鹽源縣龍洞河水位異常的分析和判定

蔣 川，陳碧洪，馬付紅

（四川省地震局西昌地震監(jiān)測中心站，四川 西昌 615022）

地震地下流體是指與地震孕育、發(fā)生或構(gòu)造活動有直接聯(lián)系的、賦存于地殼巖體空隙中的水、氣、油等物質(zhì)。人們把地下流體的異常變化作為地震前兆來研究，起源于強(qiáng)震前出現(xiàn)的井水位變化、冒泡、變色、變味等宏觀現(xiàn)象的認(rèn)識（郭增建，1964）。多年觀測實踐及研究證明，中強(qiáng)地震發(fā)生前震區(qū)部分觀測井會出現(xiàn)明顯的地下水異常變化，這主要是由于在區(qū)域應(yīng)力作用下，地殼介質(zhì)受到力的作用發(fā)生形變破壞時，介質(zhì)中的流體在動力作用、熱力作用和化學(xué)作用下發(fā)生動態(tài)變化（孫小龍，2016）。水位觀測是地下流體觀測的手段之一，1966～2006年的《中國震例》中，有水位前兆異常的共有100個震例，占統(tǒng)計震例的41.7%。100個震例中，共有283項水位異常，平均每個震例有2.83項異常（李利波等，2016）。水位異常也發(fā)揮著重要作用，如海城地震前，在海城地震震中半徑250 km范圍內(nèi)的25個縣、市，共測得118口井水位有異常表現(xiàn)（馬宗晉等，2008）。然而并非所有的水位異常均是地震前兆異常，原因在于很多因素均可引起異常變化，如構(gòu)造活動、降雨、放炮采礦、鉆井抽水、水庫蓄放水等。如何在各種因素共同作用下準(zhǔn)確識別地震前兆信息，排除各種干擾做出準(zhǔn)確的判定，是目前地震監(jiān)測預(yù)報亟需解決的重要問題。2019年12月10日鹽源縣龍洞河地下水位發(fā)生異常，短時間內(nèi)蓄水區(qū)水位急劇下降，這是該點被設(shè)立為地震觀測點以來首次觀測到的現(xiàn)象。本文針對鹽源縣龍洞河地下水位異常的現(xiàn)象，對近2年來的連續(xù)跟蹤觀察結(jié)果和收集到的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行綜合分析，尋找異常發(fā)生的原因，進(jìn)而為本地區(qū)今后的前兆觀測及地下水異常分析判定提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造概況

龍洞河位于川滇菱形塊體內(nèi)、麗江—小金河斷裂帶的中段偏南的位置。麗江—小金河斷裂帶是川滇菱形塊體內(nèi)部的一條NE向活動構(gòu)造帶，斷裂全長360 km，它將川滇菱形塊體斜切為川西北和滇中2個次級塊體，是龍門山—錦屏山—玉龍雪山中新生代推覆構(gòu)造帶西南段基礎(chǔ)上形成的一條活動斷裂帶（鄧起東等，2002；向宏發(fā)等，2002），從全新世至今一直具有較強(qiáng)的活動性（徐錫偉等，2003；季靈運(yùn)等，2015）。麗江—小金河斷裂及其次級寧蒗斷裂、甲米斷裂歷史上地震頻發(fā)，統(tǒng)計龍洞河異常點50 km以內(nèi)地震，發(fā)生5級以上地震17次，最大一次為1976年11月6日發(fā)生的6.7級地震，最晚為2001年5月23日發(fā)生的6級地震。李寧等（2018）采用DEFNODE負(fù)位錯反演程序計算了麗江—小金河斷裂帶的斷層閉鎖程度和滑動虧損速率特征，結(jié)合小震精定位結(jié)果分析了該斷裂帶的強(qiáng)震危險性，結(jié)果表明麗江—小金河斷裂的南段－中段南部具有發(fā)生較大地震的潛在危險性?？梢姰惓^(qū)域既具有中強(qiáng)地震活動的構(gòu)造背景，又有發(fā)生較大地震的風(fēng)險，因此異常的跟蹤分析尤為重要。

