昆明地震臺流體觀測井水文地球化學特征

2022-04-25 07:10:18李圣錢文品張光順何應文楊玲英卿元華羅嘉錚

地震地磁觀測與研究 2022年1期

李圣張立錢文品張光順何應文楊玲英卿元華羅嘉錚

1）中國昆明650224 云南省地震局

2）中國四川611130 成都師范學院史地與旅游學院

3）中國四川610059 成都理工大學能源學院

0 引言

地震地下流體是指與地震孕育、發生或構造活動有直接聯系的、賦存于地殼巖體孔隙中的水、氣、油等物質（劉耀煒等，2000），地下流體監測在地震短臨預測中起著重要作用（楊秋野等，2020）。地下水的地球化學研究對判定地下水的水化學類型、循環深度、水—巖作用強度，以及探討水體之間的水力關系具有重要作用（張國盟等，2015；胡小靜等，2020；盛艷蕊等，2020）。利用地下水氫、氧同位素的變化特征可判斷地下水水—巖作用和混合作用強度，以進一步推斷水位異常的影響因素及區域構造活動情況（Claesson et al，2004，2007）。根據地震前后氫、氧同位素的變化特征，可較好地識別地下水成分改變與區域構造活動間的關系（Skelton et al，2014）。因此，利用化學元素、同位素開展地下流體的示蹤和分析，對于判定水位異常、震前跟蹤分析及預測區域構造活動情況具有重要作用。

2018 年地球化學背景調查時，曾對昆明基準地震臺流體觀測井（以下簡稱昆明臺井），作過井水化學測試工作。該井北約80 m 處有一漁塘，漁塘面積800 m2，平均深度5 m，總容積約4 000 m3。全年蓄水，但有季節性變化。本文以水化學分析為手段，結合水文地質、構造地質等基礎資料，對昆明臺井地下水的地球化學特征進行研究，探究昆明臺井地下水地球化學時空變化過程，明確地下水補給來源，以及昆明臺井與昆明臺漁塘之間的水力關系，以期為昆明臺井地下水地震觀測提供理論依據。

1 昆明臺井水文地質概況

昆明基準地震臺位于昆明市北部約13 km 處，所在地區斷裂構造發育，臺站東、西兩端有近SN 向斷層不連續分布，臺站北側有近EW 向斷層分布，連續出露約62 m。其中，臺站北側斷層為右旋走滑斷層，兩側巖石破裂寬度約15 m，北盤為灰巖，走向N250°E，傾向SE，傾角350°；南盤為玄武巖，斷層走向近EW，傾向N。昆明臺井位于昆明基準地震臺西側約40 m 處，黑龍潭北側沖溝東部，高程1 975 m，地處滇東斷裂系NS 向黑龍潭—官渡斷裂上[圖1（a）]。井深280.20 m，在0—199.00 m 孔段進行了永久性井壁保護，井內59.00 m 處作永久性止水，199.00—249.00 m 為濾水管，249.00—280.20 m 以下為裸孔[圖1（b）]。地下水為巖溶裂隙承壓水，隔水層為玄武巖，含水層為二疊系茅口組、棲覆組白云質灰巖。昆明臺井于2004 年6 月成井，2006 年用于流體觀測。水溫一般為17.79—17.97 ℃，溫度變化較小，10 月溫度最高，達17.96 ℃，3 月溫度最低，為17.81 ℃。水位為18.12—27.88 m（圖2），變化較大，9—10 月水位埋深較淺，水位高，均值22.41 m；3—4 月水位埋深較深，水位低，為27.13 m。

圖1 采樣點分布示意圖（a）和昆明臺井孔柱狀圖（b）Fig.1 The Sketch map of sampling point distribution (a) and column chart of well bore of Kunming Seismic Station well (b)

圖2 昆明地震臺靜水位（a）、降水量（b）Fig.2 The dynamic curve of well water level (a) and precipitation (b)

2 取樣與測試結果

2020 年11 月23 日對黑龍潭地區昆明臺井、昆明臺漁塘共2 個水體點進行了樣品采集，采樣點空間分布如圖1（a）所示。先用取樣器放入水下3 m 處取水，將水裝于100 mL 的聚乙烯塑料瓶。取樣前塑料瓶已用超凈水清洗，裝樣時再用所采水樣沖洗3 次，為了避免水中元素沉淀或氧化，還需將瓶內空氣排凈，然后密封保存。將2018 年水化學背景監測水樣樣品編號為KMT1，將2020 年11 月23 日昆明臺井水（地下水）、漁塘水（地表水）兩水體采集水樣編號為KMT2、KMT3。3 個水樣的水質分析和同位素測試委托國家自然災害防治研究院地殼動力學重點實驗室負責完成，具體測試結果見表1。

表1 昆明臺井及漁塘水樣化學分析結果Table 1 The chemical composition of water samples in Kunming Seismic Station well and fish pond

3 水化學特征及分析

根據2 個水體的現場測試結果（表1）可知，昆明臺井地下水pH 值為8.38，漁塘水pH值為8.90，均為堿性水。昆明臺井水和漁塘水的氧化還原電位分別為94 mV、129 mV，電導率分別為212 μs/cm、158 μs/cm，表明2 個水體水化學成分有一定差異。

