昭通地區(qū)流體觀測井地下水地球化學特征

胡小靜 付虹 張翔 何德強 周曉成 李麗

摘要：對昭通地區(qū)12口流體觀測井及其周邊5個地表水體進行取樣測試，分析其水化學組分和氫氧同位素，確定該地區(qū)流體觀測井的地球化學背景特征，為該區(qū)流體測項的跟蹤分析提供基礎支撐。水巖平衡結果顯示：相較于其它觀測井，昭陽一中井地下水水巖平衡狀態(tài)更接近于部分成熟水，表現(xiàn)為地下水補給過程緩慢，水巖作用程度較高;其余觀測井均處在未成熟水階段，表現(xiàn)出補給路徑較短，水巖相互作用較弱等特點。氫氧同位素組成顯示：研究區(qū)內大多數(shù)流體觀測井補給源均為大氣降水，但補給方式略有差異。水化學組分演化過程顯示：自2014年以來，大多數(shù)井含水層水體未發(fā)生新的水巖作用過程，并且與其附近的河流水力聯(lián)系密切。

關鍵詞：流體觀測井;地球化學特征;昭通地區(qū)

中圖分類號：P315.724文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2020）04-0630-08

0引言

地下流體觀測是地震前兆監(jiān)測的主要手段，一直被廣泛應用。有研究表明：地殼中地下流體特別是斷裂帶地下流體循環(huán)深度可達到15～20 km（MuirWood，King，1993;Gudmundsson et al，2001），正好與發(fā)生在中國大陸地區(qū)的大多數(shù)地震的震源深度一致。水化學組分和氫氧同位素作為地下水循環(huán)過程中的示蹤劑，可以很好地記錄地下水起源、運移及巖石圈內的重要信息，可有效揭示區(qū)域內地表水和地下水之間的轉化過程信息，因此常被用來識別地下水成因、遷移路徑及其成分演化機制等（李學禮，1988;杜建國，劉叢生，2003;宋獻方等，2007;顧慰祖，2011;胡小靜等，2018）。

許多學者的研究結果表明：當構造活動強烈或者在地震活動時期，地殼介質中水-巖之間原有的平衡狀態(tài)被打破，地下水中的氣體及水化學組分就會出現(xiàn)異常變化（蘇鶴軍等，2006;Ching et al，2008;周曉成等，2012;劉耀煒等，2015;田雷等，2018），同時也會引起圍巖的蝕變，導致某些元素的富集和礦物的形成（Matsuda et al，2004;Singh et al，2005;趙軍等，2009;周志華等，2014）。因此，將同位素技術和水化學方法結合起來，可進一步提高地下流體補給源及來源深度分析結果的準確性和可靠性（蘇小四等，2009;王云等，2018）。目前常用的分析方法包括水化學Piper圖、Na-K-Mg三角圖、Schoeller圖以及大氣降雨的氫氧同位素對比等。

川滇交界東部地區(qū)是近幾年全國強震危險區(qū)之一，位于該危險區(qū)的昭通地區(qū)分布有多口流體觀測井。因此，2018年5月30日—6月3日，筆者對昭通地區(qū)的流體觀測井及周邊水體進行了采樣測定，并收集了該區(qū)已有的測試結果，通過分析觀測井水化學組分和氫氧同位素，研究了該區(qū)內流體觀測井地下水的地球化學特征。

1區(qū)域水文地質概況

昭通地區(qū)位于云南省東北部，年均降水量600～1 200 mm，年均氣溫11 ℃～20 ℃，不同地區(qū)的海拔不同，年降水量和氣溫也有所差別。昭通地區(qū)位于揚子板塊西南緣，緊鄰青藏滇西褶皺帶，區(qū)內地質構造作用強烈，主要斷裂為昭通—魯?shù)閿嗔眩傮w走向為NNE向，全長約160 km，經(jīng)昭通到魯?shù)?、北至大關附近。昭通地區(qū)地層從第四系到震旦系均有出露，各地質時代出露的面積、地層厚度及巖性見表1（劉永林，雒昆利，2016）。

地層年代出露面積/km2地層厚度/m巖性特征古近紀289.8—碎屑巖侏羅紀1 766.480砂巖、泥質灰?guī)r三疊紀3 870.0230～260砂巖、灰?guī)r、白云巖二疊紀8 757.81 350灰?guī)r、玄武巖、煤層石炭紀1 323.6250灰?guī)r、白云巖泥盆紀935.5—灰?guī)r、砂巖志留紀700.6200砂巖、頁巖奧陶紀760.5580白云質灰?guī)r、泥灰?guī)r寒武紀844.3340灰?guī)r前寒武紀2 741.3—板巖、大理巖、砂巖地震研究43卷第4期胡小靜等：昭通地區(qū)流體觀測井地下水地球化學特征2采樣與測試結果