2 異常概況

2.1 異常點及周邊概況

鹽源縣棉椏鄉(xiāng)核桃園村龍洞河宏觀異常觀測點分蓄水區(qū)和排泄區(qū)，蓄水區(qū)為一水壩所圍限的出水坑，地下水通過蓄水區(qū)底部的入水口進(jìn)入蓄水區(qū)，入水口為一直徑約1 m的圓形洞口，2004年枯水期當(dāng)?shù)厝藛T曾深入洞口約500 m，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部有暗河，蓄水區(qū)在蓄滿水后自然溢出，通過外圍的水壩向外排泄（圖1b）。

圖1 異常點示意圖

異常區(qū)內(nèi)主要出露地層為：（1）第三系昔格達(dá)組（N2x）為粉砂巖、粘土巖、砂礫巖夾褐煤層，淺層水泉流量0.02～0.32 L／s，最大23 L／s；（2）三疊系白山組（T2b）為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，組內(nèi)巖溶發(fā)育，巖溶泉流量50～40 L／s，局部發(fā)育巖溶大泉流量超6000 L／s；（3）三疊系鹽塘組（T2y）為一套淺海相或封閉海灣的碳酸巖沉積，巖性為粉砂巖、砂巖夾泥質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r，含石膏層，賦存巖溶水，溶洞暗河強(qiáng)烈發(fā)育，大泉暗河流量100～1000 L／s，大者達(dá)6830 L／s①資料來源：四川省地質(zhì)局第一區(qū)域地質(zhì)測量隊二分隊.1971.區(qū)域地質(zhì)測量報告（鹽源幅G－47－VI），未公開出版.。異常點旁的陡壁（圖1a）上的基巖剖面（圖2）可見灰?guī)r、泥灰?guī)r出露。

圖2 異常點附近基巖出露情況

2.2 異常特征

2019年12月10日異常點外圍水壩斷流（圖3），蓄水區(qū)的水位開始急劇下降，12月14日水位下降約6 m（圖4），此后水位不斷下降，直到2020年2月5日蓄水區(qū)入水口已干涸。而異常發(fā)生之前，異常點蓄水位偶爾會下降，但一般下降20～30 cm后就會恢復(fù)。

圖3 異常發(fā)生前、后的水壩溢水情況對比

圖4 蓄水區(qū)水位變化對比

3 異常點跟蹤變化及數(shù)據(jù)資料分析

3.1 異常點跟蹤變化分析

異常點在綜合水文地質(zhì)圖上被標(biāo)識為長觀泉點，常年泉水流量變化為0～6327.54 L／s②資料來源：中國人民解放軍00九三一部隊四中隊.1977.綜合水文地質(zhì)圖（鹽源幅G-47-6），未公開出版.，異常點至少在1977年編制綜合水文地質(zhì)圖或更早的野外工作階段，就出現(xiàn)過斷流和恢復(fù)外排事件。通過現(xiàn)場調(diào)查了解到異常點在2004年之前的豐水期均有水排泄，并在枯水期斷流；2019年12月10日異常發(fā)生外圍水壩立即斷流；2020年7月9日外圍水壩恢復(fù)外排；2020年12月27日外圍水壩斷流；2021年7月6日外圍水壩恢復(fù)外排。異常點詳細(xì)變化情況見表1、圖5。

