鹽源縣龍洞河水位異常的分析和判定

蔣 川，陳碧洪，馬付紅

（四川省地震局西昌地震監測中心站，四川 西昌 615022）

地震地下流體是指與地震孕育、發生或構造活動有直接聯系的、賦存于地殼巖體空隙中的水、氣、油等物質。人們把地下流體的異常變化作為地震前兆來研究，起源于強震前出現的井水位變化、冒泡、變色、變味等宏觀現象的認識（郭增建，1964）。多年觀測實踐及研究證明，中強地震發生前震區部分觀測井會出現明顯的地下水異常變化，這主要是由于在區域應力作用下，地殼介質受到力的作用發生形變破壞時，介質中的流體在動力作用、熱力作用和化學作用下發生動態變化（孫小龍，2016）。水位觀測是地下流體觀測的手段之一，1966～2006年的《中國震例》中，有水位前兆異常的共有100個震例，占統計震例的41.7%。100個震例中，共有283項水位異常，平均每個震例有2.83項異常（李利波等，2016）。水位異常也發揮著重要作用，如海城地震前，在海城地震震中半徑250 km范圍內的25個縣、市，共測得118口井水位有異常表現（馬宗晉等，2008）。然而并非所有的水位異常均是地震前兆異常，原因在于很多因素均可引起異常變化，如構造活動、降雨、放炮采礦、鉆井抽水、水庫蓄放水等。如何在各種因素共同作用下準確識別地震前兆信息，排除各種干擾做出準確的判定，是目前地震監測預報亟需解決的重要問題。2019年12月10日鹽源縣龍洞河地下水位發生異常，短時間內蓄水區水位急劇下降，這是該點被設立為地震觀測點以來首次觀測到的現象。本文針對鹽源縣龍洞河地下水位異常的現象，對近2年來的連續跟蹤觀察結果和收集到的數據資料進行綜合分析，尋找異常發生的原因，進而為本地區今后的前兆觀測及地下水異常分析判定提供參考。

1 區域地質構造概況

龍洞河位于川滇菱形塊體內、麗江—小金河斷裂帶的中段偏南的位置。麗江—小金河斷裂帶是川滇菱形塊體內部的一條NE向活動構造帶，斷裂全長360 km，它將川滇菱形塊體斜切為川西北和滇中2個次級塊體，是龍門山—錦屏山—玉龍雪山中新生代推覆構造帶西南段基礎上形成的一條活動斷裂帶（鄧起東等，2002；向宏發等，2002），從全新世至今一直具有較強的活動性（徐錫偉等，2003；季靈運等，2015）。麗江—小金河斷裂及其次級寧蒗斷裂、甲米斷裂歷史上地震頻發，統計龍洞河異常點50 km以內地震，發生5級以上地震17次，最大一次為1976年11月6日發生的6.7級地震，最晚為2001年5月23日發生的6級地震。李寧等（2018）采用DEFNODE負位錯反演程序計算了麗江—小金河斷裂帶的斷層閉鎖程度和滑動虧損速率特征，結合小震精定位結果分析了該斷裂帶的強震危險性，結果表明麗江—小金河斷裂的南段－中段南部具有發生較大地震的潛在危險性。可見異常區域既具有中強地震活動的構造背景，又有發生較大地震的風險，因此異常的跟蹤分析尤為重要。

2 異常概況

2.1 異常點及周邊概況

鹽源縣棉椏鄉核桃園村龍洞河宏觀異常觀測點分蓄水區和排泄區，蓄水區為一水壩所圍限的出水坑，地下水通過蓄水區底部的入水口進入蓄水區，入水口為一直徑約1 m的圓形洞口，2004年枯水期當地人員曾深入洞口約500 m，發現內部有暗河，蓄水區在蓄滿水后自然溢出，通過外圍的水壩向外排泄（圖1b）。

