水源污染對(duì)姑咱海子泉?dú)夤蜌怆庇^測的干擾分析

劉仕錦，田思留，李志鵬，李學(xué)川，趙 冬，袁 梅，陳 超

(四川省地震局康定地震中心站，四川 姑咱 626001)

隨著對(duì)地震前兆研究的不斷深入，研究人員開展了與深部信息有關(guān)的、反映地震的新靈敏組分的探索, 試圖獲取來自深部或是來自震源的地球化學(xué)信息, 擴(kuò)大研究領(lǐng)域(張煒等，1989)。由于地下水中逸出氣對(duì)地下深處的應(yīng)力—應(yīng)變反應(yīng)靈敏，攜帶的信息量也較為豐富(武建華等，2002)，氣汞、氣氡、二氧化碳等地球化學(xué)測項(xiàng)在很多強(qiáng)震前異常十分顯著，具有很強(qiáng)的映震靈敏性，而且井孔逸出氣較溶解氣更加靈敏(車用太等，1995；郭麗爽等，2016；魏家珍等，1992)。我國氣氡觀測始于1986年(李祥等，2012)，1985年首次將汞測量應(yīng)用于地震監(jiān)測預(yù)測(張煒等，1989)。“九五”和“十五”期間對(duì)氡和汞的觀測完成了由模擬觀測向數(shù)字化觀測的轉(zhuǎn)變。觀測技術(shù)更新，數(shù)據(jù)產(chǎn)出量成倍增加，無疑對(duì)開展地震預(yù)測預(yù)報(bào)具有積極作用。但數(shù)字化觀測為連續(xù)觀測，要求儀器有較高的穩(wěn)定性和較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性(郭麗爽等，2016)。因此如何保障觀測系統(tǒng)正常運(yùn)行，產(chǎn)出連續(xù)、可靠的觀測數(shù)據(jù)，就成為實(shí)際觀測中亟需解決的技術(shù)問題。另外幾十年的地震監(jiān)測實(shí)踐表明，前兆儀器觀測得到的是多種成因、多種頻帶與幅度不等的綜合信息，通常比較復(fù)雜，既有地殼異常活動(dòng)的信息及地震活動(dòng)信息，也有觀測系統(tǒng)變化及人類活動(dòng)干擾的信息(車用太等，2000)，如何排除干擾，識(shí)別異常是地震預(yù)測預(yù)報(bào)中常常面臨的難題。2018年12月姑咱海子泉?dú)夤蜌怆背霈F(xiàn)較為明顯的異常，本文對(duì)開展的異常調(diào)查情況進(jìn)行梳理，綜合分析判定異常性質(zhì)，為今后開展日常監(jiān)測工作和地震分析預(yù)報(bào)提供參考。

