基于水化學(xué)的永清井水溫異常分析＊

王 艷 馬利軍 王會芳 呂文青 張 娜

（保定地震監(jiān)測中心站，河北保定 071051）

引言

地下水的化學(xué)組分是在漫長的地質(zhì)歷史中形成與演變的。多年的觀測結(jié)果表明，井泉的年水化學(xué)動態(tài)有一定的變化規(guī)律，說明水化學(xué)組分對地殼中的應(yīng)力應(yīng)變的變化有一定的響應(yīng)能力[1]。在水文地質(zhì)學(xué)的研究史中，地下的一切變動都可能在地下流體中留下烙印[2]。水動態(tài)觀測項目對周邊及鄰近地區(qū)所發(fā)生的中等、中強地震有過較好的映震反映[3]。然而，在地下流體觀測過程中，我們對異常變化的判斷還非常困難。有學(xué)者利用氫氧同位素示蹤技術(shù)，分析不同來源水的混合比例，判定異常變化是遠場地下水在徑流過程中產(chǎn)生的，還是地表水或者大氣降水直接補給的[4-6]。2017年以來，永清井水溫出現(xiàn)了多次異常現(xiàn)象，開展了從觀測系統(tǒng)檢查、環(huán)境調(diào)查、注水實驗、斷電實驗、水溫觀測對比、井下電視觀察井壁完整情況等多項工作。由于以往沒有震例反映，對于出現(xiàn)的異常現(xiàn)象認識一直比較模糊，導(dǎo)致預(yù)報中沒有得到很好的利用。而且以往工作中對該井水化學(xué)測試結(jié)果的分析也不是十分充分。因此，本文在多次水溫異常核實的基礎(chǔ)上，從永清井水化學(xué)測試結(jié)果著手，系統(tǒng)收集了永清井水文地球化學(xué)的多期測試結(jié)果，對可能影響水溫異常變化的因素進行綜合分析，以期確定永清水溫異常的性質(zhì)，為今后中心站的預(yù)報工作奠定基礎(chǔ)。

1 觀測井基本概況

永清井位于河北省永清縣羅家營村東北約500 m的永清臺院內(nèi)，地理坐標為（39.22°N，116.44°E）；井深1274.11 m，套管深度1061 m，直徑216 mm；頂板埋深1065.3 m，裸孔過水段208.8 m，含水層巖性為震旦系白云巖，地下水類型為震旦亞界霧迷山組巖溶承壓水；井口標高67 m。成井時為自流熱水井，泄流口水溫72℃。1995年底，受地?zé)衢_發(fā)影響斷流，改為靜水位觀測井（圖1a），目前水溫探頭置于173 m左右。該井位于冀中拗陷北部的牛東斷裂帶北側(cè)，永清井所在的廊坊地區(qū)地表水資源缺乏，是河北省唯一沒有穩(wěn)定地表水源—水庫的地區(qū)，居民用水完全依賴開采地下水[7]（圖1b）。

圖1 永清井井孔柱狀圖（a）及周邊區(qū)域構(gòu)造圖（b）Fig.1 Well hole histogram （a）and regional structure map of Yongqing well （b）

2 永清井水溫異常情況及分析

永清井水溫在2017年之前一直表現(xiàn)為趨勢下降變化。2017年以來，永清井水溫觀測曲線（圖2a）出現(xiàn)3次非常顯著的異常變化（2019年的兩次異常作為一組異常對待）。圖2b—d為圖2a中3個方框的放大日均值或分鐘值曲線。2017年1月1日—12月29日延續(xù)之前的趨勢性下降形態(tài)。2017年12月30日水溫打破了原有的下降速率，加速下降，到2018年2月5日達最低值，水溫由26.0409℃下降到25.9747℃，下降了0.0662℃；之后處于轉(zhuǎn)平變化（6日、7日臺站裝修不慎切斷水溫儀電纜，導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺測）；異常期間發(fā)生了2018年2月12日永清ML4.7地震，到2018年5月5日后水溫變化趨于正常，又恢復(fù)了原有的下降狀態(tài)（圖2b）。2019年7月和9月再次出現(xiàn)異常變化（圖2c），其特征為：2019年7月19日水溫出現(xiàn)加速下降，到21日達最低值，水溫由25.8579℃降到25.8308℃，降幅0.0271℃；之后26日水溫又快速回升到25.8850℃，升幅為0.054 2℃；27日轉(zhuǎn)降，31日后恢復(fù)正常。第2次異常是從9月29日的25.8403℃上升到10月22日的25.864 6℃，水溫上升了0.024 3℃；10月25日轉(zhuǎn)降，10月27日恢復(fù)正常；約40天后，于2019年12月5日發(fā)生豐南ML4.9地震。2020年4月20日開始，水溫再次出現(xiàn)急速上升；異常核實發(fā)現(xiàn)，4月21日永清臺站供電系統(tǒng)總閘由于年久失修，突然掉閘，出現(xiàn)了一個遠超于3倍均方差的突跳水；除此之外，水溫一直處于上升狀態(tài)，4月30日達最高值，水溫由21日的25.784 7℃上升到了4月30日的25.8269℃，上升幅度為0.0422℃；之后轉(zhuǎn)為下降，5月3日恢復(fù)正常狀態(tài)；71天后，2020年7月12日河北古冶發(fā)生ML5.5地震（圖2d）。

