的基本依據(jù)；同時地下流體組分和同位素組成的變化與地下應力和構(gòu)造活動等有密切關(guān)系，能夠靈敏地反映地殼的應力、應變狀態(tài)及地震活動。研究地下流體化學特征變化與地震的關(guān)系，在地震預測、震后趨勢判斷及異常核實方面具有重要意義。目前，在地下水的補給、循環(huán)與演化等方面的研究中，水化學、環(huán)境同位素和地下水測年等方法越來越成為有效的研究手段。采用這些方法對地下流體觀測點的水文地質(zhì)環(huán)境開展研究和評價，探討觀測點地下水的補給來源和循環(huán)演化特征，為分析地震地下流體前兆信息提供重要的參考依據(jù)和基礎信息(張國盟，2015；汪成民，1991)。同時，將水化學和同位素示蹤方法應用于地震地下流體監(jiān)測點的相關(guān)研究，對于地下流體地震前兆信息的評估、流體在地震孕震過程中作用的探討以及井孔的映震效能評估等方面具有重要的科研和應用價值(劉耀煒等，2009；張磊等，2014；張國盟等，2015)。

目前，山西地下流體臺網(wǎng)有19個臺站開展了水物理及水化學觀測，其中4個臺站開展水化學觀測，其余均為水物理臺站，水化學觀測始于20世紀80年代。水化臺站包含山西南部運城盆地夏縣臺熱水井、臨猗熱水井；山西北部忻定盆地定襄自流泉、奇村熱水井。除臨猗井未進入國家?guī)焱猓溆?口井(泉)均進入國家?guī)?；除定襄臺為自流冷泉外，其余均為熱水井，并開展水氡、水汞等多種水化學觀測項目。為完善井(泉)水化學基礎信息，2018～2019年陸續(xù)在山西地區(qū)系統(tǒng)采集了井(泉)水樣，測試得到了離子濃度及氫氧同位素相關(guān)數(shù)據(jù)。本文通過對山西4口水化學觀測井(泉)及周邊地表水進行水化學和氫氧同位素分析，得出觀測井(泉)水化學類型、水巖平衡狀態(tài)、地下水循環(huán)深度相關(guān)研究結(jié)果；同時分析井(泉)水氡觀測資料，以期將水巖平衡狀態(tài)、地下水循環(huán)深度水文地質(zhì)評價指標與水氡映震效能有效結(jié)合，嘗試評價井(泉)的地震監(jiān)測效能。

1 井(泉)測點水文地質(zhì)概況

依據(jù)山西地塹活動性構(gòu)造斷裂的分布及地震活動性等特點，山西地下流體臺站分別布設在各盆地山前主干斷裂附近，盆地內(nèi)臺站較密集，兩側(cè)隆起區(qū)臺站較稀疏。觀測網(wǎng)內(nèi)有多個獨立的水文地質(zhì)單元，各觀測層主要以基巖裂隙承壓水為主(圖1)。

夏縣臺熱水井(以下簡稱夏縣井)位于南山底村夏縣地震臺院內(nèi)，處于夏縣南山底地熱田中心部位。構(gòu)造上屬于中條山北麓斷裂帶東段(夏縣段)(楊靜等，2019)，為運城斷陷盆地與中條山隆起的分界斷裂。熱水井建于1982年，井深170m，出水口溫度常年保持在(42.5±0.5)℃，地下熱水主要靠大氣降水和基巖裂隙側(cè)向補給，地下水從洪積扇的頂部向底部排泄，排入沖積平原，富水性較好。

臨猗熱水井(以下簡稱臨猗井)位于猗氏鎮(zhèn)里寺村南，處于猗氏地熱田中心地帶，地熱田內(nèi)沒有基巖裸露，為第四系黃土覆蓋。構(gòu)造上屬于峨嵋臺地南緣斷裂南側(cè)，為運城斷陷盆地與峨嵋臺地隆起的分界斷裂。熱水井建于1988年5月，井深48.92m，水溫41.7℃。取水層為第四系下更新統(tǒng)(Q1)，取水層底層為第三系上新統(tǒng)(N2)，含水層厚度18.25m。

定襄七巖泉(以下簡稱定襄泉)位于定襄縣南王鄉(xiāng)茶房口村七巖溝中，構(gòu)造上位于忻定盆地定襄凹陷東南系舟山北麓斷裂的南段。七巖泉屬奧陶系灰?guī)r喀斯特裂隙巖溶水，為具有承壓性的上升泉。大氣降水、巖溶裂隙水從褶皺南東翼較高部位補給、徑流，在西北翼低處溢出。泉水水溫約9.9℃，高于年平均氣溫(約8.9℃)，泉水流量隨季節(jié)的變化很大，枯水季節(jié)最小為0.9L/s，雨季最高可達25.8L/s。

