有实验证明,氡反应灵敏,当地下应力发生变化时,容易从其赋存的介质中逃逸出来,导致地下水中氡的浓度出现不同程度的变化,具有较强的映震效能。在我国地震地下流体观测中,水氡观测成为一个重要测项,且开展的相关研究较多,如:车用太等(1997)提出水氡异常的水动力学机制;刘耀炜等(2006)回顾了我国地震地下流体学科40年观测研究发展的历史,并给出几次地震预报成功实例;杨兴悦等(2011)采用从属函数、变差率、趋势速率3种数学方法,分析甘肃东南部水氡异常特征与地震的关系;Ren等(2012)描述了氡气和水氡的震后效应;叶青等(2015)发现,在汶川地震和芦山地震震中附近,水氡与水位分别呈正相关和负相关关系。
地下水中的同位素和水化学组分携带着地下水来源、含水层间相互作用的重要信息。将水化学和物理方法相结合,有利于提高地震观测井—含水层系统水动力过程分析的准确性和可靠性,可为判定与识别异常提供一种可靠的技术途径。相关研究有:杜建国等(2003)认为,同位素地球化学可以用来判定流体来源,识别流体异常;苏小四等(2009)应用水化学和同位素技术相结合的方法,分析了马莲河河水与地下水的相互转换关系;张磊等(2014)分析了苏18井水位异常与高邮地震的关系;张国盟等(2015)指出,利用水化学、同位素、地下水年龄等手段,能给出地下水性质的实际观测值,定量指示流体来源及经历的地质过程;方震等(2016)利用水化学和物理相结合的方法,对皖27井地下水动态变化成因及开采干扰进行了分析;盛艳蕊等(2020)根据河北何家庄流体观测井氢氧同位素和离子化学组分测试结果,分析了该井的地球化学特征及与构造活动的关系。
洛阳地震台(下文简称洛阳台)水氡观测数据多年来连续稳定、可靠,2015—2020年记录到多次大幅波动异常变化,该异常为区域构造活动的表现亦或是干扰异常,对科学研判该地区震情形势具有重要意义。本文利用多次异常核实结果,梳理洛阳台观测井周边观测环境,分析地下水化学特征及其与周围水体的水力联系等,研究该台水氡异常变化成因。
1 洛阳台水氡观测概况洛阳台位于河南省洛阳市南郊龙门镇魏湾村,位于断裂的破碎边缘。台站以东分布伊河断裂、登封—龙门断层,登封—龙门断层向西南倾伏,被分为2个几乎平行的二级断层,即魏湾断层和草店断裂,台站靠近草店断裂,基岩为寒武系中统石灰岩,含水层为寒武系灰岩,地下水类型为HCO3-Ca型,属岩溶裂隙水(孙召华等,2017)。洛阳台观测井深约104 m,水位8—10 m,套管深度20 m,20 m以下为裸孔,其中,1—5.36 m为亚粘土,5.36—10.40 m为砂卵石,10.40—38.35 m为石灰岩,动水层在23 m,水氡取水观测水位在23 m,1—22 m井孔直径220 cm,22—82 m井孔直径180 cm,82—100 m井孔直径150 cm,石灰岩以上使用套管。
洛阳水氡1972年5月正式观测,水样取自龙门石窟锣鼓洞内泉水,1982年泉水断流,水样取自洛阳台观测井(图 1)。由于FD-105K测氡仪故障频发,且缺少备机备件,于2015年1月1日增加1套FD-125氡钍分析仪,其各项检测符合要求,原FD-105K测氡仪永久停测,观测人员按时对仪器进行检查和标定,除抽水泵损坏、仪器故障外,数据质量基本稳定,观测质量评比合格,测值可靠。
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图 1 水氡观测井示意 Fig.1 The schematic diagram of the water radon well |
2015—2020年洛阳台水氡测值出现多次大幅波动变化(图 2),根据多次异常核实结果,将水氡变化划分为2015年、2016年1—7月、2016年8月—2017年、2018—2020年4个阶段。
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图 2 洛阳台水氡和水温、水位、降雨量五日均值观测曲线(2015—2020年) Fig.2 Five-day average curves of water radon, water temperature, water level, and rainfall at Luoyang Seismic Station from 2015 to 2020 |
