安徽霍山佛子嶺水庫宏觀異常核實及分析

李軍輝，裴紅云，陳 俊，何 康，劉澤民

（1.安徽省地震局，合肥 230031；2.蒙城地球物理國家野外科學(xué)觀測研究站，合肥 230031）

0 引言

人的感官能直接覺察到的地震前兆稱為地震的宏觀前兆，簡稱宏觀前兆。比較常見的有，井水陡漲陡落、變色變昧、翻花冒泡、溫度升降，泉水流量的突然變化，溫泉水溫的突然變化，動物的習(xí)性異常，臨震前的地聲和地光等[1-3]。

宏觀前兆在地震預(yù)報中具有重要的作用，1975年遼寧海城7.3級地震和1976年松潘——平武7.2 級地震前，曾觀察到大量動物類的宏觀異?，F(xiàn)象，為這兩次地震的成功預(yù)報提供了重要資料。此外，1976年唐山7.8 級地震前，在河北、山東等地發(fā)現(xiàn)了幾百起水的宏觀異常，包括井水自流、泉水翻花冒泡、變黃變紅等[3]。不過也應(yīng)當注意，上面所列舉的多種宏觀現(xiàn)象可能由多種原因造成，不一定都是地震的預(yù)兆。例如：井水和泉水的漲落可能和降雨的多少有關(guān)，也可能受附近抽水、排水和施工的影響，井水的變色變味可能因污染引起，動物的異常表現(xiàn)可能與天氣變化、疾病、外界剌激等有關(guān)[4]。2008年汶川地震后，廣東省地震局利用干擾因素排除，區(qū)域構(gòu)造及流體動力學(xué)等對省內(nèi)出現(xiàn)的兩次流體宏觀異常進行分析，排除了地震前兆的可能[5]。

2021年5月22 日，青?，敹喟l(fā)生7.4 級地震后，5月24 日，距離瑪多地震震中約1500 km 的霍山縣地震局上報佛子嶺水庫出現(xiàn)大面積的發(fā)白、發(fā)渾，呈現(xiàn)類似肥皂水的變化，安徽省地震局及時組織專家多次前往現(xiàn)場核實，為判定該異常是否為前兆或震后效應(yīng)異常，對水庫水體進行了取樣檢測，化驗其中的離子組分進行對比分析，本文主要介紹核實的過程及水樣檢測結(jié)果，供業(yè)務(wù)人員在今后的相關(guān)異常核實工作參考。

1 佛子嶺水庫宏觀異常

1.1 佛子嶺水庫基礎(chǔ)資料

佛子嶺水庫位于淮河支流淠河?xùn)|源上游，壩址在安徽省霍山縣城西南17 km 處，漫水河、黃尾河徑流入庫，佛子嶺水庫上游兩條支流各有一個水庫磨子潭水庫和白蓮崖水庫。佛子嶺水庫1954年竣工，控制流域面積1840 km2，總庫容4.96 億m3，水庫呈“Y”型，分為東河、西河，庫區(qū)植被為闊葉針葉混交林、竹林等，植被覆蓋率90%以上。年均降雨量為1500 mm，水庫生態(tài)條件優(yōu)越，上游無工業(yè)污染，水質(zhì)清新[6]。

從地質(zhì)構(gòu)造上來看，佛子嶺水庫位于“霍山地震窗”內(nèi)的兩條斷層的交匯部位，距離西北方向的響洪甸水庫約32 km，距離梅山水庫約53 km。該區(qū)域位于郯廬斷裂帶與商城—麻城斷裂之間，構(gòu)造較為復(fù)雜，從該區(qū)域的歷史及現(xiàn)代地震的分布來看，地震活動主要沿NE 向分布，與土地嶺—落兒嶺斷裂的的延伸方向一致[7]，在土地嶺—落兒嶺斷裂和青山—曉天斷裂的交匯處，地震活動尤為集中（圖1）。水庫壩址區(qū)由變質(zhì)巖、花崗巖和近代沉積巖組成，變質(zhì)巖系為黑色石英巖和石英巖夾片巖，花崗巖多呈現(xiàn)規(guī)則的巖墻，穿插于變質(zhì)巖系中。壩址區(qū)域巖石構(gòu)造大致近乎東西向，無大斷層，巖層向上游傾斜?；◢弾r之間的變質(zhì)巖，大多為黑色石英巖。

