騰沖地震臺井水位受環(huán)境影響實驗分析*

段勝朝，張 立，楊銘昌，孫自剛

(1.云南省地震局 騰沖地震臺，云南 騰沖 679100；2.云南省地震局，云南 昆明 650224)

0 引言

云南是一個多震區(qū)域，進(jìn)行地下水動態(tài)變化觀測的臺站也較多。大多數(shù)臺站的地下水動態(tài)觀測有可能會監(jiān)測到地震前兆異常信息，但常有較多的環(huán)境干擾因素混淆其中。因此，如何及時排除干擾識別地震異常信息，對于準(zhǔn)確判斷把握地震前兆異常信息是至關(guān)重要的(孫小龍等，2016)。一般在識別地下水動態(tài)的干擾分析中，主要把握“四個相關(guān)性”，即成因、空間、時間及強度的相關(guān)性(車用太等，2011)。通過這些相關(guān)性的分析，可以定性定量地認(rèn)識地殼淺層觀測井水位、水溫等物理觀測量受環(huán)境等外界因素的影響。

近年來，許多學(xué)者結(jié)合水物理和水化學(xué)方法，廣泛開展了地下水異常等分析研究工作(張磊等，2014；張濤等，2016；方震等，2016；胡小靜等，2018)，取得較多研究成果。本文利用云南騰沖地震臺的地下水動態(tài)觀測資料，應(yīng)用水物理方法和水化學(xué)方法相結(jié)合的實驗分析方法，對多年的觀測資料變化進(jìn)行了分析研究，探討其異常變化的原因。

1 井孔概況及環(huán)境影響

騰沖地震臺(以下簡稱“騰沖臺”)流體觀測井位于騰沖縣城東南郊騰越鎮(zhèn)董庫村地震臺內(nèi)，距離城區(qū)約3 km。井孔位于NE向大盈江斷裂與SN向怒江斷裂交匯處(圖1a)，處于騰沖盆地東側(cè)近山麓地帶，盆地屬熔巖盆地堆積地貌類型，東山區(qū)為近代火山巖分布區(qū)，屬火山穹丘地貌類型，火山呈近南北向線狀排列。該井成井于1999年，井深120 m，非自流井，屬靜水位觀測。井壁套管下至井下60 m，直徑為160 mm。包網(wǎng)濾水管在井下60～117 m，直徑為108 mm，水位埋深為5.8 m左右，水的礦化度為255.44 mg/L，觀測水層為第四系英安巖、安山巖及熔結(jié)凝灰?guī)r沙層，地下水類型屬裂隙水(圖1b)，水化學(xué)類型為HCO-3-Ca2+，Mg2+型。

距觀測井的直線距離約100 m處(圖2)有天然出露的2個低溫溫泉——大、小閆家塘，表面積分別為7 990 m2和5 099 m2，儲水量分別為8 500 m3和 6 200 m3。每年1—4月，大、小閆家塘均會由村民進(jìn)行放水捕魚、蓄水供游泳等。水位觀測日志記錄顯示閆家塘的放水、蓄水均引起了騰沖流體觀測井井水位的大幅度下降、上升變化。

圖1 騰沖臺井構(gòu)造位置分布(a)及井孔柱狀圖(b)Fig.1 Tectonic map(a)and columnar section of well(b)at Tengchong seismic station

圖2 騰沖臺流體觀測井與閆家塘相對位置示意圖Fig.2 Map showing the Tengchong seismic station fluid observation wells with Yanjiatang relative position

2 井水位常年干擾變化特點

一般情況下騰沖臺井水位能記錄到清晰的固體潮變化，日變形態(tài)為雙峰單谷型，潮差不超過0.02 m。年變規(guī)律主要受降雨干擾，呈夏秋高冬春低的變化形態(tài)，動態(tài)基本穩(wěn)定。每年1—4月井水位都會出現(xiàn)一次以上超過正常日變幅度10倍的大幅度快速下降又快速上升的變化過程(表1)。尤其2018年幾乎每個月井水位都出現(xiàn)大幅快速升降異常變化(圖3)。