1 姑咱海子泉概況

姑咱海子泉地處北西向鮮水河斷裂帶、北東向龍門山斷裂帶和南北向安寧河斷裂帶的復(fù)合部位靠北地段，位于雞心梁子背斜的核部第三期中性江咀閃長巖和第四期的酸性瓦斯溝斜長花崗巖體的接觸部位。臺(tái)站所在的康定地區(qū)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)十分強(qiáng)烈，巖石破碎，地下水發(fā)育充分，有一系列泉點(diǎn)出露。泉點(diǎn)分為姑咱南泉和姑咱海子兩個(gè)泉點(diǎn)，南泉出露于姑咱海子南5 m遠(yuǎn)的坡腳下，屬于下降泉；姑咱海子泉出露處是一個(gè)面積為11.9×9.2 m2,水深為3.6 m的橢圓型水池，屬天然上升冷泉，水溫9.5～12.0℃,流量220～400 L/s，水質(zhì)類型HCO3-Ca型(姑咱水氡站綜合清理專題研究小組，1984)。姑咱海子泉距離觀測室20多米，觀測水源用3根直經(jīng)25 mm鍍鋅鋼管引入儀器房進(jìn)行觀測。氣汞和氣氡觀測水源不在同一引水管。姑咱氣氡觀測于2007年8月安裝投入觀測，觀測儀器為SD-3A型自動(dòng)測氡儀，靈敏度≥0.5 Bq/L。前后使用了兩種獲得氣體的脫氣-集氣裝置，通過濺落式集氣-脫氣裝置和自吸式脫氣-集氣裝置兩種對(duì)比觀測后，2015年改造成自吸式脫氣裝置，同時(shí)在泉水引水管和脫氣裝置之間增設(shè)了一個(gè)恒流箱的裝置。氣汞觀測于2016年11月安裝ATG-6138M痕量汞在線分析儀，所用脫氣裝置為濺落式脫氣裝置，2017年1月開始正式運(yùn)行。該儀器靈敏度較高，絕對(duì)和相對(duì)檢出限低，滿足井泉水中低含量汞的監(jiān)測需求；采樣量為300～400 mL/min，能滿足氣汞監(jiān)測中氣量小的需求(郭麗爽等，2016)。該泉1970年開始水氡觀測。歷史資料表明，甘孜藏族自治州及鄰區(qū)多次發(fā)生5.0級(jí)以上地震前，姑咱水氡和氣氡均有不同程度的短臨異常和趨勢異常，特別是1973年?duì)t霍MS7.9級(jí)和1976年松平MS7.2級(jí)地震前，姑咱水氡所表現(xiàn)出的臨震突跳異常，說明姑咱海子泉位于地下應(yīng)力較強(qiáng)的敏感地段，其水氡變化能間接反映地下應(yīng)力情況，有較強(qiáng)映震能力(車用太等，2002；李志鵬等，2011，2015)。

2 異常調(diào)查與分析

2.1 異常特征及現(xiàn)場核實(shí)

2018年12月18日姑咱水化綜合臺(tái)觀測員檢查儀器時(shí)，發(fā)現(xiàn)姑咱海子泉?dú)夤瘡?018年12月18日09點(diǎn)開始上升，11時(shí)達(dá)到0.11 ng/L；12月19日同泉點(diǎn)的氣氡出現(xiàn)上升趨勢，測值高于同期背景值，12月24日大幅突升，最高值達(dá)23.6 Bq/L，在2018年12月初也曾出現(xiàn)類似異常變化(見圖1)。對(duì)于此次異常變化康定地震中心站高度重視，成立異常核實(shí)小組，開展了為期8天的異常現(xiàn)場核實(shí)工作。核實(shí)工作分成了兩個(gè)階段，第一階段主要針對(duì)氣汞異常核實(shí)(12月19-24日)，第二階段是氣氡出現(xiàn)異常后的核實(shí)(25-26日)。通過多次對(duì)觀測儀器工作狀態(tài)、儀器的檢查、校準(zhǔn)和標(biāo)定以及觀測工作日志等檢查，排除了儀器故障和人為原因造成異常的可能。另外，姑咱地區(qū)近期基本沒有降雨，氣溫和氣壓與往年相比也無大的變化，排除了氣象因素的影響。

圖1 姑咱海子泉?dú)夤蜌怆闭c(diǎn)值數(shù)據(jù)曲線

(1)脫氣裝置系統(tǒng)調(diào)查

脫氣裝置系統(tǒng)包括水路、氣路、恒流箱、集-脫氣裝置等。兩個(gè)階段的現(xiàn)場異常核實(shí)都表明氣汞脫氣裝置系統(tǒng)正常。第一階段多次檢查氣氡脫氣裝置系統(tǒng)正常。2018年12月24日氣氡出現(xiàn)大幅突升后，25日檢查氣氡氣路時(shí)發(fā)現(xiàn)玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)小球處于40 mL上下跳動(dòng)，正常情況下玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)小球應(yīng)處于220 mL上下，對(duì)比說明進(jìn)入流量計(jì)氣體總量相對(duì)正常時(shí)有較大幅度減少。查看氣路時(shí)發(fā)現(xiàn)脫氣裝置進(jìn)氣口前的恒流箱過濾網(wǎng)上有一層黑色附著物，顏色與以往脫氣裝置故障(氣路阻塞)時(shí)明顯不同。對(duì)恒流箱和過濾網(wǎng)進(jìn)行清洗后玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)測值明顯上升(見圖2)，氣氡測值也下降明顯。從氣路檢查來看，氣氡大幅度上升是由于脫氣裝置氣路不暢所致。

