洛陽地震臺2015—2020年水氡異常變化成因探討

孫召華 謝健健 侯博文 王恒業(yè) 謝佳興 王世昌

（中國鄭州 450016 河南省地震局）

0 引言

有實(shí)驗(yàn)證明，氡反應(yīng)靈敏，當(dāng)?shù)叵聭?yīng)力發(fā)生變化時(shí)，容易從其賦存的介質(zhì)中逃逸出來，導(dǎo)致地下水中氡的濃度出現(xiàn)不同程度的變化，具有較強(qiáng)的映震效能。在我國地震地下流體觀測中，水氡觀測成為一個(gè)重要測項(xiàng)，且開展的相關(guān)研究較多，如：車用太等（1997）提出水氡異常的水動力學(xué)機(jī)制；劉耀煒等（2006）回顧了我國地震地下流體學(xué)科40 年觀測研究發(fā)展的歷史，并給出幾次地震預(yù)報(bào)成功實(shí)例；楊興悅等（2011）采用從屬函數(shù)、變差率、趨勢速率3 種數(shù)學(xué)方法，分析甘肅東南部水氡異常特征與地震的關(guān)系；Ren 等（2012）描述了氡氣和水氡的震后效應(yīng)；葉青等（2015）發(fā)現(xiàn)，在汶川地震和蘆山地震震中附近，水氡與水位分別呈正相關(guān)和負(fù)相關(guān)關(guān)系。

地下水中的同位素和水化學(xué)組分?jǐn)y帶著地下水來源、含水層間相互作用的重要信息。將水化學(xué)和物理方法相結(jié)合，有利于提高地震觀測井—含水層系統(tǒng)水動力過程分析的準(zhǔn)確性和可靠性，可為判定與識別異常提供一種可靠的技術(shù)途徑。相關(guān)研究有：杜建國等（2003）認(rèn)為，同位素地球化學(xué)可以用來判定流體來源，識別流體異常；蘇小四等（2009）應(yīng)用水化學(xué)和同位素技術(shù)相結(jié)合的方法，分析了馬蓮河河水與地下水的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系；張磊等（2014）分析了蘇18 井水位異常與高郵地震的關(guān)系；張國盟等（2015）指出，利用水化學(xué)、同位素、地下水年齡等手段，能給出地下水性質(zhì)的實(shí)際觀測值，定量指示流體來源及經(jīng)歷的地質(zhì)過程；方震等（2016）利用水化學(xué)和物理相結(jié)合的方法，對皖27 井地下水動態(tài)變化成因及開采干擾進(jìn)行了分析；盛艷蕊等（2020）根據(jù)河北何家莊流體觀測井氫氧同位素和離子化學(xué)組分測試結(jié)果，分析了該井的地球化學(xué)特征及與構(gòu)造活動的關(guān)系。

洛陽地震臺（下文簡稱洛陽臺）水氡觀測數(shù)據(jù)多年來連續(xù)穩(wěn)定、可靠，2015—2020 年記錄到多次大幅波動異常變化，該異常為區(qū)域構(gòu)造活動的表現(xiàn)亦或是干擾異常，對科學(xué)研判該地區(qū)震情形勢具有重要意義。本文利用多次異常核實(shí)結(jié)果，梳理洛陽臺觀測井周邊觀測環(huán)境，分析地下水化學(xué)特征及其與周圍水體的水力聯(lián)系等，研究該臺水氡異常變化成因。

1 洛陽臺水氡觀測概況

洛陽臺位于河南省洛陽市南郊龍門鎮(zhèn)魏灣村，位于斷裂的破碎邊緣。臺站以東分布伊河斷裂、登封—龍門斷層，登封—龍門斷層向西南傾伏，被分為2 個(gè)幾乎平行的二級斷層，即魏灣斷層和草店斷裂，臺站靠近草店斷裂，基巖為寒武系中統(tǒng)石灰?guī)r，含水層為寒武系灰?guī)r，地下水類型為HCO3-Ca 型，屬巖溶裂隙水（孫召華等，2017）。洛陽臺觀測井深約104 m，水位8—10 m，套管深度20 m，20 m 以下為裸孔，其中，1—5.36 m 為亞粘土，5.36—10.40 m為砂卵石，10.40—38.35 m為石灰?guī)r，動水層在23 m，水氡取水觀測水位在23 m，1—22 m 井孔直徑220 cm，22—82 m 井孔直徑180 cm，82—100 m 井孔直徑150 cm，石灰?guī)r以上使用套管。

