基于水化学和物理方法的井水位异常分析

张 磊 刘耀炜 孙小龙 方 震

1)中国地震局地球物理研究所，北京 100081

2)中国地震局地壳应力研究所，地壳动力学重点实验室，北京 100085

3)安徽省地震局，合肥 230031

0 引言

地下水位观测已经成为地下流体监测的重要手段之一(刘耀炜，2006)。国内外学者研究了地下水位在震前的异常变化现象(Koizumi et al.，2004;陆明勇等，2005;车用太等，2008)。地震能够引起孔隙压扩散、浅部含水层压缩和地表物质渗透性的增减，从而引起井水位的变化，其响应范围可达到距震中几百至几千km的区域(Montgomery et al.，2003)。但是，井水位变化除了受到井孔－含水层系统的应力应变状态变化影响外(兰双双等，2010)，大气降水和地下水开采对井水位影响最为普遍(车用太等，2011)。那么及时排除干扰异常，对于成功识别前兆异常和正确把握震情至关重要。

前人应用物理方法开展了大量关于地下水位震前干扰异常的识别及前兆响应机制的研究，如降水与井水流量变化、抽水和汶川MS8.0地震的相关性(车用太等，2011)。但是，通过水化学方法和水物理方法的综合分析，研究地下水位异常的工作较少。地下水组分记录了流体来源、运移及岩石圈内的重要信息(Reddy et al.，2011a，b)。在地下水循环过程中，水化学成分和环境同位素作为水循环研究中的示踪剂，在一定程度上记录着地下水运移、转化的历史，为判定地下水类型、成因以及水岩反应程度等地球化学特征提供依据(杜建国等，2003;Song et al.，2006)。离子交换反应(Ca/Mg、Na/K和TDS等)以及环境同位素(18O、2H和3H)能指示地下水、河水和地表径流之间的关系(Grasby et al.，1999;苏小四等，2009)。也有研究表明地震前后地下水的组分发生变化(Tsunogai et al.，1995;Reddy et al.，2011a，b)，这与断层封闭性的改变和流体的运动有一定关系(Claesson et al.，2004)。将水化学和物理方法结合，有利于分析地震观测井含水层系统水动力过程的准确性和可靠性，为判定与识别地震前兆异常提供一种可靠的技术途径。

江苏地区从2008年以来出现群体性水位异常上升变化，这些变化是区域构造活动增强的表现，还是一般性的水文地质过程?这对分析该地区前兆异常，科学判定震情形势具有重要的意义。本文以江苏丹徒苏18井的水位上升异常为例，将水化学方法和物理方法结合起来，研究了井水与地表水以及大气降水的补给关系，分析了苏18井水位上升的补给来源问题，对苏18井水位上升的非构造作用原因，给出了水文地球化学和物理模型分析的证据。

1 资料与方法

1.1 研究区域

苏18井位于江苏省镇江市丹徒区荣炳乡，井口标高17.43m。苏18井为自流井，1973年8月完井，井深366.84m，井套管深18m，套管直径108mm。该井详细的井孔剖面特征如图1。井观测含水层埋深位于327.64m以下，为石炭系灰岩，属裂隙岩溶承压水(孟科等，2012)。pH值7.2～7.4，矿化度0.4～0.7g/L。

苏18井位于淮阳山字型构造宁镇反射弧茅山脊柱的北端，茅山断裂带茅东断裂的西侧。井孔西南山区基岩裸露，为低山丘陵区，高程100～170m，石炭、二叠、三叠纪灰岩岩溶发育，地下水径流条件良好，补给来源丰富，东北为平原，由西南向东北径流，多年平均降水量 1 019.8mm(孟科等，2012)。距离该井西南约1 800m处有水库，该水库集水面积3.79×106m2，总库容2.18×106m3，水库设计洪水水位37.7m，校核洪水位38.6m，汛期限制水位35.85m，冬春控制水位35.85m。井附近无河流。

图1 苏18井孔柱状图(据孟科等，2012)Fig.1 The histogram of Well Su－18(after Meng Ke et al.，2012).

