湖南湘陰井水位的一次大幅下降異常成因分析

沈 平，田優(yōu)平，鄭博文，姚海東

(湖南省地震局，湖南 長沙 410004)

地下水位對地殼介質(zhì)應(yīng)力應(yīng)變反映靈敏，一直以來是地震地下流體觀測的重要手段之一。地下水位的動態(tài)特征能夠直接或間接地反映地震活動的發(fā)展過程，但并不是所有的水位變化都與地震有關(guān)[1-2]。因此，當(dāng)監(jiān)測到的地下水位數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)有別于正常動態(tài)的異常變化時，必須及時、認(rèn)真地進行異常核實，從而對異常性質(zhì)進行準(zhǔn)確判定。許多學(xué)者在水位異常識別方面做了大量工作，有的經(jīng)過核實，確定為干擾異常，有的則提取了到地震前兆異常[3-6]。地下水位觀測資料所受干擾較多，異常成因較為復(fù)雜，所以準(zhǔn)確地排除干擾因素對于成功判定地震前兆異常至關(guān)重要。

本文針對湘陰井水位在2019年8月出現(xiàn)的大幅下降異常變化，從觀測儀器自身到環(huán)境干擾因素進行系統(tǒng)分析，以及對觀測井的水樣進行氫氧同位素和水質(zhì)成分分析，找到此次水位大幅異常變化的主要原因，為地震地下流體分析預(yù)測工作提供一些參考。

1 觀測井概況

湖南湘陰井位于洞庭湖坳陷的中心地區(qū)，即上迭于江南地軸之上的一個中新生代坳陷盆地，區(qū)內(nèi)褶皺斷裂較發(fā)育。較近的斷層有北面幸福港斷裂及湘陰-岳陽斷裂，其中湘陰-岳陽斷裂從湘陰縣城通過。區(qū)內(nèi)氣候?qū)俅箨懶詠啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，雨量充沛，四季分明，仲夏多雨易澇，夏末秋初多旱。

湘陰井水位始測時間是2014年1月，類型為靜水位。根據(jù)湘陰井觀測孔報告，鉆孔終孔后，采用抽水量4.5 t/h開采用水泵進行了抽水試驗，其泵頭下至70 m處進行抽水，連續(xù)抽水2 h水位穩(wěn)定在60.75 m處，此時每分鐘出水2.75 kg，由此推算，該井日出水量約為4 t，故本孔存在裂隙水，但水量較小。同時，隨氣候環(huán)境變化井孔內(nèi)水量可能受到一定影響。

2 觀測資料異常變化

湘陰井水位自觀測以來在每年夏季會有小幅上升，但在2018年夏季水位總體呈現(xiàn)下降趨勢，出現(xiàn)破年變。自2019年7月中旬起，湘陰井水位開始大幅下降，截至9月2日，下降幅度共約3.6 m，達(dá)到自2014年1月開始觀測以來的最低水位，下降幅度也是自觀測以來的單次最大幅度(圖1)。湘陰井水溫在此期間沒有出現(xiàn)異常變化。

圖1 湘陰井水位快速下降異常變化曲線

3 異常排查及成因分析

3.1 儀器因素排查

對儀器工作狀態(tài)、供電、避雷、數(shù)據(jù)采集、井口裝置、探頭電纜固定裝置等進行了檢查，均為正常。進行了人工水位校測，兩次校測結(jié)果均符合規(guī)范要求，說明儀器工作狀態(tài)正常。

3.2 環(huán)境因素排查

3.2.1 氣象因素影響分析

從湘陰臺的輔助觀測儀器監(jiān)測到的氣壓、氣溫數(shù)據(jù)與水位的對比曲線來看，2019年以來，臺站的氣溫、氣壓變化較穩(wěn)定，變化形態(tài)與規(guī)律均與往年基本一致，未出現(xiàn)異常變化(圖2)。因此，可以排除氣溫、氣壓對本次水位異常的干擾。

