基于水化學分析的滇17井流體異常識別及應用*

田 雷，余懷忠，周志華

(中國地震臺網中心，北京 100045)

0 引言

水文地球化學方法已成為地震觀測預報的重要手段之一(Wakita，2009)。大量研究及觀測發現地震常伴有流體地球化學異常變化(Scholzetal，1973；張煒，1988；Duetal，2008；Skeltonetal，2015；Wang，Manga，2015)。其主要的機理是在地震的孕育發生過程中，地球深部的物理化學反應會導致補給關系、水巖反應等條件發生改變，從而導致地下水的化學組分產生明顯變化。主要有以下幾種原因：①在應力積累或地震發震過程中，由于巖石破裂破壞含水層結構，使不同層位的地下水或地表水產生混合(Duetal，2010)；②由于熱力及應力積累作用地殼深部高溫流體向上流動，導致圍巖發生隱爆，使其向上發生越流，這也是多數中、深源大震引起地熱、電導以及流體地球化學異常變化的原因(Nishizawaetal，1998)；③應力積累導致巖石發生微破裂，產生了新鮮的巖石斷面或產生了壓溶效應，引起水化學組分變化(Inanetal，2012)；④在地震孕育和發生過程中，由于地震波的作用使礦物顆粒表面吸附的物質脫附，形成可以觀測到的地球化學變化(Teng，Ta，1980；Igarashietal，1995)。上述①～③條原因與區域構造應力的變化直接相關，原因④所造成的觀測數據變化是由地震波的傳播造成的，且從持續時間和變化幅度上都與其他3條原因不同，易于識別和區分。

1 滇17井水文地質條件

滇17井位于云南省普洱市思茅區大寨村，屬于無量山—營盤山斷裂帶、普洱斷裂，所屬構造單元位于蘭坪—思茅中新生代斷陷盆地，該盆地沉積物主要由三疊系、侏羅系和白堊系組成，其上局部地層疊加覆蓋著新生代地層，地層厚度較大，但各層系有不同程度缺失。盆地內地表第四系覆蓋層厚21.54 m，下埋白堊系景星組下段，以紫紅色泥質、粉砂質的白質基底泥巖及灰白色石英砂巖為主。

滇17井從1984年開始進行水位觀測，1997年開始進行水化學離子觀測，觀測期間積累了較多數據及一定震例。水位觀測能夠清晰地記錄到其周邊部分5級以上地震的水震波，水化學測項為日值觀測，連續性較好。井孔標高1 497 m，井深112.27 m，位置在(101.05°E，22.73°N)，為動水位自流井觀測。據井孔剖面圖顯示(圖1)，地下14.03～26.69 m存在粉砂狀類粉砂質泥巖，為良好的隔水層，下伏地層為有溶蝕現象的粉砂巖，是良好的承壓含水層，富水性較強，不易受淺層地下水等其他水體干擾。

筆者通過對滇17井進行實地調查及取樣，發現該觀測井位于山間盆地中，周圍無高大建筑，周邊沒有大型的工業企業，居民較少、用水量不大、地下水埋深較淺，且沒有發現與觀測井位于同—含水層的抽注水井，判定該觀測井周邊環境良好，存在干擾的可能性較小。通過檢查觀測系統及操作流程，采樣及樣品檢測符合地震前兆觀測規范，未發現明確的人為影響。因此，觀測數據異常與人為操作失誤沒有明顯聯系。

圖1 滇17井井孔柱狀圖

2 基于水化學分析的二階差分方法

筆者利用水文地球化學方法，分析滇17井含水層的水化學組分及其與周邊大型地表水體的水力聯系情況，在確定導致觀測數據變化的物質來自于地殼內部之后，通過二階差分方法，確定數據二階差分結果，提取有效異常變化信息。

水文地球化學方法主要是利用水化學檢測分析方法和理論，確定觀測井含水層的水化學組分，及含水層與周邊大型地表水體的水力聯系情況。主要分析方法有Piper圖(Piper，1944)、氫氧同位素分析等方法。Piper圖是根據物質的水化學元素組成，判斷物質的水化學類型，在菱形區域進行投影，并分析樣品間的差別(陸徐榮等，2010)。氫氧同位素分析方法主要是判定地下水及地表水與大氣降水之間氫氧同位素的關系(Craig，1961)。

在地殼應力加載過程初期，地殼出現擠壓、拉張或滑動趨勢，而一些脆弱的巖石或構造體在應力積累過程中會產生破裂，大構造體會產生微裂隙，地下水進入這些裂隙后，與新鮮的巖石斷面發生反應，導致水化學成分發生改變(M?rthetal，2004；Woithetal，2013)。由于應力加載的強度變化，不同巖石及構造體的破裂程度的復雜性和不確定性，以及水巖反應的速率隨著反應時間、地下水壓力、溫度及流速等因素的變化，導致觀測含水層水化學組分的含量及變化速率產生大幅度波動，通過差分處理后顯示較為直接。同時，在應力積累過程中，原本的隔水層由于應力作用產生新的通道或滲透率發生了明顯的改變，導致地下水出現越流現象，使不同層位的含水層產生了混合，導致水化學組分含量發生變化。由于應力加載過程中孔隙、裂隙的變化情況不均一，水量的混入量及越流發生程度及范圍變化過程較為復雜，水化學組分變化速率差別較大，從而引起了二階差分結果的高頻次異常波動(Thomas，1988；Claessonetal，2007)。

