寧夏雙井子流體觀測(cè)臺(tái)的改造及優(yōu)化

任家琪，賀嘉偉，王曉濤，儲(chǔ) 翔，張亞鵬

（寧夏回族自治區(qū)地震局，寧夏 銀川 750001）

0 引言

寧夏固原市位于羅山—固原斷裂帶附近，地處青藏塊體東北緣和鄂爾多斯西緣的交匯處，屬南北地震帶北段，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，是應(yīng)力應(yīng)變易積累區(qū)域和強(qiáng)震的易發(fā)區(qū)域。近40 年該地發(fā)生4.5 級(jí)以上地震8 次，震情形勢(shì)不容樂(lè)觀。寧夏固原市雙井子流體觀測(cè)臺(tái)溫泉觀測(cè)環(huán)境優(yōu)良，為近三十年多次中強(qiáng)震前提供了明顯的前兆異常地震觀測(cè)數(shù)據(jù)，是寧夏回族自治區(qū)地震局優(yōu)質(zhì)前兆觀測(cè)臺(tái)站之一。由于2010 年洪水對(duì)周圍環(huán)境破壞、加之寧夏雙井子流體臺(tái)建設(shè)時(shí)間久遠(yuǎn)，硬件設(shè)施老化，通訊等設(shè)備陳舊，故寧夏回族自治區(qū)地震局依據(jù)中國(guó)地震局《關(guān)于下達(dá)2018 年度重點(diǎn)臺(tái)站優(yōu)化改造項(xiàng)目工作任務(wù)及相關(guān)安排的通知》（中震測(cè)函〔2018〕06 號(hào)）的通知，決定于2018 年對(duì)寧夏雙井子流體臺(tái)進(jìn)行專項(xiàng)改造及優(yōu)化，以填補(bǔ)寧夏固原市監(jiān)測(cè)空區(qū)，進(jìn)一步強(qiáng)化區(qū)域震情跟蹤能力[1]。

1 寧夏雙井子流體臺(tái)地理?xiàng)l件及地震地質(zhì)條件

寧夏雙井子流體臺(tái)位于中衛(wèi)市海原縣（海原縣原屬固原市）甘城鄉(xiāng)雙井村，在固原市以北約70 km 處。該臺(tái)址距盤甘公路3.5 km，泉點(diǎn)地處黃土高原丘陵溝壑區(qū)，是典型的大陸性氣候。年平均氣溫在5.8 ℃~7.8 ℃之間，降水偏少，年降水量306.9~737.7 mm，全年降水時(shí)空性分布不均勻，春、夏兩季降水偏少，出現(xiàn)間歇性輕度干旱，秋季降水偏多。日照充足，晝夜溫差大。區(qū)域內(nèi)丘陵起伏，溝壑縱橫，梁峁交錯(cuò)，山多川少，屬典型的黃土丘陵溝壑區(qū)。電力、通信、交通便利，臺(tái)站改造基礎(chǔ)良好。

如圖1 所示，寧夏雙井子流體臺(tái)位于青藏塊體東北邊緣，該區(qū)活動(dòng)斷裂發(fā)育，構(gòu)造變形強(qiáng)烈，周圍有海原活動(dòng)斷裂帶、六盤山活動(dòng)斷裂帶、香山—天景山活動(dòng)斷裂帶、煙筒山活動(dòng)斷裂帶和牛首山—羅山—云霧山活動(dòng)斷裂帶。該地區(qū)地震頻度高、強(qiáng)度大，歷史上曾發(fā)生過(guò)1219年固原6.5級(jí)、1306年固原6.5級(jí)、1561年中寧南7.2級(jí)、1622年固原北7級(jí)、1709年中衛(wèi)南7.5 級(jí)和1920 年海原8.5 級(jí)等強(qiáng)震甚至大震。寧夏雙井子溫泉不僅構(gòu)造上處在煙筒山活動(dòng)斷裂帶上，而且也在1622 年固原北7 級(jí)地震的宏觀震中區(qū)內(nèi)。