圖2 湘陰井水位與氣溫氣壓對比曲線

由于臺站的雨量計有故障，因此去湘陰縣氣象局搜集了2014年以來當(dāng)?shù)氐慕涤炅吭戮?。從圖3可以看出，湘陰井水位與湘陰縣降雨量有一定的相關(guān)性。在往年夏季降雨量增多的時候，湘陰井水位一般也會有所上升。但2018年，湘陰縣降雨量較往年明顯減少，湘陰井水位在2018年也出現(xiàn)破年變變化。2019年1-8月，湘陰縣的降雨量進一步減少，達(dá)到2014年以來的極低值，在夏季也沒有像往年一樣出現(xiàn)明顯的上升現(xiàn)象。與此同時，湘陰井的水位自2019年5月以來也一直處于極低水位，特別是7月中旬以來快速下降，達(dá)到自觀測以來的極低值。

圖3 湘陰井水位與降雨量對比曲線

3.2.2 湘江水位影響分析

在湘陰井西部約3km處有一條從南往北的湘江流過。據(jù)調(diào)查，雖然2019年天氣較干旱，但湘江水位相比于往年并沒有偏低，因為河漫灘露出部分沒有往年多。因此去湘陰縣水文局搜集了2014年以來湘江水位的資料。從湘陰井水位與湘江水位的日均值對比圖可以看出，除了2018年之外，在每年夏季湘江水位下降最快的時段也正是湘陰井水位下降最快的時段(圖4)。2019年7月以來，湘江水位再次出現(xiàn)明顯下降，與湘陰井水位開始下降的時間基本同步。但與前幾次相比，此次湘陰井水位下降幅度明顯要大。另外值得注意的是，2018年是近6年以來湘江水位最低的年份，湘陰井水位也是在2018年開始發(fā)生破年變，沒有出現(xiàn)往年“夏高冬低”的年動態(tài)變化。

圖4 湘陰井水位與湘江水位對比曲線

3.2.3 周邊施工作業(yè)影響分析

2019年8月，在現(xiàn)場調(diào)查時，湘陰井周邊有4個房地產(chǎn)項目在建，4個工地與湘陰井的具體位置如圖5所示。1號工地位于湘陰井西南邊，直線距離約330 m。據(jù)工人介紹，此工地是一個老舊工地，最早是在3年前進行樁基施工的，目前地下室一層主體已基本建好，但已于2019年7月初停工至現(xiàn)在。 2號、3號工地位于湘陰井東南方向，直線距離約930 m，兩個工地只相隔一條馬路。據(jù)調(diào)查，2號工地是在2019年5月份進行樁基施工，當(dāng)時已建至地上兩層。此工地建筑面積共4 688 m2，一共打了約1 000根60 cm粗的AB樁，絕大部分只打了9 m多深，15 m深的樁只有極少數(shù)。3號工地是在2018年12月份進行樁基施工，當(dāng)時已建至地上兩層。4號工地位于湘陰井的東邊約250 m，當(dāng)時工地處于停工狀態(tài)。據(jù)調(diào)查，4號工地內(nèi)存在2個池塘，一個位于工地西邊，另一個位于工地東邊，均在2019年4月份進行了回填，回填之前池塘內(nèi)積水較少。西邊池塘回填了2000 m3多土方，回填深度約1.1 m，東邊池塘回填了1 000 m3多土方，回填深度最深約0.6 m。池塘回填之后進行了簡單壓平，后在2019年8月20日左右打了3根20多米的試驗樁。

圖5 湘陰井周邊工地位置示意圖

3.3 水化學(xué)實驗分析

為確認(rèn)湘陰井和湘江水之間有無相關(guān)性，取二者水樣進行水質(zhì)成分和氫氧同位素分析。

3.3.1 水質(zhì)類型分析

根據(jù)舒卡列夫分類，各個點在piper圖上的位置可以劃分水質(zhì)類型。湘陰井和湘江水水樣水質(zhì)類型分析結(jié)果見圖 6。二者水質(zhì)類型一致，均為重碳酸型水，代表典型的大氣水與巖石之間的第一階段反應(yīng)，反映了淺層的水文循環(huán)特征，缺乏深部的物質(zhì)來源。2個水樣離子濃度的相對含量分布集中，含量接近。

