云南麗江觀測井水溫趨勢上升原因分析

李利波 鄧盛昌 楊永文 毛澤斌

摘要：針對云南麗江觀測井水溫自2012年來處于趨勢上升狀態(tài)這一現(xiàn)象，分析了該井的水文變化過程，利用Piper圖、Schoeller圖和氫氧同位素等方法，對其地下水化學(xué)特征及與周圍水體的水力聯(lián)系進(jìn)行定量分析，討論了該井水溫上升變化原因。結(jié)果認(rèn)為：該井?dāng)嗔鲿r受深部地下水徑流補給，地下水類型為HCO3-Na型，自流時受大氣降水直接補給，地下水類型為HCO3-Ca型;該井水-巖反應(yīng)程度較弱，與周圍水體有明顯的水力聯(lián)系，受地表水影響較大，所攜帶的深部信息較少。該井2012年斷流后，水溫受深部熱水上升影響表現(xiàn)為持續(xù)上升狀態(tài);受雨季降雨量影響，水溫隨水位變化表現(xiàn)出一定程度的年變形態(tài)，分析認(rèn)為該時期的前兆特征不明顯。

關(guān)鍵詞：水溫;趨勢上升;地下水化學(xué)特征;麗江觀測井

中圖分類號：P315723?? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A?? 文章編號：1000-0666（2019）03-0358-08

0 引言

地下流體是影響地震孕育與發(fā)生的重要因素，可靈敏反映重要前兆信息（Raleigh，1976;Simpson，1986）。流體是地殼中最為活躍的組分，可造成巖石軟化、空隙壓力增加、流體受熱膨脹等影響，從而誘發(fā)地震（Byerlee，1978;Shi，Wang，1982;車用太，楊會年，1989）。地下流體水溫觀測中微小的變化可能反映地震孕育、發(fā)展和發(fā)生過程或地殼構(gòu)造活動引起熱狀態(tài)的改變，在地震監(jiān)測預(yù)報研究中發(fā)揮著重要的作用，因此水溫異常識別和提取是地震預(yù)測預(yù)報的一種有效手段。在地下流體水溫變化與構(gòu)造活動的關(guān)系研究中，國內(nèi)外許多學(xué)者認(rèn)為地震確實能引起水溫的變化，并嘗試從大量監(jiān)測數(shù)據(jù)中分析其異常機理（Mogi et al，1989;Sohn et al，1998;Baker et al，1999;車用太，魚金子，1996;劉耀煒等，2008）。

云南麗江觀測井水溫從2012年以來趨勢上升，年變幅度也變大，在該井周圍及鄰區(qū)曾多次發(fā)生M50以上中強地震。楊竹轉(zhuǎn)等（2018）從區(qū)域水文地質(zhì)、井孔結(jié)構(gòu)和水溫梯度試驗等方面，分析了該井水溫動態(tài)的基本特征。在地下水循環(huán)過程中，水化學(xué)組分及環(huán)境同位素作為示蹤劑，在一定程度上記錄著水分運移、轉(zhuǎn)化的歷史，可有效揭示流域內(nèi)地表水和地下水之間的關(guān)系（Scholler，1962;劉耀煒等，2009;張磊等，2016）。2017年漾濞M51地震后，該井水溫又出現(xiàn)快速上升現(xiàn)象。本文從麗江觀測井的地下水文變化過程，定量分析其地下水化學(xué)特征及其與周圍水體的水力聯(lián)系，探討該井水溫上升的原因。

1 觀測井基本情況

麗江觀測井位于云南省麗江市古城區(qū)北面的象山腳下，麗江盆地東北緣。該井于1984年7月建成，成井深度為347 m，初為自流井，1992年3月開始水位觀測。2007年6月對該井進(jìn)行數(shù)字化改造，井深為310 m，并增加水溫觀測，探頭位于井下300 m，含水層為三疊系北衙組（T2b）灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r（圖1a）（云南省地震局，2005）。該井水溫正常動態(tài)為年變型，旱季緩慢上升，雨季快速下降，年變幅度約為002 ℃。2011年11月23日開始斷流，變?yōu)殪o水位觀測。

