昆明地震臺(tái)流體觀測井水文地球化學(xué)特征

李圣 張 立 錢文品 張光順 何應(yīng)文 楊玲英 卿元華 羅嘉錚

1）中國昆明650224 云南省地震局

2）中國四川611130 成都師范學(xué)院史地與旅游學(xué)院

3）中國四川610059 成都理工大學(xué)能源學(xué)院

0 引言

地震地下流體是指與地震孕育、發(fā)生或構(gòu)造活動(dòng)有直接聯(lián)系的、賦存于地殼巖體孔隙中的水、氣、油等物質(zhì)（劉耀煒等，2000），地下流體監(jiān)測在地震短臨預(yù)測中起著重要作用（楊秋野等，2020）。地下水的地球化學(xué)研究對判定地下水的水化學(xué)類型、循環(huán)深度、水—巖作用強(qiáng)度，以及探討水體之間的水力關(guān)系具有重要作用（張國盟等，2015；胡小靜等，2020；盛艷蕊等，2020）。利用地下水氫、氧同位素的變化特征可判斷地下水水—巖作用和混合作用強(qiáng)度，以進(jìn)一步推斷水位異常的影響因素及區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)情況（Claesson et al，2004，2007）。根據(jù)地震前后氫、氧同位素的變化特征，可較好地識(shí)別地下水成分改變與區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)間的關(guān)系（Skelton et al，2014）。因此，利用化學(xué)元素、同位素開展地下流體的示蹤和分析，對于判定水位異常、震前跟蹤分析及預(yù)測區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)情況具有重要作用。

2018 年地球化學(xué)背景調(diào)查時(shí)，曾對昆明基準(zhǔn)地震臺(tái)流體觀測井（以下簡稱昆明臺(tái)井），作過井水化學(xué)測試工作。該井北約80 m 處有一漁塘，漁塘面積800 m2，平均深度5 m，總?cè)莘e約4 000 m3。全年蓄水，但有季節(jié)性變化。本文以水化學(xué)分析為手段，結(jié)合水文地質(zhì)、構(gòu)造地質(zhì)等基礎(chǔ)資料，對昆明臺(tái)井地下水的地球化學(xué)特征進(jìn)行研究，探究昆明臺(tái)井地下水地球化學(xué)時(shí)空變化過程，明確地下水補(bǔ)給來源，以及昆明臺(tái)井與昆明臺(tái)漁塘之間的水力關(guān)系，以期為昆明臺(tái)井地下水地震觀測提供理論依據(jù)。

1 昆明臺(tái)井水文地質(zhì)概況

昆明基準(zhǔn)地震臺(tái)位于昆明市北部約13 km 處，所在地區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育，臺(tái)站東、西兩端有近SN 向斷層不連續(xù)分布，臺(tái)站北側(cè)有近EW 向斷層分布，連續(xù)出露約62 m。其中，臺(tái)站北側(cè)斷層為右旋走滑斷層，兩側(cè)巖石破裂寬度約15 m，北盤為灰?guī)r，走向N250°E，傾向SE，傾角350°；南盤為玄武巖，斷層走向近EW，傾向N。昆明臺(tái)井位于昆明基準(zhǔn)地震臺(tái)西側(cè)約40 m 處，黑龍?zhí)侗眰?cè)沖溝東部，高程1 975 m，地處滇東斷裂系NS 向黑龍?zhí)丁俣蓴嗔焉蟍圖1（a）]。井深280.20 m，在0—199.00 m 孔段進(jìn)行了永久性井壁保護(hù)，井內(nèi)59.00 m 處作永久性止水，199.00—249.00 m 為濾水管，249.00—280.20 m 以下為裸孔[圖1（b）]。地下水為巖溶裂隙承壓水，隔水層為玄武巖，含水層為二疊系茅口組、棲覆組白云質(zhì)灰?guī)r。昆明臺(tái)井于2004 年6 月成井，2006 年用于流體觀測。水溫一般為17.79—17.97 ℃，溫度變化較小，10 月溫度最高，達(dá)17.96 ℃，3 月溫度最低，為17.81 ℃。水位為18.12—27.88 m（圖2），變化較大，9—10 月水位埋深較淺，水位高，均值22.41 m；3—4 月水位埋深較深，水位低，為27.13 m。

圖1 采樣點(diǎn)分布示意圖（a）和昆明臺(tái)井孔柱狀圖（b）Fig.1 The Sketch map of sampling point distribution (a) and column chart of well bore of Kunming Seismic Station well (b)

圖2 昆明地震臺(tái)靜水位（a）、降水量（b）Fig.2 The dynamic curve of well water level (a) and precipitation (b)