洛陽水氡1972 年5 月正式觀測，水樣取自龍門石窟鑼鼓洞內(nèi)泉水，1982 年泉水?dāng)嗔鳎畼尤∽月尻柵_觀測井（圖1）。由于FD-105K測氡儀故障頻發(fā)，且缺少備機(jī)備件，于2015年1 月1 日增加1 套FD-125 氡釷分析儀，其各項(xiàng)檢測符合要求，原FD-105K 測氡儀永久停測，觀測人員按時(shí)對儀器進(jìn)行檢查和標(biāo)定，除抽水泵損壞、儀器故障外，數(shù)據(jù)質(zhì)量基本穩(wěn)定，觀測質(zhì)量評比合格，測值可靠。

圖1 水氡觀測井示意Fig.1 The schematic diagram of the water radon well

2 水氡觀測數(shù)據(jù)變化

2015—2020 年洛陽臺水氡測值出現(xiàn)多次大幅波動變化（圖2），根據(jù)多次異常核實(shí)結(jié)果，將水氡變化劃分為2015 年、2016 年1—7 月、2016 年8 月—2017 年、2018—2020 年4 個(gè)階段。

圖2 洛陽臺水氡和水溫、水位、降雨量五日均值觀測曲線（2015—2020 年）Fig.2 Five-day average curves of water radon,water temperature,water level,and rainfall at Luoyang Seismic Station from 2015 to 2020

階段Ⅰ：研究時(shí)段為2015 年全年，氡值觀測曲線整體呈上升變化。8—11 月，氡值由64 Bq/L 上升到80.6 Bq/L，上升幅度16.6 Bq/L，全年變化幅度為31 Bq/L，水位、水溫呈下降—上升—平穩(wěn)—下降變化，且水位年變化幅度為1.8 m，水溫觀測值全年夏高冬低，年變化幅度為2.8 ℃。

階段Ⅱ：研究時(shí)段為2016 年1—7 月，氡值觀測曲線呈下降—上升—下降變化。當(dāng)年1—3 月，水氡處于高值狀態(tài)，隨后下降，5—7 月變化頻繁，7 月1 日—16 日降幅最大，由87.8 Bq/L 下降至52.6 Bq/L，幅度達(dá)35.2 Bq/L，時(shí)段內(nèi)氡值變化幅度為41 Bq/L。水溫曲線呈上升—下降—上升形態(tài)變化，變化幅度2.8 ℃；水位曲線呈下降—緩慢上升變化形態(tài)，特別指出，5 月10 日—18 日水位降幅最大，由9.7 m 下降至14.7 m，降幅達(dá)5 m。

階段Ⅲ ：研究時(shí)段為2016 年8 月至2017 年全年，水氡觀測曲線變化形態(tài)顯示氡值整體下降，變化幅度為14 Bq/L，水位和水溫觀測曲線整體上升，變化幅度分別為1.2 m、1.9 ℃。

階段Ⅳ：研究時(shí)段為2018—2020 年，水氡觀測曲線呈上升—平穩(wěn)變化趨勢。在2018 年1—5 月，氡值加速上升，由52.3 Bq/L 上升到74.3 Bq/L，幅度達(dá)22 Bq/L，此后變化總體平穩(wěn)；水溫、水位變化形態(tài)均表現(xiàn)為下降—平穩(wěn)變化，其中水溫變化幅度為2.1 ℃，水位變化幅度1.6 m。水溫年變化形態(tài)表現(xiàn)為下降—上升—下降，觀測值呈明顯的“夏高冬低”態(tài)勢，時(shí)段內(nèi)變化幅度為2.9 ℃；水位曲線變化總體呈平穩(wěn)趨勢，變化幅度為1.2 m。

選取2015—2020 年水位、水溫及氡值五日均值數(shù)據(jù)，計(jì)算水氡與二者的相關(guān)系數(shù)，其中水溫和水位與氡值均呈負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為-0.66、-0.44，表明洛陽臺水溫變化對氡值的影響程度較水位高。

