0 引言

地下流体对地震的孕育和发生具有重要作用，是传递地球内部物质演变信息的重要载体（车用太等，1998；刘耀炜等，2006；李营等，2022）。地下流体被认为是一种有效的中短临地震预测手段（杜建国等，2000；刘春国等，2022）。国内外研究者发现，地震发生前后的应力变化会导致断裂带附近地下水的化学成分发生明显变化，且水化学异常以短临异常为主（Favara et al，2001；肖琼等，2009；赵永红等，2011；刘耀炜等，2015；Wang et al，2021；Zhou et al，2021；Yan et al，2022；刘磊等，2022；欧阳澍培等，2023）。因此，通过对断裂带上的流体观测井进行水文地球化学监测和研究，对于捕获地壳深部构造信息和地震流体地球化学异常具有重要意义。

江西省共布设8口地震流体观测井，其中仅2口井被开展了详细的水文地球化学研究，即：鲍志诚等（2022）通过对九江2号观测井井水、大气降水的常量元素、氢氧同位素及氚活度数据进行分析，结果表明，该井水化学类型为HCO₃-Ca型，地下水主要补给源为大气降水，但具有深部循环水的特征；余思等（2022）通过对南昌地震台流体观测井水样进行氢氧同位素及水化学分析，结果表明，井水水化学类型为HCO₃-Ca-Na型，属于未成熟水，主要补给源为直接大气降水，补给前经历了一定蒸发作用。会昌地震台（下文简称会昌台）作为江西省地下流体综合监测站，配备了涵盖水物理、水化学的6个测项，是省内流体测项最多的台站。然而，该流体观测井至今仍未开展全面的水文地球化学研究，其地下水的水化学类型、水—岩反应程度、形成机制和补给过程等仍处于未知状态，亟需开展深入研究。本文以该台流体观测井为研究对象，通过采样分析不同时期的井水和周边水体的元素和同位素组成，以揭示该井的水文地球化学特性、来源及其演化特征。

1 区域概况

会昌台位于赣州市会昌县岚山公园南侧，在地质构造上处于石城—寻乌断裂带（图 1），台基岩性主要为燕山期花岗岩。

石城—寻乌断裂带为河源—邵武断裂带中段，呈NNE向展布于南武夷山脉西缘，控制了石城、瑞金、会昌、寻乌等地断陷盆地的发育（吕坚等，2002）。该断裂带具有中强地震活动背景，曾发生多次破坏性地震，如1806年会昌6级地震（江西省历史上最大地震）和1987年寻乌5.4级地震。2023年以来，地处河源—邵武断裂带的河源市连续发生2次4级以上地震，表明断裂带活动性有所增强，有必要加强对石城—寻乌断裂带的震情跟踪、地球物理观测和研究。

会昌台是赣南地区当前唯一的综合性流体观测站点，观测场地地形相对平坦，地面海拔约201 m。流体观测井为钻孔承压自流井，于2018年8月成井，水温22 ℃—26 ℃，自流量约3.97 m³/d，承压效果较好（谢斌等，2022），配备有浅层水温、中层水温、动水位、水流量、气氡和气汞6个测项。其井孔柱状图（图 2）显示：井深300.20 m，套管向下延伸120 m，主含水层为145—159 m，地层岩性自上而下分别为强风化的粉砂岩、断层角砾岩、硅质岩和黑云钾长花岗岩，以花岗岩为主，厚达255.25 m。

2 样品采集与测试

样品容器使用100 mL的高密度聚乙烯瓶（HDPE），瓶盖带螺旋，采样前使用去离子水清洗干净。为避免样品被污染，采样前用所取水样清洗采样瓶3次，之后采用溢流法采集样品。水样采集完毕后立即盖好瓶盖，并用封口膜缠紧瓶口，保证水样与空气隔绝，每个取样点取2份水样以作备份样。水样采集现场进行水温、pH值、TDS等易变参数的测定。基于以上原则，2019—2023年，对会昌台流体井进行5次采样，并于2023年，采集台站雨水、岚山泉水、会昌山水库和贡江水水样，以便进行对比分析。