忻州奇村地震臺熱水井(以下簡稱奇村井)位于奇村東，處于忻州奇村地熱田中心部位。構(gòu)造上屬于金山凸起西緣斷裂，為忻州斷陷盆地金山凸起與原平凹陷的分界斷裂。熱水自基巖斷裂破碎帶涌出，進入松散層與冷水混合，形成水溫-水氡散暈。熱水運移形式為：大氣降水在中低山區(qū)入滲補給后，通過斷裂和基巖裂隙的深循環(huán)形成熱水。地下水徑流強烈，含水層滲透性較好。熱水井井深50.26m，成井時水溫51.5℃，流量1.14L/s。

圖 1 井(泉)位置分布

2 井(泉)離子成分及氫氧穩(wěn)定同位素分析

2.1 樣品采集及測試結(jié)果

2018年4月～2019年4月期間陸續(xù)對山西地下流體測點進行采樣測試，樣品容器采用100ml、30ml的聚乙烯瓶。取樣時用井水將瓶子清洗3次后，直接裝滿水，排除頂空，避免空氣對水樣的影響，用封口膜纏緊瓶口。

各井(泉)2018～2019年份的水化學項目由中國地震局地殼動力學重點實驗室(地下流體動力學實驗室單元)測定，水化學離子分析使用儀器為ICS-2100離子色譜儀，氫氧同位素分析儀器為LWA-24-EP氫氧同位素分析儀；其余年份的數(shù)據(jù)均通過查閱井(泉)歷史資料獲取。通過計算，每口井(泉)陰陽離子平衡校驗誤差(R)值均小于5%，說明測量結(jié)果可靠。表1 為各井(泉)不同時期以及井(泉)周邊地表水的水化學測試數(shù)據(jù)。

表1 井(泉)水樣測試結(jié)果

注：“—”標注為無測量值數(shù)據(jù)、“定襄泉輔助”為定襄泉周邊地表水采樣；夏縣井(1982)、臨猗井(1988)、奇村井(2017)的數(shù)據(jù)取自于“山西省地震監(jiān)測志”(山西省地震局，2006)及“山西地下流體臺站基礎信息手冊”(1)山西省地震局，2018. 山西地下流體臺站基礎信息手冊. 內(nèi)部交流資料.。

2.2 水化學類型及特征分析

按照Ca、Mg、Na-K相對濃度和Cl、SO4及HCO3相對含量對表1 中的水樣數(shù)據(jù)繪制piper三線圖及durov圖(圖2，為便于繪制，圖中化學元素均未添加離子符號)。從圖2 可以看出：①山西水化井、泉中的夏縣井(1982、2018年)、奇村井(2017、2019年)、臨猗井(1988、2019年)的水化學類型較為接近，均位于piper圖及durov圖中“B”區(qū)域，水化學類型為Cl·SO4-Na型。其中夏縣井、臨猗井礦化度較大，分別為1746mg/L和2560mg/L，根據(jù)李學禮等(2010)的分類，當?shù)V化度在1000～3000mg/L時，可將其定義為微咸水。由此判定夏縣井與臨猗井的水并非大氣降水的直接補給，而是經(jīng)過一定時間補給后的水-巖相互作用和地下水的混合形成的，也可能反映了干旱、半干旱地區(qū)地下水補給過程中溶濾作用較強，使得Cl和SO4濃度相對富集(王麗等，2004)，同時也反映地下水的循環(huán)深度、滯留時間或補給路徑相對較大等特點。②定襄、定襄輔助及夏縣水庫位于piper圖及durov圖的“A”區(qū)域，水化學類型為HCO3-Ca型。具備典型的地表水特征，屬于大氣降水與巖石的初步反應階段，由礦化度分析屬低礦化度水。③夏縣井、夏縣水庫水樣的水化學類型差別較大，水庫水屬于地表水補給，說明夏縣井與周邊地表水無水力聯(lián)系；定襄、定襄輔助(周邊地表水)水化學類型較一致。

圖 2 水樣的piper及durov圖(單位：mg/L)

圖 3 水樣的Na-K-Mg三角圖(單位：mg/L)