本文通過對觀測數據進行去突跳及應用二階差分5階模型提取相關的異常變化特征信息(晏銳等，2007；蘭雙雙，遲寶明，2010)。二階差分模型是數據處理中的一種常用分析方法，差分是一種壓抑長周期、突出短周期變化的線性濾波(朱成英等，2011)。這種處理方式能夠表現出二階差分結果的變化情況，一定程度上能夠了解地殼介質的應力狀態(莫承彬，覃佑邦，1995；韋忠禮，1999；由志福，鐘約先，1999)。觀測數據的一階差分結果：

我國高校機構庫建設發展緩慢，與機構庫建設者對機構知識庫的宣傳不足不無關系。關于這點，文章《國內科研機構和高校機構知識庫規劃建設現狀與問題研究》[8]中有所研究。在該論文中，作者分別對中國科學院各個研究所以及國內高校的科研人員、圖書館信息服務人員、決策管理人員進行了研究，針對他們對機構知識庫的認知和需求差異進行調研，調研結果顯示“科研人員和圖書信息人員對IR的認知程度差不多，各有70%以上人員從未聽說或使用過IR”。作為學術交流和機構庫發展較為集中的我國高校和科研院所的教師和科研人員尚且對開放獲取和機構庫知識的認知還不夠理想，也在一定程度上反映了機構庫建設者對機構庫的宣傳不足。

(1)

式中：xi表示采樣時間；f(xi)表示xi時刻的測值；Δx為時間步長。由于水化學觀測數據為日值觀測，(1)式可寫為(任曉霞等，2004)：

f′(xi)=f(xi+1)-f(xi)

(2)

再次求導可得觀測數據的二階差分結果：

f″(xi) =f′(xi+1)-f′(xi)

=f(xi+2)-2f(xi+1)+f(xi)

(3)

3 結果與分析

3.1 地球化學分析結果

筆者共進行了2次取樣，分別為2016年1月及10月，每次采集4組樣品：滇17井中的自流井水，距離滇17井8 km的信房水庫水，距離滇17井5 km的梅子湖的湖水，距離滇17井0.5 km的村民自建機井的淺層地下水。這4組樣品分別代表了滇17井所觀測的承壓含水層中水的不同類型：可能與觀測含水層存在季節性補給的水庫水，水量較穩定的潛在干擾源的湖水，以及與觀測的承壓含水層最可能產生水力聯系的淺層地下水。

根據水樣檢測結果，2次取樣數據差別較小，選取10月的取樣數據進行分析。采用OHAUS的便攜式檢測儀器對水樣的pH值、溫度、TDS、電導率進行檢測，水化學組取樣采用250 mL經去離子水清洗的帶塞附蓋塑料瓶，取樣4瓶，2瓶用于水化學組分分析，2瓶用于氫氧同位素分析。水化學組分由中國地質大學(北京)水質分析實驗室完成，分析儀器是DIONEX-120型離子色譜儀；氫氧同位素分析由核工業北京地質研究院分析測試中心完成，采用儀器為Picarro L2130-i，分析結果如表1所示。

表1 滇17井及周邊水體樣品水化學分析結果

Piper圖結果表明(圖2)，滇17井的水化學投影位置位于菱形投影區域的下部偏左，而另外3組水樣均位于區域中間偏左，距離較遠。證明滇17井與其他水樣的水化學組成及類型差別較大。根據Piper圖在不同區域的投影位置特點，觀測井中堿金屬與堿土金屬含量相近，弱酸根大于強酸根，與其他水體的檢測及分析結果存在較大差異。以上表明，滇17井所觀測含水層中的水在其徑流過程中與圍巖發生了一定程度的水巖反應，其徑流路徑及循環時間較長(王瑞久，1983)。

圖2 滇17井及周邊水體水化學成分Piper圖

Fig.2 The Piper diagram of the gydro-chemical component of the Dian-17 Well and surrounding reservoirs

大氣降水線方程為：δ2H=8δ18O+10(G.M.W.)(Craig，1961)；我國西南地區的降水線方程為：δ2H=7.87δ18O+11.09(L.M.W.)(黃天明等，2008)。對所取水樣品的氫氧同位素組成與西南地區大氣降水線進行對比(圖3)，發現滇17井的同位素組成與地表水體及淺層地下水的同位素組成差別較大。根據大氣降水氫氧同位素組成演化規律(圖4)，地表水由于蒸發等作用會向右偏離大氣降水線(章新平，姚檀棟，1994；顧慰祖，2011；張磊等，2016)。