永清井水溫的這3次異常特征有上升也有下降，短期內(nèi)又都有中等地震發(fā)生。異常出現(xiàn)后，臺站工作人員都在第一時間進行了全面的異常核實。對觀測系統(tǒng)進行了檢查，開展了環(huán)境調(diào)查、注水實驗、斷電實驗、水溫對比觀測、井下電視觀察井壁完整情況等多項工作。除2020年4月21日的水溫突跳懷疑是電瓶虧電導(dǎo)致外，其他變化均沒有發(fā)現(xiàn)干擾現(xiàn)象。從這些工作的結(jié)果分析，永清井水溫的3次異常變化可能具有一定的前兆意義。但在異常核實中，由于歷史觀測上沒有震例反映，3次異常都沒有明確結(jié)論。同期永清井水位沒有異常變化。

圖2 永清井水溫曲線圖Fig.2 Curves of water temperature in Yongqing well

3 水化學(xué)測試結(jié)果分析

永清井的水化學(xué)資料在歷年異常核實中，沒有系統(tǒng)的進行分析。依靠項目的支撐，本文在收集永清井歷史水化學(xué)數(shù)據(jù)的同時，再次對永清井地下水采樣進行綜合分析。

首先，收集歷年來永清井、周邊1.5 km花卉市場溫泉井、2.5 km內(nèi)石九垡村井的水樣樣品進行整理。其次利用定深取樣器于2022年6月24日和2022年7月6日進行了水樣采集，樣品寄送到應(yīng)急管理部國家自然災(zāi)害防治研究院進行化驗，取樣深度為井口下140 m，水面下20 m，氫氧同位素結(jié)果使用氫氧同位素水標準物質(zhì)GBW04458，04459，04460校準。檢測儀器：型號LGR 912-0008氫氧穩(wěn)定同位素分析儀。

到目前為止，收集了永清井水質(zhì)數(shù)據(jù)6次，氫氧同位素數(shù)據(jù)6次；永清井北1.5 km的花卉市場溫泉井氫氧同位素數(shù)據(jù)1次；永清井東北部2.5 km的石九垡村井水質(zhì)和氫氧同位素樣品各1次。

3.1 氫氧同位素測試結(jié)果分析

將永清井、花卉市場溫泉井、石九垡村井氫氧同位素結(jié)果列于表1并繪制對比圖（圖3）。GMWL：全球大氣降水線，δ2H=8 δ18O+10；LMWL：區(qū)域大氣降水線，δ2H=7.63δ18O+8.03[8]。

表1 氫氧同位素測量結(jié)果Table 1 Resultsof hydrogen and oxygen isotopemeasurements

圖3 水樣氫氧穩(wěn)定同位素對比圖Fig.3 Comparison of hydrogen and oxygen stable isotopes in water samples

永清井屬霧迷山組地?zé)崴Ｒ延械难芯勘砻鳎F迷山組地?zé)崴畬俅髿鈦碓矗幵谶€原環(huán)境中，地質(zhì)構(gòu)造系統(tǒng)較為封閉，與淺部第四系地下水水力聯(lián)系弱，以側(cè)向徑流補給為主[9]。從表1、圖3氫氧同位素測試結(jié)果分析來看，永清井氫氧同位素含量位于全球大氣降水線（GMWL)的右側(cè)，為大氣來源。數(shù)值上，除2018年4月和2019年11月測值外，其他3個測值均與牛駝鎮(zhèn)地?zé)崽锟辈槠陂g同位素測定結(jié)果大致相當(dāng)[10]。總體上來說，永清井地?zé)岬难a給來源、徑流條件并沒有發(fā)生顯著改變，井管內(nèi)地下水來源于觀測層。與花卉市場溫泉井和石九垡村井氫氧同位素的差異，說明3口井水樣品并不是來源于同一含水層，表明花卉市場溫泉井和石九垡村井開采對永清井觀測影響不顯著。這一點與異常核實過程中的環(huán)境調(diào)查結(jié)果相一致。