圖1 佛子嶺水庫的地理位置及歷史地震、斷層分布Fig.1 Geographical location of Foziling Reservoir and distribution of historical earthquakes and faults

1.2 宏觀異常特征

2021年5月22 日，青海發(fā)生瑪多7.4 級地震后，霍山縣佛子嶺水庫在5月22 日從水庫大壩向上14 km水域水體都出現(xiàn)發(fā)白、渾濁的現(xiàn)象，24日達到峰值，25日減弱（圖2左），村民稱此前未發(fā)現(xiàn)類似情況出現(xiàn)，6月1 日至2 日佛子嶺水庫泄洪放掉表層水后，變渾發(fā)白現(xiàn)象逐漸消失，恢復(fù)正常（圖2 右）。青海瑪多地震震中距離佛子嶺水庫約1600 km，距離佛子嶺水庫較近的響洪甸和梅山水庫未出現(xiàn)類似的變化，通過類比分析初步認為佛子嶺水庫的宏觀現(xiàn)象不是瑪多地震的遠場效應(yīng)。

圖2 不同時段佛子嶺水庫大壩附近水體對比Fig.2 Comparison of water bodies near the dam of Foziling Reservoir at different times

2 宏觀異常核實過程

2.1 周邊環(huán)境調(diào)研

由于水庫環(huán)境周邊山體復(fù)雜，很多地方無法到達，僅對水庫大壩周邊100 m 范圍內(nèi)的地質(zhì)環(huán)境進行了走訪調(diào)查，未發(fā)現(xiàn)有地表裂縫、塌陷坑、噴沙冒水等現(xiàn)象，周邊農(nóng)田、水塘未發(fā)現(xiàn)水體渾濁形象。

對水庫上游和下游進行走訪和調(diào)研，發(fā)現(xiàn)下游水體也有輕微的發(fā)白渾濁現(xiàn)象（圖3）。磨子潭水庫位于佛子嶺水庫的上游，主要由東河和黃尾河匯流形成。磨子潭水體顏色整體正常（圖4）。

圖3 佛子嶺水庫下游水體 Fig.3 Water bodies of downstream of Foziling Reservoir

圖4 磨子潭水庫水體Fig.4 Water bodies of Mozitan Reservoir

2.2 取水樣檢測

現(xiàn)場對水庫的水體進行了調(diào)研，發(fā)現(xiàn)水體無明顯的異味，主要是壩體向上大范圍出現(xiàn)大范圍的水體發(fā)白、渾濁現(xiàn)場，5月25日和5月31日對不同區(qū)域的水體點進行了取樣開展離子成分化驗（圖5），8月24日在圖5中001號點的位置又進行取樣。水樣采集后及時送至華東冶金地質(zhì)勘查局中心實驗室進行檢測，HCO3-采用標準甲基橙指示劑滴定法，利用離子色譜發(fā)測定SO42-、Cl-、NO3-，它們的檢出限分別為0.1、0.04和0.1 mg/L。Ca2+、Mg2+、Na+、K+等離子含量采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定，其檢出限分別為5、5、10、16 和20 μg/L，陰陽離子的誤差控制在10%以內(nèi)。

圖5 佛子嶺水庫取樣點位及取水口位置Fig.5 Sampling points and water intake location of Foziling Reservoir

3 水樣檢測結(jié)果分析

3.1 空間對比分析

研究表明Ca+、Na+、K+、Mg2+、HCO3-、SO42-、Cl-、NO3-等8 種離子在水庫廣泛存在，且含量最高，很大程度上決定了水體的水化學(xué)特征，通常巖溶水中Ca+、Mg2+、HCO3-離子主要來源于巖溶作用，形成巖溶水體的優(yōu)勢離子[8]。