圖1 異常點示意圖

異常區內主要出露地層為：（1）第三系昔格達組（N2x）為粉砂巖、粘土巖、砂礫巖夾褐煤層，淺層水泉流量0.02～0.32 L／s，最大23 L／s；（2）三疊系白山組（T2b）為灰巖、白云質灰巖，組內巖溶發育，巖溶泉流量50～40 L／s，局部發育巖溶大泉流量超6000 L／s；（3）三疊系鹽塘組（T2y）為一套淺海相或封閉海灣的碳酸巖沉積，巖性為粉砂巖、砂巖夾泥質灰巖、泥灰巖，含石膏層，賦存巖溶水，溶洞暗河強烈發育，大泉暗河流量100～1000 L／s，大者達6830 L／s①資料來源：四川省地質局第一區域地質測量隊二分隊.1971.區域地質測量報告（鹽源幅G－47－VI），未公開出版.。異常點旁的陡壁（圖1a）上的基巖剖面（圖2）可見灰巖、泥灰巖出露。

圖2 異常點附近基巖出露情況

2.2 異常特征

2019年12月10日異常點外圍水壩斷流（圖3），蓄水區的水位開始急劇下降，12月14日水位下降約6 m（圖4），此后水位不斷下降，直到2020年2月5日蓄水區入水口已干涸。而異常發生之前，異常點蓄水位偶爾會下降，但一般下降20～30 cm后就會恢復。

圖3 異常發生前、后的水壩溢水情況對比

圖4 蓄水區水位變化對比

3 異常點跟蹤變化及數據資料分析

3.1 異常點跟蹤變化分析

異常點在綜合水文地質圖上被標識為長觀泉點，常年泉水流量變化為0～6327.54 L／s②資料來源：中國人民解放軍00九三一部隊四中隊.1977.綜合水文地質圖（鹽源幅G-47-6），未公開出版.，異常點至少在1977年編制綜合水文地質圖或更早的野外工作階段，就出現過斷流和恢復外排事件。通過現場調查了解到異常點在2004年之前的豐水期均有水排泄，并在枯水期斷流；2019年12月10日異常發生外圍水壩立即斷流；2020年7月9日外圍水壩恢復外排；2020年12月27日外圍水壩斷流；2021年7月6日外圍水壩恢復外排。異常點詳細變化情況見表1、圖5。

表1 異常點歷史變化統計表

通過異常點跟蹤變化分析發現2019年異常點出現斷流事件并非首次發生，歷史上異常點已經出現過多次類似事件。2019年異常發生以來已經出現的2次斷流和2次恢復事件（圖5），對比異常點歷史上已出現的斷流和恢復事件并無不同之處，斷流時間都在枯水季，恢復外排均在雨季。分析認為這與降雨的周期性變化有關，在某一個較長的時間段內年累計降雨量高于平均水平，異常點補給充足，常年向外排水；而在另一段較長的時間段內年累計降雨量低于平均水平，在每年的枯水季節補給不足出現斷流，2019年發生的異常僅是另一個降雨周期的開啟。統計發現異常點發生斷流的年數遠多于不發生斷流的年數，發生斷流、水位下降事件應屬正常，分析認為造成這種“錯覺”的原因是異常點于2005年被設立為地震宏觀觀測點，由專門人員負責觀察，而2005年一直到異常發生前均為常年向外排水，2019年首次觀測到斷流則被視為異常。

圖5 異常點變化與降雨對應圖

3.2 干海井數據資料分析

干海井觀測點位于異常點SEE向約16 km處，井深73.65 m，流量0.132～0.703 L／s，水溫15.0～18.5℃，井下38～54.05 m的砂巖段為主要含水層。干海井觀測點與異常點下覆地層（圖6）為第三系昔格達組（N2x）、三疊系白山組（T2b）、鹽塘組（T2y），均為異常區域地下水的出漏點。異常點與干海井觀測點之間發育有三疊系鹽源—棉埡斷裂。由于干海井觀測點與異常點同處異常區域，且干海井位于異常點地下水流動方向的下游，干海井的降雨、水化學觀測資料能夠反應異常區域整體降雨、地下水補給、巖溶變化等特征。

圖6 異常點－干海井觀測點地質剖面示意圖

3.2.1 水化學及氫氧同位素分析

地下水的化學組分和穩定同位素組成可以用于判定其水化類型、水－巖平衡反應特征及其組分來源。Piper圖可以判定地下水的類型和地下水的混合作用；Giggenbach圖可判定地下水的水巖平衡狀態，進一步揭示含水層的深淺部補給關系和地下水系統的開放與封閉程度；Schoeller圖形狀變化趨勢可以判斷地下水補給是否具有同一補給來源；氫氧穩定同位素數據與大氣降水線之間的關系可研究地下水的運動過程。本文收集了干海井的水化學及氫氧同位素數據（表2）。