圖6 水化學(xué)類型piper圖 圖7 Na-K-Mg三角圖

3.3.2 水-巖化學(xué)平衡反應(yīng)特征分析

Na-K-Mg三角圖被用來評價水-巖平衡狀態(tài)和區(qū)分不同類型的水樣[7]。在湘陰井和湘江水水樣的Na-K-Mg三角圖(圖7)中， 2個樣品均落在Mg端元附近，為未飽和水，說明地下水循環(huán)周期較快，水巖反應(yīng)程度相對較低，尚未達(dá)到離子平衡狀態(tài)，體現(xiàn)了水樣的大氣降水成因特征。

3.3.3 氫氧同位素特征分析

地下水氫氧同位素組成特征一般利用區(qū)域雨水進行對比分析，能夠有效地識別地下水的來源與補給過程。降水的氫氧同位素組成受緯度效應(yīng)、季節(jié)效應(yīng)、大陸效應(yīng)以及海拔效應(yīng)等的影響，不同地區(qū)不同季節(jié)的大氣雨水線各不相同[7]，本文所用的大氣降水線為全球大氣降水線，其方程為δ2H=8.1δ18O+10，式中δD為氫同位素實測比值，δ18O為氧同位素實測比值。水樣氫氧同位素組成與大氣降水線對比如圖8，其中藍(lán)線為中國大氣降水線。結(jié)果顯示，2個水樣氫氧同位素比值均在全球大氣降水線附近，水樣主要為大氣降雨成因，即主要接受大氣降雨補給。

圖8 水樣氫氧同位素與大氣降水線

由以上分析可知，湘陰井和湘江水水質(zhì)類型一致，均為大氣成因水，水-巖反應(yīng)程度較弱，尚未達(dá)到離子平衡狀態(tài)，地下水循環(huán)循環(huán)周期快，溶解作用仍在進行，無深部物質(zhì)來源。

4 結(jié)語

通過檢查湘陰井的觀測系統(tǒng)、排查其觀測環(huán)境，包括對溫度、氣壓、降雨量、湘江水位以及周邊施工作業(yè)等的排查，并對湘陰井和湘江水的水樣進行水質(zhì)成分和氫氧同位素分析， 認(rèn)為：

(1)通過對湘陰井井口以上水位觀測系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、避雷設(shè)備進行檢查，均工作正常，且水位校測正常，因此，此次湘陰井水位的大幅下降與儀器故障無關(guān)。

(2)通過分析湘陰井水位與湘陰縣降雨量的關(guān)系，認(rèn)為二者之間存在一定的相關(guān)性，湘陰井水位的大幅下降變化與2019年以來當(dāng)?shù)亟涤炅棵黠@減少有一定的關(guān)系。

(3)通過分析湘陰井水位與湘江水位的關(guān)系，認(rèn)為湘陰井水位的變化與湘江水位變化具有一定的同步性。每年湘江水位下降最快的時段也是湘陰井水位下降最快的時段，而2019年7月以來正是湘江水位迅速下降的時段。因此，湘陰井水位此次大幅下降也受到湘江水位下降的影響。

(4)通過水化學(xué)實驗分析，認(rèn)為湘陰井和湘江水均為大氣成因水和未成熟水，主要受大氣降雨補給，無深部物質(zhì)來源。

(5)通過調(diào)查湘陰井附近的工地施工情況，4號工地位于湘陰井的正東邊，離湘陰井最近，且在2019年4月底回填了兩個池塘，回填之前有抽水，回填之后進行了壓實，分析認(rèn)為湘陰井水位的大幅下降變化受4號工地施工的影響較大。

綜上所述，湘陰井水位自2019年7月中旬出現(xiàn)的大幅下降變化不是地震前兆異常，此變化可能是在當(dāng)時湘陰縣降雨量明顯減少且湘江水位降低的情況下，附近工地施工引起的水位下降。