基于氫氧同位素分析南昌地震臺流體觀測井水補給來源

余 思 唐婷婷 許志山 陳江貽

（中國南昌330039 江西省地震局）

0 引言

地下水位觀測已成為地下流體監測的重要手段之一（劉耀煒等，2006），除受到井孔—含水層系統的應力、應變狀態變化影響外（蘭雙雙等，2010），大氣降水和地下水開采對井水位影響最為普遍（車用太等，2011）。因此，了解井口觀測補給源變化及井孔—含水層系統的應力、應變狀態變化尤為重要，有助于利用觀測資料識別前兆異常并準確把握震情。作為地下流體監測的重要手段，地下水位觀測，特別是深井觀測具有重要作用，但是水位觀測受到降雨和地下水開采的影響，對井水進行氫氧同位素和水化學實驗分析，可以解釋觀測井水的補給來源。

國內開展的地下流體觀測對于地震短臨預測具有較好的借鑒作用，其中水位觀測在地震短臨預報中曾有較成功的實例，因此查明井水補給來源及離子組分對于開展地震研究具有重要意義。南昌地震臺流體觀測井（下文簡稱南昌井）2013 年8 月22 日正式觀測，至今水位和水溫測項已積累大量觀測數據。文中選取南昌井2019 年12 月至2020 年1月的水樣及臺站附近大氣降雨樣品，分析井水位氫氧同位素和離子組分特征，探討井水補給來源。

2 研究區概況

江西省南昌地震中心臺（下文簡稱南昌臺，臺站代碼為nnc）建于1972 年，是含地震、形變、流體、電磁4 大學科的綜合地震監測臺站。臺站地處南昌市經開區梅嶺腳，構造主體以新華夏系NNE 向壓扭性斷裂占主導地位，北西部一系列NNE 向壓扭性斷裂組成多字型構造（圖1）。

圖1 研究區域南昌井地質構造Fig.1 Regional geological structure map of Nanchang Seismic Station

南昌井于2010 年成井，觀測含水層為基巖裂隙水，屬于小流量承壓自流井，從井孔柱狀圖（圖2）可知：井深221.8 m，套管向下延伸130 m，井深130 m 以下為泥漿止水，地表至地下5.5 m 為第四系粉質黏土，5.5—20.5 m 為微風化片麻巖，20.5—221.8 m為風化片麻巖，在35 m、48 m、67.7 m處有裂隙發育，地下水活動明顯，132—133 m 處有一條張裂隙發育，裂隙傾角約60°，裂隙寬度約0.6 m，在深度204—221 m 處未見明顯裂隙。在深度140 m、158 m、180.5 m、183—185 m 均有地下水活動跡象。

圖2 南昌中心地震臺水位井井孔柱狀圖Fig.2 The core graph of the well of Nanchang Seismic Station

2 樣品選取與處理方法

選擇2019 年12 月至2020 年1 月降雨時段，同步選取臺站附近大氣降水和南昌井水樣，進行氫氧同位素及離子組分對比分析。取樣嚴格按照標準進行，以保證測試的科學性和準確性。

使用專業的N4524-100 mL 低密度聚乙烯窄口瓶作為樣品容器，使用東華理工大學質譜科學與儀器重點實驗室去離子純水清洗。為了防止外界對水樣的污染并保證樣品的真實性，將容器瓶使用觀測井井水清洗3 次，采用溢流法采樣。大氣降雨采用相同步驟取樣。

每次取3 份樣品，使用帶螺旋的塑料瓶蓋進行密封處理，保留一份樣品作為備份，另2 份樣品由國家自然災害防治研究院（原中國地震局地殼應力研究所合并組建）進行測定，氫氧同位素分析采用Picarro 液態水同位素分析儀（L2130，美國）。氫、氧穩定同位素測定公式為

該式為相對于維也納標準平均海洋水（VSMOW）的千分差，R樣品為樣品中18O/16O (D/H)的比值；R標準為維也納標準平均海洋水（VSMOW）中18O/16O（D/H）的比值。測試精度δ18O＜0.025‰，δD＜0.1‰。

3 結果與討論

嚴格按照規范取水樣，通過對南昌井及大氣降水水樣數據進行氫氧同位素及水化學實驗分析，得到南昌井水體的主要離子組成，分析其補給來源以及補給水位高程。

3.1 水化學特征證據

利用水化學分析，可以揭示水體的主離子組成變化，體現水樣三線圖化學特征（劉鑫，2013）。Na-K-Mg 三角圖解可用來評價水—巖平衡狀態，用以研究成巖作用、流體活動歷史、成分和性質。水—巖相互作用以流體、地下水和巖石之間存在的化學或同位素的不平衡為前提，而物質成分相互交換作用產生的化學反應，是一個非平衡地球化學過程（章新平等，2003）。南昌井水樣Na-K-Mg 三角圖見圖3，可見：水樣中無明顯優勢陽離子，Na+、Ca2+離子占主體，而Ca2+由土壤交換形成，Na+來源于沉積物，表明該觀測井屬低礦化度地下水；水樣中優勢陰離子為HCO3－，表明該井屬重碳酸型水。