水样常量组分测试在中国地震局地震预测重点实验室完成，使用仪器为Dionex ICS-900离子色谱仪及AS40自动进样器，检测限为0.01 mg/L（Chen et al，2015）。所测试阳离子为Li⁺、Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺，阴离子为F^-、Cl^-、Br^-、SO₄^-2和NO₃^-，水样中HCO₃^-和CO₃^-2含量使用ZDJ-3D型电位滴定仪进行测量，所用滴定盐酸浓度为0.05 mol/L。为了校准离子色谱，在每批水样测量前需进行标准样品测试，测量偏差在±1%以内，水样的离子组分测量误差控制在±5%以内。阴阳离子电荷平衡检查是一种常用方法，以检验分析数据可靠性。其判定依据为，阳离子物质的量浓度总和与阴离子物质的量浓度总和是否接近，计算公式如下

$i b(\%)=\frac{\sum \text{阳离子}-\sum \text{阴离子}}{\left(\sum \text{阳离子}+\sum \text{阴离子}\right) \times 0.5} \times 100$

(1)

氢氧同位素分析采用气体同位素质谱仪MAT253，测定结果用相对于V-SMOW的千分差表示，分别记为δ¹⁸O和δD，样品分析精度δ¹⁸O＜±0.2‰、δD＜±1‰。

3 分析结果

本研究通过对会昌台流体井不同时期的5个水样、周边水体的4个水样进行水化学分析，主要离子组分（Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、F^-、Cl^-、SO₄^-2、NO₃^-和HCO₃^-）的分析结果见表 1。由表 1可知，流体井水温稳定在22 ℃左右，pH变化范围为8.8—9.2，TDS变化范围为92.53—99.22 mg/L，属于低矿化度碱性水；井水优势阳离子为Ca²⁺（22.80—24.06 mg/L）和Na⁺（7.74—9.75 mg/L），优势阴离子均为HCO₃^-（85.64—98.24 mg/L）；会昌山水库水、岚山泉水和贡江水的TDS变化范围为10.31—95.80 mg/L，优势阳离子为Na⁺（1.16—11.14 mg/L）和Ca²⁺（1.12—16.44 mg/L），优势阴离子均为HCO₃^-（6.07—62.07 mg/L）。据式（1）对水样阴阳离子进行电中性检验，误差均≤5%，说明测试数据可靠。

对会昌台流体井不同时期的4个水样、周边水体的3个水样和1个雨水样进行氢氧同位素分析，结果见表 1，可知：井水的氢同位素值（δD）取值范围为-36.72‰—-43.36‰，氧同位素值（δ¹⁸O）取值范围为-6.20‰—-6.62‰；会昌山水库水、岚山泉水和贡江水的氢同位素值（δD）取值范围为-36.54‰—-41.94‰，氧同位素值（δ¹⁸O）取值范围为-6.55‰—-6.99‰；雨水的氢同位素值（δD）为-48.39‰，氧同位素值（δ¹⁸O）为-8.11‰。

4 分析讨论 4.1 水化学特征

根据地下水舒卡列夫分类方法（毫克当量百分数超过25%的阴阳离子按含量多少依次参与命名），会昌流体井水的水化学类型为HCO₃-Ca型。为了更好观察常量组分的分配规律，根据所测水样分析结果绘制阴阳离子三线图，见图 3，可见：井水中主要阳离子为Ca²⁺，主要阴离子为HCO₃^-；井水的水化学类型为HCO₃-Ca型，会昌山水库、贡江河水、岚山泉水等水体的水化学类型为HCO₃-Ca-Na型和HCO₃-Na型，水化学类型不同，说明两者没有显著的水力联系，而且井水样在2019—2023年不同时期的水化学组分变化不大，水化学类型基本一致，均处于HCO₃-Ca型水区域。

Schoeller图是水化学组分对比分析的常用方法，横坐标代表水化学成分，纵坐标为离子含量，用折线将各种离子含量的点连接起来，每条线段代表 1种水样（Schoeller，1965）。Schoeller图可直观反映环境中不同水体化学成分变化及分布关系，常用于分析水体的补给来源和不同水体之间的水力联系（张磊等，2019；鲍志诚等，2022）。绘制会昌台流体井水及周边地表水Schoeller图，见图 4，可知该台流体井水与会昌山水库、岚山泉水及台站雨水的形态一致性较弱，而与贡江河水存在一定相似性，表明流体井水与贡江河水存在一定水力联系，与其他水体的水力联系不明显。

Na-K-Mg三角图可用来分析地下水的水—岩平衡状态、热储温度及循环深度等，对体系的开放与封闭条件判断、时间及运移过程判断也具有一定应用价值（Giggenbach，1988；孙小龙等，2016）。本研究绘制Na-K-Mg三角图，用以反映会昌井井水的水—岩平衡状态以及体系的开放与封闭状态，结果见图 5。由图 5可见，会昌台流体井水与周边地表水均靠近未成熟水区域的Mg端元，表明观测井水循环周期相对较快，水—岩相互作用尚未达到平衡，水—岩相互作用仍在进行。