3 水氡異常分析

針對水氡的異常變化特征，結(jié)合異常核實(shí)工作經(jīng)驗(yàn)，就儀器觀測條件、周邊觀測環(huán)境變化（龍門煤礦抽排水、伊河水位變化）、水化學(xué)方法、降雨等進(jìn)行深入研究。

3.1 儀器觀測條件調(diào)查

FD-125 氡釷分析儀工作參數(shù)正常，人員操作熟練，嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行觀測，可排除因儀器問題導(dǎo)致的水氡測值變化。觀測日志顯示，2015 年8 月25 日洛陽臺觀測井抽水泵（功率3.8 kW）發(fā)生故障，水泵（功率5.5 kW）更換后，抽水時(shí)間由40 min 縮短到30 min，水泵更換時(shí)間與水氡測值上升時(shí)間一致，推測氡值升高是由水泵抽水時(shí)間及抽水量變化造成（圖2，階段Ⅰ）。

3.2 觀測環(huán)境變化分析

3.2.1 龍門煤礦透水對水氡觀測的影響。龍門煤礦距洛陽臺觀測井5 km，該煤礦自1976年10 月開挖以來，多次發(fā)生透水事件，造成區(qū)域水位持續(xù)下降，煤礦透水點(diǎn)封堵成功后，水位上升（謝佳興等，2020）。2016 年5 月11 日該煤礦礦井發(fā)生透水事故，洛陽臺觀測井井水位最高下降約10 m，7 月中旬完成透水點(diǎn)封堵，2018 年1 月底煤礦大量疏排水，同樣造成觀測井水位下降、氡值上升現(xiàn)象。

將礦井涌水量與水氡日值數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析（圖3），計(jì)算得到二者相關(guān)系數(shù)為0.71，礦井發(fā)生透水事故后，2016 年5 月11 日涌水量最大，洛陽臺水氡測值由11 日的67.0 Bq/L 上升為12 日的78.4 Bq/L，上升幅度為11.4 Bq/L，可見礦井大量涌水后，觀測井水氡測值上升（圖2，階段Ⅱ、Ⅳ），7 月中旬煤礦封堵透水點(diǎn)成功，氡值下降（圖2，階段Ⅱ）。

圖3 龍門煤礦礦井涌水量與洛陽水氡測值數(shù)據(jù)變化對比曲線Fig.3 Curves of Longmen mine inflow and water radon of Luoyang station

3.2.2 伊河水位變化對水氡的影響。結(jié)合已有研究（翟健等，2014），選取2015年1 月1 日—2020 年12 月31 日伊河水位與洛陽觀測井水氡日值觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，結(jié)果見圖4。

圖4 伊河水位與水氡日值對比曲線Fig.4 Curves of water radon and the water level of the Yihe River

計(jì)算2015—2020 年7—10 月汛期時(shí)伊河水位與水氡日值的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見表1。結(jié)合圖4，由表1 可見，2015 年、2016 年、2018—2020 年伊河水位與觀測井氡值的相關(guān)系數(shù)較低（≤0.2），相關(guān)性差，幾乎不相關(guān)。也就是說，伊河水位總體穩(wěn)定，水位與觀測井水氡測值不相關(guān)。2017 年伊河水位與觀測井水氡日值呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.6，伊河水位上升，則觀測井氡值上升，反之氡值下降，2017 年伊河水位總體呈下降趨勢，氡值緩慢下降（對應(yīng)圖2，階段Ⅲ）。

表1 2015—2020 年汛期伊河水位與觀測井水氡相關(guān)關(guān)系Table 1 Correlations between the water level of the Yihe River and the radon value (2015-2020)