圖3 南昌井水樣Na-K-Mg 三角圖Fig.3 The piper diagram of the well water sample

南昌井水—巖反應見圖4，圖中曲線表示南昌井礦物平衡線，水樣靠近“未成熟水”區域右下角Mg 離子所在處，表明該觀測井水循環周期較快，水—巖反應尚未達到離子平衡狀態，水—巖作用仍在進行，據張磊等（2019）的研究，說明井水受地表水影響較大。

圖4 南昌井水—巖反應Fig.4 Water-rock interaction diagram of the well water

3.2 氫氧同位素證據

氫和氧是自然界中的2 種主要元素，而水是由氫氧元素組成的一種重要的化合物，水不僅參與自然界的各種化學反應和地質作用，而且是自然界各種物質運動、循環和能量傳遞的主要媒介物（王焰新等，1993）。氫氧同位素分析是研究地下水補給來源、年齡、循環過程的重要手段。利用該手段，可記載到水循環過程中的不同地質信息。利用Picarro 液態水同位素分析儀，測定南昌井地下水和大氣降水各2 份樣品的氫氧同位素，結果見圖5。圖中大氣降水線引自Craig（1961）的研究結果，方程如下

圖5 南昌井地下水和大氣降水氫氧同位素結果Fig.5 The results of hydrogen and oxygen isotopes of the underground fluids and atmospheric rainfall

式中，δ2H 為氫同位素實測比值，δ18O 為氧同位素實測比值。

由圖5 可知：①2 份南昌井水樣：氫同位素測值（δD）為-41.22‰ 與-38.68‰，平均-39.95‰，變異系數1.27；氧同位素測值（δ18O）為-7.59‰ 與-7.09‰，平 均-7.34‰，變異系數0.25。2 份水樣的實驗結果較為接近；②2 份大氣降水樣品：氫同位素測值（δD）為-37.13‰與-25.73‰，平均-31.43‰，變異系數5.7；氧同位素測值（δ18O）為-6.75‰與-5.17‰，平均-5.96‰，變異系數0.79。2 份樣品的氫同位素測值（δD）波動較大，但均分布在全球大氣降水線附近。

由實驗數據可知，在南昌井地下水和當地大氣降水樣品中，氫同位素測值均遠大于氧同位素的值。由水樣變異系數可知，在大氣降水中，氫同位素（δD）和氧同位素（δ18O）的變異系數均比南昌井地下水高。而變異系數是衡量2 組數據離散程度的物理量。一般來說，數據波動越大，其離散程度也越大，反之越小。

通過進一步分析，得出以下結論：①不論是地下水還是降水，氧同位素（δ18O）均較氫同位素（δD）變化穩定，可能由氫、氧元素動力分餾速率不同引起（章新平等，2003）；②大氣降水的氫、氧同位素測值波動大于地下水。這是因為，對于降水而言，氫氧同位素的循環發生在大氣中，與水汽源地、水汽輸送歷史、相變過程、水汽的補充和交換等相關。而地下水循環則需通過補給和排泄2 個環節參與到自然界水循環，使得降水的氫氧同位素變化幅度及變化速率均較大（鮑志誠等，2019）。

由圖5 可知，南昌井地下水和大氣降水氫氧同位素測值均靠近全球大氣降水線，且均偏右下方，表明南昌井水體為淺層地下水，主要來源為大氣降水，說明測區地下水與圍巖介質發生了水—巖相互作用。一般情況下，不能只考慮大氣降水補給，應同時考慮地表徑流、遠場降水補給、庫水補給等因素，而從南昌井周邊地質構造和環境可知，附近并未發現明顯的地表徑流和水庫補給，故其補給來源主要為地下水。

3.3 補給高程

利用高程梯度值可以進一步估算出研究區地下水的補給高程，其計算公式如下

式中：H為補給區高程；h為取樣點高程；δG為取樣點的δD 或δ18O 值；δP為取樣點附近大氣降水（補給水）的δD 或δ18O 值；K為δD 或δ18O 高程梯度值。

已有研究（歐陽慶等，2011）認為，不同高程數據與其氫氧同位素的線性回歸可擬合得到研究區氫氧同位素高程梯度值，在研究地下水補給高程時，該梯度值在局部范圍內可以通用。據歐陽慶等（2011）的研究，九江廬山地區δD 的高程梯度為-1.38‰/100 m，即每升高100 m，δD 減小1.38‰；據李鷺（2018）的分析，宜春地區δD 的高程梯度為-2‰/100 m。取兩地δD 的K值平均值，即為-1.69‰/100 m；h為南昌地震臺高程，h=78 m。經計算，得出南昌臺地下水補給高程約582 m。

4 結論

通過對南昌井水化學實驗分析，得出以下結論：①通過氫氧同位素分析，可知南昌井井水補給主要來自大氣降水；②由水化學三線圖可知，南昌井井水屬于未成熟水，表明循環周期相對較快，地下水與圍巖介質發生了比較明顯的水—巖作用，與氫氧同位素分析結果相吻合；③南昌井水優勢陰離子為CHO3－，屬重碳酸性水；無明顯優勢陽離子，其中陽離子組分主要有Ca2+和Na+（Ca2+來自土壤交換，Na+來自沉積物），表明南昌井井水屬于低礦化度地下水；④根據水化學實驗分析結果，南昌井總體屬于大氣成因型且循環過程較為穩定的裂隙水補給承壓井，裂隙水補給來源主要為大氣降水下滲。