0 引言

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。

2 水氡观测数据变化

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。

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）。

3.2.2 伊河水位变化对水氡的影响

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。

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）。

3.3 水化学因素分析

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。

（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^-、SO₄^2-、CO₃^2-、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SO₄^2-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。

（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。

3.4 水氡与大气降水关系分析 3.4.1 氢氧稳定同位素

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。

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，C_Cl降为降水中Cl^-的雨量加权平均浓度，C_Cl地为地下水中Cl^-平均浓度。文中，C_Cl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C_Cl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。

4 结论与讨论

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。