騰沖臺井水位大幅快速升降異常變化有以下特點：水位下降歷時3～6天，水位上升歷時5～15天，水位下降速率高于上升速率。下降幅度在0.246～0.775 m內(nèi)波動變化，最大降幅為2015年的0.755 m，最小降幅為2017年的0.246 m。上升幅度在0.256～0.693 m波動變化，最大升幅為2011年的0.693 m，最小升幅為2008年的0.256 m。下降幅度和上升幅度均達(dá)到或超過正常水位日變動態(tài)幅度的10～20倍。

當(dāng)水位處于趨勢性下降時段時，水位下降幅度略大于上升幅度。騰沖臺井水位在時間尺度上的下降與上升的動態(tài)變化過程大致存在“快速下降—平穩(wěn)—快速上升”和“快速下降—快速上升”2種類型。

影響地下水動態(tài)的因素主要包括大氣降水、水文、地震活動和人為活動(抽水與注水)等。其中，大氣降水和地下水開采對井水位的影響最為普遍(車用太等，2011)。由圖3a可知，騰沖臺井水位大幅快速升降異常變化大都出現(xiàn)在每年的1—4月，這段時間屬于騰沖的旱季，降雨相對較少，無雨或少量的降雨不足以引起水位產(chǎn)生如此大的變化。查閱騰沖臺前兆觀測日志和工作日志重大事項記載發(fā)現(xiàn)，每次騰沖臺水位出現(xiàn)大幅升降變化時，都對應(yīng)閆家塘放水、蓄水記錄。結(jié)合騰沖臺井水位變化情況，筆者認(rèn)為騰沖臺流體觀測井距閆家塘較近，井水位每次大幅快速升降異常變化的時間與閆家塘蓄水、放水的時間基本同步，井水位升降變化的幅度與閆家塘的放水量密切相關(guān)。因此，初步判斷騰沖臺井水位大幅快速升降異常變化是由閆家塘放水、蓄水引起的，井水位變化受閆家塘水位升降變化干擾的可能性較大。

表1 騰沖臺水位大幅快速升降異常變化記錄表Tab.1 Records of abnormal changes of water level at the Tengchong seismic station in a large and rapid manner

圖3 2007—2018年(a)、2018年(b)騰沖臺水位與降雨量對比圖Fig.3 Comparison of water level and rainfall at the Tengchong seismic station

3 環(huán)境影響實驗及相關(guān)分析

3.1 實驗數(shù)據(jù)分析

為進(jìn)一步探究閆家塘放水、蓄水對騰沖臺井

水位的影響，筆者在2018年2月閆家塘放水、蓄水過程中對閆家塘水位下降—上升變化進(jìn)行了實時跟蹤監(jiān)測(表2，圖4)，每小時記錄一次閆家塘水位變化。從2月9日20時26分開始監(jiān)測，到2月10日23時10分測試完成，并下載騰沖臺井水位同步變化數(shù)據(jù)，共獲得3組實驗數(shù)據(jù)，記錄數(shù)據(jù)顯示：

(1)大閆家塘2018年2月9日20時26分開始放水，水位起始基值記為0 cm。2月10日11時水位下降至110 cm，放水量與水塘底部泉眼出水量達(dá)到動態(tài)平衡，水位不再下降，放水過程歷時約15 h。2月15日12時開始蓄水，2月16日11時蓄滿水，蓄水過程歷時約23 h。

表2 閆家塘放水水位及騰沖臺井水位變化記錄Tab.2 Yanjiatang discharge water level and Tengchong seismic station well water level change records

圖4 騰沖臺井水位與閆家塘放水、蓄水過程水位變化
Fig.4 Well water level changes at the Tengchong seismic station and Yanjiatang discharge water storage process

(2)小閆家塘2018年2月10日4時開始放水，水位起始基值記為0.0 cm。2月10日18時水位下降至124.0 cm，放水量與水塘底部泉眼出水量達(dá)到動態(tài)平衡，水位不再下降，放水過程歷時約14 h。2月19日8時開始蓄水，2月20日19時蓄滿水，蓄水過程歷時約33 h。

