利用水文地球化學和水文物理學方法分析定襄七巖泉水氡異常

劉俊芳 李惠玲 范雪芳 郭寶仁 郭 宇 高文玉 劉金柱

1）中國太原 030021 山西省地震局

2）中國山西 034200 忻州地震監(jiān)測中心站

0 引言

對于地震地下流體觀測，可利用水文地球化學方法進行數(shù)據(jù)分析，如：胡小靜等（2018）利用水文地球化學方法，研究云南江川漁村井的地下水循環(huán)特征和補給來源；田雷等（2018）通過分析滇17 井水化學測項，發(fā)現(xiàn)觀測數(shù)據(jù)變化由地下應力改變所致；王云等（2018）對位于滇東南楔形構(gòu)造區(qū)的觀測點進行水化學和氣體化學特征分析，判斷不同泉點的水巖作用、循環(huán)特征、逸出氣成因；楊靜等（2019）利用水文地球化學方法，分析了夏縣溫泉水補給來源、溫泉類型。

山西定襄七巖泉水氡觀測始于1981 年6 月，日常采樣為混合泉水，長期觀測的背景資料有待完善。2008 年以來，該泉水氡測值呈上升趨勢，在水源點、采樣點及其周圍采集水樣并分析離子組分和同位素特征，判斷水質(zhì)類型，分析水—巖平衡狀態(tài)，并根據(jù)氫氧同位素特征判斷泉水補給來源，利用水文地球化學和水文物理學分析方法，分析該泉水氡測值異常上升原因及降水補給來源。

1 取樣環(huán)境

定襄七巖泉為承壓上升泉，屬寒武系灰?guī)r喀斯特裂隙溶洞水。泉點地處定襄縣茶房口村以南約500 m 的七巖山山谷西側(cè)，流體取樣點靠近系舟山北麓斷裂，附近石灰?guī)r、變質(zhì)巖等裂隙節(jié)理及溶洞較為發(fā)育，其中賦存的裂隙溶洞水在斷層附近呈群泉溢出。泉口處原有6—7 個出水泉眼，被沖積物所覆蓋，水氡觀測日常采樣為混合泉水，水溫約10.0 ℃，高于當?shù)啬昶骄鶜鉁兀s8.9 ℃）。由地貌、含水層及水溫條件判斷，地下水循環(huán)深度相對較大。

因水氡觀測房建造已久，取水點上游幾十米處陶瓷水管破裂，水流暴露在外。2014年8 月，改造為PVC 引水管道，之后水流量增大，水氡測值下降12 Bq/L（改造前后水氡采樣點在同一位置，水樣為混合泉水）。異常核實認為，氡值下降由觀測房內(nèi)取樣出水口密封不當所致。此后，水氡觀測動態(tài)特征趨于穩(wěn)定。

2 水氡異常及分析

2008 年以來，七巖泉水氡測值呈上升趨勢變化，2019 年4 月，在泉水上游到下游布設定襄1#—5#采樣點（圖1），依次進行現(xiàn)場取樣，并將樣品送原中國地震局地殼應力研究所地殼動力學重點實驗室測試水化學離子成分和氫氧同位素成分，并采用水文地球化學和物理學方法進行分析，判斷泉水補給來源，核實異常原因。

圖1 現(xiàn)場采樣點分布Fig.1 Distribution of sampling points on site

2.1 水文地球化學分析

采用水化學類型、離子成分、水—巖反應、氫氧同位素等方法，對七巖泉水樣進行水文地球化學分析，判斷七巖泉補給來源，分析水氡高值異常原因。

2.1.1 水巖化學平衡特征。水巖平衡分析用于體系開放與封閉的判斷，時間及運移過程的判斷（伍劍波，2013）。地下水中含F(xiàn)-、Cl-、NO3-、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、SO42+等離子，承載著流體來源、運移和巖石圈信息（張磊等，2016）。而水的電導率與水中所含的溶質(zhì)和雜質(zhì)呈正相關(guān)性（陳愛華，2013）。

（1）采樣點水樣離子成分。據(jù)有資質(zhì)的檢測機構(gòu)對送檢水樣的測試結(jié)果，定襄七巖泉5 個采樣點水樣離子成分主要有F-、Cl-、NO3-、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、SO42+，見圖2。