3.2 水質(zhì)化驗結(jié)果分析

永清井位于牛駝鎮(zhèn)凸起的東北部（圖1b）。牛駝鎮(zhèn)地?zé)崽锟蓜澐譃樾陆得骰?zhèn)組孔隙熱儲、新近系館陶組孔隙熱儲、奧陶系巖溶裂隙熱儲以及元古界元古界鐵嶺組巖溶裂隙熱儲和霧迷山組巖溶裂隙熱儲[11]。永清井觀測層屬震旦系霧迷山組巖溶裂隙熱儲。從圖1a分析，其上部沒有出現(xiàn)奧陶系巖溶裂隙熱儲。而明化鎮(zhèn)組熱儲在全區(qū)均有分布，館陶組熱儲僅分布于地?zé)崽锏臇|部邊緣[10]。明化鎮(zhèn)熱儲層礦化度一般在0.5—1.5 g/L，水化學(xué)類型為HCO3—Na和Cl·HCO3—Na型水。館陶組孔隙熱儲層礦化度一般為1.6—2.4 g/L，水化學(xué)類型為Cl·HCO3—Na或Cl—Na型水[11]。而從永清井離子組分測試結(jié)果分析（表2），其礦化度在2.8 g/L左右，屬Cl—Na型水。與牛駝鎮(zhèn)凸起霧迷山組巖溶裂隙熱儲水化學(xué)特征相一致[11]，與其上部的熱儲層水化學(xué)性質(zhì)明顯不同。石九垡村居民用水井則屬HCO3—Na型水，與永清井觀測層的水化學(xué)性質(zhì)也明顯不同。

從繪制的Piper圖（圖4）分析，永清井水質(zhì)成分位于Piper圖的7區(qū)，水化學(xué)成分并沒有發(fā)生移動變化。在Schoeller圖上（圖5），從1980年以來，永清井水質(zhì)沒有發(fā)生大的變化。表明永清井觀測層地下熱水并沒有外來不同性質(zhì)地下水的混入。這與井下電視觀察井壁沒有破損現(xiàn)象（盡管只觀察到井下300 m的深度），不存在由井外向井內(nèi)滲水的結(jié)果相符合。永清井觀測的就是本身觀測層段的地下水，水溫變化應(yīng)是一種自然變化。

表2 水質(zhì)化驗結(jié)果（單位：mg/L)Table 2 Water quality test results（unit：mg/L）

圖4 永清井離子組分三線圖Fig.4 Piper diagram of ionic composition in Yongqing well

分析鐵嶺組巖溶裂隙熱儲水化學(xué)性質(zhì)，礦化度約為2.955 g/L，水化學(xué)類型為Cl—Na型水[11]。與永清井水化學(xué)特征相一致，但其上部沒有發(fā)現(xiàn)該組地層。如果是下部地?zé)嶙兓绊懙搅擞狼寰疁氐挠^測，反而有助于判定永清井水溫變化可能是一種異常現(xiàn)象。

4 結(jié)語

（1）通過對永清井氫氧同位素和水質(zhì)化驗結(jié)果的分析，認為永清井觀測并沒有外來水的影響，水溫的3次異常變化不是受干擾影響，很可能就是3次地震的異常反映。這種變化為永清井水溫在今后預(yù)報中提供了一種短臨指標。

（2）在永清水溫異常中，既有相對上升性異常，也有下降性異常的現(xiàn)象，分析認為，水溫異常過程中，水位沒有出現(xiàn)相應(yīng)的異常現(xiàn)象，因此，井水溫度的升高與下降并不是由涌入（排出）井孔內(nèi)的水量變化引起的，很可能是由于圍巖溫度、垂向熱傳導(dǎo)、水熱交換等影響因素共同作用的結(jié)果[12]。水溫的下降可能是水溫探頭上部水的熱傳導(dǎo)、熱交換所致。同樣，水溫的升高則可能是水溫探頭下部水的熱傳導(dǎo)、熱交換所致。地震前，永清井內(nèi)應(yīng)存在著劇烈的熱傳遞現(xiàn)象。

圖5 永清井離子組分Schoeller圖Fig.5 Schoeller diagram of ionic composition in Yongqing well

（3）2019年11月8日永清井氫氧同位素的測試結(jié)果與石九垡村樣品的測試結(jié)果非常接近。在這次采樣前，于2019年7月31日、10月8日和10月29日的異常核實時，分3次向井中注入330—1100 mL不等的冷水，這可能是導(dǎo)致永清井與村民自來水井氫氧同位測試結(jié)果相近的原因。