本次對佛子嶺水庫的5個點位（圖5）在2021年5月25日和5月31日兩個時段取水樣進行離子含量等相關(guān)參數(shù)檢測，檢測結(jié)果如表1 和圖6 所示。從2 次水樣的化驗的結(jié)果對比來看：①PH 值結(jié)果：5月25 日的取樣結(jié)果顯示佛子嶺水庫整體PH 值都在9 以上，整體偏堿性，5月31 日5個點的PH 值在8以下，在正常范圍內(nèi)，5 點位中5月31 日的HCO3-的含量比5月25的含量均高2倍左右，CO32-的含量5月25 日較好，5月31 日幾乎未檢出，這與PH 的結(jié)果是一致的。②水樣的陰陽離子三角圖主要反映水庫主要成分的變化，在不同時段的5個點位的陽離子中，Ca+離子所占的比重都是最高的，達到60%，Na+、K+、Mg2+離子都在20%以下；在陰離子中，HCO3-所占的比重最高，達到90%左右，SO42-、Cl-、NO3-都在20%以下（圖6），這說明，佛子嶺水庫水化學(xué)類型是Ca-HCO3 型，這兩種離子的濃度與巖溶作用強度有密切的關(guān)系，顯示了碳酸鹽的溶蝕-沉淀過程對佛子嶺水庫水化學(xué)特征有控制作用。③研究表明，Cl是保守元素，在地表水循環(huán)中也相對穩(wěn)定，一般認為Cl 主要來自海洋離子，但也會受到人類活動的影響，海水中Cl-/Na+的比值為1.17[9]，如果受到大氣降雨的影響，Cl-/Na+應(yīng)該接近1.17，而佛子嶺水庫中Cl-/Na+的平均值為0.48，要遠小于大氣降水和人類活動來源的比值，這說明佛子嶺水庫受到其它來源的Na+離子的干擾，在佛子嶺水庫的上游廣泛分布硅酸鹽巖石，其風(fēng)化過程中產(chǎn)生Na+離子，而不產(chǎn)生Cl-，從而影響水體中Cl-/Na+的比值。④其它參數(shù)，如總礦化度、總堿度、總硬度等參數(shù)變化大體一致（表1）。

表1 佛子嶺水庫不同時段5個點位水樣參數(shù)Table 1 Water sample parameters at 5 points in different periods of the Foziling Reservoir

圖6 佛子嶺水庫不同點位離子參數(shù)對比Fig.6 Comparison of ion parameters at different sites in Foziling Reservoir

3.2 時間對比分析

對點1 分別在5月25、5月31、8月24 日進行了三次取水樣開展檢測，結(jié)果顯示：在不同時段離子含量檢測中，三個時段的離子對比發(fā)現(xiàn)，PH值正常時段的HCO3-含量是異常時段的3 倍多，異常時段的CO32-含量最高，其它時段未檢出，其它離子含量大致相當，無明顯的異常（表2）。

表2 佛子嶺水庫點1不同時段離子參數(shù)對比Table 2 Comparison of ion parameters at different sites in Foziling Reservoir

Na-K-Mg 三角圖解被用來評價水-巖平衡狀態(tài)和區(qū)分不同類型的水樣。圖7 為2021年3個不同時段佛子嶺水庫的Na-K-Mg 三角圖，圖中曲線為礦物平衡飽和線，發(fā)現(xiàn)水樣的Na-K-Mg 離子含量均落在Mg 端元附近（圖7），說明佛子嶺水庫的水為“未飽和水”，二者循環(huán)周期相對較快，水-巖反應(yīng)程度相對較低，水-巖之間尚未達到離子平衡狀態(tài)，溶解作用仍在進行[10]。

圖7 水庫水Na-K-Mg三角圖Fig.7 Triangular diagrams of the Na-K-Mg

3.3 取水口不同深度PH對比

為進一步動態(tài)監(jiān)測佛子嶺水庫數(shù)據(jù)的變化，霍山自來水廠自5月25 日開始每日在水庫大壩上游約1 km 的取水口（圖5 三角形）分別取4 m、9 m、13 m 的水樣進行分析，檢驗的結(jié)果顯示：水下4 m的PH 值自5月25 日開始都大于9，呈現(xiàn)堿性的變化，6月1-2 日，水庫放水后，PH 值回歸正常變化，溶解氧的含量無明顯的趨勢性變化（圖8a）；水下的9 m 的PH 值在8 附近波動變化，溶解氧的變化也無明顯的突變（圖8b）；5月1 日至8月24日，取水口水深13 m 的PH 值變化較為穩(wěn)定，均在7～7.5 之間波動變化，未出現(xiàn)PH 值大于8 的變化（圖8c）。因此，認為佛子嶺水庫水體的異常來自地下的構(gòu)造活動的可能性較小，不是地震前兆異常。