雙井子溫泉是寧夏南部一處難得的天然溫泉，為構(gòu)造上升溫泉，位于固原地震臺(tái)以北約70 km 處的煙筒山斷裂帶的南段。位于“幾”字河道頂部，河水平時(shí)流量不大，雨季易發(fā)洪水。斷層為近南北走向，逆沖斷層，向西傾斜。泉水和氣體出自白堊系下統(tǒng)馬東山組（Klm），屬湖相還原條件下的產(chǎn)物。泉水硫酸根和鈉離子含量高，具有濃硫化氫氣味。泉點(diǎn)水溫25.0℃，流量可觀，有大量氣泡冒出，在寧夏境內(nèi)屬于罕見(jiàn)的斷層上升溫泉。

2 數(shù)字化改造的意義及可行性

（1）近年來(lái)受到觀測(cè)環(huán)境變化和井水?dāng)嗔鞯纫蛩赜绊?，許多臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境日趨惡化，導(dǎo)致測(cè)值長(zhǎng)期低于觀測(cè)規(guī)范背景值，無(wú)法開展觀測(cè)。在寧夏南部流體臺(tái)站觀測(cè)受多種因素影響無(wú)法正常開展的情況下，雙井子流體臺(tái)改造項(xiàng)目將有效緩解寧夏南部流體觀測(cè)的不足，進(jìn)一步優(yōu)化我區(qū)流體臺(tái)網(wǎng)布局，提高寧夏南部地震監(jiān)測(cè)能力。

（2）寧夏南部自上世紀(jì)海原8.5 級(jí)地震以來(lái)，連續(xù)95 年沒(méi)有發(fā)生過(guò)6 級(jí)以上地震，連續(xù)34 年沒(méi)有發(fā)生過(guò)5 級(jí)以上地震，震情形勢(shì)非常嚴(yán)峻。通過(guò)構(gòu)造類比，許多地質(zhì)學(xué)家認(rèn)為六盤山是國(guó)內(nèi)與龍門山構(gòu)造環(huán)境和構(gòu)造式樣最為接近的地區(qū)。同時(shí)，近年來(lái)通過(guò)地球物理場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，六盤山地區(qū)處在高度閉鎖狀態(tài)，其態(tài)勢(shì)與2008 年汶川地震前龍門山地區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變情況非常相似。由于雙井子溫泉處在六盤山閉鎖區(qū)北側(cè)，距離預(yù)測(cè)破裂段80~100 公里，位于非常有利的前兆觀測(cè)區(qū)域，將其建設(shè)為自動(dòng)觀測(cè)的前兆流體監(jiān)測(cè)站，將會(huì)顯著提升寧夏南部地區(qū)、特別是六盤山閉鎖區(qū)的地震監(jiān)測(cè)能力，對(duì)完善寧夏地區(qū)前兆監(jiān)測(cè)布局起到重要的作用。

（3）寧夏固原地震臺(tái)是國(guó)家Ⅰ類綜合水化臺(tái)，觀測(cè)手段涵蓋測(cè)震、形變、流體、電磁4大學(xué)科。目前固原市境內(nèi)的流體臺(tái)站共有4 個(gè)，觀測(cè)手段包括水位、水溫、氡氣、水質(zhì)、氣體等。這些流體觀測(cè)資料為寧夏南部地區(qū)地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供了重要的地震觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)發(fā)揮了重要作用。雙井子流體臺(tái)改造項(xiàng)目，將增添一處流體水化觀測(cè)的綜合觀測(cè)臺(tái)站，新增多個(gè)流體測(cè)項(xiàng)，充分有效發(fā)揮好綜合水化臺(tái)的人才、設(shè)備優(yōu)勢(shì)，發(fā)揮預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)優(yōu)勢(shì)，對(duì)提升寧夏南部地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)能力起到重要作用。

（4）雙井子溫泉為寧夏南部一處難得的構(gòu)造上升溫泉，泉水和氣體出自白堊系下統(tǒng)馬東山組（Klm），屬湖相還原條件下的產(chǎn)物。雙井子溫泉目前泉眼較分散，且位置位于河床底部。根據(jù)多年的連續(xù)觀測(cè)、多期次的流動(dòng)觀測(cè)和多次實(shí)地勘察等積累了豐富的資料，為后續(xù)該泉點(diǎn)的改造打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3 特性與勘選