圖3 滇17井及周邊水體氫氧同位素組成

滇17井的水文地球化學調查分析顯示，該井水體與淺層地下水及地表水體沒有直接水力聯系，且滇17井的氫氧同位素較接近于西南地區大氣降水線，證明該含水層的最終補給來源為大氣降雨，但該含水層中的水經過較長時間的地下徑流，水化學組成及類型與淺層地下水及地表水不同。觀測井觀測數據的大幅度變化，均為含水層中水體真實變化，反應了真實的含水層中組分及含量的變化情況，因此可應用于二階差分分析。

3.2 二階差分結果

良好的承壓含水層水化學組分的改變，主要依賴于水巖反應的反應程度，而能夠改變其反應程度的影響因素則可歸結為巖石本身性質及地下水狀態。巖石的性質包括巖石巖性、與水發生水巖反應的巖石表面積及裂隙大小等；而地下水狀態包括地下水流速、溫度、壓力、水化學性質及水巖反應時間等，這些因素都能夠影響水巖反應的程度。

圖5 滇17井觀測曲線及其二階差分結果(a-2，b-2，c-2)與地震對應關系Fig.5 The relationship between the observation curve of calcium(a-1)，magnesium(b-1)，bicarbonate(c-1) and the corresponding relationship between their second order differe-ntial results of the Dian-17 Well and earthquakes(a-2，b-2，c-2)

在應力加載過程中，巖石產生的破裂，地下水的壓力、流速會隨著應力加載的改變而改變，應力積累程度越高，巖石破裂程度越大，差異性也越大，同時地下水流速、壓力等也會產生較大變化，這些過程都會導致水巖反應程度的差異。而二階差分能夠反映水巖反應速率的差異，這種差異能夠側面反映應力積累的程度，即指示該區域的應力積累情況。

圖6 滇17井周邊500 km內5級以上地震及取樣點位置分布圖(2004-01-01—2017-06-30)

從圖5可以看出，滇17井水化學數據的長期觀測曲線由于存在一定年變及地震震后效應，觀測數據與地震的對應關系不明顯。以滇17井的Ca2+為例(圖5a)，通過對數據進行二階差分處理，得到的二階差分結果較原始觀測曲線發生了明顯變化。在強震發生之前，觀測數據的二階差分結果都存在一定幅度的高頻波動，5～5.9級地震前多以短時間高頻并伴有突跳的情況出現，高頻情況并不突出；6級以上地震高頻情況較為顯著，2007年普洱6.4級地震及2014年景谷6.6級地震前，均出現了高頻波動現象，2011年緬甸7.2級地震前高頻現象更加明顯。同時，在地震較為平靜的2011下半年至2014上半年的3年內，其二階差分結果均出現了相對的平穩變化期，各水化學測項處理結果變化也較為平穩，可作為平靜期背景值的數據參考。

4 結論

滇17井所觀測的含水層為承壓含水層，埋藏較深，觀測數據受外界干擾的可能較小。

對滇17井水化學及氫氧同位素檢測結果表明，觀測的承壓含水層與周邊大型地表水體及淺層地下水沒有直接快速的水力聯系，受周邊地表水體、淺層地下水及大氣降雨直接補給的干擾較小；該含水層中的地下水徑流過程中經過一定的水巖反應，離子含量較地表水及淺層地下水含量較高，符合低礦化度水流經砂巖徑流區后，發生水巖反應，形成高礦化度水的水化學類型及水文地球化學過程，但該含水層中的水仍為未成熟水，水體成熟度較低，沒有經過地下熱源的加熱作用(Zhouetal，2010)。

由氫氧同位素的構成情況可知，滇17井含水層的最終補給來源為大氣降雨，但徑流時間較長，發生了一定的同位素交換及演化過程。而地表水則受同位素蒸發作用影響，向右側偏離該區域的大氣降水線，在同位素的構成上與承壓含水層中的水存在較大差異。

結合二階差分方法，得到滇17井觀測數據二階差分結果中的高頻及突跳部分，這些異常波動來自于巖石破裂所產生的新鮮斷面和地下水流速及壓力等條件的改變，這些異常波動能夠較為準確地反應滇17井周邊區域構造應力變化的情況。在周邊有中強地震發生時，二階差分結果出現明顯的異常高頻次波動，且伴隨有高值突跳，而在地震相對平靜時期，其變化較為平穩。

本文提出的水化學與數據處理結合的方法能夠確定觀測井與周邊水體的水化學差異，判定其水力聯系情況，進而排除干擾因素，在此基礎上，通過二階差分方法，能夠準確提取滇17井水化學測項在震前出現的高頻波動異常信息，為該地區區域構造應力的改變提供有力的證據，也為該區域未來地震趨勢的判定提供有力支撐。

中國地震臺網中心孟令媛、韓顏顏等在論文撰寫方面提出了寶貴意見，云南省地震局高文斐提供了觀測數據，在此一并表示衷心感謝。