如图2所示，苏18井动水位从2011年6月18日开始出现快速上升至井水溢出口，累计上升0.668m。2011年8月2日调节流量后水位有所回降，但后继续上升。2011年9月底水位开始缓慢下降，至2012年3月中下降至最低点。从图2江苏丹徒井水位与月降水量对比图中可以看出，当出现较强降水后，该井水位均会出现上升变化的现象。2011年6月水位出现显著快速上升，降水量也明显高于同期其他年份。

图2 苏18井水位与大气降水对比图Fig.2 Diagram of groundwater level of Well Su－18 and atmospheric precipitation.

1.2 采样与测试

本研究组于2012年4月上旬采集了苏18井和大坝水库水样进行样品分析。样品容器使用去离子水清洗干净的玻璃瓶，瓶盖为带螺旋的塑料盖。为了避免样品被污染，采样前用所取井水清洗玻璃瓶3次，然后采用溢流法采集样品。采好后立即盖好瓶盖，用封口膜缠紧瓶口。在每个取样点同时取2份样品。

样品的水化学项目在中国地震局地壳动力学重点实验室(地下流体动力学实验室单元)测定，分析设备为ICS－2000离子色谱仪。样品的氢氧同位素测试由核工业北京地质研究院分析测试中心完成，采用二氧化碳－水平衡法和锌还原法测定氧氢同位素，分析设备为MAT－253。测试δ18O和δ2H的精度分别为±0.2‰和 ±1‰。测试结果列于表1中。1

表1 水样测试结果Table 1 Test results of water samples

2 结果

2.1 水岩化学平衡特征

Na－K－Mg三角图解被用来评价水岩平衡状态和区分不同类型的水样(Giggenbach，1988;苏鹤军等，2010)。图3为井水和库水的Na－K－Mg三角图，图中曲线为矿物平衡线。样品落在Mg端元附近，井水和库水均表现为“未饱和水”状态，表明二者循环周期相对较快，水－岩之间尚未达到离子平衡状态，水岩作用仍在进行。通过氢氧同位素结果能够更好地分析井水和库水的成因，在下文3.2给出相关的讨论。

2.2 氢氧稳定同位素特征

大气降水线引自Craig(1961)，其方程δ2H=8δ18O+10。式中，δ2H为氢同位素实测比值，δ18Ο为氧同位素实测比值。井水和库水氢氧同位素组成与大气降水线对比如图4，其结果可以用来说明样品的来源及其相互转化关系。水库水较为接近区域大气降水线，同时在δ18O与Cl－对比图上(图5)，库水与当地大气降水Cl－和δ18O数值接近，表示出库水主要是大气降水补给。

图3 水样的Na－K－Mg三角图Fig.3 Na－K－Mg triangular diagram of the water samples.

图4 水样氢氧同位素与大气降水线的关系图Fig.4 Relationship between hydrogen and oxygen isotopes in water samples and meteoric water line.

苏18井水向左偏移了大气降水线(图4)，说明地下水存在与CO2的交换作用，这与该处为灰岩含水层富含CO2有一定关系。同时当量浓度比γNa/γCl＜1，表明地下水来自灰岩含水层(李学礼等，2010)，这与主要出水井段为灰岩是一致的。水库水和井水位于图5上的2个端元，对于井水还存在其他的补给源，该补给源 δ18O值较低，可能为水岩作用的结果。同位素和离子含量结果表明，苏18井水主要来自大气降水，但有一定水岩作用。

图5 水样氯离子与氧同位素关系图Fig.5 Relation between chloride ions and oxygen isotope in water samples.