2.3 水-巖化學平衡特征分析

Na-K-Mg三角圖常被用來評價水巖平衡狀態(tài)和區(qū)分不同類型的水樣(Giggenbach，1988；蘇鶴軍等，2010)。圖3 為10個水樣的Na-K-Mg三角圖，圖中曲線為礦物平衡線，由完全平衡線和部分平衡線把整個三角圖分為完全平衡水、部分平衡水和未成熟水3個區(qū)域。

由圖3 可見，不同年代的夏縣井、奇村井及臨猗井均為部分成熟水，表明其地下水的補給來源除了大氣降水外，還有較深層地下水的混入，水-巖反應相對較強，水流系統(tǒng)相對較為穩(wěn)定，不易受到干擾；分析結(jié)果顯示，夏縣井2018年較成井時的1982年更接近部分成熟水區(qū)域，奇村井2019年較2017年更接近成熟水區(qū)域，說明隨著時間的推移，夏縣井、奇村井水巖反應程度在逐漸增強，臨猗井較成井時變化特征不明顯；定襄泉(含2018、2019年)、定襄輔助及夏縣水庫水屬于未完全成熟水，水樣幾乎位于Mg端元附近，表明它們屬于典型的地表水，其主要接受大氣降水的補給，循環(huán)周期相對較快，水-巖之間尚未達到離子平衡狀態(tài)，水巖作用仍在進行。由圖3 還可以看出，夏縣井的熱儲溫度約位于180℃線左右，奇村井的熱儲溫約位于140℃線左右，臨猗井熱儲溫度約位于80℃以下。

2.4 井(泉)熱儲溫度估算

熱儲溫度是劃分地下熱水系統(tǒng)成因類型不可缺少的重要參數(shù)，地球化學溫標是估算這一參數(shù)的有效方法。目前，地球化學溫標的方法很多，所依據(jù)的理論原理與實際資料均不同，應用條件差異很大，受條件限制，文中僅討論使用Na-K陽離子溫標法計算熱儲溫度。

Na-K陽離子熱儲溫度是利用地下水成分中陽離子之間的比值與溫度之間的關(guān)系建立的溫標方法，全部陽離子溫標法均為經(jīng)驗性的近似方法，陽離子溫標建立在陽離子交換反應的基礎上，反應平衡常數(shù)隨溫度的改變而改變(劉永濤，2009)。由水樣Na-K-Mg三角圖(圖3)分析可知，夏縣井、臨猗井及奇村井均位于部分平衡水區(qū)域，因此可以采用陽離子溫標法來計算溫泉水的熱儲溫度。

表2 Na-K陽離子溫標計算公式(據(jù)劉永濤(2009)修改)

表 3 井(泉)水樣陽離子溫標熱儲溫度計算結(jié)果

根據(jù)表 2 中的陽離子溫標公式，計算夏縣井、臨猗井及奇村井不同時期的地下水熱儲溫度。結(jié)果顯示夏縣井溫度最高，約為150.1℃，奇村井約為111.2℃，臨猗井溫度較低，約為63.0℃。計算出的地下水熱儲溫度均低于上述估讀的溫度值，且同一井(泉)不同時期溫度存在差別。熱儲溫度計算詳情見表3。

2.5 地下水的循環(huán)深度估算

地下水的溫度受其賦存與循環(huán)處的地溫控制，根據(jù)地下水的溫度可以大致推算地下水的循環(huán)深度(王大純等，1980)。溫泉井的循環(huán)深度可以根據(jù)溫泉水的熱儲溫度以及當?shù)氐牡販靥荻冗M行計算。當已知地下水水溫(T)、年平均氣溫(t)、地溫梯度(r)和年常溫帶深度(h)時，可以推算地下水的大致循環(huán)深度(H)，即

(1)

計算循環(huán)深度所采用的地下水水溫(T)均以表3 中井(泉)的最新數(shù)據(jù)(2018～2019年測試)為準。

以往研究表明，夏縣地區(qū)的年平均氣溫(t)為12.5℃，年常溫帶深度(h)為32m(李強，2015)，地溫梯度(r)為4℃/100m(左海風，1998)，當?shù)叵滤疁?T)為148.8℃時，其最大循環(huán)深度為3.44km；因臨猗井與夏縣井同位于運城盆地，兩地氣候相差不明顯，計算參數(shù)均以夏縣井為準，經(jīng)計算，臨猗井循環(huán)深度為1.29km；奇村井位于忻州地區(qū)，該地區(qū)年平均氣溫(t)為8.7℃(李強，2017)，年常溫帶深度(h)取為32m，地溫梯度(r)使用地殼平均地溫梯度3.0℃/100m，地下水水溫(T)為111.2℃時，奇村井循環(huán)深度為2.45km。表4 為井(泉)地下水循環(huán)深度的計算結(jié)果。