3.2 相關(guān)性分析

將閆家塘放水、蓄水過程中水位升降變化與騰沖臺井水位變化情況(圖4)進(jìn)行對比分析，結(jié)果顯示騰沖臺水位2月9日20時32分開始快速下降與大閆家塘開始放水時間實際相差6 min，表現(xiàn)為兩者準(zhǔn)同步下降。騰沖臺水位2月15日12時快速大幅上升過程又與大閆家塘開始蓄水時間是同步的。實驗結(jié)果表明閆家塘放水、蓄水過程與騰沖臺水位大幅快速升降異常變化在成因、時間、空間、強度都具有較好的相關(guān)性：

(1)從圖5a可以看到，2月9日21時至2月10日4時大閆家塘持續(xù)放水，其水位變化與井水位下降變化呈正相關(guān)，各散點均集中于一條直線附近。利用該時段水位數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸計算，其相關(guān)系數(shù)r=0.951 8，回歸方程為y=0.089 1x(y為井水位變化，x為閆家塘水位)，二者顯著相關(guān)，騰沖臺井水位下降主要受大閆家塘放水影響致水位下降。

(2)由圖5b可以看出，2月9日5時至2月10日11時大、小閆家塘同時放水實驗過程中，其水位變化與井水位下降變化也呈明顯的正相關(guān)，散點呈直線分布，利用該段水位數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸計算，相關(guān)系數(shù)r=0.965 4，回歸方程為y=0.114 3x，二者顯著相關(guān)，騰沖臺井水位下降主要受大、小閆家塘同時放水影響致水位下降。

(3)由圖5c可以看出，2月10日14時至18時大閆家塘放水已經(jīng)到底，小閆家塘放水至接近水底實驗過程中，其水位變化與井水位下降變化散點呈直線分布，利用該段水位數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸計算，其相關(guān)系數(shù)r=0.256 9，回歸方程為y=0.245x，二者相關(guān)不明顯，表明閆家塘放水基本結(jié)束水位接近水底時的微升降變化對騰沖臺井水位影響逐漸減小，不再起主導(dǎo)作用，此后騰沖臺井水位繼續(xù)下降，分析認(rèn)為主要是閆家塘水體在騰沖臺流體井地表周圍形成水體載荷，閆家塘放水使井孔周邊水體載荷壓力逐漸得到釋放，受閆家塘水體載荷卸載效應(yīng)的影響逐漸增強，在閆家塘放水至水底后，水位變化對騰沖臺井水位下降的影響變小，卸載效應(yīng)逐漸成為騰沖臺井水位下降的主控因素，直至卸載效應(yīng)結(jié)束，騰沖臺井水位結(jié)束下降，達(dá)到新的動態(tài)平衡。

圖5 大、小閆家塘放水水位與騰沖臺井水位變化散點圖Fig.5 Scatter diagram of the Yanjiatang drainage level and well water level changes of Tengchong station

4 水化學(xué)實驗觀測數(shù)據(jù)分析

4.1 采樣與測試

為了跟蹤分析大、小閆家塘水位變化與騰沖臺井水位變化是否為同水源變化，筆者分別在騰沖臺井，大、小閆家塘采用溢流法采集樣品。樣品容器使用由去離子水清洗干凈的高密度聚乙烯細(xì)頸瓶，瓶蓋為帶螺旋的塑料蓋，取樣瓶容量為 50 mL。為了避免樣品被污染，采樣時用采水樣清洗采樣瓶3次，用瓶蓋襯墊隔離水樣與塑料蓋，瓶口用封口膜纏緊與空氣隔離。每個取樣點同時取2份水樣。

騰沖臺井水位觀測按規(guī)范于每月15日進(jìn)行校測，2018年2月15日校測相對誤差δ滿足觀測規(guī)范要求，確認(rèn)水位觀測結(jié)果真實可靠。為了減小取樣對水位觀測造成的干擾，于水位校測后對騰沖臺觀測井進(jìn)行了水樣采集，2月下旬對大、小閆家塘進(jìn)行了水樣采集。