3 讨论

影响地下水动态的因素，主要包括大气降水、水文、地震活动和人为活动(抽水与注水)等(张人权等，2011)。通过调研，井水补给区周边未见人为地下水开采与补给现象。因此，下文通过大气降水、水文和地震活动3方面分析影响苏18井水位变化的因素。

3.1 大气降水

在自然条件下，地下水中氯离子来源于大气降水和地层中盐岩的溶解。由于观测井的主要含水层岩性为灰岩，水体中的氯离子主要来源于大气降水，应用氯离子质量平衡法能够估算降水对地下水的补给过程(Leaney et al.，1995;Song et al.，2006)。因此，本文主要依据观测井水中氯离子含量来讨论地下水与大气降水的补给关系，进而对井水位上升补给原因给出重要依据。该方法的主要假设见Song等(2006)，其计算公式为

式(1)中:R为年平均地下水补给率，CCl降为降水中氯离子的雨量加权平均浓度，CCl地为地下水中氯离子平均浓度。对于CCl降主要参考了研究区周边南京市和常州市的大气降水Cl－含量(涂俊，1999;杨龙誉等，2010)，CCl降取值为3.31mg/l，CCl地为9.73mg/l，得到该井降水对地下水补给率为34.02%，说明大气降水补给井水份额至少占了1/3。这个结果与前文水化学分析井水的补给源是一致的。那么降水越多，井水得到的补给越多，这与图2相符合，即夏季降水过后，井水位存在升高现象。从图2可以看出降水主要集中在6—8月，降水过后井水位升高，表明大气降水是井水升高的主要补给源。2011年1—5月的降水明显较历年同时期的少，井水位也出现逐渐下降现象，之后2011年6月降水达到14.62mm/d，明显大于之前同时期降水，6月份的降水过后，井水位开始急剧升高，这表明降水的突然增多导致了水位升高。前人对降水与井水关系的分析一般采用对比分析方法(车用太等，1993)。尽管前人的方法能够给出降水与井水位的相关程度，但不能从物理机制上对补给源给出合理解释。本文采用上述方法，估算了降水对井水的补给量，就可以分析降水补给源，进而讨论井水上升的机理问题。但是，对于是降水直接入渗补给井水，还是其他水文因素作用的结果，下面将作进一步讨论。

3.2 水文因素

在2011年库水位升高时，苏18井水位出现了上升，2011年8月调节井孔流量后水位有所回降，之后又继续上升，表明地下水补给是一个持续过程(图6)。一般来讲，苏18井水位升高可能与降水的地表直接渗透补给和库水的侧向渗透补给作用有关。研究表明，大气降水是地表水的初始来源，在空间上是面状补给源，时间上是非连续补给源，地表水是线状补给源，在时间上是较为连续的(张人权等，2011)。那么由补给的连续性可知，苏18井水受到了地表水的直接补给，苏18井附近的水库水是最有可能的补给源。

从3.1节的讨论中可知，井水中的氯离子成分表明了苏18井水主要来源于大气降水补给。由于库水也主要是来源于大气降水，那么库水是否为井水位升高的主要补给源就成为关键问题。为此设计了如图7的简易模型和库水位与井水位的对比关系(图6)来分析库水和井水的补给关系。苏18井口高程约15m，且井孔套管仅下到地面下18m，水库高程高出井20m，由此可初步推断该井水位受周边水库水位或潜水位波动的影响。如图7所示，大气降水引起库水水位升高，库水通过侧向渗透补给作用导致苏18井水位上升。实际的观测数据对比图(图6)也验证了该推断的合理性。

结合图6和图7分析，井水受到库水的补给的分析是合理的。进一步的分析可以看出，苏18井的套管深度为18m，18m之上主要为亚黏土，亚黏土为弱透水性，渗透系数为0.01～0.001m/d(张人权等，2011)。尽管该井的覆盖层较薄，但如此低渗透性的岩层对地表径流仍然有一定阻隔作用。库水通过基岩裂隙的侧渗补给，才可能导致井水位的快速上升。因此，在观测井环境条件比较复杂的情况下，不能只利用大气降水和水位对比图来分析，需要考虑诸如地表径流、远场降水补给、库水补给等因素进行分析，给出科学合理的地下水补给源物理解释。

图6 苏18井水位与库水位观测数据对比Fig.6 Comparison between the water levels of Well Su －18 and the surrounding reservoir.

