基于水化學(xué)分析的滇17井流體異常識別及應(yīng)用*

田 雷，余懷忠，周志華

(中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045)

0 引言

水文地球化學(xué)方法已成為地震觀測預(yù)報的重要手段之一(Wakita，2009)。大量研究及觀測發(fā)現(xiàn)地震常伴有流體地球化學(xué)異常變化(Scholzetal，1973；張煒，1988；Duetal，2008；Skeltonetal，2015；Wang，Manga，2015)。其主要的機(jī)理是在地震的孕育發(fā)生過程中，地球深部的物理化學(xué)反應(yīng)會導(dǎo)致補(bǔ)給關(guān)系、水巖反應(yīng)等條件發(fā)生改變，從而導(dǎo)致地下水的化學(xué)組分產(chǎn)生明顯變化。主要有以下幾種原因：①在應(yīng)力積累或地震發(fā)震過程中，由于巖石破裂破壞含水層結(jié)構(gòu)，使不同層位的地下水或地表水產(chǎn)生混合(Duetal，2010)；②由于熱力及應(yīng)力積累作用地殼深部高溫流體向上流動，導(dǎo)致圍巖發(fā)生隱爆，使其向上發(fā)生越流，這也是多數(shù)中、深源大震引起地?zé)帷㈦妼?dǎo)以及流體地球化學(xué)異常變化的原因(Nishizawaetal，1998)；③應(yīng)力積累導(dǎo)致巖石發(fā)生微破裂，產(chǎn)生了新鮮的巖石斷面或產(chǎn)生了壓溶效應(yīng)，引起水化學(xué)組分變化(Inanetal，2012)；④在地震孕育和發(fā)生過程中，由于地震波的作用使礦物顆粒表面吸附的物質(zhì)脫附，形成可以觀測到的地球化學(xué)變化(Teng，Ta，1980；Igarashietal，1995)。上述①～③條原因與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力的變化直接相關(guān)，原因④所造成的觀測數(shù)據(jù)變化是由地震波的傳播造成的，且從持續(xù)時間和變化幅度上都與其他3條原因不同，易于識別和區(qū)分。

1 滇17井水文地質(zhì)條件

滇17井位于云南省普洱市思茅區(qū)大寨村，屬于無量山—營盤山斷裂帶、普洱斷裂，所屬構(gòu)造單元位于蘭坪—思茅中新生代斷陷盆地，該盆地沉積物主要由三疊系、侏羅系和白堊系組成，其上局部地層疊加覆蓋著新生代地層，地層厚度較大，但各層系有不同程度缺失。盆地內(nèi)地表第四系覆蓋層厚21.54 m，下埋白堊系景星組下段，以紫紅色泥質(zhì)、粉砂質(zhì)的白質(zhì)基底泥巖及灰白色石英砂巖為主。

滇17井從1984年開始進(jìn)行水位觀測，1997年開始進(jìn)行水化學(xué)離子觀測，觀測期間積累了較多數(shù)據(jù)及一定震例。水位觀測能夠清晰地記錄到其周邊部分5級以上地震的水震波，水化學(xué)測項為日值觀測，連續(xù)性較好。井孔標(biāo)高1 497 m，井深112.27 m，位置在(101.05°E，22.73°N)，為動水位自流井觀測。據(jù)井孔剖面圖顯示(圖1)，地下14.03～26.69 m存在粉砂狀類粉砂質(zhì)泥巖，為良好的隔水層，下伏地層為有溶蝕現(xiàn)象的粉砂巖，是良好的承壓含水層，富水性較強(qiáng)，不易受淺層地下水等其他水體干擾。

筆者通過對滇17井進(jìn)行實(shí)地調(diào)查及取樣，發(fā)現(xiàn)該觀測井位于山間盆地中，周圍無高大建筑，周邊沒有大型的工業(yè)企業(yè)，居民較少、用水量不大、地下水埋深較淺，且沒有發(fā)現(xiàn)與觀測井位于同—含水層的抽注水井，判定該觀測井周邊環(huán)境良好，存在干擾的可能性較小。通過檢查觀測系統(tǒng)及操作流程，采樣及樣品檢測符合地震前兆觀測規(guī)范，未發(fā)現(xiàn)明確的人為影響。因此，觀測數(shù)據(jù)異常與人為操作失誤沒有明顯聯(lián)系。

圖1 滇17井井孔柱狀圖

2 基于水化學(xué)分析的二階差分方法

筆者利用水文地球化學(xué)方法，分析滇17井含水層的水化學(xué)組分及其與周邊大型地表水體的水力聯(lián)系情況，在確定導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)變化的物質(zhì)來自于地殼內(nèi)部之后，通過二階差分方法，確定數(shù)據(jù)二階差分結(jié)果，提取有效異常變化信息。