圖2 氣氡脫氣裝置氣路進(jìn)氣口的阻塞情況和恒流箱清洗前后流量對(duì)比

(2)觀測環(huán)境調(diào)查

第一階段調(diào)查：泉點(diǎn)附近無地下水開采；姑咱海子泉、姑咱南泉屬于同一含水層，并有相似成因的淺循環(huán)水系，水質(zhì)均較為清澈，水位、流量無明顯變化，泉眼周圍保持自然狀態(tài)，當(dāng)時(shí)認(rèn)為泉點(diǎn)地表環(huán)境沒有遭受明顯的破壞。

圖3 姑咱海子泉周圍環(huán)境平面示意圖

第二階段調(diào)查：2018年12月25日，發(fā)現(xiàn)氣氡氣路進(jìn)氣口有堵塞現(xiàn)象后，再次對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行了仔細(xì)查看，發(fā)現(xiàn)觀測室院墻外的泉點(diǎn)泄流水道的水面上漂浮著大量泡沫，水坑邊還沉積著一些飯菜之類的東西，于是調(diào)查組對(duì)泉點(diǎn)附近居民點(diǎn)進(jìn)行走訪，在走訪中發(fā)現(xiàn)姑咱南泉點(diǎn)原有堆放建筑材料的空地已改建成農(nóng)家樂，人員較多。經(jīng)了解原有住戶只有幾口人，用水量較小，生活污水原是隨意排放；2018年12月初開辦農(nóng)家樂，承辦婚宴、酒席之類的，生活用水量較大，按政府要求生活污水不能亂排放，于是將生活污水通過埋設(shè)的管道，沿公路引到姑咱海子泉和南泉泉點(diǎn)出水口附近排放。由于排水管道埋入地下，從南泉內(nèi)有一個(gè)管道口和觀測房后面出水溝道的污染情況和要求農(nóng)家樂對(duì)排污進(jìn)行整改后的情況調(diào)查來看，原其排放位置距離姑咱海子泉不到1 m，就在泉點(diǎn)自然泄流口附近(見圖3)。從農(nóng)家樂老板處了解到，開張后至今承辦了2次宴席，一次宴席所需時(shí)間在4～5天，承辦宴席期間，因清洗東西較多，洗衣粉、肥皂和洗潔精之類的洗滌用品用量較大，污水排放就會(huì)增大。污水被排到泉點(diǎn)附近，可能存在滲透入泉點(diǎn)，與觀測水源混合的可能，造成觀測水源的污染。宴席承辦時(shí)間點(diǎn)與該泉點(diǎn)氣汞和氣氡2018年12月來的兩次大幅上升時(shí)間相吻合。

觀測室環(huán)境汞污染檢測：12月25日，調(diào)查人員對(duì)儀器觀測房是否受汞污染進(jìn)行了檢測。首先拔掉氣汞觀測儀器進(jìn)氣管，直接測量空氣中的汞含量，經(jīng)過3次空測，測值均為0，說明觀測室未受汞污染。

2.2 異常分析

(1)主要干擾因素分析

在現(xiàn)場核實(shí)調(diào)查的基礎(chǔ)上，通過查閱儀器運(yùn)行工作日志、與臺(tái)站觀測人員的交流，對(duì)姑咱海子泉和四川地區(qū)其它臺(tái)站同類觀測儀器的資料主要干擾因素和數(shù)據(jù)近期變化情況進(jìn)行了調(diào)查分析。