2 取樣與測試結(jié)果

2020 年11 月23 日對黑龍?zhí)兜貐^(qū)昆明臺(tái)井、昆明臺(tái)漁塘共2 個(gè)水體點(diǎn)進(jìn)行了樣品采集，采樣點(diǎn)空間分布如圖1（a）所示。先用取樣器放入水下3 m 處取水，將水裝于100 mL 的聚乙烯塑料瓶。取樣前塑料瓶已用超凈水清洗，裝樣時(shí)再用所采水樣沖洗3 次，為了避免水中元素沉淀或氧化，還需將瓶內(nèi)空氣排凈，然后密封保存。將2018 年水化學(xué)背景監(jiān)測水樣樣品編號(hào)為KMT1，將2020 年11 月23 日昆明臺(tái)井水（地下水）、漁塘水（地表水）兩水體采集水樣編號(hào)為KMT2、KMT3。3 個(gè)水樣的水質(zhì)分析和同位素測試委托國家自然災(zāi)害防治研究院地殼動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)完成，具體測試結(jié)果見表1。

表1 昆明臺(tái)井及漁塘水樣化學(xué)分析結(jié)果Table 1 The chemical composition of water samples in Kunming Seismic Station well and fish pond

3 水化學(xué)特征及分析

根據(jù)2 個(gè)水體的現(xiàn)場測試結(jié)果（表1）可知，昆明臺(tái)井地下水pH 值為8.38，漁塘水pH值為8.90，均為堿性水。昆明臺(tái)井水和漁塘水的氧化還原電位分別為94 mV、129 mV，電導(dǎo)率分別為212 μs/cm、158 μs/cm，表明2 個(gè)水體水化學(xué)成分有一定差異。

3.1 水質(zhì)類型

昆明臺(tái)井地下水含水層巖性為溶蝕孔較發(fā)育的云質(zhì)灰?guī)r，地下水在滲流過程中會(huì)不斷地與圍巖介質(zhì)發(fā)生水巖相互作用，使得地下水中的化學(xué)成分出現(xiàn)差異性（張洪志等，2015）。白云質(zhì)灰?guī)r的礦物成分陽離子組分主要為Ca2+、Mg2+離子，隨著水—巖作用的進(jìn)行，Ca2+、Mg2+從巖石中析出，改變了地下水陽離子組成。昆明臺(tái)井隔水層為二疊系玄武巖，該巖石富含鐵鎂質(zhì)硅酸鹽礦物，在近地表常溫、常壓條件下不穩(wěn)定，容易與地下水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，析出Fe2+、Mg2+、Ca2+、Na+、K+。昆明臺(tái)井地下水陽離子以Mg2+、Ca2+、Na+、K+為主，可見含水層巖性、隔水層巖性是控制昆明臺(tái)井地下水水化學(xué)類型的主要因素之一。

圖3 昆明地震臺(tái)井和魚塘水piper 三線圖（a）和schoeller 圖（b）Fig.3 The piper diagram (a) and schoeller diagram (b) of water in Kunming Seismic Station well and fish pond

3.2 水化學(xué)組分演化特征及分析

圖4 距昆明地震臺(tái)井50 km 范圍內(nèi)ML ≥2.0 地震M—t圖Fig.4 TheM-tdiagram of earthquakes withML ≥2.0 in the 50 km range of Kunming Seismic Station well

3.3 水—巖化學(xué)平衡特征及分析

Na—K—Mg 三角圖解能很好評(píng)價(jià)水—巖化學(xué)平衡狀態(tài)，區(qū)分不同類型水樣及判斷地下水循環(huán)深度（胡小靜等，2020）。將2018 年、2020 年昆明臺(tái)井水和漁塘水的水樣數(shù)據(jù)繪制成Na—K—Mg 三角圖[圖5（a）]。由圖5（a）可見，昆明臺(tái)井2018 年、2020 年水樣點(diǎn)及漁塘水樣點(diǎn)均位于未成熟水區(qū)域，處在 Mg 端元，表明井水、漁塘水的循環(huán)周期較快，水—巖作用較弱，尚未達(dá)到離子平衡狀態(tài)，溶解作用依舊在進(jìn)行。

3.4 氫、氧同位素特征及分析

Graig（1961）提出全球大氣降水線，其降水方程為

其中，δD 為氫同位素實(shí)測比值；δ18O 為氧同位素實(shí)測比值。式（1）的提出有利于氫、氧同位素水循環(huán)研究的示蹤，可根據(jù)δD 和δ18O 的含量和分布特征來分析地下水的補(bǔ)給來源。朱秀勤等（2013）計(jì)算出了昆明地區(qū)的大氣降水線，其降水方程為

本研究依據(jù)式（1）、（2）為基線，對井水、漁塘水的氫、氧同位素作了投點(diǎn)，最終得到各水體的氫、氧同位素關(guān)系[圖5（b）]，該結(jié)果可以用來說明各個(gè)樣品的來源及其相互轉(zhuǎn)化關(guān)系。昆明臺(tái)井水和漁塘水的氫、氧同位素特征差別較大，但都靠近區(qū)域大氣降水線，表明同為大氣降水補(bǔ)給。昆明地震臺(tái)漁塘水δD、δ18O 濃度顯著大于井水相應(yīng)值，這主要是與漁塘水作為地表水經(jīng)歷了較強(qiáng)的蒸發(fā)作用有關(guān)（張磊等，2016），同時(shí)也說明，昆明臺(tái)井地下水存在其他來源的地表水補(bǔ)給。由圖5（b）可見，2020 年昆明臺(tái)井水與2018 年相比，向右上方偏移，氫、氧同位素富集，原因可能是自2018 年7 月至2020 年11 月水—巖作用增強(qiáng)。結(jié)合考慮昆明臺(tái)井地下水離子組分演化特征及其與漁塘水離子組成的較大差異認(rèn)為，氫、氧同位素富集主要原因應(yīng)是水—巖作用增強(qiáng)。