阶段Ⅰ:研究时段为2015年全年,氡值观测曲线整体呈上升变化。8—11月,氡值由64 Bq/L上升到80.6 Bq/L,上升幅度16.6 Bq/L,全年变化幅度为31 Bq/L,水位、水温呈下降—上升—平稳—下降变化,且水位年变化幅度为1.8 m,水温观测值全年夏高冬低,年变化幅度为2.8 ℃。
阶段Ⅱ:研究时段为2016年1—7月,氡值观测曲线呈下降—上升—下降变化。当年1—3月,水氡处于高值状态,随后下降,5—7月变化频繁,7月1日—16日降幅最大,由87.8 Bq/L下降至52.6 Bq/L,幅度达35.2 Bq/L,时段内氡值变化幅度为41 Bq/L。水温曲线呈上升—下降—上升形态变化,变化幅度2.8 ℃;水位曲线呈下降—缓慢上升变化形态,特别指出,5月10日—18日水位降幅最大,由9.7 m下降至14.7 m,降幅达5 m。
阶段Ⅲ:研究时段为2016年8月至2017年全年,水氡观测曲线变化形态显示氡值整体下降,变化幅度为14 Bq/L,水位和水温观测曲线整体上升,变化幅度分别为1.2 m、1.9 ℃。
阶段Ⅳ:研究时段为2018—2020年,水氡观测曲线呈上升—平稳变化趋势。在2018年1—5月,氡值加速上升,由52.3 Bq/L上升到74.3 Bq/L,幅度达22 Bq/L,此后变化总体平稳;水温、水位变化形态均表现为下降—平稳变化,其中水温变化幅度为2.1 ℃,水位变化幅度1.6 m。水温年变化形态表现为下降—上升—下降,观测值呈明显的“夏高冬低”态势,时段内变化幅度为2.9 ℃;水位曲线变化总体呈平稳趋势,变化幅度为1.2 m。
选取2015—2020年水位、水温及氡值五日均值数据,计算水氡与二者的相关系数,其中水温和水位与氡值均呈负相关性,相关系数分别为-0.66、-0.44,表明洛阳台水温变化对氡值的影响程度较水位高。
3 水氡异常分析针对水氡的异常变化特征,结合异常核实工作经验,就仪器观测条件、周边观测环境变化(龙门煤矿抽排水、伊河水位变化)、水化学方法、降雨等进行深入研究。
3.1 仪器观测条件调查FD-125氡钍分析仪工作参数正常,人员操作熟练,严格按照规范进行观测,可排除因仪器问题导致的水氡测值变化。观测日志显示,2015年8月25日洛阳台观测井抽水泵(功率3.8 kW)发生故障,水泵(功率5.5 kW)更换后,抽水时间由40 min缩短到30 min,水泵更换时间与水氡测值上升时间一致,推测氡值升高是由水泵抽水时间及抽水量变化造成(图 2,阶段Ⅰ)。
3.2 观测环境变化分析 3.2.1 龙门煤矿透水对水氡观测的影响龙门煤矿距洛阳台观测井5 km,该煤矿自1976年10月开挖以来,多次发生透水事件,造成区域水位持续下降,煤矿透水点封堵成功后,水位上升(谢佳兴等,2020)。2016年5月11日该煤矿矿井发生透水事故,洛阳台观测井井水位最高下降约10 m,7月中旬完成透水点封堵,2018年1月底煤矿大量疏排水,同样造成观测井水位下降、氡值上升现象。
将矿井涌水量与水氡日值数据进行对比分析(图 3),计算得到二者相关系数为0.71,矿井发生透水事故后,2016年5月11日涌水量最大,洛阳台水氡测值由11日的67.0 Bq/L上升为12日的78.4 Bq/L,上升幅度为11.4 Bq/L,可见矿井大量涌水后,观测井水氡测值上升(图 2,阶段Ⅱ、Ⅳ),7月中旬煤矿封堵透水点成功,氡值下降(图 2,阶段Ⅱ)。
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图 3 龙门煤矿矿井涌水量与洛阳水氡测值数据变化对比曲线 Fig.3 Curves of Longmen mine inflow and water radon of Luoyang station |
结合已有研究(翟健等,2014),选取2015年1月1日—2020年12月31日伊河水位与洛阳观测井水氡日值观测数据进行对比分析,结果见图 4。
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图 4 伊河水位与水氡日值对比曲线 Fig.4 Curves of water radon and the water level of the Yihe River |
计算2015—2020年7—10月汛期时伊河水位与水氡日值的相关系数,结果见表 1。结合图 4,由表 1可见,2015年、2016年、2018—2020年伊河水位与观测井氡值的相关系数较低(≤0.2),相关性差,几乎不相关。也就是说,伊河水位总体稳定,水位与观测井水氡测值不相关。2017年伊河水位与观测井水氡日值呈正相关,相关系数为0.6,伊河水位上升,则观测井氡值上升,反之氡值下降,2017年伊河水位总体呈下降趋势,氡值缓慢下降(对应图 2,阶段Ⅲ)。
