0 引言

对于地震地下流体观测，可利用水文地球化学方法进行数据分析，如：胡小静等（2018）利用水文地球化学方法，研究云南江川渔村井的地下水循环特征和补给来源；田雷等（2018）通过分析滇17井水化学测项，发现观测数据变化由地下应力改变所致；王云等（2018）对位于滇东南楔形构造区的观测点进行水化学和气体化学特征分析，判断不同泉点的水岩作用、循环特征、逸出气成因；杨静等（2019）利用水文地球化学方法，分析了夏县温泉水补给来源、温泉类型。

山西定襄七岩泉水氡观测始于1981年6月，日常采样为混合泉水，长期观测的背景资料有待完善。2008年以来，该泉水氡测值呈上升趋势，在水源点、采样点及其周围采集水样并分析离子组分和同位素特征，判断水质类型，分析水—岩平衡状态，并根据氢氧同位素特征判断泉水补给来源，利用水文地球化学和水文物理学分析方法，分析该泉水氡测值异常上升原因及降水补给来源。

1 取样环境

定襄七岩泉为承压上升泉，属寒武系灰岩喀斯特裂隙溶洞水。泉点地处定襄县茶房口村以南约500 m的七岩山山谷西侧，流体取样点靠近系舟山北麓断裂，附近石灰岩、变质岩等裂隙节理及溶洞较为发育，其中赋存的裂隙溶洞水在断层附近呈群泉溢出。泉口处原有6—7个出水泉眼，被冲积物所覆盖，水氡观测日常采样为混合泉水，水温约10.0 ℃，高于当地年平均气温（约8.9 ℃）。由地貌、含水层及水温条件判断，地下水循环深度相对较大。

因水氡观测房建造已久，取水点上游几十米处陶瓷水管破裂，水流暴露在外。2014年8月，改造为PVC引水管道，之后水流量增大，水氡测值下降12 Bq/L（改造前后水氡采样点在同一位置，水样为混合泉水）。异常核实认为，氡值下降由观测房内取样出水口密封不当所致。此后，水氡观测动态特征趋于稳定。

2 水氡异常及分析

2008年以来，七岩泉水氡测值呈上升趋势变化，2019年4月，在泉水上游到下游布设定襄1^#—5^#采样点（图 1），依次进行现场取样，并将样品送原中国地震局地壳应力研究所地壳动力学重点实验室测试水化学离子成分和氢氧同位素成分，并采用水文地球化学和物理学方法进行分析，判断泉水补给来源，核实异常原因。

2.1 水文地球化学分析

采用水化学类型、离子成分、水—岩反应、氢氧同位素等方法，对七岩泉水样进行水文地球化学分析，判断七岩泉补给来源，分析水氡高值异常原因。

2.1.1 水岩化学平衡特征

水岩平衡分析用于体系开放与封闭的判断，时间及运移过程的判断（伍剑波，2013）。地下水中含F^-、Cl^-、NO₃^-、Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、SO₄²⁺等离子，承载着流体来源、运移和岩石圈信息（张磊等，2016）。而水的电导率与水中所含的溶质和杂质呈正相关性（陈爱华，2013）。

（1）采样点水样离子成分。据有资质的检测机构对送检水样的测试结果，定襄七岩泉5个采样点水样离子成分主要有F^-、Cl^-、NO₃^-、Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、SO₄²⁺，见图 2。

由图 2可知：采样点定襄3^#各离子成分较其他采样点均偏高，其中Cl^-含量较高，表明3^#泉水流程较远，含溶质和杂质多；定襄泉1^#、2^#、4^#、5^#采样点水样化学组分接近，3^#采样点水样离子成分明显不同，其中前者水质表现为Ca-Mg-HCO₃型，3^#采样点为Ca-Mg-HCO₃-SO₄型，表明3^#与其他采样点水样补给来源不同。

（2）采样点水质分析。从piper三线图、durov图和Na-K-Mg三角图进行水质分析，定襄泉各采样点水样水质分析结果见图 3（图中各化学元素均未添加离子符号）。由图 3(a)、(b)可见，定襄七岩泉为Ca-Mg-HCO₃型水，表明地表水或降水对泉水影响较大。由图 3(c)可见，定襄七岩泉泉水属于“未成熟水”，且为浅层地下水，主要接受大气降水补给，循环周期相对较快，水—岩之间尚未达到离子平衡状态，溶解作用仍在进行。

2.1.2 氢氧同位素特征

氢氧同位素方法是通过大气降水，确定补给水源的水文地球化学方法。经实验室测试，定襄七岩泉δD范围在-73.57‰—-65.85‰，δ¹⁸O范围在-10.61‰—-9.50‰，结果见图 4。由上述分析可知，七岩泉水Ca²⁺占比较高，属Ca-Mg-HCO₃型低矿化度水质，是典型的大气水与岩石之间第一阶段作用的反映，显示了浅层水文循环特征。由图 4可见：①七岩泉水氢氧同位素比值沿全球大气降水线分布，结合贾振兴等（2015）的研究结果，其比值亦靠近太原地区大气降水线。泉水补给源为大气降水的浅层地下水，水—岩反应程度较低，循环深度不大；3^#与其他采样点水源不同，体现在：3^#采样点出现在2条大气降水线上，为大气降水，而其他采样点位于2条大气降水线附近，为大气降水经岩石径流积累水。