2018年5月30日—6月3日，筆者對昭通地區(qū)分布的12口流體觀測井、泉及5個出露的龍?zhí)端畮斓鹊乇硭w共計17個水體點進行了樣品采集，采樣點空間分布見圖1，各采樣點基礎資料見表2。根據(jù)測試需要，每個采樣點采集水樣3瓶，分別用于氫氧同位素測定、水化學組分測定及碳酸氫根滴定法，其中用于主元素及氫氧同位素測量的樣品容器為30 mL聚乙烯塑料瓶，用于碳酸氫根滴定的樣品容器為100 mL聚乙烯塑料瓶。采樣前將聚乙烯塑料瓶浸泡在純凈水中清洗，自然風干，取水樣時再次將取樣瓶浸泡入水中潤洗3遍后裝樣，裝樣過程中通過多次晃動等方式將瓶中的空氣排出，確保樣品無氣泡，將蓋子扭緊并用封口膜進行密封。流體觀測井利用帶有止回閥PVC貝勒管取樣，容積為1 000 mL，采樣深度為水面以下約3 m處;地表水利用蠕動泵抽取，距離岸邊1～3 m，深度為水體表面。

本次樣品的水化學成分測試結果和氫氧同位素組成見表3。為了進一步驗證測試結果的可靠性，對上述測試結果做陰陽離子平衡檢驗（表4），其相對誤差基本都在10%以內，符合離子均衡要求。另外，本文收集了2014年8月和2017年5月底在研究區(qū)內開展的樣品測試結果，見表5。

3水化學特征分析

3.1水質類型

根據(jù)水化學測試結果（表3），利用AqQA軟件按照Na-K，Mg，Ca相對濃度和SO4，HCO3相對含量對17個水樣的化學組成繪制Piper三線圖（圖2）。根據(jù)舒卡列夫分類法，可將昭通地區(qū)流體觀測井地下水的水化學類型劃分為：HCO3-Ca型、HCO3·SO4-Ca型、HCO3·SO4-Ca·Na型、HCO3-Mg型、HCO3·SO4-Cg·Mg型、HCO3-Ca·Mg型、HCO3-Na·Ca型、HCO3-Na型（表3）。結果顯示：各采樣點主要的陰、陽離子組成類似，均表現(xiàn)為碳酸型水，但不同觀測井水樣中相同離子的含量和離子總含量均存在較大的差別。因此，各采樣點水化學類型存在一定的差別，表明各采樣點的地下水來源、形成過程有所不同（周志華等，2014）。

分析承壓水盆地地下水水化學成分形成過程認為，HCO3-Ca型水屬于補給區(qū)最初始的大氣降水，大氣降水在補給運動過程中富集硫酸鹽，從而形成HCO3·SO4-Ca型水;同時，由于Ca2+被交替，水中將富集Na+，演化成HCO3·SO4-Na·Ca型水;隨著補給區(qū)水繼續(xù)沿著水流方向運動，硫酸鹽繼續(xù)富集，形成硫酸型鹽水，在缺氧或含有機物質的條件下，硫酸鹽開始發(fā)生還原反應，使得水體變?yōu)镠CO3·SO4-Na型水（李學禮，1988）。整個演變過程表明，昭陽一中井經(jīng)歷了較長的補給路徑，發(fā)生了較為強烈的Ca2+，Na+陽離子交替吸附作用以及還原反應，其他井大氣降水補給路徑相對較短，水巖相互作用較弱。收集昭陽一中井抽水試驗參數(shù)，其單位涌水量約為0.001 68 L/s，滲透系數(shù)約為0.004 93 M/d，這表明昭陽一中井含水層滲透系數(shù)非常小。分析原始觀測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，中國地震局地震預測研究所在2017年5月背景值調查過程中對該觀測井進行了取水化驗，造成水位下降，直至10月底水位才恢復至原有水位狀態(tài)。而云南地區(qū)大多數(shù)流體觀測井取樣后的水位恢復過程基本都在數(shù)天之內，如此大的差別進一步表明昭陽一中井含水層中水體補給過程非常緩慢。上述現(xiàn)象可能是由昭陽一中井在整個地下水補給、運移過程中水巖作用較為強烈所導致。