由圖2 可知：采樣點定襄3#各離子成分較其他采樣點均偏高，其中Cl-含量較高，表明3#泉水流程較遠，含溶質(zhì)和雜質(zhì)多；定襄泉1#、2#、4#、5#采樣點水樣化學組分接近，3#采樣點水樣離子成分明顯不同，其中前者水質(zhì)表現(xiàn)為Ca-Mg-HCO3型，3#采樣點為Ca-Mg-HCO3-SO4型，表明3#與其他采樣點水樣補給來源不同。

圖2 定襄七巖泉不同采樣點水樣離子成分Fig.2 The composition of different sampling points in Dingxiang Qiyan spring

（2）采樣點水質(zhì)分析。從piper 三線圖、durov 圖和Na-K-Mg 三角圖進行水質(zhì)分析，定襄泉各采樣點水樣水質(zhì)分析結(jié)果見圖3（圖中各化學元素均未添加離子符號）。由圖3（a）、（b）可見，定襄七巖泉為Ca-Mg-HCO3型水，表明地表水或降水對泉水影響較大。由圖3（c）可見，定襄七巖泉泉水屬于“未成熟水”，且為淺層地下水，主要接受大氣降水補給，循環(huán)周期相對較快，水—巖之間尚未達到離子平衡狀態(tài)，溶解作用仍在進行。

圖3 定襄泉及其周圍水質(zhì)（a）piper 三線分析；（b）durov 分析；（c）Na-K-Mg 三角分析Fig.3 Water quality of Dingxiang Qiyan spring and its surroundings

2.1.2 氫氧同位素特征。氫氧同位素方法是通過大氣降水，確定補給水源的水文地球化學方法。經(jīng)實驗室測試，定襄七巖泉δD 范圍在-73.57‰—-65.85‰，δ18O 范圍在-10.61‰—-9.50‰，結(jié)果見圖4。由上述分析可知，七巖泉水Ca2+占比較高，屬Ca-Mg-HCO3型低礦化度水質(zhì)，是典型的大氣水與巖石之間第一階段作用的反映，顯示了淺層水文循環(huán)特征。由圖4 可見：①七巖泉水氫氧同位素比值沿全球大氣降水線分布，結(jié)合賈振興等（2015）的研究結(jié)果，其比值亦靠近太原地區(qū)大氣降水線。泉水補給源為大氣降水的淺層地下水，水—巖反應程度較低，循環(huán)深度不大；3#與其他采樣點水源不同，體現(xiàn)在：3#采樣點出現(xiàn)在2 條大氣降水線上，為大氣降水，而其他采樣點位于2 條大氣降水線附近，為大氣降水經(jīng)巖石徑流積累水。

圖4 定襄泉氫氧同位素分析Fig.4 The analysis of hydrogen and oxygen isotope of Dingxiang spring

2.2 水文物理學分析

采用降雨干擾分析與地震活動分析的方法，對定襄七巖泉水氡進行高值異常分析，研判降雨對水氡動態(tài)的影響程度、引起水氡高值趨勢性異常的可能性及水氡高值異常是否對地震活動具有指示意義。

2.2.1 降雨干擾。定襄七巖泉為上升泉，降水量增大，泉水流量增加，水氡測值則出現(xiàn)明顯下降變化，分析認為氡值下降與降水量及泉水流量增大有直接關(guān)系。以2016 年夏季降水干擾為例，探討降雨量對定襄七巖泉氡含量的影響。據(jù)調(diào)查，2016 年7 月—9 月定襄當?shù)亟涤炅坷塾?14.7 mm，七巖泉水流量增大，氡含量短期內(nèi)出現(xiàn)大幅度下降，降幅大于50%（圖5）。實驗檢測雨水中氡的含量為0，可見降雨會降低測點泉水樣品氡含量。整理統(tǒng)計定襄當?shù)?010—2019 年降雨量及對應的七巖泉氡值變化，結(jié)果見表1。

圖5 2016 年7—9 月定襄水氡、流量及降雨量日值曲線Fig.5 The curves for data analysis of water radon from July to September in 2016

表1 定襄臺降雨量與水氡測值變化對比Table 1 Comparison of rainfall and water radon of Dingxiang Seismic Station

由表1 可知，受連續(xù)降雨影響，水氡測值先上升變化，當降雨量達到一定閾值時出現(xiàn)下降變化。其中，歷年降雨量累計均值為116.09 mm，當累計連續(xù)降雨量超過一定閾值（116 mm）時，水氡測值明顯下降。多年觀測發(fā)現(xiàn)，降雨僅造成氡值的短期變化，不會改變其年動態(tài)趨勢，由此排除降雨引起水氡高值趨勢性異常的可能。