表2 干海井水化學及氫氧同位素分析結果

干海井地下水陰離子以HCO－3、Cl－為主，陽離子以Na＋為主，依據舒卡列夫分類法干海井地下水水化類型為HCO3·Cl－Na類型。piper圖（圖7a）、Schoeller圖（圖7c）顯示前后離子的含量較為接近，說明干海井補給源沒有發生明顯變化。地下水中Ca2＋、HCO－3來自于地下水流動過程中對灰巖的溶解。較高的Na＋、Cl－可能是由于在地下水流動過程中溶解鹽類形成，K＋較低說明本地區沉積巖中含鉀鹽較低，增加近1倍，分析認為這與下覆地層鹽塘組（T2y）中部含有透鏡狀石膏，底部含有石膏礦有關，15年間含有CO2的地下水不斷向深部侵蝕，發生反應：CaCO3＋CO2＋H2O→HCO－3＋Ca2＋，地下水的容納空間向下擴展，鹽塘組中部和底部的石膏溶解在地下水中，同時維持原有地下水水位所需的水源補給更多，這可能是異常發生的一個次要原因。

圖7 干海井地下水分析

Giggenbach圖（圖7b）顯示兩次采樣分析結果幾乎重疊，均落在靠近Mg2＋端元部分平衡區域，表明水循環相對較快，水巖之間尚未達到離子平衡狀態，水巖作用仍在進行。氫氧同位素測試結果（圖7d）位于中國西南地區大氣降水線（δD＝7.54δ18O＋4.84）下方附近，分析認為干海井地下受大氣降水直接補給，但因發生了部分平衡的水－巖反應，造成該水樣輕微偏離中國西南地區大氣降水線右側。

3.2.2 降雨觀測資料分析

依據氫氧同位素分析結果，結合其他學者對本地區井水的研究成果（楊耀等，2019）認為異常點地下水補給來源也為大氣降水，因此分析降雨數據對查明異常發生的原因十分重要。對干海井所在地區的降雨量進行統計，結果見圖8。從該圖可以看出：（1）異常點區域降雨具有顯著的季節性特征，每年的6～9月為降雨集中的時段，其中7月降雨量最多，11月至次年的4月為少雨時段；（2）異常點區域每年的年累計降雨量并不平均，最小值為2013年的611.6 mm，最大值為2015年的945.4 mm，變異系數為0.166，離散程度較高。發生斷流的2019年年累計降雨量（611.7 mm）為近年來的次低水平，降雨量明顯偏少。

圖8 2012～2020年鹽源地區年降雨量和月均降雨量（中國氣象局公共氣象服務中心，2021）

4 結論

（1）跟蹤調查情況表明2019年12月10日鹽源縣龍洞河地下水位異常并不是首次發生，異常發生以來相繼出現的斷流和恢復外排的事件與降雨的對應關系明確，具有顯著的相關性，認為異常的發生只是一個新的降雨周期（枯水周期）的開啟。（2）依據水化學和氫氧同位素分析情況，認為異常地區地下水直接受降雨補給，地下水循環相對較快，發生了一定程度的水巖反應，使氫氧同位素輕微偏離西南地區降水線。顯著增加原因是溶解了鹽塘組中部、底部的石膏礦，認為異常區巖溶系統在不斷向下發育，地下水的容納空間也在向深部擴展，維持原有地下水位所需的水源補給將更多，這是異常發生的次要原因。（3）異常區域近年來降雨量低于年平均降雨水平，且季節性特征十分明顯。綜合分析認為近年來的降雨量偏低使地下水補給總體偏少是發生異常的基礎，季節性的補給不足是異常發生的主要原因。

由于數據有限，僅使用干海井單點的數據進行研究，在今后的前兆觀測及異常核實工作中需要收集豐富數據以進一步夯實研究成果。

致謝：梁明劍、李晨樺高工對本文的寫作給予了指導幫助；中國地震臺網中心，國家地震科學數據中心（http：／／data.earthquake.cn）提供了數據支撐，在這里一并致謝！