表4 井(泉)地下水循環(huán)深度計算結(jié)果

2.6 氫氧穩(wěn)定同位素組成分析

地下水在其形成之后，經(jīng)過蒸發(fā)、徑流和水-巖相互作用等環(huán)節(jié)不斷發(fā)生循環(huán)和演化，一般認為，氫氧同位素在上述過程中會發(fā)生動力分餾、與高溫巖石等其它物質(zhì)發(fā)生交換和反應，從而造成地下水樣品中的氫氧同位素組成與大氣降水線發(fā)生一定的偏離。因此，氫氧環(huán)境同位素作為示蹤劑，可以用來分析地下水補給后的循環(huán)和演化特征。

地下水氫氧同位素的組成特征一般利用區(qū)域雨水線進行對比分析，由于降水的氫氧同位素組成受緯度效應、季節(jié)效應、大陸效應以及海拔效應等影響，不同地區(qū)、不同季節(jié)的大氣雨水線各不相同。大氣降水線引自Craig(1961)給出的方程式δ2H=8δ18O+10‰SMOW，其中δ2H為氫同位素實測比值，δ18O為氧同位素實測比值，由水樣測試結(jié)果可知井(泉)δ2H的范圍為-87.28‰～-55.35‰，δ18O的范圍為-11.76‰～-9.13‰。

圖 4 水樣氫氧同位素與全球大氣降水線的關(guān)系

圖 4給出水樣氫氧同位素與全球大氣降水線的關(guān)系，其結(jié)果可以用來說明井(泉)測試樣品的來源及其相互轉(zhuǎn)化關(guān)系。由圖4 可見，不同年代的定襄泉水樣測試數(shù)據(jù)差別不大，但較大氣降水線略向左偏移，位于大氣降水線上方，說明地下水存在與CO2的交換作用，這與該處為灰?guī)r含水層富含CO2有一定的關(guān)系；夏縣、臨猗及奇村井氫氧同位素數(shù)據(jù)均略位于全球大氣降水線右側(cè)，顯示為O2富集，表明其來源除大氣降水補給外，還可能存在其它深部補給源，由表1 數(shù)據(jù)可見，夏縣井、臨猗井、奇村井的電導率及礦化度數(shù)值均較大，說明水-巖反應較充分，因此溫泉井的氧漂移很可能主要是在地下水和周圍巖石相互作用的過程中發(fā)生的，從而導致地下水中的氧同位素與周邊巖石發(fā)生了交換；夏縣水庫及定襄泉輔助完全位于大氣降水線上，表明其來源全部為大氣降水補給。

3 井(泉)地震監(jiān)測效能評價

水氡、水位等映震效能與地下水的補給來源、循環(huán)深度、水-巖反應程度等是否有關(guān)，仍是亟需研究的科學問題之一。本文通過對比分析4口井(泉)水氡觀測資料，采用已發(fā)生的地震樣本對水氡觀測資料進行預測效能檢驗，結(jié)合水巖平衡狀態(tài)、地下水循環(huán)深度等結(jié)果，討論映震效能與水巖平衡狀態(tài)、地下水循環(huán)深度等之間的關(guān)系。

3.1 井(泉)水氡日常動態(tài)分析

圖 5 水氡及輔助測項日值曲線(2016年)(a)夏縣井水氡、水位；(b)奇村井水氡、水溫及水位；(c)臨猗井水氡、水溫；(d)定襄泉水氡、流量

圖 6 夏縣井(a)、奇村井(b)、臨猗井(c)、定襄泉(d)水氡月均值曲線

3.2 井(泉)水氡映震分析

圖 6為4口井(泉)1990年(數(shù)據(jù)庫現(xiàn)存)至2019年的水氡月均值曲線(臨猗井觀測于1997年9月)，同時標出了統(tǒng)計觀測期間山西帶上南部及北部發(fā)生的6次ML≥5.2地震。由圖6可見，在超出均值線的1990～2000年期間，夏縣水氡、奇村水氡及定襄水氡均表現(xiàn)出較明顯的準同步性高值變化趨勢；1991～1999年期間山西帶上地震較活躍，北部、南部相繼發(fā)生了1991年1月29日忻州ML5.5、1991年3月26日陽高ML6.1、1996年5月3日包頭ML6.6、1998年1月5日西安ML5.2、1998年1月10日張北ML6.2及1999年11月1日陽高ML5.6等一系列中等強度地震，反映出夏縣井、奇村井及定襄泉水氡映震的靈敏性；定襄泉2010～2014年高值臺階變化，期間無地震發(fā)生，2014年8～9月取樣口改造后，數(shù)據(jù)恢復至均值線背景，截至2019年三井(泉)水氡數(shù)據(jù)值趨于平穩(wěn)階段，且基本在月均值線下波動；臨猗井水氡月均值與地震的對應關(guān)系不明顯，并且在無震時段數(shù)據(jù)波動較大。