3.2水-巖化學平衡反應特征

Na-K-Mg三角圖解常被用來評價水—巖化學平衡狀態(tài)、區(qū)分不同類型的水樣以及判斷地下水循環(huán)深度。將昭通地區(qū)的水樣測試結果繪制成Na-K-Mg三角圖（圖3），結果顯示，大多數(shù)采樣點均屬于未成熟水，處在Mg端元，表明水巖相互作用程度非常弱，處在水巖作用的初始階段，尚未達到水巖平衡狀態(tài);昭陽巡龍井、魯?shù)樘锖暇⒄殃栆恢芯黠@偏離了Mg端元，尤其是昭陽一中井相較其他采樣點更接近于部分平衡水，表明這3個采樣點的水巖作用過程明顯強于其他采樣點，其中魯?shù)樘锖暇?、昭陽巡龍井均為魯?shù)?.5級地震后重建新打的井孔，自2017年初開始觀測，這2口觀測井的含水層系統(tǒng)可能未達到平衡，尚處于與地表水的交替過程，而昭陽一中井則是地下水在補給運移過程中發(fā)生了較為強烈的水巖作用。

3.3氫氧同位素組成特征

地下水的氫氧同位素是水循環(huán)研究中的示蹤劑，其δD和δ18O的含量和分布特征可以用來分析地下水的補給來源。根據(jù)以往研究結果，全球大氣降水線方程為δD=8δ18O+10，西南地區(qū)大氣降水線方程為δD=7.54δ18O+4.84（劉進達等，1997），二者相差非常小。昭通地區(qū)多個采樣點氫氧同位素測定結果顯示，大多數(shù)采樣點都位于大氣降水線附近（圖4），表明區(qū)內大多數(shù)流體觀測井、泉主要是由大氣降水補給。

由于各采樣點的地下水在運移過程中水-巖相互作用程度存在一定的差異性，因此各采樣點的測定結果也略有差異。個別采樣點出現(xiàn)一定的18O漂移富集現(xiàn)象，其中硯池山水庫作為大型的地表出露水體，可能與其自身存在較為顯著的蒸發(fā)作用有關;魯?shù)樘锖暇疄?016年新打井孔，自2017年投入觀測以來，其含水層的水平衡狀態(tài)很不穩(wěn)定，與周邊水體交換較為強烈，從而引起氫氧同位素的漂移過程;巧家毛椿林井距離金沙江邊約100 m，地下水補給來源與其他觀測點存在一定的差異。與上述觀測井不同，昭陽一中井明顯偏離于大氣降水線，進一步表明該井地下水在補給之后經(jīng)過了長時間的運移，并發(fā)生了較為強烈的水巖作用。

3.4不同采樣時段的水化學組分演化特征

收集2014，2017，2018年3個不同采磁時段昭通地區(qū)多口流體觀測井的取樣測試結果，對比不同時期觀測井水體水化學組分的演化過程，如圖5所示。由圖可見，不同采樣時段昭通漁洞井、大關謝家溝井、巧家毛椿林泉水化學組分均保持一致，表明近幾年這幾口井地下水補給來源未發(fā)生變化，含水層水體未發(fā)生新的更深入的水巖作用過程。昭陽一中井在2014和2017年采樣時段水化學組分一致，在2018年采樣時段，其HCO-3含量明顯減少，SO2-4和NO-3含量也發(fā)生了一定變化，其水化學類型也由HCO3-Na演變?yōu)镠CO3·SO4-Na，表明自2018年以來，昭陽一中井在地下水的補給、運移過程中發(fā)生了一定改變。根據(jù)承壓層地下水演化過程分析認為，可能是由地下水在補給運移過程中發(fā)生了硫酸鹽富集等反應所導致。大關水氡點在2014，2018年采樣時段水化學組分一致，2017年采樣時段發(fā)生了與昭陽一中井2018年相類似的情況，表明在2017年大關水氡點的地下水的補給過程中發(fā)生了一定改變，至2018年再次恢復至原有大氣降水補給的初始狀態(tài)。魯?shù)樘锖暇?、昭陽巡龍?口新打觀測井在2017和2018年采樣時段的離子組分和含量均發(fā)生了明顯的改變，應該是整個含水層水體與外界地表水發(fā)生了較為強烈的交換過程，導致水體水化學組分變化較大。

