1 研究背景

大量研究表明, 通过捕捉震前显著异常变化, 并分析其可能成因, 对震情趋势判定具有重要意义。在地下流体监测中, 地球化学方法的引入有助于判定异常是否为前兆异常。利用常、微量元素的组成变化、同位素的变化分析地下水的水质类型、循环深度、水岩反应程度以及物质来源, 已经逐步被应用到地震前兆异常判定中（刘耀炜等, 2009）。其中, 氢氧同位素变化在判定异常可靠性方面具有较大的应用价值, 在地震孕育过程中, 由于应力—应变的增强, 使得地下水与岩石在高温、高压条件下发生同位素交换反应, 同位素交换平衡向地下水δ¹⁸O值增大的方向移动。因此, 通过地下水氢、氧同位素的比值变化能够判断异常是否为深部岩石发生破裂所致, 如: 张磊等（2016）通过分析鲁甸6.5级地震及汶川8.0级地震前后地下水中的氢氧同位素比值变化, 认为氢氧同位素方法有助于识别导致地下水异常的构造与非构造影响因素, 是地下流体地震前兆异常识别及震前判定工作的重要手段。2019年9月24日开始门源静水位数据急剧变化, 本文对此对变化前后1年的数据进行地球化学分析, 以论证水位异常性质。

2 研究方法

2018年5月10日, 门源流体观测井（下文简称门源井）进行地球化学数据普查工作, 采集井水样品进行地球化学元素测试；2018年7—8月, 门源井静水位出现异常, 采集水样进行元素和氢氧同位素测试；2019年9月24日起, 门源井静水位数据急剧变化, 表现为静水位上升幅度大、速度快等特点（图 1）。本次异常出现后, 及时采集样品进行元素和氢氧同位素测试分析, 元素和同位素样品均使用容量为50 mL的聚四氟乙烯瓶作为采样瓶, 利用相同方法进行采集。采样前, 采样瓶需在实验室使用稀酸浸泡、自来水冲洗, 并采用二次水和高纯水各冲洗3次。采样时, 采样瓶用待采集观测点水体清洗3次, 每个水样采集2瓶作为平行样。

上述所取地球化学样品皆委托中国科学院青海盐湖研究所进行测试分析, 其中常、微元素分析采用原子吸收光谱法（原子吸收光谱仪）, 氢、氧同位素分析采用质谱法（MAT253质谱仪）。

3 研究结果

根据测试结果, 对门源地下流体观测井水样进行地球化学分析, 结果见图 2、图 3, 可知: 门源井水质为重碳酸盐型, 2018年8月首次异常出现后及本次大幅异常之后的水质均未发生本质性变化。

由水—岩平衡图（图 3）的结果可知: 2018年5月地球化学背景普查时, 门源井水样分析结果显示为“未成熟水”, 且相对集中在Mg端元, 水—岩反应程度较弱；2018年7月静水位异常出现后, 从“未成熟水”转变为“部分平衡水”。分析推断, 引起该现象的原因可能是, 在距流体井8 m处打钻、架设形变仪器, 导致含水层在施工期间被破坏, 混入部分平衡水, 或者由于中高山区地下径流短促, 水循环交替积极, 裂隙水受构造断裂影响时, 致少量交替混入流体观测井。2019年10月静水位急速上升异常出现后, 水样的水—岩平衡状态与2018年8月之后一致, 分析认为, 异常来源未发生改变, 水—岩反应程度较弱, 深部来源物质补给的可能性较低。

由氢氧同位素比值分析结果（图 4）可知, 门源井水样氢氧同位素比值略偏离且位于西北地区大气降水线（LMWL: δD = 7.05δ¹⁸O-2.17）（高志发, 1993）上方, 说明门源井补给来源主要为大气降水和浅层地下水。由于该区远离海洋, 气候干燥, 大气降水中有相当一部分来自于局地蒸发的水汽再循环。2019年和2020年所采集样品的氢氧同位素比值仍位于大气降水线上方, 说明无深部水源补给。另外, 2019年和2020年样品的δD、δ¹⁸O值均有所下降, 且2020年δ¹⁸O值下降幅度较大, 究其原因是: δD、δ¹⁸O值易受温度影响, 随着温度的降低, 数值呈线性下降；2020年样品中重同位素贫化, 受降水（重同位素富集）影响较小, 蒸发作用较强, 致使本年δ¹⁸O值下降幅度较大。

4 结束语

根据元素及氢氧同位素分析结果, 认为门源井水样在2019年10月静水位出现异常前后, 元素组成未发现明显的本质性变化, 氢氧同位素比值受蒸发作用影响较大, 深部水源补给的可能性较低。在2019年10月28日甘肃夏河5.7级地震发生后, 门源静水位观测曲线仍加速上升, 表明此次静水位巨幅异常为区域应力调整的可能性较大。

在数据获取过程中得到青海地震台和信息中心的支持, 在异常核实过程中门源地震台、引大水电站、石头峡水电站、纳子峡水电站、青海省水文水资源勘测局的同志给予支持和帮助, 在此一并表示衷心感谢。