2.2 水文物理学分析

采用降雨干扰分析与地震活动分析的方法，对定襄七岩泉水氡进行高值异常分析，研判降雨对水氡动态的影响程度、引起水氡高值趋势性异常的可能性及水氡高值异常是否对地震活动具有指示意义。

2.2.1 降雨干扰

定襄七岩泉为上升泉，降水量增大，泉水流量增加，水氡测值则出现明显下降变化，分析认为氡值下降与降水量及泉水流量增大有直接关系。以2016年夏季降水干扰为例，探讨降雨量对定襄七岩泉氡含量的影响。据调查，2016年7月—9月定襄当地降雨量累计314.7 mm，七岩泉水流量增大，氡含量短期内出现大幅度下降，降幅大于50%（图 5）。实验检测雨水中氡的含量为0，可见降雨会降低测点泉水样品氡含量。整理统计定襄当地2010—2019年降雨量及对应的七岩泉氡值变化，结果见表 1。

由表 1可知，受连续降雨影响，水氡测值先上升变化，当降雨量达到一定阈值时出现下降变化。其中，历年降雨量累计均值为116.09 mm，当累计连续降雨量超过一定阈值（116 mm）时，水氡测值明显下降。多年观测发现，降雨仅造成氡值的短期变化，不会改变其年动态趋势，由此排除降雨引起水氡高值趋势性异常的可能。

2.2.2 地震活动

多年观测发现，定襄七岩泉水氡具有映震异常，始测以来共出现4组高值异常，前3组高值异常与华北地区5级以上地震有较好的对应关系，如：高文玉（2006）分析发现，定襄水氡高值异常与华北地震活动存在同源关系，反映了区域应力场的活动性；范雪芳等（2010）探讨了定襄水氡、静乐水位的异常特征，认为二者在华北和山西北部中强地震前均具有明显的中期和中短期异常变化；吕芳等（2013）根据静乐井的井—含水层系统对地壳应力—应变的响应能力较山西地区其他观测井高及震例研究结果，认为静乐井水位高值异常幅度与对应地震的震级及发震距离成正比，2007年以来高值异常与观测环境、降雨等无明显关系，可能与区域应力场活动增强有关，其高值异常对山西北部中等地震具有指示意义；刘俊芳等（2016）分析认为，静乐井能较为灵敏地反映地下应力变化特征，2015年7月以来静乐井水位快速上升受降雨量、抽水试验的影响较小，主要与生产用水的同层地下水开采量减少有关。根据历史震例，结合定襄和静乐当地降雨量统计结果，对比分析1983—2019年定襄泉水氡和静乐井水位的高值异常与华北地区中强地震的对应关系，结果见图 6、表 2。

由图 6、表 2可知，定襄水氡相对高值异常状态与静乐井水位高值异常同步。水氡和水位历年动态显示，降雨干扰不会造成高值趋势性异常；定襄水氡与静乐水位变化动态相似，其高值异常与华北及晋冀蒙交界区中强地震有较好的对应关系。因此，2008年至今，定襄水氡高值异常可能反映了区域地壳应力变化。因泉点改造，2014年七岩泉采样点出水口裸露，造成水氡逸散，测值降低（郭宇等，2016）。

3 结果与讨论

对于定襄七岩泉2008年以来出现的水氡测值上升趋势变化，应用水文地球化学和水文物理学进行异常分析，研究认为：①水文地球化学分析：七岩泉泉水属于“未成熟水”，主要补给源为大气降水，循环周期相对较快，为大气成因水，其水—岩反应程度较低，循环深度不大；在水化学类型、离子成分、水质分析、大气降水线位置分布、采样位置等方面，3^#采样点水源为大气降水，其他采样点水样为大气降水经岩石径流积累的水；②水文物理学方法分析：降雨仅对水氡短临动态造成干扰，年变动态不受影响；当累计连续降雨量超过一定阈值（116 mm）后，七岩泉水氡测值明显下降。定襄水氡与静乐水位变化动态相似，其高值异常与华北及晋冀蒙交界区中强地震有较好的对应关系。

通过综合分析，发现定襄七岩泉水氡处于相对高值状态与静乐井水位2017年9月以来高值异常显著同步，表明七岩泉水氡高值异常可能是区域构造应力变化的反映。定襄七岩泉水氡与静乐井水位准同步高值现象是否反映了二者具有地下流体的同源关系，以及该准同步现象是否反映区域应力可能达到新的动态平衡，有待积累资料进一步研究。