3.5觀測井與周邊水體之間的水力聯(lián)系

研究區(qū)內，昭通漁洞井、大關謝家溝井以及魯?shù)樗秉c附近分別存在3處出露地表的大型水體，分別為：漁洞河，距昭通漁洞井約100 m;謝家溝河（龍?zhí)叮?，距大關謝家溝井約100 m;硯池山水庫，距離魯?shù)樗秉c約700 m。同一時段對這3處水體進行了取樣測試，測試結果顯示，昭通漁洞井、大關謝家溝井與旁邊約100 m處的水庫、河流水化學組分基本一致（圖6a，b），表明兩者之間存在直接的水力聯(lián)系，而魯?shù)樗秉c與硯池山水庫的化學組分存在較大的差異（圖6c），表明兩者之間無直接的水力聯(lián)系。以上結果進一步表明，當?shù)乇沓雎兜乃w距離觀測井很近時，水體會對觀測井產(chǎn)生明顯的干擾影響，當二者之間存在一定的距離之后，對觀測點的直接影響則不明顯。圖6觀測井與其周邊水體的水化學組分對比

4結論

本文通過對昭通地區(qū)地下流體觀測井（泉）水質及同位素組分進行分析，初步探討了該地區(qū)地下流體觀測的地球化學背景特征，主要得到以下結論：

（1）昭通地區(qū)現(xiàn)有觀測井的陰、陽離子主要組成類似，但水化學類型較多，表明各采樣點的地下水所經(jīng)歷的補給路徑和形成過程等有所不同。

（2）水巖平衡結果顯示，相較其它觀測井，昭陽一中井水更接近于部分成熟水，水巖作用程度相對較高;其他采樣點的水巖平衡狀態(tài)大多數(shù)都是不成熟水，且位于Mg端元附近，地下水水-巖反應程度非常弱，尚未達到離子平衡狀態(tài);昭陽巡龍井和魯?shù)樘锖暇c其他采樣點存在明顯的差異，但仍然處在不成熟水狀態(tài)。

（3）氫氧同位素結果顯示，昭陽一中井明顯偏離于大氣降水線，其他大多數(shù)采樣點都位于大氣降水線附近，表明研究區(qū)內大多數(shù)流體觀測井主要是由大氣降水補給，而昭陽一中井的地下水在補給之后經(jīng)過了長時間的運移，發(fā)生了較為強烈的水巖作用。

（4）水化學組分演化過程顯示，在不同采樣時段，大多數(shù)觀測井含水層水體均未發(fā)生新的、更深入的水巖作用過程;2017，2018年魯?shù)樘锖暇?、昭陽巡龍井離子組分和含量發(fā)生了明顯的改變，分析認為其是新打井孔，整個含水層系統(tǒng)尚未達到平衡狀態(tài)，含水層水體與外界地表水仍在發(fā)生著較為強烈的交換過程;昭通漁洞井、大關謝家溝井與其附近約100 m處的水庫、河流之間存在密切的水力聯(lián)系，因此當觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，需要排除水庫及河流的干擾。

（5）昭陽一中井的水化學離子組分和氫氧同位素組成等信息表明該井存在深部物質來源。2014年8月3日魯?shù)?.5級地震前，在昭通地區(qū)所有流體觀測井中，僅有昭陽一中井水位記錄到約65 cm的突升顯著短臨異常。結合該井的水化學特征分析認為，存在有深部物質來源的井孔可能更容易獲得深部構造活動信息。

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Hydrogeo Chemical Characteristics of Groundwater in Seismic

Observation Wells in Zhaotong Area

HU Xiaojing1，F(xiàn)U Hong1，ZHANG Xiang1，HE Deqiang2，ZHOU Xiaocheng3，LI Li4

（1.Yunnan Earthquake Agency，Kunming 650224，Yunnan，China）

（2.Zhaotong Earthquake Agency，Zhaotong 657099，Yunnan，China）

（3.Institute of Earthquake Forecasting，China Earthquake Administration，Beijing 100036，China）

（4.Shanxi Earthquake Agency，Taiyuan 030021，Shanxi，China）

Abstract

In order to discuss the hydrogeochemical background seismic observation wells in Zhaotong area and provide basic support for judging seismic chemical anomalies of the groundwater，we collected 17 water samples from 12 seismic observation wells and 5 surface water bodies，tested and analyzed the chemical components and hydrogen and oxygen isotopes of groundwater. The results of water-rock balance results revealed that the groundwater in the Zhaoyang No.1 Middle school well was characterized with long and slow recharge process，strong water-rock reaction，meaning partial equilibrated water，the other observation wells were classified as immature water，which were characterized with short recharge process and weak water-rock reaction. The isotope data of hydrogen and oxygen indicated that most of the seismic observation wells in the study area were originated from the atmospheric precipitation，and there were slightly different in the recharge modes. The evolution of chemical compositions of groundwater showed that most seismic observation wells had not experienced new water-rock reactions since 2014 and were closely related to the flowing river by 100 m in hydraulic connection.

Keywords：seismic observation wells; hydrochemical characteristics; Zhaotong area