樣品的水化學(xué)項目在中國地震局地殼動力學(xué)重點實驗室(地下流體動力學(xué)實驗室單元)測定，分析設(shè)備為ICS-2000 離子色譜儀。樣品的氫氧同位素測試由核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試中心完成，采用二氧化碳-水平衡法和鋅還原法測定氧氫同位素，分析設(shè)備為 MAT-253，測試δ18O和δ2H的精度分別為±0.2‰和±1‰，測試結(jié)果列于表3中。

表3 水樣水化分析及同位素數(shù)據(jù)Tab.3 Hydration analysis and isotope data of water samples

4.2 水化學(xué)分析

判定地下水的水-巖相互作用程度，除了地下水中離子含量這個因素外，各離子在地下水中的百分含量也有較好的指示意義，用三線圖分析地下水水質(zhì)類型、成因及來源。

由表3可見，騰沖臺流體觀測井和大、小閆家塘3個水樣除HCO-3離子顯著高于其它離子外，其它各項離子含量差別不大，由圖6a可見，騰沖流體觀測井，大、小閆家塘3個水樣的水化學(xué)類型均屬于碳酸型水，分別為HCO3-Mg·Ca·Na、HCO3-Na·Mg和HCO3-Mg·Na·Ca，這主要是由于補給水體進(jìn)入地下后，在徑流過程中溶解了土壤中的CO2造成的，代表了典型的大氣降水與巖土之間的淺層反應(yīng)。

Na-K-Mg三角圖可以用來分析水-巖平衡狀態(tài)和地下水循環(huán)深度等。由圖6b可見，3個點水樣品均位于Mg端元未成熟水區(qū)域，表明地下水循環(huán)的過程中與圍巖的反應(yīng)時間較短，水-巖反應(yīng)程度相對較低，水-巖之間尚未達(dá)到離子平衡狀態(tài)，溶解作用仍在進(jìn)行。也有可能是有大量的地表冷水混入，稀釋了水中的離子含量。

圖6 水樣的三線圖(a)、Na-K-Mg三角圖(b)以及氫氧同位素與大氣降水線關(guān)系圖(c)Fig.6 Water sample trigraph(a)，Na-K-Mg triangle(b)，water sample hydrogen-oxygen isotope relationship with precipitation line(c)

4.3 氫氧穩(wěn)定同位素特征

對比水樣的氫氧同位素組成與大氣降水線，結(jié)果可以說明測試樣品的來源及相互轉(zhuǎn)化關(guān)系。為了貼合騰沖本地降水氣候特征，本文使用的是李廣等(2013)在Craig(1961)研究中大氣降水線的基礎(chǔ)上經(jīng)過修正得到的騰沖地區(qū)全年大氣降水線，其方程為：

δ2H=8.18δ18O+11.72

(1)

式中：δ2H為氫同位素實測比值；δ18O為氧同位素實測比值。

騰沖臺流體觀測井，大、小閆家塘水樣的氫氧同位素組成與騰沖地區(qū)全年大氣降水線對比由圖6c可見，騰沖臺井水和小閆家塘水均在騰沖地區(qū)全年大氣降水線上，說明二者水來源于大氣降水，且循環(huán)路徑短、周期小、水-巖相互作用微弱；大閆家塘水樣中測值偏大氣降水線左側(cè)，表現(xiàn)為δ18O貧化的特征，表明大閆家塘水在運移過程中與周邊CO2發(fā)生了水-氣相互作用，說明其水源除大氣降水外，還有其它補給方式(孫小龍等，2016；張磊等，2016；劉耀煒等，2009)。

水化學(xué)離子濃度分析結(jié)果與氫氧同位素的分析結(jié)果基本一致，3個樣品水與圍巖介質(zhì)之間水-巖相互作用較弱，騰沖臺井水和小閆家塘水來源于大氣降水，大閆家塘水源除大氣降水外，還有其它補給方式。