3.3 水化學(xué)因素分析

為明確洛陽觀測井水氡測值變化是否異常變化，于2016 年5 月12 日、2017 年4 月17 日，分別取洛陽觀測井（代碼ly）、魏灣村水井（洛陽臺所在村水井，代碼weiwan）、伊河（代碼yihe）、龍門煤礦礦井水樣（代碼longmen），進(jìn)行水化學(xué)分析和同位素測試。采樣均使用聚乙烯塑料瓶，為避免樣品污染，采用封口膜密封，確保與空氣隔離。2016 年樣品只進(jìn)行水化學(xué)項(xiàng)目測試，采用滴定法，分析設(shè)備為ICS-2100 離子色譜儀，由河南煤炭質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心測定；2017 年樣品進(jìn)行水化學(xué)項(xiàng)目和氫氧穩(wěn)定同位素測試，由核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試中心完成，其中水化學(xué)項(xiàng)目分析設(shè)備為883 Basic IC pluse 離子色譜儀、AT-510 全自動滴定分析儀、ICS-1100 離子色譜儀；氫氧同位素（δ18O 和δ2H）測試則采用二氧化碳—水平衡法和鋅還原法測定，分析設(shè)備為MAT-253，測試精度分別為±0.2‰和±1‰。2 次取樣測試結(jié)果見表2、表3。

表2 2016 年5 月水質(zhì)分析結(jié)果（單位：mg·L-1）Table 2 Results of water quality in May 2016 (Unit:mg·L-1)

表3 2017 年4 月水質(zhì)分析結(jié)果（單位：mg·L-1）Table 3 Results of water quality in April 2017 (Unit:mg·L-1)

（1）水質(zhì)分析。對洛陽觀測井、魏灣村水井、伊河、龍門煤礦礦井水樣進(jìn)行水質(zhì)測試，繪制水樣piper 三線圖，見圖5，可見2016 年龍門煤礦礦井、魏灣村水井、洛陽觀測井地下水水質(zhì)類型一致，均為HCO3-Ca 型，屬于低礦化度的重碳酸根型水，伊河水為HCO3-Na 型，通過對比Cl-、SO42-、、Na++K+、Mg2+、Ca2+濃度數(shù)值，可知2016年洛陽觀測井與龍門煤礦礦井水樣離子含量變化趨勢一致性較好（表2），計(jì)算可知二者相關(guān)系數(shù)為0.99，高度相關(guān)，說明2016 年龍門煤礦透水與洛陽水氡變化密切相關(guān)（圖2，階段Ⅱ）；而2017 年相關(guān)系數(shù)為0.38，離子含量不相關(guān)（表3），且觀測井含量較2016年大幅減少，推測因2016 年煤礦透水，富含硫的地下水涌入觀測井，使得該離子濃度升高。

圖5 水樣piper 三線圖（a）2016 年；（b）2017 年Fig.5 Piper trilinear diagram of the water samples

（2）水—巖化學(xué)平衡特征。Na-K-Mg 三角圖解（圖6）用于評價(jià)水—巖平衡狀態(tài)和區(qū)分不同類型的水樣（Giggenbach et al，1988；張磊等，2014；方震等，2016），樣品均落在Mg端元附近，為“未成熟水區(qū)域”，表明洛陽臺觀測井井水為淺層地下水，主要受大氣降水補(bǔ)給，循環(huán)周期相對較快，觀測井的水—巖之間未達(dá)到離子平衡狀態(tài)，受地表水影響較大。

圖6 水樣Na-K-Mg 三角圖（a）2016 年；（b）2017 年Fig.6 Na-K-Mg triangle diagram of water samples

3.4 水氡與大氣降水關(guān)系分析

3.4.1 氫氧穩(wěn)定同位素。利用氫氧穩(wěn)定同位素可較好地識別大氣降水、地表水與地下水之間的補(bǔ)給關(guān)系。若井水受周邊地表水（河水、湖泊水、水庫水等）補(bǔ)給，二者的氫氧穩(wěn)定同位素組成將更為接近。因此，可通過對比地下水與地表水的氫氧穩(wěn)定同位素組成，判定二者之間是否存在補(bǔ)給關(guān)系（張磊等，2016，2019）。2017 年4 月的4 個(gè)樣品的氫氧同位素測試結(jié)果見表4、圖7，其中δ2H 為氫同位素實(shí)測比值，δ18O 為氧同位素實(shí)測比值。

表4 2017 年4 月氫氧同位素測試結(jié)果Table 4 Results of hydrogen and oxygen isotopes of samples in April 2017