姑咱海子泉主要干擾因素分析。姑咱海子泉逸出氣體觀測中主要影響因素是脫氣裝置系統(tǒng)的穩(wěn)定性，脫氣裝置系統(tǒng)中的水路、氣路堵塞與集-脫氣裝置故障為主要干擾源。氣氡觀測數(shù)據(jù)2017～2018年有7次出現(xiàn)大幅上升或下降的異常變化，經(jīng)檢查均為氣路或脫氣裝置故障引起，干擾形態(tài)為突升或突降，排除故障后測值較快恢復(fù)正常值。氣汞觀測系統(tǒng)自2017年正式運(yùn)行以來，有3次典型干擾情況：2次脫氣裝置故障，1次觀測房汞污染，干擾形態(tài)均為大幅突升。這3次異常變化出現(xiàn)后進(jìn)行觀測系統(tǒng)檢查時(shí)都找到了明確的干擾源，本次異常出現(xiàn)后現(xiàn)場核實(shí)過程中未發(fā)現(xiàn)明顯的脫氣裝置系統(tǒng)故障。兩套儀器在此次異常前只在2017年6月下旬出現(xiàn)過先氣氡上升，后氣汞上升的準(zhǔn)同步變化，這是由于脫氣裝置故障和清洗脫氣裝置造成的(見圖4)。2018年12月姑咱海子泉?dú)夤蜌怆背霈F(xiàn)2次大幅異常的形態(tài)和變化過程與歷史集-脫氣裝置故障造成的干擾相似。

圖4 姑咱海子泉?dú)夤蜌怆庇^測干擾圖

四川地區(qū)其它臺(tái)站主要干擾因素分析。四川地區(qū)現(xiàn)有4個(gè)井泉點(diǎn)(姑咱海子泉、昭覺、西昌川32井和攀枝花川05井)使用同類型儀器進(jìn)行逸出氣觀測(SD-3A型自動(dòng)測氡儀和ATG-6138M痕量汞在線分析儀)，ATG-6138M測汞儀2016年開始觀測。從運(yùn)行情況來看，氣氡觀測中主要干擾為脫氣裝置的穩(wěn)定性問題，數(shù)據(jù)大幅度變化基本是氣路堵塞引起的；而氣汞觀測則是有較多的單點(diǎn)突跳，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較差。查閱相關(guān)文獻(xiàn)，認(rèn)為可能是硅膠管對(duì)汞較強(qiáng)的吸附作用和氣路的記憶效應(yīng)等，可能造成測量結(jié)果偏高(陳華靜等，1999；張文男等，2013；任佳等，2005；張素欣等，2006；周利萍等，2004)，測汞儀的捕汞管在高溫、潮濕的環(huán)境下易銹蝕，導(dǎo)致捕汞效率逐漸降低，造成測值的突跳或持續(xù)高值現(xiàn)象(郭麗爽等，2015)。2015年經(jīng)過李志鵬等(2013)的反復(fù)試驗(yàn)，重新對(duì)氣氡脫氣裝置進(jìn)行改造后，觀測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)質(zhì)量有了較大提高。相對(duì)而言，姑咱海子逸出氣觀測系統(tǒng)在四川地區(qū)中還算比較穩(wěn)定的，觀測中出現(xiàn)數(shù)據(jù)大幅單點(diǎn)突跳的次數(shù)明顯少于其它幾套儀器。

圖5 四川地區(qū)同類測點(diǎn)同類儀器氣氡和氣汞整點(diǎn)值對(duì)比曲線圖

對(duì)比了四川地區(qū)4個(gè)井泉點(diǎn)2018年10月以來的氣汞和氣氡觀測資料，并未出現(xiàn)同步多點(diǎn)高值現(xiàn)象(見圖5)，其它臺(tái)站的數(shù)據(jù)變化多數(shù)是由于氣路堵塞和儀器校準(zhǔn)或標(biāo)定造成的(工作日志上標(biāo)注)。姑咱海子泉2018年12月出現(xiàn)的異常變化為單測點(diǎn)變化，而一般認(rèn)為地震引起的異常主要表現(xiàn)為多測點(diǎn)異常，在空間分布范圍和異常出現(xiàn)時(shí)間上都具有相對(duì)的集中性(康春麗等，1999；中國地震局監(jiān)測預(yù)報(bào)司，2000；金仰芬等，1987；張煒等，1988)，因此姑咱海子泉2018年12月出現(xiàn)的異常變化作為地震前兆異常的可能性較小。