5 騰沖臺井水位變化與地震關(guān)系分析

由圖3可見，騰沖臺井水位異常映震的概率較高，在2008年8月21日盈江5.9級地震、2011年3月10日盈江5.8級地震、2011年6月20日及8月9日騰沖5.2級雙震和2014年5月30日盈江6.1級地震前都出現(xiàn)了高水位前兆現(xiàn)象，震中距最近為20 km，最遠(yuǎn)為97 km。騰沖臺井水位在近震前出現(xiàn)了前兆異常，表現(xiàn)為異常升高，異常重復(fù)性較好。由上文分析可知，騰沖臺流體觀測井水來自大氣降水，水位的升高主要是由大氣降水增多引起的。趙洪聲(2006)通過對1966年邢臺7.2級大震和1970年通海7.8級大震水-震過程的分析以及40多年來云南澇旱劇變與M≥6.2強震的相關(guān)研究得出，地表水和地下水的大面積、大幅度漲落，很可能是孕震區(qū)應(yīng)變非線性增長并驅(qū)使孕震體進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)乃至失穩(wěn)的重要原因。騰沖過量降雨的加載對該地區(qū)構(gòu)造活動具有調(diào)制作用，降雨量超出正常變化水平后，騰沖臺井水位會出現(xiàn)高水位異常變化，這種異常變化能夠提供一定的地震前兆異常信息，反映臺站附近地區(qū)的部分地下構(gòu)造活動。

6 討論及結(jié)論

本文對大、小閆家塘放水、蓄水過程與騰沖臺井水位的變化的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，證明兩者有很好的相關(guān)性。閆家塘放水水位下降或蓄水水位上升，都對騰沖臺井水位的變化起到主要影響作用。

水化學(xué)離子濃度分析結(jié)果與氫氧同位素的分析結(jié)果表明，騰沖臺流體觀測井井水和小閆家塘水主要來源于大氣降水，大閆家塘水來源除大氣降水外，還有其它方式。

騰沖臺井水位在近震前出現(xiàn)水位異常，表明該井水位變化能夠提供一定的地震前兆異常信息，對臺站附近地區(qū)的地下構(gòu)造活動有反映。

實驗表明大、小閆家塘的蓄放水過程對騰沖臺水位井周圍的地表也產(chǎn)生了一定的加卸載效應(yīng)。閆家塘與騰沖井流體觀測井直線距離約100 m，在地質(zhì)構(gòu)造上具備較復(fù)雜的區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力關(guān)系。大閆家塘儲水量約為8 500 m3，小閆家塘儲水量約為6 200 m3，按普通水的密度計算，大閆家塘水質(zhì)量約位8 500 t，小閆家塘水質(zhì)量約6 200 t，具有加卸載作用。

當(dāng)閆家塘放水時，騰沖臺井水位同步下降。但當(dāng)放水結(jié)束后，閆家塘水體對騰沖井孔周圍地表載荷降低，井孔周圍的巖體孔隙有變化，井水位有持續(xù)下降的滯后過程。當(dāng)周圍環(huán)境達(dá)到基本平衡時，騰沖臺井水位停止變化。當(dāng)閆家塘蓄水時，產(chǎn)生與放水時相反的變化過程，騰沖臺井水位同步上升，并有持續(xù)上升滯后并達(dá)到平衡的過程。

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)及變化情況分析，可以得出騰沖臺井水位受環(huán)境的影響是明顯的，產(chǎn)生大幅快速升降變化是閆家塘放水、蓄水過程所產(chǎn)生的。因此，在使用騰沖井水位觀測資料時要充分考慮受環(huán)境影響的具體原因，客觀正確地分析觀測資料的變化。

感謝中國地震臺網(wǎng)中心田雷，云南省地震局預(yù)報研究中心高文斐、張翔在樣品采集和測試過程中提供的幫助與技術(shù)指導(dǎo)；感謝審稿專家對本文提出的建設(shè)性意見。