3.1 物理化學(xué)特性

（1）肉眼可見(jiàn)許多氣泡逸出。

（2）嗅覺(jué)體驗(yàn)：逸出臭雞蛋氣味的氣體，判斷為硫化氫。

（3）將溫度計(jì)置于水下，5 分鐘以后測(cè)得溫度25℃。

（4）pH 值7.4~8.5，為堿性水。氯離子含量10.167 g/L，碳酸氫根離子含量0.565 g/L，氦氣含量0.9909%左右，氣氡含量約30.0 Bq/L，電導(dǎo)率24.4 ms/cm。

（5）結(jié)合地震科技星火計(jì)劃對(duì)雙井子泉點(diǎn)近幾年水化學(xué)離子樣品測(cè)試結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)：①2016 年以來(lái)4 期結(jié)果都表明，雙井子都屬于Cl-·SO42--Na+·K+型水，且不管是豐水期還是枯水期泉水的陰陽(yáng)離子差異不大（圖2）；②2016年以來(lái)4 期結(jié)果都表明，雙井子泉全部處于部分平衡水狀態(tài)（地下水的補(bǔ)給來(lái)源中除了大氣降水的補(bǔ)給外，還有較深層地下水的混入）；③從2016 年3 月同位素測(cè)試結(jié)果來(lái)看，泉點(diǎn)同位素偏離全國(guó)大氣降水線，表明受淺表水的混合和稀釋作用，以及水巖反應(yīng)和蒸發(fā)分餾效應(yīng)等影響（圖3）[2]。

圖2 雙井子泉各期水化離子三線圖及雙井子泉各期水化離子三角圖Fig.2 Three line diagram of hydration ions in Shuangjingziquan and triangles of hydration ions in different stages of Shuangjingziquan

3.2 水化勘選測(cè)試

2016 年11 月，我們對(duì)1 號(hào)測(cè)點(diǎn)和2 號(hào)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了觀測(cè)，氡的測(cè)值均為30 Bq/L左右，氦氣的測(cè)值為0.4%左右（僅以1號(hào)點(diǎn)為例）。

2017 年3 月初現(xiàn)場(chǎng)水化堪選時(shí)，在泉點(diǎn)附近布設(shè)3 條東西向測(cè)線，共19 個(gè)測(cè)點(diǎn)。其中，在1 號(hào)測(cè)線分別進(jìn)行了He 和CO2測(cè)量，在北側(cè)5m左右的3號(hào)線進(jìn)行了Rn的測(cè)量（圖4）[3]。

圖4 不同點(diǎn)位的CO2、He、Rn測(cè)值Fig.4 CO2、He and Rn values at different points of line 1

3.3 電法勘選測(cè)試

在泉點(diǎn)及外圍布置了兩條高密度電法測(cè)線，Ⅰ—Ⅰ′測(cè)線布置于泉點(diǎn)附近，由于測(cè)量條件限制測(cè)線不能充分展開，測(cè)線長(zhǎng)度僅為180 m，測(cè)量電極距為2 m，測(cè)量有效深度為20 m。Ⅱ—Ⅱ′測(cè)線布置于測(cè)線南側(cè)約50 m，測(cè)線長(zhǎng)度為890 m，測(cè)量電極距為10 m，有效測(cè)量深度為100 m（圖5）[4]。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)電法勘探測(cè)線平面布置圖Fig.5 Layout plan of survey line for field electrical prospecting

3.3.1 測(cè)線Ⅰ—Ⅰ′剖面

剖面上部巖土電性局部表現(xiàn)為高阻，視電阻率值分布在50~250 Ω.m 之間，是干燥疏松的黃土在電性上的反映。剖面下部巖土電性同樣出現(xiàn)高阻值向低阻值變化界面，低阻視電阻率值分布在2~6 Ω.m 之間，是飽水黃土在電性上的反映。高阻視電阻率值分布在7~20 Ω.m 之間，為第三系砂巖或頁(yè)巖在電性上的反映，因此推測(cè)該巖土電性變化界面可能為斷層面，斷層上斷點(diǎn)距剖面起始端約26 m（圖6）[5]。

圖6 測(cè)線Ⅰ—Ⅰ′剖面實(shí)測(cè)視電阻率斷面（上）和反演解釋電阻率斷面（下）Fig.6 Measured apparent resistivity section of profile Ⅰ-Ⅰ′（upward）and resistivity section of inversion interpretation（downward）