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表 1 2015—2020年汛期伊河水位与观测井水氡相关关系 Table 1 Correlations between the water level of the Yihe River and the radon value (2015-2020) |
为明确洛阳观测井水氡测值变化是否异常变化,于2016年5月12日、2017年4月17日,分别取洛阳观测井(代码ly)、魏湾村水井(洛阳台所在村水井,代码weiwan)、伊河(代码yihe)、龙门煤矿矿井水样(代码longmen),进行水化学分析和同位素测试。采样均使用聚乙烯塑料瓶,为避免样品污染,采用封口膜密封,确保与空气隔离。2016年样品只进行水化学项目测试,采用滴定法,分析设备为ICS-2100离子色谱仪,由河南煤炭质量监督检验中心测定;2017年样品进行水化学项目和氢氧稳定同位素测试,由核工业北京地质研究院分析测试中心完成,其中水化学项目分析设备为883 Basic IC pluse离子色谱仪、AT–510全自动滴定分析仪、ICS-1100离子色谱仪;氢氧同位素(δ18O和δ2H)测试则采用二氧化碳—水平衡法和锌还原法测定,分析设备为MAT-253,测试精度分别为±0.2‰和±1‰。2次取样测试结果见表 2、表 3。
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表 2 2016年5月水质分析结果(单位:mg·L-1) Table 2 Results of water quality in May 2016 (Unit: mg·L-1) |
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表 3 2017年4月水质分析结果(单位:mg·L-1) Table 3 Results of water quality in April 2017 (Unit: mg·L-1) |
(1)水质分析。对洛阳观测井、魏湾村水井、伊河、龙门煤矿矿井水样进行水质测试,绘制水样piper三线图,见图 5,可见2016年龙门煤矿矿井、魏湾村水井、洛阳观测井地下水水质类型一致,均为HCO3-Ca型,属于低矿化度的重碳酸根型水,伊河水为HCO3-Na型,通过对比Cl-、SO42-、CO32-、HCO3-、Na+ + K+、Mg2+、Ca2+浓度数值,可知2016年洛阳观测井与龙门煤矿矿井水样离子含量变化趋势一致性较好(表 2),计算可知二者相关系数为0.99,高度相关,说明2016年龙门煤矿透水与洛阳水氡变化密切相关(图 2,阶段Ⅱ);而2017年相关系数为0.38,离子含量不相关(表 3),且观测井SO42-含量较2016年大幅减少,推测因2016年煤矿透水,富含硫的地下水涌入观测井,使得该离子浓度升高。
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图 5 水样piper三线图 (a)2016年;(b)2017年 Fig.5 Piper trilinear diagram of the water samples |
(2)水—岩化学平衡特征。Na-K-Mg三角图解(图 6)用于评价水—岩平衡状态和区分不同类型的水样(Giggenbach et al,1988;张磊等,2014;方震等,2016),样品均落在Mg端元附近,为“未成熟水区域”,表明洛阳台观测井井水为浅层地下水,主要受大气降水补给,循环周期相对较快,观测井的水—岩之间未达到离子平衡状态,受地表水影响较大。
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图 6 水样Na-K-Mg三角图 (a)2016年;(b)2017年 Fig.6 Na-K-Mg triangle diagram of water samples |
利用氢氧稳定同位素可较好地识别大气降水、地表水与地下水之间的补给关系。若井水受周边地表水(河水、湖泊水、水库水等)补给,二者的氢氧稳定同位素组成将更为接近。因此,可通过对比地下水与地表水的氢氧稳定同位素组成,判定二者之间是否存在补给关系(张磊等, 2016, 2019)。2017年4月的4个样品的氢氧同位素测试结果见表 4、图 7,其中δ2H为氢同位素实测比值,δ18O为氧同位素实测比值。