水文地球化學(xué)方法主要是利用水化學(xué)檢測分析方法和理論，確定觀測井含水層的水化學(xué)組分，及含水層與周邊大型地表水體的水力聯(lián)系情況。主要分析方法有Piper圖(Piper，1944)、氫氧同位素分析等方法。Piper圖是根據(jù)物質(zhì)的水化學(xué)元素組成，判斷物質(zhì)的水化學(xué)類型，在菱形區(qū)域進(jìn)行投影，并分析樣品間的差別(陸徐榮等，2010)。氫氧同位素分析方法主要是判定地下水及地表水與大氣降水之間氫氧同位素的關(guān)系(Craig，1961)。

在地殼應(yīng)力加載過程初期，地殼出現(xiàn)擠壓、拉張或滑動趨勢，而一些脆弱的巖石或構(gòu)造體在應(yīng)力積累過程中會產(chǎn)生破裂，大構(gòu)造體會產(chǎn)生微裂隙，地下水進(jìn)入這些裂隙后，與新鮮的巖石斷面發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致水化學(xué)成分發(fā)生改變(M?rthetal，2004；Woithetal，2013)。由于應(yīng)力加載的強(qiáng)度變化，不同巖石及構(gòu)造體的破裂程度的復(fù)雜性和不確定性，以及水巖反應(yīng)的速率隨著反應(yīng)時間、地下水壓力、溫度及流速等因素的變化，導(dǎo)致觀測含水層水化學(xué)組分的含量及變化速率產(chǎn)生大幅度波動，通過差分處理后顯示較為直接。同時，在應(yīng)力積累過程中，原本的隔水層由于應(yīng)力作用產(chǎn)生新的通道或滲透率發(fā)生了明顯的改變，導(dǎo)致地下水出現(xiàn)越流現(xiàn)象，使不同層位的含水層產(chǎn)生了混合，導(dǎo)致水化學(xué)組分含量發(fā)生變化。由于應(yīng)力加載過程中孔隙、裂隙的變化情況不均一，水量的混入量及越流發(fā)生程度及范圍變化過程較為復(fù)雜，水化學(xué)組分變化速率差別較大，從而引起了二階差分結(jié)果的高頻次異常波動(Thomas，1988；Claessonetal，2007)。

本文通過對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行去突跳及應(yīng)用二階差分5階模型提取相關(guān)的異常變化特征信息(晏銳等，2007；蘭雙雙，遲寶明，2010)。二階差分模型是數(shù)據(jù)處理中的一種常用分析方法，差分是一種壓抑長周期、突出短周期變化的線性濾波(朱成英等，2011)。這種處理方式能夠表現(xiàn)出二階差分結(jié)果的變化情況，一定程度上能夠了解地殼介質(zhì)的應(yīng)力狀態(tài)(莫承彬，覃佑邦，1995；韋忠禮，1999；由志福，鐘約先，1999)。觀測數(shù)據(jù)的一階差分結(jié)果：

我國高校機(jī)構(gòu)庫建設(shè)發(fā)展緩慢，與機(jī)構(gòu)庫建設(shè)者對機(jī)構(gòu)知識庫的宣傳不足不無關(guān)系。關(guān)于這點(diǎn)，文章《國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)和高校機(jī)構(gòu)知識庫規(guī)劃建設(shè)現(xiàn)狀與問題研究》[8]中有所研究。在該論文中，作者分別對中國科學(xué)院各個研究所以及國內(nèi)高校的科研人員、圖書館信息服務(wù)人員、決策管理人員進(jìn)行了研究，針對他們對機(jī)構(gòu)知識庫的認(rèn)知和需求差異進(jìn)行調(diào)研，調(diào)研結(jié)果顯示“科研人員和圖書信息人員對IR的認(rèn)知程度差不多，各有70%以上人員從未聽說或使用過IR”。作為學(xué)術(shù)交流和機(jī)構(gòu)庫發(fā)展較為集中的我國高校和科研院所的教師和科研人員尚且對開放獲取和機(jī)構(gòu)庫知識的認(rèn)知還不夠理想，也在一定程度上反映了機(jī)構(gòu)庫建設(shè)者對機(jī)構(gòu)庫的宣傳不足。

(1)

式中：xi表示采樣時間；f(xi)表示xi時刻的測值；Δx為時間步長。由于水化學(xué)觀測數(shù)據(jù)為日值觀測，(1)式可寫為(任曉霞等，2004)：

f′(xi)=f(xi+1)-f(xi)

(2)

再次求導(dǎo)可得觀測數(shù)據(jù)的二階差分結(jié)果：

f″(xi) =f′(xi+1)-f′(xi)

=f(xi+2)-2f(xi+1)+f(xi)

(3)