該井地下水類型與其北側(cè)的黑龍?zhí)度阂恢拢鶠樘妓猁}裂隙巖溶水，補給區(qū)為大氣降雨和北部的九子海溶蝕區(qū)（康曉波等，2013）。在區(qū)域構(gòu)造上，該井位于川滇菱形塊體中部西側(cè)，是紅河斷裂北段、龍蟠—喬后斷裂、麗江—劍川斷裂、鶴慶—洱源斷裂等構(gòu)造復(fù)合交匯部（國家地震局地質(zhì)研究所，云南省地震局，1990）（圖1b），該區(qū)域構(gòu)造復(fù)雜，活動強烈，中強地震頻發(fā)，最近一次強震活動是1996年麗江M70地震。

2 地下水文變化過程

根據(jù)麗江觀測井水位在自流狀態(tài)與非自流狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換，將其地下水文狀態(tài)劃分為3個階段（圖2）：

第一階段：2007年6月1日至2011年11月23日為自流井觀測（圖2a）。表現(xiàn)為每年4—6 月斷流，8月恢復(fù)泄流;水位年變幅約4 m，水溫出現(xiàn)多次上升或下降的臺階式變化;水位與水溫的負(fù)相關(guān)特征非常明顯，水位快速上升時，水溫突降。

第二階段：2011年11月24日至2018年8月10日為靜水位觀測（圖2b）。表現(xiàn)為斷流狀態(tài);水位年變幅增大，表現(xiàn)為大幅度升降變化;水溫為緩慢的上升—下降變化，具有一定的年變形態(tài);水位與水溫大體呈負(fù)相關(guān)特征，有時短期為正相關(guān)關(guān)系。

第三階段：2018年8月11日恢復(fù)出水后，表現(xiàn)為水位上升，水溫快速下降（圖2c）。

地下水文變化過程顯示，該井水溫與水位動態(tài)之間具有良好的相關(guān)性。水溫探頭位于井孔中水體與含水層連通的主要部位。該井的水溫較低，在自流狀態(tài)時，在含水層水頭壓力作用下，較低溫度的水向井孔內(nèi)部流動補給，與淺層水混合，然后通過泄流口溢出排泄，水溫動態(tài)曲線相對平緩;水位接近斷流時，較低溫度的水補給減少，探頭附近水溫快速上升（圖2a）。在斷流狀態(tài)時，深部較高溫度的水通過傳導(dǎo)、對流與淺層水發(fā)生熱交換，水溫表現(xiàn)為隨水位變化的年變形態(tài)，二者基本呈反相關(guān)特征（圖2b）;水位上升至泄流時，較低溫度的水加速向井孔溢出，水溫快速下降（圖2c）。這與楊竹轉(zhuǎn)等（2018）做的水溫梯度實驗結(jié)果一致，分析認(rèn)為該過程受補給區(qū)的水源溫度較低影響。

3 地下水化學(xué)特征

筆者曾2次現(xiàn)場采集地下水樣品，第一次時間為2018年7月28日，麗江觀測井處于斷流狀態(tài)（樣品①）;第二次時間為2018年10月12日，該井處于自流狀態(tài)（樣品②）。同時采集了觀測井旁的玉河，上游黑龍?zhí)度褐械南聪蟪亍⒄渲槿脱a給水（引自上游的清溪水庫、白水河和拉市海等），以及目前仍在觀測的金甲井水樣（甘澤泉已干涸，未取樣）進(jìn)行對比。水質(zhì)分析委托中國地震局地殼應(yīng)力研究所（地殼動力學(xué)重點實驗室）負(fù)責(zé)，結(jié)果見表1。

對比2次測試結(jié)果，麗江觀測井自流狀態(tài)下的陽離子Na+含量比斷流狀態(tài)下明顯減少，K+、Ca2+含量明顯增加;陰離子SO2-4含量減少，HCO3-含量增加;氫氧同位素變化不大。從水樣的Piper圖看出，該井?dāng)嗔鳡顟B(tài)下的地下水類型為HCO3-Na型，自流時為HCO3-Ca型（圖3a），顯示斷流狀態(tài)下的地下水有一定程度的離子交換作用，Na+交換吸附Ca2+，從重碳酸型水轉(zhuǎn)為堿性水特征。周圍水體中，玉河、洗象池、珍珠泉和補給水的地下水類型均為HCO3-Ca型，金甲井為HCO3-Ca·Na型。