2.2.2 地震活動。多年觀測發(fā)現(xiàn)，定襄七巖泉水氡具有映震異常，始測以來共出現(xiàn)4 組高值異常，前3 組高值異常與華北地區(qū)5 級以上地震有較好的對應關(guān)系，如：高文玉（2006）分析發(fā)現(xiàn)，定襄水氡高值異常與華北地震活動存在同源關(guān)系，反映了區(qū)域應力場的活動性；范雪芳等（2010）探討了定襄水氡、靜樂水位的異常特征，認為二者在華北和山西北部中強地震前均具有明顯的中期和中短期異常變化；呂芳等（2013）根據(jù)靜樂井的井—含水層系統(tǒng)對地殼應力—應變的響應能力較山西地區(qū)其他觀測井高及震例研究結(jié)果，認為靜樂井水位高值異常幅度與對應地震的震級及發(fā)震距離成正比，2007 年以來高值異常與觀測環(huán)境、降雨等無明顯關(guān)系，可能與區(qū)域應力場活動增強有關(guān)，其高值異常對山西北部中等地震具有指示意義；劉俊芳等（2016）分析認為，靜樂井能較為靈敏地反映地下應力變化特征，2015 年7 月以來靜樂井水位快速上升受降雨量、抽水試驗的影響較小，主要與生產(chǎn)用水的同層地下水開采量減少有關(guān)。根據(jù)歷史震例，結(jié)合定襄和靜樂當?shù)亟涤炅拷y(tǒng)計結(jié)果，對比分析1983—2019 年定襄泉水氡和靜樂井水位的高值異常與華北地區(qū)中強地震的對應關(guān)系，結(jié)果見圖6、表2。

由圖6、表2 可知，定襄水氡相對高值異常狀態(tài)與靜樂井水位高值異常同步。水氡和水位歷年動態(tài)顯示，降雨干擾不會造成高值趨勢性異常；定襄水氡與靜樂水位變化動態(tài)相似，其高值異常與華北及晉冀蒙交界區(qū)中強地震有較好的對應關(guān)系。因此，2008 年至今，定襄水氡高值異常可能反映了區(qū)域地殼應力變化。因泉點改造，2014 年七巖泉采樣點出水口裸露，造成水氡逸散，測值降低（郭宇等，2016）。

表2 定襄泉水氡、靜樂井水位觀測映震統(tǒng)計Table 2 Statistics of earthquake reflections of the radon observation in Dingxiang spring and water level observation in Jingle well

圖6 靜樂井水位、定襄泉水氡及其對應降雨月均值曲線對比Fig.6 Comparison of water level of Jingle well,water radon of Dingxiang spring,and their corresponding monthly mean value rainfall curves

3 結(jié)果與討論

對于定襄七巖泉2008 年以來出現(xiàn)的水氡測值上升趨勢變化，應用水文地球化學和水文物理學進行異常分析，研究認為：①水文地球化學分析：七巖泉泉水屬于“未成熟水”，主要補給源為大氣降水，循環(huán)周期相對較快，為大氣成因水，其水—巖反應程度較低，循環(huán)深度不大；在水化學類型、離子成分、水質(zhì)分析、大氣降水線位置分布、采樣位置等方面，3#采樣點水源為大氣降水，其他采樣點水樣為大氣降水經(jīng)巖石徑流積累的水；②水文物理學方法分析：降雨僅對水氡短臨動態(tài)造成干擾，年變動態(tài)不受影響；當累計連續(xù)降雨量超過一定閾值（116 mm）后，七巖泉水氡測值明顯下降。定襄水氡與靜樂水位變化動態(tài)相似，其高值異常與華北及晉冀蒙交界區(qū)中強地震有較好的對應關(guān)系。

通過綜合分析，發(fā)現(xiàn)定襄七巖泉水氡處于相對高值狀態(tài)與靜樂井水位2017 年9 月以來高值異常顯著同步，表明七巖泉水氡高值異常可能是區(qū)域構(gòu)造應力變化的反映。定襄七巖泉水氡與靜樂井水位準同步高值現(xiàn)象是否反映了二者具有地下流體的同源關(guān)系，以及該準同步現(xiàn)象是否反映區(qū)域應力可能達到新的動態(tài)平衡，有待積累資料進一步研究。