3 結(jié)果與分析

3.1 地球化學(xué)分析結(jié)果

筆者共進(jìn)行了2次取樣，分別為2016年1月及10月，每次采集4組樣品：滇17井中的自流井水，距離滇17井8 km的信房水庫水，距離滇17井5 km的梅子湖的湖水，距離滇17井0.5 km的村民自建機(jī)井的淺層地下水。這4組樣品分別代表了滇17井所觀測的承壓含水層中水的不同類型：可能與觀測含水層存在季節(jié)性補(bǔ)給的水庫水，水量較穩(wěn)定的潛在干擾源的湖水，以及與觀測的承壓含水層最可能產(chǎn)生水力聯(lián)系的淺層地下水。

根據(jù)水樣檢測結(jié)果，2次取樣數(shù)據(jù)差別較小，選取10月的取樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。采用OHAUS的便攜式檢測儀器對水樣的pH值、溫度、TDS、電導(dǎo)率進(jìn)行檢測，水化學(xué)組取樣采用250 mL經(jīng)去離子水清洗的帶塞附蓋塑料瓶，取樣4瓶，2瓶用于水化學(xué)組分分析，2瓶用于氫氧同位素分析。水化學(xué)組分由中國地質(zhì)大學(xué)(北京)水質(zhì)分析實(shí)驗室完成，分析儀器是DIONEX-120型離子色譜儀；氫氧同位素分析由核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試中心完成，采用儀器為Picarro L2130-i，分析結(jié)果如表1所示。

表1 滇17井及周邊水體樣品水化學(xué)分析結(jié)果

Piper圖結(jié)果表明(圖2)，滇17井的水化學(xué)投影位置位于菱形投影區(qū)域的下部偏左，而另外3組水樣均位于區(qū)域中間偏左，距離較遠(yuǎn)。證明滇17井與其他水樣的水化學(xué)組成及類型差別較大。根據(jù)Piper圖在不同區(qū)域的投影位置特點(diǎn)，觀測井中堿金屬與堿土金屬含量相近，弱酸根大于強(qiáng)酸根，與其他水體的檢測及分析結(jié)果存在較大差異。以上表明，滇17井所觀測含水層中的水在其徑流過程中與圍巖發(fā)生了一定程度的水巖反應(yīng)，其徑流路徑及循環(huán)時間較長(王瑞久，1983)。

圖2 滇17井及周邊水體水化學(xué)成分Piper圖

Fig.2 The Piper diagram of the gydro-chemical component of the Dian-17 Well and surrounding reservoirs

大氣降水線方程為：δ2H=8δ18O+10(G.M.W.)(Craig，1961)；我國西南地區(qū)的降水線方程為：δ2H=7.87δ18O+11.09(L.M.W.)(黃天明等，2008)。對所取水樣品的氫氧同位素組成與西南地區(qū)大氣降水線進(jìn)行對比(圖3)，發(fā)現(xiàn)滇17井的同位素組成與地表水體及淺層地下水的同位素組成差別較大。根據(jù)大氣降水氫氧同位素組成演化規(guī)律(圖4)，地表水由于蒸發(fā)等作用會向右偏離大氣降水線(章新平，姚檀棟，1994；顧慰祖，2011；張磊等，2016)。

圖3 滇17井及周邊水體氫氧同位素組成

滇17井的水文地球化學(xué)調(diào)查分析顯示，該井水體與淺層地下水及地表水體沒有直接水力聯(lián)系，且滇17井的氫氧同位素較接近于西南地區(qū)大氣降水線，證明該含水層的最終補(bǔ)給來源為大氣降雨，但該含水層中的水經(jīng)過較長時間的地下徑流，水化學(xué)組成及類型與淺層地下水及地表水不同。觀測井觀測數(shù)據(jù)的大幅度變化，均為含水層中水體真實(shí)變化，反應(yīng)了真實(shí)的含水層中組分及含量的變化情況，因此可應(yīng)用于二階差分分析。

3.2 二階差分結(jié)果

良好的承壓含水層水化學(xué)組分的改變，主要依賴于水巖反應(yīng)的反應(yīng)程度，而能夠改變其反應(yīng)程度的影響因素則可歸結(jié)為巖石本身性質(zhì)及地下水狀態(tài)。巖石的性質(zhì)包括巖石巖性、與水發(fā)生水巖反應(yīng)的巖石表面積及裂隙大小等；而地下水狀態(tài)包括地下水流速、溫度、壓力、水化學(xué)性質(zhì)及水巖反應(yīng)時間等，這些因素都能夠影響水巖反應(yīng)的程度。

圖5 滇17井觀測曲線及其二階差分結(jié)果(a-2，b-2，c-2)與地震對應(yīng)關(guān)系Fig.5 The relationship between the observation curve of calcium(a-1)，magnesium(b-1)，bicarbonate(c-1) and the corresponding relationship between their second order differe-ntial results of the Dian-17 Well and earthquakes(a-2，b-2，c-2)