3.1 水質類型

昆明臺井地下水含水層巖性為溶蝕孔較發育的云質灰巖，地下水在滲流過程中會不斷地與圍巖介質發生水巖相互作用，使得地下水中的化學成分出現差異性（張洪志等，2015）。白云質灰巖的礦物成分陽離子組分主要為Ca2+、Mg2+離子，隨著水—巖作用的進行，Ca2+、Mg2+從巖石中析出，改變了地下水陽離子組成。昆明臺井隔水層為二疊系玄武巖，該巖石富含鐵鎂質硅酸鹽礦物，在近地表常溫、常壓條件下不穩定，容易與地下水發生化學反應，析出Fe2+、Mg2+、Ca2+、Na+、K+。昆明臺井地下水陽離子以Mg2+、Ca2+、Na+、K+為主，可見含水層巖性、隔水層巖性是控制昆明臺井地下水水化學類型的主要因素之一。

圖3 昆明地震臺井和魚塘水piper 三線圖（a）和schoeller 圖（b）Fig.3 The piper diagram (a) and schoeller diagram (b) of water in Kunming Seismic Station well and fish pond

3.2 水化學組分演化特征及分析

圖4 距昆明地震臺井50 km 范圍內ML ≥2.0 地震M—t圖Fig.4 TheM-tdiagram of earthquakes withML ≥2.0 in the 50 km range of Kunming Seismic Station well

3.3 水—巖化學平衡特征及分析

Na—K—Mg 三角圖解能很好評價水—巖化學平衡狀態，區分不同類型水樣及判斷地下水循環深度（胡小靜等，2020）。將2018 年、2020 年昆明臺井水和漁塘水的水樣數據繪制成Na—K—Mg 三角圖[圖5（a）]。由圖5（a）可見，昆明臺井2018 年、2020 年水樣點及漁塘水樣點均位于未成熟水區域，處在 Mg 端元，表明井水、漁塘水的循環周期較快，水—巖作用較弱，尚未達到離子平衡狀態，溶解作用依舊在進行。

3.4 氫、氧同位素特征及分析

Graig（1961）提出全球大氣降水線，其降水方程為

其中，δD 為氫同位素實測比值；δ18O 為氧同位素實測比值。式（1）的提出有利于氫、氧同位素水循環研究的示蹤，可根據δD 和δ18O 的含量和分布特征來分析地下水的補給來源。朱秀勤等（2013）計算出了昆明地區的大氣降水線，其降水方程為

本研究依據式（1）、（2）為基線，對井水、漁塘水的氫、氧同位素作了投點，最終得到各水體的氫、氧同位素關系[圖5（b）]，該結果可以用來說明各個樣品的來源及其相互轉化關系。昆明臺井水和漁塘水的氫、氧同位素特征差別較大，但都靠近區域大氣降水線，表明同為大氣降水補給。昆明地震臺漁塘水δD、δ18O 濃度顯著大于井水相應值，這主要是與漁塘水作為地表水經歷了較強的蒸發作用有關（張磊等，2016），同時也說明，昆明臺井地下水存在其他來源的地表水補給。由圖5（b）可見，2020 年昆明臺井水與2018 年相比，向右上方偏移，氫、氧同位素富集，原因可能是自2018 年7 月至2020 年11 月水—巖作用增強。結合考慮昆明臺井地下水離子組分演化特征及其與漁塘水離子組成的較大差異認為，氫、氧同位素富集主要原因應是水—巖作用增強。

圖5 昆明地震臺井及漁塘水水化學Na—K—Mg 三角圖（a）和氫、氧同位素組成（b）Fig.5 The trigonometry map of hydrochemistry of Na-K-Mg (a) and the composition of hydrogen and oxygen Isotopes (b) in well water and fish pond water of Kunming Seismic Station

3.5 井水補給高程

已有研究表明，δD、δ18O 具有高程效應，即δD、δ18O 會隨高程的增加而降低（盛艷蕊等，2020），利用該原理可計算出昆明臺井水的補給高度。昆明臺井水補給區的確定有利于分析區域降雨對井水位變化的影響。根據同位素效應計算補給區的公式為（李學禮等，2010）

其中，H為補給區高程；h為取樣層高程；δs 為所取水樣的δD 或δ18O 值；δp 為所取水樣點附近大氣降水的δD 或δ18O 值。據已有資料，δD 值取-54.209‰，δ18O 值取-7.763‰（朱秀勤等，2013）；K為同位素高度梯度。取δ18O 隨高程的變化梯度-0.276‰/100 m（柳鑒容等，2009），計算出昆明臺井水的補給高程為1 965 m，根據黑龍潭地區的地形地貌及高程特征，確定補給區為觀測井正北的石關一帶。

3.6 觀測井與昆明臺漁塘之間的水力關系

如上所述，昆明臺漁塘水和觀測井水的水化學組分相似，化學類型和水巖作用強度相似，表明二者水體成因相似，加之二者都處在區域降水線下方，補給來源都為大氣降水，井水和漁塘水之間可能存在水力關系。圖6 為2020 年昆明地震臺漁塘水位、井水位、降雨量。由圖6 可見，降雨過后二者水位曲線都呈現先增加、后減少的趨勢，其不同點在于漁塘水作為地表水對降雨量的效應出現較快，而井水對降雨量導致的水位上升效應較滯后。但整體上來看，二者水位相關性較好，這間接說明井水、漁塘水間存在水力關系。據圖1（b）可知，觀測井與漁塘都位于黑龍潭—官渡斷裂上，故推測漁塘水是通過斷層通道緩慢運移、壓力傳導、滲透等因素影響井水位而非直接的水力貫通。因此，漁塘水對昆明地震臺流體觀測井有一定程度的影響，后期抽水時可能會引起井水位下降，在后續分析中應考慮進去。但考慮到二者氫、氧同位素組成差異較大的緣故，可以判定漁塘水不是影響井水的主要因素。