圖7 中全球大氣降水線引自Craig（1961）給定方程：δ2H=7.9δ18O+10，地區(qū)大氣降水線方程使用趙景耀等（2014）的研究結(jié)果：δ2H=8.1δ18O+10.51。2017 年4 月的4 個(gè)水樣處于全球及區(qū)域大氣降水線下方，說明除伊河河水外，龍門煤礦、魏灣村水井、洛陽觀測井水樣均系大氣降水，未經(jīng)歷明顯蒸發(fā)過程（圖6）。由圖7 可見，伊河水樣和洛陽觀測井水樣位于大氣降水線兩端，同位素測試結(jié)果表明，伊河河水不直接補(bǔ)給觀測井地下水。

圖7 2017 年4 月水樣氫氧同位素與大氣降水線的關(guān)系Fig.7 Relationship between hydrogen and oxygen isotopes and meteoric water line in Apr.2017

3.4.2 水氡測值變化與大氣降水的關(guān)系。據(jù)宋獻(xiàn)方等（2007）的研究，在自然條件下，地下水中Cl-來源于大氣降水和地層中鹽巖的溶解，具有強(qiáng)遷移性能，觀測井含水層巖性為灰?guī)r，水體中的Cl-主要來源于大氣降水，應(yīng)用氯離子質(zhì)量平衡法能夠估算降水對地下水的補(bǔ)給過程，設(shè)R為年均地下水補(bǔ)給率（%），則計(jì)算公式如下

式中，CCl降為降水中Cl-的雨量加權(quán)平均濃度，CCl地為地下水中Cl-平均濃度。文中，CCl降主要參考了洛陽大氣降水Cl-的含量，取值2.28 mg/L，洛陽觀測井CCl地取值8.01 mg/L，則據(jù)式（1）可得大氣降水對觀測井的補(bǔ)給率為28.46%，說明大氣降水補(bǔ)給對井水位觀測有一定影響。

大氣降水是地下水的主要補(bǔ)給來源，由于大氣降水中氡含量較低，而地下水中氡含量較高，降水補(bǔ)給越多，地下水中氡的含量就越低。匯總洛陽臺觀測井2015—2020 年水氡年均值與當(dāng)?shù)啬杲邓繑?shù)據(jù)，見表5，可知2017 年氡值年均值歷年最低，而該年降水量歷年最高，達(dá)716.9 mm，分析認(rèn)為，洛陽觀測井水氡測值變化可能疊加了降水影響。

表5 2015—2020 年洛陽臺降雨量與氡值年平均值統(tǒng)計(jì)Table 5 Yearly average values of rainfall and radon from 2015 to 2020 of Luoyang Seismic Station

4 結(jié)論與討論

通過進(jìn)行觀測系統(tǒng)檢查、取樣方式調(diào)查，降水、觀測環(huán)境變化等分析，認(rèn)為引起洛陽觀測井水氡測值變化的主要原因如下。

（1）2015 年水氡測值異常變化（階段Ⅰ），與洛陽臺更換大功率水泵有關(guān)，且在時(shí)間上具有高度相關(guān)性。大功率水泵使得抽水時(shí)間明顯縮短，水樣為來自較深部的地下水，含水層的高氡“新水”代替原來的低氡“舊水”，造成水氡測值升高。

（2）2016 年1—7 日（階段Ⅱ）、2018 年（階段Ⅳ）水氡測值異常變化，與龍門煤礦密切相關(guān)。水化學(xué)分析表明，由于洛陽觀測井和龍門煤礦井同屬巖溶水，受龍門煤礦大量疏排水（透水）的影響，觀測井淺層水混入較多，地下水徑流速度加快，氡脫氣能力加大，水氡測值升高。

（3）洛陽觀測井水樣氫氧同位素分析表明，大氣降水在洛陽臺觀測井井水補(bǔ)給中占有一定份額。2017 年洛陽水氡測值異常變化（階段Ⅲ），與伊河水位和降雨有關(guān)，降雨量增多，造成觀測井水中氡含量下降，降雨與伊河水位變化共同疊加，導(dǎo)致水氡測值下降。

綜合以上分析結(jié)果認(rèn)為，洛陽水氡出現(xiàn)的波動異常與取樣方式（更換大功率抽水泵）、降雨、周邊觀測環(huán)境變化（龍門煤礦排水、伊河水位）密切相關(guān)，且具有時(shí)間上的同步性，大氣降水一定程度上會造成觀測井水氡測值的下降。