表1 異常點歷史變化統(tǒng)計表

通過異常點跟蹤變化分析發(fā)現(xiàn)2019年異常點出現(xiàn)斷流事件并非首次發(fā)生，歷史上異常點已經(jīng)出現(xiàn)過多次類似事件。2019年異常發(fā)生以來已經(jīng)出現(xiàn)的2次斷流和2次恢復(fù)事件（圖5），對比異常點歷史上已出現(xiàn)的斷流和恢復(fù)事件并無不同之處，斷流時間都在枯水季，恢復(fù)外排均在雨季。分析認(rèn)為這與降雨的周期性變化有關(guān)，在某一個較長的時間段內(nèi)年累計降雨量高于平均水平，異常點補(bǔ)給充足，常年向外排水；而在另一段較長的時間段內(nèi)年累計降雨量低于平均水平，在每年的枯水季節(jié)補(bǔ)給不足出現(xiàn)斷流，2019年發(fā)生的異常僅是另一個降雨周期的開啟。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)異常點發(fā)生斷流的年數(shù)遠(yuǎn)多于不發(fā)生斷流的年數(shù)，發(fā)生斷流、水位下降事件應(yīng)屬正常，分析認(rèn)為造成這種“錯覺”的原因是異常點于2005年被設(shè)立為地震宏觀觀測點，由專門人員負(fù)責(zé)觀察，而2005年一直到異常發(fā)生前均為常年向外排水，2019年首次觀測到斷流則被視為異常。

圖5 異常點變化與降雨對應(yīng)圖

3.2 干海井?dāng)?shù)據(jù)資料分析

干海井觀測點位于異常點SEE向約16 km處，井深73.65 m，流量0.132～0.703 L／s，水溫15.0～18.5℃，井下38～54.05 m的砂巖段為主要含水層。干海井觀測點與異常點下覆地層（圖6）為第三系昔格達(dá)組（N2x）、三疊系白山組（T2b）、鹽塘組（T2y），均為異常區(qū)域地下水的出漏點。異常點與干海井觀測點之間發(fā)育有三疊系鹽源—棉埡斷裂。由于干海井觀測點與異常點同處異常區(qū)域，且干海井位于異常點地下水流動方向的下游，干海井的降雨、水化學(xué)觀測資料能夠反應(yīng)異常區(qū)域整體降雨、地下水補(bǔ)給、巖溶變化等特征。

圖6 異常點－干海井觀測點地質(zhì)剖面示意圖

3.2.1 水化學(xué)及氫氧同位素分析

地下水的化學(xué)組分和穩(wěn)定同位素組成可以用于判定其水化類型、水－巖平衡反應(yīng)特征及其組分來源。Piper圖可以判定地下水的類型和地下水的混合作用；Giggenbach圖可判定地下水的水巖平衡狀態(tài)，進(jìn)一步揭示含水層的深淺部補(bǔ)給關(guān)系和地下水系統(tǒng)的開放與封閉程度；Schoeller圖形狀變化趨勢可以判斷地下水補(bǔ)給是否具有同一補(bǔ)給來源；氫氧穩(wěn)定同位素數(shù)據(jù)與大氣降水線之間的關(guān)系可研究地下水的運(yùn)動過程。本文收集了干海井的水化學(xué)及氫氧同位素數(shù)據(jù)（表2）。

表2 干海井水化學(xué)及氫氧同位素分析結(jié)果

干海井地下水陰離子以HCO－3、Cl－為主，陽離子以Na＋為主，依據(jù)舒卡列夫分類法干海井地下水水化類型為HCO3·Cl－Na類型。piper圖（圖7a）、Schoeller圖（圖7c）顯示前后離子的含量較為接近，說明干海井補(bǔ)給源沒有發(fā)生明顯變化。地下水中Ca2＋、HCO－3來自于地下水流動過程中對灰?guī)r的溶解。較高的Na＋、Cl－可能是由于在地下水流動過程中溶解鹽類形成，K＋較低說明本地區(qū)沉積巖中含鉀鹽較低，增加近1倍，分析認(rèn)為這與下覆地層鹽塘組（T2y）中部含有透鏡狀石膏，底部含有石膏礦有關(guān)，15年間含有CO2的地下水不斷向深部侵蝕，發(fā)生反應(yīng)：CaCO3＋CO2＋H2O→HCO－3＋Ca2＋，地下水的容納空間向下擴(kuò)展，鹽塘組中部和底部的石膏溶解在地下水中，同時維持原有地下水水位所需的水源補(bǔ)給更多，這可能是異常發(fā)生的一個次要原因。