3.3.2 測(cè)線Ⅱ—Ⅱ′剖面

剖面上部巖土電性局部表現(xiàn)為相對(duì)高阻，視電阻率值分布在9~60 Ω.m 之間，是河床表層細(xì)砂及卵石在電性上的反映。剖面下部巖土電性出現(xiàn)高阻值向低阻值變化界面，低阻視電阻率值分布在2~10 Ω.m 之間，是飽水黃土在電性上的反映。高阻視電阻率值分布在11~50 Ω.m之間，為第三系砂巖或頁(yè)巖在電性上的反映，因此推測(cè)該巖土電性變化界面可能為斷層面，斷層上斷點(diǎn)距剖面起始端約310 m（圖7）。

圖7 測(cè)線Ⅱ—Ⅱ′剖面實(shí)測(cè)視電阻率斷面（上）和反演解釋電阻率斷面（下）Fig.7 Measured apparent resistivity section of line Ⅱ-Ⅱ′profile（upward）and resistivity section of inversion interpretation（downward）

在泉點(diǎn)附近布置的測(cè)線Ⅰ—Ⅰ′剖面其下部巖土電性出現(xiàn)高低阻值變化界面，推測(cè)距測(cè)線起始端約26 m 處可能有斷層存在；泉點(diǎn)外圍布置的測(cè)線Ⅱ—Ⅱ′剖面同樣出現(xiàn)電性變化界面，推測(cè)距測(cè)線起始端約310 m處可能有斷層存在。

在泉點(diǎn)附近布置的測(cè)線Ⅰ—Ⅰ′剖面，因受測(cè)量條件的限制，測(cè)線較短導(dǎo)致測(cè)量深度較淺，電性變化界面過(guò)于靠近測(cè)線起始端，判定斷層的依據(jù)不夠充分，建議挖深驗(yàn)證斷層的存在及位置。

3.4 地質(zhì)雷達(dá)勘選測(cè)試

沿著前述圖中，2017 年3 月初現(xiàn)場(chǎng)水化堪選1號(hào)測(cè)線方向（W→E），布設(shè)了長(zhǎng)度為60 m；標(biāo)距5 m 的地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線，并做了2 次（圖8-9），其剖面說(shuō)明如下：剖面頂部0~7 ns 為高頻低振幅信號(hào)層，推斷屬地表沖、洪積地層，7~180ns范圍屬低頻小振幅信號(hào)層，局部同相軸起伏大，推斷為強(qiáng)風(fēng)化基巖層，180 ns 以下為中頻大振幅信號(hào)層，西端同相軸存在明顯的弧形起伏，向東逐漸平緩，推斷為新鮮基巖面。

圖8 雙井子泉點(diǎn)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)剖面（第一次）Fig.8 Geological radar profile of shuangjingziquan point（the first time）

圖9 雙井子泉點(diǎn)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)剖面（第二次）Fig.9 Geological radar profile of shuangjingziquan point（the second time）

結(jié)論：由電磁波信號(hào)頻率變化關(guān)系推斷，測(cè)線27 m 標(biāo)號(hào)位置存在一條破碎帶，破碎帶向西傾斜，角度大于60°[6]。

4 改造方案

為了將雙井子流體臺(tái)改造為自動(dòng)化觀測(cè)臺(tái)站，該臺(tái)將以流體學(xué)科各種觀測(cè)手段對(duì)環(huán)境要求的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，以恢復(fù)或提高觀測(cè)儀器、觀測(cè)設(shè)施使用環(huán)境（或觀測(cè)環(huán)境）為目標(biāo)，系統(tǒng)性地開展臺(tái)站改造工作。改造主要分為觀測(cè)環(huán)境改造、基礎(chǔ)設(shè)施改造和觀測(cè)室建設(shè)三大部分。雙井子流體臺(tái)的具體改造目標(biāo)、改造內(nèi)容和方案如下。

4.1 改造目標(biāo)及依據(jù)

雙井子流體臺(tái)改造完成后，將實(shí)現(xiàn)氣氡、氦氣、二氧化碳和氫氣的綜合觀測(cè)，并結(jié)合降雨、氣壓和氣溫三要素輔助觀測(cè)，進(jìn)行日常觀測(cè)和運(yùn)維過(guò)程中的影響因素分析等。另外，通過(guò)修筑護(hù)坡、開挖導(dǎo)流渠等措施，避免和降低季節(jié)性洪水對(duì)測(cè)點(diǎn)的影響。