圖8 取水口不同深度PH及溶解氧的變化Fig.8 Changes of PH and dissolved oxygen at different depths at the intake of Foziling Reservoir

3.4 氣象因素影響

近年來由于氣候等原因，降雨集中且強度大，引起山洪、在庫區(qū)茂密的植被條件下，強大的地表徑流將大量的有機質(zhì)帶入水庫，可引起水體的營養(yǎng)的積累[11]。本文收集了水庫地區(qū)的2017年以來的氣溫、氣壓及降雨數(shù)據(jù)（圖9），結(jié)果顯示：2017年以來，該區(qū)域的氣溫、氣壓、降雨量數(shù)據(jù)呈現(xiàn)正常的年變動態(tài)（圖9a、b、c），未出現(xiàn)明顯的突變；2021年5月1至31的氣象三要素的變化也呈現(xiàn)正常的變化（圖9d、e），5月10-15 有明顯的降雨過程，與5月24 日水庫的的發(fā)渾發(fā)白現(xiàn)象存在較大的時間差（圖9f），分析認為降雨引起該異常的可能性較小。

圖9 佛子嶺水庫區(qū)域氣象三要素的變化曲線Fig.9 Variation curve of three meteorological elements in Foziling Reservoir

3.5 區(qū)域地震活動分析

佛子嶺水庫位于“霍山地震窗”范圍內(nèi)，該震情窗位于大別山隆起塊體與華北塊體接觸帶的北大別山沉降帶的南緣，是秦嶺—大別造山帶與郯廬斷裂帶的交匯部位，構(gòu)造較為特殊，在傳統(tǒng)的震情窗研究中，一般利用小震得活動頻次來判定震情形勢，并以此為基礎(chǔ)統(tǒng)計震情窗與地震的關(guān)聯(lián)，取得了一定的效果[12]。2019年10月1 日至2021年8月20 日的“霍山窗”1.0 級以上的地震的日頻次結(jié)果顯示：2021年5月24 日前，地震窗內(nèi)地震活動未出現(xiàn)明顯的增強變化，水庫宏觀異常出現(xiàn)3個月后，區(qū)域地震活動也未出現(xiàn)明顯的增強變化（圖10），因此可以認為該異常為地震前兆的可能性很小。

圖10 霍山窗1.0級以上地震日頻次統(tǒng)計Fig.10 Statistics of daily frequency of earthquakes with M ≥1.0 at“Huoshan seismic Window”

4 認識與討論

通過對安徽霍山佛子嶺水庫水體5.24 日出現(xiàn)的大面積的發(fā)白、發(fā)渾的宏觀異常，通過對水體開展水化學(xué)、氣象要素等的深入研究，總結(jié)異常核實和分析的過程，得到如下認識：

（1）對于水庫大面積的水體宏觀異常，5月25日的檢測結(jié)果顯示，5個點的PH 值均大于9，呈現(xiàn)堿性。

（2）佛子嶺水庫5個點位不同時段的取樣檢測結(jié)果顯示：佛子嶺水庫水化學(xué)類型是Ca-HCO3 型，這兩種離子的濃度與巖溶作用強度有密切的關(guān)系，顯示了碳酸鹽的溶蝕-沉淀過程對佛子嶺水庫水化學(xué)特征有控制作用。兩個時段的離子含量中，除HCO3-的含量變化較大外，其它離子及參數(shù)大體相當。

（3）通過對取水口不同深度水體的PH 值連續(xù)觀測顯示：5月1 日至8月24 日13 m 深的水體PH值在7～7.5 正常波動變化；5月25 至6月2 日4 m 深的水體PH 值均大于9，水庫6月1 日開閘放水后，PH 下降到正常水平，認為此宏觀異常來自地下深部的可能性不大。

（4）通過與氣象要素及區(qū)域地震活動的對比分析，也排除了與宏觀異常的相關(guān)性。

綜上所述，認為2021年5月24 日霍山佛子嶺水庫出現(xiàn)的大面積發(fā)白發(fā)渾的宏觀異常為地震前兆的可能性較小。