圖5 昆明地震臺(tái)井及漁塘水水化學(xué)Na—K—Mg 三角圖（a）和氫、氧同位素組成（b）Fig.5 The trigonometry map of hydrochemistry of Na-K-Mg (a) and the composition of hydrogen and oxygen Isotopes (b) in well water and fish pond water of Kunming Seismic Station

3.5 井水補(bǔ)給高程

已有研究表明，δD、δ18O 具有高程效應(yīng)，即δD、δ18O 會(huì)隨高程的增加而降低（盛艷蕊等，2020），利用該原理可計(jì)算出昆明臺(tái)井水的補(bǔ)給高度。昆明臺(tái)井水補(bǔ)給區(qū)的確定有利于分析區(qū)域降雨對井水位變化的影響。根據(jù)同位素效應(yīng)計(jì)算補(bǔ)給區(qū)的公式為（李學(xué)禮等，2010）

其中，H為補(bǔ)給區(qū)高程；h為取樣層高程；δs 為所取水樣的δD 或δ18O 值；δp 為所取水樣點(diǎn)附近大氣降水的δD 或δ18O 值。據(jù)已有資料，δD 值取-54.209‰，δ18O 值取-7.763‰（朱秀勤等，2013）；K為同位素高度梯度。取δ18O 隨高程的變化梯度-0.276‰/100 m（柳鑒容等，2009），計(jì)算出昆明臺(tái)井水的補(bǔ)給高程為1 965 m，根據(jù)黑龍?zhí)兜貐^(qū)的地形地貌及高程特征，確定補(bǔ)給區(qū)為觀測井正北的石關(guān)一帶。

3.6 觀測井與昆明臺(tái)漁塘之間的水力關(guān)系

如上所述，昆明臺(tái)漁塘水和觀測井水的水化學(xué)組分相似，化學(xué)類型和水巖作用強(qiáng)度相似，表明二者水體成因相似，加之二者都處在區(qū)域降水線下方，補(bǔ)給來源都為大氣降水，井水和漁塘水之間可能存在水力關(guān)系。圖6 為2020 年昆明地震臺(tái)漁塘水位、井水位、降雨量。由圖6 可見，降雨過后二者水位曲線都呈現(xiàn)先增加、后減少的趨勢，其不同點(diǎn)在于漁塘水作為地表水對降雨量的效應(yīng)出現(xiàn)較快，而井水對降雨量導(dǎo)致的水位上升效應(yīng)較滯后。但整體上來看，二者水位相關(guān)性較好，這間接說明井水、漁塘水間存在水力關(guān)系。據(jù)圖1（b）可知，觀測井與漁塘都位于黑龍?zhí)丁俣蓴嗔焉?，故推測漁塘水是通過斷層通道緩慢運(yùn)移、壓力傳導(dǎo)、滲透等因素影響井水位而非直接的水力貫通。因此，漁塘水對昆明地震臺(tái)流體觀測井有一定程度的影響，后期抽水時(shí)可能會(huì)引起井水位下降，在后續(xù)分析中應(yīng)考慮進(jìn)去。但考慮到二者氫、氧同位素組成差異較大的緣故，可以判定漁塘水不是影響井水的主要因素。

圖6 2020 年昆明地震臺(tái)靜水位（a）、漁塘水位（b）、降水量（c）Fig.6 The diagram of dynamic curve of well water level (a),fish pond water level (b) and precipitation (c)

4 結(jié)論

通過對昆明臺(tái)井水、漁塘水地球化學(xué)特征及氫、氧同位素組成的研究，得出如下結(jié)論。

（2）離子組分特征演化結(jié)果表明，研究區(qū)構(gòu)造活動(dòng)平穩(wěn)，因含水層滲透性增強(qiáng)和人為干擾，自2018 年7 月至2020 年11 月昆明臺(tái)井水—巖作用有所增強(qiáng)，具體表現(xiàn)為δD、δ18O 富集、Mg2+濃度升高。

（3）根據(jù)氧同位素高程效應(yīng)及其與漁塘水離子、氫氧同位素組成的差異可知，昆明臺(tái)井水主要補(bǔ)給來源為大氣降水，補(bǔ)給區(qū)主要為臺(tái)站正北的石關(guān)一帶，漁塘水與昆明臺(tái)井地下水間存在水力關(guān)系，但漁塘水不是影響井水的主要因素。

（4）Na—K—Mg 三角圖顯示昆明臺(tái)井水為未成熟水，地下水處于演化的初始階段。