4.2 氢氧同位素特征

氢氧同位素分析是研究地下水补给来源、年龄和循环过程的重要手段。利用该手段，可记录水循环过程中蕴含的不同地质信息。Craig（1961）通过分析全球各个地区大气降水的氢氧稳定同位素组成及其变化关系，提出全球大气降水线方程：δD = 8δ¹⁸O + 10。郑淑蕙等（1983）建立了我国现代大气降水线方程：δD = 7.9δ¹⁸O + 8.2，并提出了由于氢氧同位素分馏引起的降雨量效应、温度效应、纬度效应、大陆效应和高程效应。Pang等（2017）给出13条δD和δ¹⁸O的关系线，详细说明了氢氧同位素在经历不同地质过程时的分馏和变化特征。会昌台不同时期的流体井水的δD和δ¹⁸O值分别为-36.72‰— -43.36‰和-6.20‰—-6.62‰，变异系数分别为0.07和0.02，均小于0.1，说明氢氧同位素组成随时间的变化不大。如图 6所示，对比全球大气降水线和中国大气降水线（Craig，1961；郑淑蕙等，1983），会昌台井水的氢氧同位素位于大气降水线附近，且与地表水的氢氧同位素接近，尤其是与贡江水和会昌山泉水接近，表明地下水主要受当地大气降水、河水以及山泉水的补给。同时，由图 6可见，流体井水相对地表水存在一定氧同位素富集，表明地表水渗流进入岩石裂隙后与周围的花岗岩围岩发生水—岩相互作用，产生氧同位素交换，导致流体井水的氧同位素偏高。

4.3 补给来源

氢氧同位素会受到高程效应的影响，因此利用氢氧同位素的高程效应可以估算地下水的补给区域和补给高程。我国大气降水线的高程效应（周训等，2017）可表示为

$\delta \mathrm{D}=-0.03 H_{\mathrm{AIT}}-27$

(2)

式中，H_AIT为补给海拔高程，δD为氢同位素测值。结合样品同位素测试结果，据式（2）计算会昌流体井的补给高程，取平均值作为井水的补给高程，则会昌井水体H_AIT约为400 m，高于流体井的地表海拔（201 m），与台站所在岚山海拔高度（400.1 m）相符，进一步说明海拔相对较高的岚山山岭为会昌流体井水的补给区。

5 结论与讨论

本研究以会昌台流体观测井水为研究对象，通过采样分析不同时期井水和周边水体的元素和氢氧同位素组成，以查明流体井水的水文地球化学特性、来源和演化特征。主要研究结果如下：①会昌台流体井水的水化学类型为HCO₃-Ca型，与周边的会昌山水库水、岚山泉水和贡江水存在较大差异，井水样在2019—2023年不同时期的水化学组分变化不大，水化学特征相对稳定；②流体井水与周边水体相似，均属于未成熟水，表明水循环周期较短，水—岩相互作用仍在持续进行；③氢氧同位素分析显示，流体井水与大气降水、河水以及山泉水的氢氧同位素值相近，表明流体井水主要受大气降水和周边地表水的补给，补给高程约为400 m。

分析发现，会昌流体井受大气降水和周边地表水补给，流体井水属未成熟水。然而，因为特殊的构造位置和多项流体观测手段，其在地震流体监测中仍具有重要作用。会昌井所处石城—寻乌断裂带，地震活动性较为活跃，江西省有记录以来最大地震——1806年会昌6级地震即发生于此，此构造部位对应力应变变化较为敏感。会昌井（自流井）2021年投入动水位观测，动水位对地壳应力和应变的反映较为灵敏。记录显示，该井动水位对2021年5月22日青海玛多M_S 7.4地震、2024年4月3日中国台湾花莲县海域M_S 7.3地震产生同震响应，且变化幅度显著。同时，该井配备浅层水温、中层水温、气氡、气汞等水物理和水化学测项，通过综合多测项数据进行分析和判定，能够更好地识别异常或者干扰，从而为震情跟踪和趋势研判服务。

借助巨灾防范工程项目，台站采购了气氡仪、水温仪、脱集气装置、气体流量计等设备，并计划对气氡仪和水温仪进行升级改造，优化完善气氡脱集气装置，加装水温仪进行对比观测，同时考虑在流体观测室加装空调，减少气氡含量受环境温度的影响，提升观测数据质量。