3.3 井(泉)監(jiān)測效能評價

前人研究表明，地下熱水的循環(huán)深度與地震孕育、發(fā)生有一定的聯(lián)系(林元武，1993)。通過已有資料分析顯示四口井(泉)水氡動態(tài)特征明顯，且具有一定的規(guī)律性；進一步分析顯示，夏縣井、奇村井位于水巖部分平衡水狀態(tài)且循環(huán)深度較大，研究2口井水氡自1990年以來出現(xiàn)的高值準同步變化與山西帶北部、南部一系列中強地震的對應關(guān)系，表明夏縣井、奇村井2口溫泉井水不僅具有本地的補給來源，同時可能含有遠距離的補給源。

定襄水氡表現(xiàn)出明顯的映震特征，水化學三角圖顯示其位于未成熟水狀態(tài)，說明定襄泉位于循環(huán)周期相對較快的區(qū)域，水氡遷移的距離很短，只能反映局部信息，因此該指標在用于自流泉評價時尚存有不足之處。但鑒于其具有多年映震靈敏性的特征，加之該泉眼又位于構(gòu)造敏感部位，應進一步開展其地下水年齡等其它水化學的相關(guān)研究(潘樹新等，2001)，探索其與地震發(fā)生關(guān)系，進而用于評價自流泉監(jiān)測效能。

綜上所述，溫泉井中夏縣井、奇村井的循環(huán)深度計算、水巖平衡結(jié)果及水氡顯示出的映震特征均優(yōu)于臨猗井，說明這2口溫泉井可能反映了深部、遠距離流體的補給、循環(huán)以及強烈的水-巖相互作用等，適于開展地震水化學等多種觀測；臨猗井由于觀測時間較短，加之地層無基巖裸露，黃土層覆蓋較厚，對地震信息響應不靈敏，故應逐步優(yōu)化；定襄泉使用該指標尚有不足之處，應進一步探索其它水化學研究方法進行科學評價。

4 結(jié)論與討論

本文運用水化學及氫氧同位素分析方法研究了山西流體水化井(泉)，并分析了4口井(泉)水氡資料，得出以下認識：

(1)夏縣井、臨猗井、奇村井3口溫泉井的水化類型基本一致，屬Cl·SO4-Na型水，且離子交換作用較強；定襄泉與其周邊地表水取水樣品的水化學類型一致，為HCO3-Ca型水，屬典型地表水特征，其補給為大氣降水；夏縣井、臨猗井、奇村井位于水巖部分平衡狀態(tài)，表明除大氣降水補給外，還有較深層地下水的混入；地下水循環(huán)深度最深的井為夏縣井，其次為奇村井、臨猗井。

(2)由于山西省地下流體水化學井(泉)測點較少，且位置分布較分散，加之可用于統(tǒng)計的地震樣本也有限，本文僅使用了水氡資料與水化學水巖平衡狀態(tài)、地下水循環(huán)深度相結(jié)合的方式應用于評價溫泉井、自流泉的監(jiān)測效能。評價結(jié)果顯示，溫泉井中夏縣井、奇村井優(yōu)于臨猗井，定襄泉使用該指標尚有不足之處。在日常監(jiān)測工作中還應結(jié)合井(泉)所處地質(zhì)構(gòu)造的靈敏性，并與其它地震前兆觀測資料相互結(jié)合，對井(泉)開展更科學的研究。其次，還需適時開展地下水年齡等相關(guān)研究工作，更好地將地下水化學方法應用于地震監(jiān)測領域中。

(3)建議對多個測點進行多次連續(xù)的水化學組分觀測，以便能夠較詳細地分析季節(jié)性的補給特征，對分析判斷水化學演化起到較好的幫助，同時也能完善地下流體基礎信息，使地下流體信息動態(tài)化。

致謝：山西省地震局同事為樣品采集及資料分析提供了幫助，審稿專家提出了寶貴意見，在此一并感謝。