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表 4 2017年4月氢氧同位素测试结果 Table 4 Results of hydrogen and oxygen isotopes of samples in April 2017 |
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图 7 2017年4月水样氢氧同位素与大气降水线的关系 Fig.7 Relationship between hydrogen and oxygen isotopes and meteoric water line in Apr. 2017 |
图 7中全球大气降水线引自Craig(1961)给定方程:δ2H = 7.9δ18O+10,地区大气降水线方程使用赵景耀等(2014)的研究结果:δ2H = 8.1δ18O+10.51。2017年4月的4个水样处于全球及区域大气降水线下方,说明除伊河河水外,龙门煤矿、魏湾村水井、洛阳观测井水样均系大气降水,未经历明显蒸发过程(图 6)。由图 7可见,伊河水样和洛阳观测井水样位于大气降水线两端,同位素测试结果表明,伊河河水不直接补给观测井地下水。
3.4.2 水氡测值变化与大气降水的关系据宋献方等(2007)的研究,在自然条件下,地下水中Cl-来源于大气降水和地层中盐岩的溶解,具有强迁移性能,观测井含水层岩性为灰岩,水体中的Cl-主要来源于大气降水,应用氯离子质量平衡法能够估算降水对地下水的补给过程,设R为年均地下水补给率(%),则计算公式如下
$ R = 100 \times \left({{C_{{\rm{Cl降}}}}/{C_{{\rm{Cl地}}}}} \right) $ | (1) |
式中,CCl降为降水中Cl-的雨量加权平均浓度,CCl地为地下水中Cl-平均浓度。文中,CCl降主要参考了洛阳大气降水Cl-的含量,取值2.28 mg/L,洛阳观测井CCl地取值8.01 mg/L,则据式(1)可得大气降水对观测井的补给率为28.46%,说明大气降水补给对井水位观测有一定影响。
大气降水是地下水的主要补给来源,由于大气降水中氡含量较低,而地下水中氡含量较高,降水补给越多,地下水中氡的含量就越低。汇总洛阳台观测井2015—2020年水氡年均值与当地年降水量数据,见表 5,可知2017年氡值年均值历年最低,而该年降水量历年最高,达716.9 mm,分析认为,洛阳观测井水氡测值变化可能叠加了降水影响。
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表 5 2015—2020年洛阳台降雨量与氡值年平均值统计 Table 5 Yearly average values of rainfall and radon from 2015 to 2020 of Luoyang Seismic Station |
通过进行观测系统检查、取样方式调查,降水、观测环境变化等分析,认为引起洛阳观测井水氡测值变化的主要原因如下。
(1)2015年水氡测值异常变化(阶段Ⅰ),与洛阳台更换大功率水泵有关,且在时间上具有高度相关性。大功率水泵使得抽水时间明显缩短,水样为来自较深部的地下水,含水层的高氡“新水”代替原来的低氡“旧水”,造成水氡测值升高。
(2)2016年1—7日(阶段Ⅱ)、2018年(阶段Ⅳ)水氡测值异常变化,与龙门煤矿密切相关。水化学分析表明,由于洛阳观测井和龙门煤矿井同属岩溶水,受龙门煤矿大量疏排水(透水)的影响,观测井浅层水混入较多,地下水径流速度加快,氡脱气能力加大,水氡测值升高。
(3)洛阳观测井水样氢氧同位素分析表明,大气降水在洛阳台观测井井水补给中占有一定份额。2017年洛阳水氡测值异常变化(阶段Ⅲ),与伊河水位和降雨有关,降雨量增多,造成观测井水中氡含量下降,降雨与伊河水位变化共同叠加,导致水氡测值下降。
综合以上分析结果认为,洛阳水氡出现的波动异常与取样方式(更换大功率抽水泵)、降雨、周边观测环境变化(龙门煤矿排水、伊河水位)密切相关,且具有时间上的同步性,大气降水一定程度上会造成观测井水氡测值的下降。
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