依據(jù)《地下流體數(shù)字觀測(cè)技術(shù)》、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《地震臺(tái)站建設(shè)規(guī)范地下流體臺(tái)站第2 部分：氣氡和氣汞臺(tái)站》、其他省局關(guān)于泉點(diǎn)水化觀測(cè)改造經(jīng)驗(yàn)、以及一些專家老師的意見(jiàn)和建議等，我們對(duì)雙井子流體臺(tái)的改造方案不斷優(yōu)化[7]。

4.2 井（泉）點(diǎn)數(shù)字化觀測(cè)要求

進(jìn)行氣體動(dòng)態(tài)觀測(cè)的井（泉）點(diǎn)的選擇，必須要進(jìn)行相關(guān)背景值的測(cè)試，其有關(guān)測(cè)項(xiàng)的背景值要求如下：（1）氣氡背景值要求≥1.0 Bq/L；（2）氣汞背景值要求≥0.1 ng/L；（3）氦氣背景值要求≥0.002%；（4）氫氣背景值要求≥0.003%。另外，氦氣和氫氣觀測(cè)井（泉）點(diǎn)還要求井孔外圍10 m范圍內(nèi)不允許有振動(dòng)干擾源。

依據(jù)我國(guó)地震地下流體觀測(cè)井（泉）點(diǎn)的分類及其井（泉）口裝置的要求（表1），對(duì)雙井子流體臺(tái)井（泉）口裝置必須要進(jìn)行脫氣、集氣和冷卻改造。

表1 我國(guó)地震地下流體觀測(cè)井（泉）點(diǎn)的分類及其井（泉）口裝置的要求

4.3 觀測(cè)系統(tǒng)改造

鑒于雙井子泉點(diǎn)的場(chǎng)地環(huán)境、影響因素以及上述集（脫）氣裝置等理論和實(shí)踐，在改造過(guò)程中，參考圖10 進(jìn)行，其中：（1）底座用水泥管，之上至井口用PVC 管；（2）采用浮動(dòng)罩式集氣裝置（助浮器漂浮在水面上，隨著水面升降而浮動(dòng)，觀測(cè)系統(tǒng)的壓力不會(huì)因水位的變化而改變）；（3）泄流裝置采用窄縫堰的方式（水從縫出來(lái)后再匯集到排水管，這種方式不用安裝閥門，用窄縫限流，即可防止堵塞，又可以起到限流）；（4）增上水溫、氣象三要素輔助觀測(cè)等[8-9]。

圖10 雙井子流體臺(tái)觀測(cè)系統(tǒng)改造示意圖Fig.10 Reconstruction of observation system of Shuangjingzi fluid station

4.4 試運(yùn)行儀器型號(hào)及技術(shù)指標(biāo)

固原雙井子流體觀測(cè)站試運(yùn)行期間主要的觀測(cè)項(xiàng)目包括：氣氡、二氧化碳、氦氣、氫氣，儀器型號(hào)及技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 雙井子儀器架設(shè)信息列表

5 結(jié)論

寧夏南部自上世紀(jì)海原8.5 級(jí)地震序列以來(lái)，連續(xù)95 年沒(méi)有發(fā)生過(guò)6 級(jí)以上地震，連續(xù)34 年沒(méi)有發(fā)生過(guò)5 級(jí)以上地震，震情形勢(shì)非常嚴(yán)峻。通過(guò)構(gòu)造類比，許多地質(zhì)學(xué)家認(rèn)為六盤山是國(guó)內(nèi)與龍門山構(gòu)造環(huán)境和構(gòu)造式樣最為接近的地區(qū)。同時(shí)，近年來(lái)的地球物理場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，六盤山地區(qū)處在高度閉鎖狀態(tài)，其態(tài)勢(shì)與2008 年汶川地震前龍門山地區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變情況非常相像。由于雙井子溫泉處在六盤山閉鎖區(qū)北側(cè)，距離預(yù)測(cè)破裂段80～100 公里，位于非常有利的前兆觀測(cè)區(qū)域，將其盡快建設(shè)為自動(dòng)觀測(cè)的前兆流體監(jiān)測(cè)站，將會(huì)顯著提升寧夏南部地區(qū)、特別是六盤山閉鎖區(qū)的地震監(jiān)測(cè)能力，對(duì)完善寧夏地區(qū)前兆監(jiān)測(cè)布局起到重要的作用。