從水樣的Na-K-Mg三角圖來看，麗江觀測井的2次測試結(jié)果均落在“未成熟水區(qū)域”，且非常接近Mg端元（圖3b），表明該井目前的水-巖反應(yīng)程度較弱，水-巖之間尚未達(dá)到離子平衡狀態(tài)，所攜帶的深部信息較少，受地表水影響較大。周圍水體中，玉河、洗象池、珍珠泉、補給水和金甲井的地下水均屬于“未成熟水”，受地表水影響較大。

從水樣的氫氧同位素曲線來看，麗江觀測井的2次測試結(jié)果均落在全球大氣降水線（GMWL）上（圖3c），表明其水體主要受大氣降雨補給，水-巖反應(yīng)程度較弱。玉河的地下水也落在GMWL上，主要受大氣降雨補給;金甲井、珍珠泉和補給水的測試結(jié)果位于GMWL右上方，發(fā)生“18O漂移”，受蒸發(fā)作用影響;洗象池的測試結(jié)果位于GMWL右側(cè)，表明該地下水有一定程度的水-巖反應(yīng)。

從水樣的Schoeller圖來看，麗江觀測井的2次測試結(jié)果除了Ca2+和Na++K+含量變化較大外，其它離子含量變化很小（圖3d），表明斷流狀態(tài)下的地下水Na+，K+與Ca2+發(fā)生了一定程度的離子交換作用。玉河、洗象池、珍珠泉、補給水的離子含量與麗江井②的大致相當(dāng)，表明這些地下水之間有明顯的水力聯(lián)系;金甲井的Cl-，Ca2+和Na++K+含量與其他水體有明顯差別，顯示該井有一定程度的水-巖反應(yīng)。

4 水溫上升變化分析

麗江觀測井自2012年斷流以來，其水位仍表現(xiàn)為夏低冬高的年變形態(tài)，但年變幅度變大，幅度從之前的4 m左右變?yōu)?02～1740 m;每年年初緩慢下降，至7—8月達(dá)到最低值，之后變?yōu)榭焖偕仙?0—11月達(dá)到最高值;對比該地區(qū)的月降雨量，水位變化受降雨量的影響較大，但有一定的滯后性（圖4）。康曉波等（2013）研究認(rèn)為，除降雨量減少外，地下水開采也是導(dǎo)致該地區(qū)水位下降的主要因素，因此分析水位與降雨量的關(guān)系，利用水位谷值變化量進(jìn)行研究，計算結(jié)果可能會受地下水開采的影響。本文選取麗江地區(qū)主要雨季（5—10月）的累積降雨量，與該井水位變化量、水位峰值變化量（胡小靜等，2016）進(jìn)行對比，對其數(shù)量關(guān)系進(jìn)行數(shù)學(xué)回歸分析，發(fā)現(xiàn)其水位變化量、水位峰值變化量與雨季降雨量的線性關(guān)系較好，相關(guān)性系數(shù)（R2）分別為0606 9和0647 3（圖5），反映了該井水位變化受雨季降雨量的影響顯著。

麗江觀測井水溫在趨勢上升的背景下，有夏高冬低的年變形態(tài)，在每年7—8月達(dá)到最高值，與水位大體呈負(fù)相關(guān)（圖2b）。楊竹轉(zhuǎn)等（2018）對麗江觀測井的前兆變化進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其有明顯的震時效應(yīng)：水位均表現(xiàn)為震蕩型;水溫在自流狀態(tài)時表現(xiàn)為上升—下降—恢復(fù)型，斷流狀態(tài)時為下降—上升—恢復(fù)型;據(jù)此認(rèn)為麗江井水溫動態(tài)受水位泄流狀態(tài)影響明顯。2012年以來，在麗江觀測井周邊發(fā)生多次M≥50中強地震，但水位水溫均無明顯的震時效應(yīng)（圖6），表明該時期水溫的前兆特征不明顯;受水位斷流影響，含水層較低溫度的水補給減少，導(dǎo)致探頭附近水溫逐漸上升;該井主要受雨季大氣降水補給，水溫隨水位變化表現(xiàn)出年變形態(tài)。