图7 苏18井水位受水库水和大气降水影响示意图Fig.7 Schematic diagram of effect on water level of Well u－18 by the reservoir and atmospheric precipitation.

3.3 地震活动

苏18井水位异常反映地震的概率较高，对茅山断裂带的近震反映较好，1979年溧阳上沛MS6.0和MS3.4地震前都出现了水位前兆现象，同时其井水位对远大地震存在同震效应，主要表现为台阶突变和水震波形式(孟科等，2012)。同震响应能直接和有效地揭示地壳介质对应力－应变过程响应的规律(Roeloffs，1998;张彬等，2013)。汶川MS8.0地震发生时，苏18井水位震后快速升高，之后在新的基值上波动，持续近1年才逐步回落(图2)。苏18井水位在近震前出现水位异常，以及其较好的同震效应，表明该井水位变化能够提供一定的地震前兆信息。在地震孕育过程中，含水层介质受到区域构造活动的作用(Claesson et al.，2004)。孔隙岩石试件的不排液三轴压缩试验表明，水位突升等震前与临震现象与孔隙压变化有关，临震前震中地区部分岩石发生局部破裂或产生断层蠕动，使差应力大幅度释放，这可能引起孔隙压力增大，导致水位变化(张伯崇等，1991)。也有学者认为区域应力调整改变了介质的渗透性，从而对渗流过程产生影响，即构造活动增加了含水层渗透性和流动通道，致使其他含水层的水补给了井水(赵利飞等，2002;Claesson et al.，2007)，引起水位上升。这2种观点的前提都是存在区域构造活动。

2012年7月20日江苏省扬州市高邮市、宝应县交界(33.0°N，119.6°E)发生MS4.9地震，震源深度5km，苏18井距离震中约128km。此次地震之前，苏18井于2011年急剧上升，之后在2012年初恢复到正常水位，因此很容易将这次苏18井的水位快速上升及恢复过程与高邮－宝应MS4.9地震挂钩。但由上文讨论可知，苏18井水位的显著升高，主要与大气降水增多引起的库水位升高密切相关。尽管井水位上升后发生了高邮－宝应MS4.9地震，但井水位的变化是环境干扰因素造成。因此，苏18井水位的升高变化不作为此次地震的前兆异常是比较合理的。

通过水化学(离子含量、同位素比值)方法能够判定地下水的来源，从水物理(降水、水库侧渗、抽水等与井水位关系)分析角度能够了解井水位的环境干扰因素。因此，水化学和物理方法相结合，能够有效地判定观测井水位变化的影响因素，进而深入分析井水位观测资料异常变化的成因，这对于判别异常变化是否与区域构造活动有关提供了更为合理的方法。当然通过本文的分析也认识到，如果能够进行多次连续的水化学观测，则能详细了解地下水与大气降水和水库水之间的补给路径，进而给出更为合理的分析结果，这会减少可能出现的分析误差。因此，希望以上内容能在今后类似的观测异常分析中得到充分应用。

4 结论

借助水化学和物理分析方法，对苏18井水位的异常上升及其补给来源问题进行了研究，结果表明:

(1)苏18井井水来源主要是大气降水，井水存在一定程度上的水岩作用。该井水位的变化与周边降水量及库水水位存在一定的物理联系。

(2)通过分析大气降水、水文和地震活动三方面与井水的补给关系，认为降水、库水位变化与2011年苏18井水位的显著升高有密切关系。主要原因是大气降水的增多，致使水库蓄水量增大，水库水通过侧向渗透补给引起苏18井水位升高。苏18井水位升高不是由构造活动引起的，作为前兆异常的依据不充分。

(3)应用水化学和物理结合的方法，为科学、客观地分析井水位异常变化提供了较好的技术途径。

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