圖7 干海井地下水分析

Giggenbach圖（圖7b）顯示兩次采樣分析結(jié)果幾乎重疊，均落在靠近Mg2＋端元部分平衡區(qū)域，表明水循環(huán)相對較快，水巖之間尚未達(dá)到離子平衡狀態(tài)，水巖作用仍在進(jìn)行。氫氧同位素測試結(jié)果（圖7d）位于中國西南地區(qū)大氣降水線（δD＝7.54δ18O＋4.84）下方附近，分析認(rèn)為干海井地下受大氣降水直接補(bǔ)給，但因發(fā)生了部分平衡的水－巖反應(yīng)，造成該水樣輕微偏離中國西南地區(qū)大氣降水線右側(cè)。

3.2.2 降雨觀測資料分析

依據(jù)氫氧同位素分析結(jié)果，結(jié)合其他學(xué)者對本地區(qū)井水的研究成果（楊耀等，2019）認(rèn)為異常點地下水補(bǔ)給來源也為大氣降水，因此分析降雨數(shù)據(jù)對查明異常發(fā)生的原因十分重要。對干海井所在地區(qū)的降雨量進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果見圖8。從該圖可以看出：（1）異常點區(qū)域降雨具有顯著的季節(jié)性特征，每年的6～9月為降雨集中的時段，其中7月降雨量最多，11月至次年的4月為少雨時段；（2）異常點區(qū)域每年的年累計降雨量并不平均，最小值為2013年的611.6 mm，最大值為2015年的945.4 mm，變異系數(shù)為0.166，離散程度較高。發(fā)生斷流的2019年年累計降雨量（611.7 mm）為近年來的次低水平，降雨量明顯偏少。

圖8 2012～2020年鹽源地區(qū)年降雨量和月均降雨量（中國氣象局公共氣象服務(wù)中心，2021）

4 結(jié)論

（1）跟蹤調(diào)查情況表明2019年12月10日鹽源縣龍洞河地下水位異常并不是首次發(fā)生，異常發(fā)生以來相繼出現(xiàn)的斷流和恢復(fù)外排的事件與降雨的對應(yīng)關(guān)系明確，具有顯著的相關(guān)性，認(rèn)為異常的發(fā)生只是一個新的降雨周期（枯水周期）的開啟。（2）依據(jù)水化學(xué)和氫氧同位素分析情況，認(rèn)為異常地區(qū)地下水直接受降雨補(bǔ)給，地下水循環(huán)相對較快，發(fā)生了一定程度的水巖反應(yīng)，使氫氧同位素輕微偏離西南地區(qū)降水線。顯著增加原因是溶解了鹽塘組中部、底部的石膏礦，認(rèn)為異常區(qū)巖溶系統(tǒng)在不斷向下發(fā)育，地下水的容納空間也在向深部擴(kuò)展，維持原有地下水位所需的水源補(bǔ)給將更多，這是異常發(fā)生的次要原因。（3）異常區(qū)域近年來降雨量低于年平均降雨水平，且季節(jié)性特征十分明顯。綜合分析認(rèn)為近年來的降雨量偏低使地下水補(bǔ)給總體偏少是發(fā)生異常的基礎(chǔ)，季節(jié)性的補(bǔ)給不足是異常發(fā)生的主要原因。

由于數(shù)據(jù)有限，僅使用干海井單點的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，在今后的前兆觀測及異常核實工作中需要收集豐富數(shù)據(jù)以進(jìn)一步夯實研究成果。

致謝：梁明劍、李晨樺高工對本文的寫作給予了指導(dǎo)幫助；中國地震臺網(wǎng)中心，國家地震科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：／／data.earthquake.cn）提供了數(shù)據(jù)支撐，在這里一并致謝！