麗江觀測井地下水的補給主要來自大氣降水和北部九子海溶蝕區(qū)，降水沿巖溶裂隙、洼地、落水洞等由北向南徑流，在黑龍?zhí)度禾幨艿匦吻懈詈偷谒南迪鄬Ω羲畬幼韪簦纬傻叵滤患瘞В蛳掠喂懦菂^(qū)排泄。高偉（2016）將該區(qū)域的地下水徑流系統(tǒng)由上而下分為垂直入滲帶、季節(jié)變動帶和水平流動帶。垂直入滲帶受大氣降水直接補給，形成淺層地下水，與巖石發(fā)生一定程度的水-巖作用，地下水類型為低礦化度的HCO3-Ca型酸性水。季節(jié)變動帶受雨季降雨影響，沿較深部地下水徑流補給，水-巖之間進(jìn)一步作用，Na+，Ca2+，Mg2+等離子之間發(fā)生交換作用，地下水類型變?yōu)镠CO3-Ca·Na或HCO3-Na·Ca等。水平流動帶受更深部的地下熱水影響，側(cè)向徑流過程中水-巖作用加劇，地下水類型為HCO3-Na型堿性水（圖7）。

當(dāng)降雨量偏少且處于斷流狀態(tài)時，該井為季節(jié)變動帶和水平流動帶的深部地下水徑流補給，水與巖石之間存在離子交換作用，地下水類型為HCO3-Na型;深部熱水上升，與淺層地下水混合，水溫表現(xiàn)為持續(xù)上升狀態(tài);受季節(jié)性降水影響，補給水量變化，水溫表現(xiàn)出一定程度的年變形態(tài)。當(dāng)降雨量增大且處于泄流狀態(tài)時，該井為垂直入滲帶的大氣降水補給，與巖石發(fā)生溶解交換作用，地下水循環(huán)周期相對較快，類型為HCO3-Ca型;地表水下滲，水溫表現(xiàn)為快速下降狀態(tài)。

5 結(jié)論

本文基于2012—2018年麗江觀測井的水文變化過程，對其地下水化學(xué)特征及與周圍水體的水力聯(lián)系進(jìn)行定量分析，探討該井水溫上升的原因，得到以下認(rèn)識：

（1）水溫探頭放置在井孔含水層主要部位，補給水源的水溫較低，水溫動態(tài)特征受水位泄流狀態(tài)影響明顯。

（2）水化學(xué)特征表明該井主要受大氣降雨補給，水-巖反應(yīng)程度較弱，且與周圍地表水有明顯的水力聯(lián)系。

（3）斷流時，該井為深部地下水徑流補給，水與巖石之間存在交換作用，地下水類型為HCO3-Na型;自流時為大氣降水直接補給，與巖石發(fā)生溶解交換作用，地下水類型為HCO3-Ca型。

（4）斷流狀態(tài)下受深部熱水上升影響，水溫表現(xiàn)為持續(xù)上升狀態(tài);受雨季降雨量影響，水溫隨水位變化表現(xiàn)出一定程度的年變形態(tài)，認(rèn)為該時期的前兆變化特征不明顯。

2018年8月11日泄流后，淺層地表水下滲，水溫快速下降，受含水層的低溫水源補給影響，之后水溫波動平穩(wěn)。該井地下水體活動強烈，水溫波動幅度較大，難以反映與地震孕育有關(guān)的信息，建議其探頭位置的放置應(yīng)避開與含水層連通的主要部位。

中國地震局地殼應(yīng)力研究所任宏微和郭麗爽提供了水質(zhì)離子測試，審稿專家給予了有益建議，在此一并表示衷心的感謝！

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