(2)脫氣裝置和環(huán)境調(diào)查分析

2018年12月姑咱海子泉?dú)夤蜌怆睖y項(xiàng)出現(xiàn)了2次準(zhǔn)同步大幅異常變化：2018年12月8-9日和2018年12月18-24日，兩次對(duì)脫氣裝置系統(tǒng)檢查，發(fā)現(xiàn)氣氡氣路都有堵塞現(xiàn)象，但氣汞脫氣裝置系統(tǒng)正常。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查來看，測值大幅變化期間，正是泉點(diǎn)附近的農(nóng)家樂承辦宴席期間，承辦時(shí)間持續(xù)幾天，期間洗衣粉、肥皂和洗滌精用量較多，這些污水順著下水管道排到觀測泉點(diǎn)附近，可能會(huì)滲入泉點(diǎn)造成觀測水源的污染，水源污染易造成氣路堵塞，引起脫氣裝置系統(tǒng)故障，從而引起數(shù)據(jù)變化。依據(jù)有：(1)2018年6月28日觀測室出現(xiàn)的汞污染現(xiàn)象，當(dāng)時(shí)調(diào)查只在觀測室周圍有過撒洗衣粉的行為，沒有找到其它汞污染源，造成儀器無法校準(zhǔn)，測值出現(xiàn)高值變化，因此推測洗衣粉之類的洗滌品可能含極其微量的重金屬，由于ATG-6138M測汞儀的靈敏度較高，能檢測出泉水中低含量的汞；(2)時(shí)間上的重合：兩次準(zhǔn)同步異常變化都是承辦宴席期間；(3)兩次都出現(xiàn)了氣氡進(jìn)氣口處過濾網(wǎng)上有黑色附著物，造成堵塞氣路；(4)兩次異常變化過程相似：氣汞測值先出現(xiàn)大幅上升，幾天之后氣氡出現(xiàn)大幅上升，檢查氣氡脫氣裝置，結(jié)果進(jìn)氣口堵塞，脫氣裝置清洗后氣氡測值很快恢復(fù)正常。

通過多次現(xiàn)場核實(shí)和相關(guān)分析，初步認(rèn)為姑咱海子泉2018年12月出現(xiàn)的兩次氣汞先突升，后氣氡也大幅上升的異常變化，原因可能是：(1)不排除洗滌用品中含有極微量重金屬的可能(依據(jù)2017年6～7月觀測室汞污染事件推測)，由于汞是常溫下唯一呈液態(tài)的金屬, 化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定, 常溫下具有明顯的蒸氣壓, 而且汞的蒸氣壓、蒸發(fā)速度和濃度隨溫度升高而迅速增高, 試驗(yàn)證明汞蒸氣還具有極強(qiáng)的穿透能力(魏家珍等，1992)，因此由于天氣冷，洗滌中會(huì)加入熱水，如果洗滌用品中有重金屬、放射性物質(zhì)的話，由于其極強(qiáng)的穿透能力就會(huì)快速滲透入泉點(diǎn)，污染觀測水源，因此率先觀測到氣汞測值的上升變化。(2)兩套觀測儀器所用的脫氣系統(tǒng)(方式)不同，氣氡氣路在泉水引水管和脫氣裝置之間增設(shè)了一個(gè)恒流箱，實(shí)際觀測中表明氣氡氣路較氣汞氣路更容易堵塞。由于觀測水源被污染，其中可能有油污和泡沫混入，恒流箱內(nèi)進(jìn)氣口過濾網(wǎng)