在應(yīng)力加載過程中，巖石產(chǎn)生的破裂，地下水的壓力、流速會隨著應(yīng)力加載的改變而改變，應(yīng)力積累程度越高，巖石破裂程度越大，差異性也越大，同時地下水流速、壓力等也會產(chǎn)生較大變化，這些過程都會導(dǎo)致水巖反應(yīng)程度的差異。而二階差分能夠反映水巖反應(yīng)速率的差異，這種差異能夠側(cè)面反映應(yīng)力積累的程度，即指示該區(qū)域的應(yīng)力積累情況。

圖6 滇17井周邊500 km內(nèi)5級以上地震及取樣點(diǎn)位置分布圖(2004-01-01—2017-06-30)

從圖5可以看出，滇17井水化學(xué)數(shù)據(jù)的長期觀測曲線由于存在一定年變及地震震后效應(yīng)，觀測數(shù)據(jù)與地震的對應(yīng)關(guān)系不明顯。以滇17井的Ca2+為例(圖5a)，通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行二階差分處理，得到的二階差分結(jié)果較原始觀測曲線發(fā)生了明顯變化。在強(qiáng)震發(fā)生之前，觀測數(shù)據(jù)的二階差分結(jié)果都存在一定幅度的高頻波動，5～5.9級地震前多以短時間高頻并伴有突跳的情況出現(xiàn)，高頻情況并不突出；6級以上地震高頻情況較為顯著，2007年普洱6.4級地震及2014年景谷6.6級地震前，均出現(xiàn)了高頻波動現(xiàn)象，2011年緬甸7.2級地震前高頻現(xiàn)象更加明顯。同時，在地震較為平靜的2011下半年至2014上半年的3年內(nèi)，其二階差分結(jié)果均出現(xiàn)了相對的平穩(wěn)變化期，各水化學(xué)測項處理結(jié)果變化也較為平穩(wěn)，可作為平靜期背景值的數(shù)據(jù)參考。

4 結(jié)論

滇17井所觀測的含水層為承壓含水層，埋藏較深，觀測數(shù)據(jù)受外界干擾的可能較小。

對滇17井水化學(xué)及氫氧同位素檢測結(jié)果表明，觀測的承壓含水層與周邊大型地表水體及淺層地下水沒有直接快速的水力聯(lián)系，受周邊地表水體、淺層地下水及大氣降雨直接補(bǔ)給的干擾較??；該含水層中的地下水徑流過程中經(jīng)過一定的水巖反應(yīng)，離子含量較地表水及淺層地下水含量較高，符合低礦化度水流經(jīng)砂巖徑流區(qū)后，發(fā)生水巖反應(yīng)，形成高礦化度水的水化學(xué)類型及水文地球化學(xué)過程，但該含水層中的水仍為未成熟水，水體成熟度較低，沒有經(jīng)過地下熱源的加熱作用(Zhouetal，2010)。

由氫氧同位素的構(gòu)成情況可知，滇17井含水層的最終補(bǔ)給來源為大氣降雨，但徑流時間較長，發(fā)生了一定的同位素交換及演化過程。而地表水則受同位素蒸發(fā)作用影響，向右側(cè)偏離該區(qū)域的大氣降水線，在同位素的構(gòu)成上與承壓含水層中的水存在較大差異。

結(jié)合二階差分方法，得到滇17井觀測數(shù)據(jù)二階差分結(jié)果中的高頻及突跳部分，這些異常波動來自于巖石破裂所產(chǎn)生的新鮮斷面和地下水流速及壓力等條件的改變，這些異常波動能夠較為準(zhǔn)確地反應(yīng)滇17井周邊區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力變化的情況。在周邊有中強(qiáng)地震發(fā)生時，二階差分結(jié)果出現(xiàn)明顯的異常高頻次波動，且伴隨有高值突跳，而在地震相對平靜時期，其變化較為平穩(wěn)。

本文提出的水化學(xué)與數(shù)據(jù)處理結(jié)合的方法能夠確定觀測井與周邊水體的水化學(xué)差異，判定其水力聯(lián)系情況，進(jìn)而排除干擾因素，在此基礎(chǔ)上，通過二階差分方法，能夠準(zhǔn)確提取滇17井水化學(xué)測項在震前出現(xiàn)的高頻波動異常信息，為該地區(qū)區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力的改變提供有力的證據(jù)，也為該區(qū)域未來地震趨勢的判定提供有力支撐。

中國地震臺網(wǎng)中心孟令媛、韓顏顏等在論文撰寫方面提出了寶貴意見，云南省地震局高文斐提供了觀測數(shù)據(jù)，在此一并表示衷心感謝。