圖6 許氏脫氣裝置示意圖

上容易附著雜質(zhì)，阻塞氣路，引起脫氣裝置故障，但其堵塞不是一蹴而就，而是需要一個(gè)積累的過程；對(duì)觀測系統(tǒng)進(jìn)行檢查過程中，發(fā)現(xiàn)氣氡空氣流量計(jì)中小球位置下降明顯，對(duì)比說明進(jìn)入流量計(jì)氣體總量相對(duì)正常時(shí)有較大幅度減少。氣氡觀測采用的是許氏脫氣裝置(參見圖6)，由于脫氣裝置②進(jìn)氣孔有堵塞，使進(jìn)入脫氣裝置空氣含量減少，那么脫氣裝置脫氣時(shí)帶入⑤出氣口的空氣含量減少，使得進(jìn)入氣路中的氣氡濃度上升，從而導(dǎo)致氡測值大幅上升。同樣污水對(duì)氣汞脫氣裝置可能也存在一定影響。因此本次異常變化中，汞可能是直接的干擾，氣氡是氣路堵塞的干擾；由于汞蒸氣還具有極強(qiáng)的穿透能力，而氣路堵塞是有一個(gè)形成過程，因此造成了2018年12月姑咱海子泉?dú)夤蜌怆弊兓瘯r(shí)間不一樣，又具有準(zhǔn)同步突升的特征。本次異常變化是觀測水源受到污染造成的，是一次典型的干擾案例，并不是地震前兆異常。

3 結(jié)論與討論

(1)通過對(duì)氣體觀測的脫氣裝置系統(tǒng)和觀測環(huán)境的調(diào)查，觀測室環(huán)境汞污染檢測和相關(guān)分析，認(rèn)為2018年12月姑咱海子泉?dú)夤蜌怆睖?zhǔn)同步突升異常變化是由于觀測水源被污染，污染的水源又致儀器脫氣裝置系統(tǒng)中氣路堵塞或不暢這兩個(gè)干擾因素共同造成的，這是一次典型的干擾案例，并不是地震前兆異常。(2)從姑咱海子泉?dú)怆焙蜌夤^測系統(tǒng)的運(yùn)行情況來看，脫氣裝置的系統(tǒng)穩(wěn)定性是關(guān)鍵，特別是姑咱海子泉這類天然出露的冷泉，有眾多涌水點(diǎn)，泉水溫度低，逸出氣量小(國家地震局科技監(jiān)測司編，1992)，如何保障脫氣裝置穩(wěn)定，特別是氣路的暢通成為汞觀測亟需解決的問題。(3)姑咱海子泉?dú)夤霈F(xiàn)異常后，為判定異常可信度，康定地震中心站立即開展系列工作，除了按異常進(jìn)行現(xiàn)場核實(shí)外，還對(duì)距離姑咱海子泉約20 km的龍頭溝和二道橋這兩個(gè)較好具有短臨預(yù)測效果的“敏感泉點(diǎn)”的氣體(楊賢和等，2001；劉仕錦等，2006)和水質(zhì)進(jìn)行加密觀測，3天的加密觀測未出現(xiàn)異常。對(duì)比分析了四川地區(qū)其它臺(tái)站同類測項(xiàng)資料，從異常的配套性來看，無論同泉點(diǎn)水氡、水質(zhì)等測項(xiàng)，還是四川地區(qū)其它臺(tái)站同類測項(xiàng)，龍頭溝與二道橋加密觀測以及距姑咱海子泉1.5 km的姑咱變形臺(tái)5套形變儀器，近期都沒有同步異常出現(xiàn)。這對(duì)異常性質(zhì)的判定有一定的參考價(jià)值。(4)觀測環(huán)境的保護(hù)任重而道遠(yuǎn)。2018年12月25日現(xiàn)場核實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)干擾后，立即要求房屋承租人將排污管道進(jìn)行改造，排水口要遠(yuǎn)離泉點(diǎn)。(5)通過本次異常現(xiàn)場核實(shí)和分析得到的一些初步認(rèn)識(shí)，希望能為今后開展日常監(jiān)測工作和地震分析預(yù)報(bào)提供參考。