湖北房县三海村井水温负梯度与周边断层相关性分析

翁 骋,王 杰,王晶晶

(1.中国地震局地震研究所(地震大地测量重点实验室),湖北 武汉 430071;2.湖北省地震局,湖北 武汉 430071)

0 引言

地下流体动态指的是地下流体的物理、化学性质(其中包括水位、水温、化学组分、气体组分等)随着时间的变化过程。地下流体动态主要包括两个类型,即微观和宏观动态[1-2]。地下流体微观动态指的是含水层周边岩体因为应力应变状态的改变导致地下水性质发生变化。地下流体宏观动态指的是由于含水层水量的增加减少从而导致的地下水性质改变[3]。地下流体的动态变化能够反映周边的地质活动过程,甚至能够与地震孕育、发展过程产生内在的联系。因此将地下流体的动态变化与周边地质构造相结合进行研究具有重要的意义。前人对地下流体的动态变化进行了大量的研究,如杨竹转等[4]对北京塔院井和四川太和井进行水温对比研究发现水温梯度是水温动态的主要影响因素,梯度的变化与水温动态存在一定的规律性。韩孔艳等[5]对北京5口井的水温梯度进行测量后发现震前水温的微动态变化与水温传感器的放置深度有紧密关系,水温探头须要放在温度梯度变化比较小的位置。张清秀等[6]对福建仙游井进行水化学分析发现仙游井水位水温的同步下降是受到周围井抽水试验的影响。

虽然前人对井水温的动态变化进行了大量的研究,但主要是对水温、水位和水化学的对比研究,将水温与地质构造相结合的研究相对较少。本文研究井位于房县三海村(简称房县井),研究区附近在2014年5月27日发生M4.0地震,水位有明显前兆异常。该井是湖北省内唯一一个存在水温负梯度现象的静水位井。本文对该井水温负梯度的产生原因进行了详细的分析,结合INSAR影像图、水化学资料、水文地质资料和地质构造资料探讨该井水温负梯度产生的原因以及该井与周围地质构造的内在联系。本文的研究成果对今后地下流体的动态变化研究存在一定的参考价值。

1 房县井概况和地质构造背景

1.1 房县井概况

房县井建井之初旨在通过观察该区域地下流体物理化学特征的变化,研究青峰断裂的构造活动规律,从而揭示地震的孕育与发展机理。房县井于2013年5月22日完成钻井工程,井深118 m。根据地勘资料和现场岩芯取样分析,钻井场地上部1 m厚为黄褐色黏土层夹杂少量碎石,下部岩性主要为灰岩、硅质岩和硅质白云岩,夹层主要为泥灰岩及泥岩等,地层裂隙发育、贯通,形成暗河(图1)。

图1 房县井岩芯柱状图Fig.1 Bar graph of Fangxian well core

1.2 房县井地质构造背景

构造上房县井位于房县盆地南缘三海堰一带,靠近神农架北坡的南大巴山东延余脉。研究区以青峰断裂为界,其北侧为秦岭地层区,南侧为扬子地层区。该井周边的主要构造为青峰断裂,该断裂总体呈近EW向展布,倾向N或NNW,倾角30°～85°,剖面呈上陡下缓的犁形,由数条近似平行的断裂组成,最宽达4 km,局部地段被NW向的断裂所截切。房县盆地以西表现为左旋逆走滑或继承性挤压变形,沿线断层陡坎和断层垭口显著发育[7-8]。周边历史上最大地震为1742年的5.0级地震,震中位于房县门古寺镇。最近一次4级以上地震发生于2014年5月27日,震级为M4.0,震中位于门古寺镇杨岔山林场一带(图2)。

图2 房县井周边地质构造背景Fig.2 Geological tectonic background of Fangxian well

2 房县井水温校测结果

采用20060934水温仪对房县井水温梯度进行测量。图3为井水温梯度图,从该井梯度曲线可见,其平均梯度为2.362 7 ℃/hm,而梯度分布也较不均匀。总体上,50～60 m处出现一梯度极大值,其幅度达7.548 ℃/hm,然后梯度趋于下降,井下90～110 m处出现负温度梯度现象,最低值为-4.051 ℃/hm,至井底111.5 m处又恢复为正温度梯度(表1)。

图3 房县井水温梯度变化Fig.3 Variation of water temperature gradient of Fangxian well

表1 房县井水温梯度Table 1 Water temperature gradient of Fangxian well

研究区附近在2014年5月27日发生M4.0地震,该井水位在地震发生前2～3天出现阶降,下降幅度达到0.22 m(图4)。房县井地处特殊构造位置,本研究认为该井的水温负梯度现象与周边地质构造存在一定联系,具有很高的研究价值。

图4 房县三海村台静水位小时值曲线图Fig.4 Hourly value curve of static water level at Sanhai Village,Fang County

3 INSAR影像图分析

青峰断裂房县段在INSAR影像图上显示清晰,呈线性展布特征。图5为房县井位于该断裂展布的位置,断裂两盘地表特征差异明显,地貌上主要表现为负地形。房县盆地位于断裂北侧,地貌上呈现红色丘陵缓慢展布,断裂南侧则表现为突变陡坎[9]。

(F1:青峰断裂房县段;F2:苦桃河断裂;F3:马栏断裂;F4:青峰断裂青峰段;F5:陈家铺断裂)图5 房县井与青峰断裂影像分布位置[9]Fig.5 Location of Fangxian well and Qingfeng fault in the image[9]

现场考察发现青峰断裂带房县段在回龙寺至沙坪一带发育有清晰的断层三角面和大规模粉状碎裂构造岩带,这些断层三角面的断面揭示了新近纪的同沉积作用[9]。另外,甘家思等[8]在当地采集的断层泥样品,热释光(TL)测年值为(5～7)×104a,以上证据均表明青峰断裂房县段在更新世和晚更新世仍然存在明显的剪切活动。

4 水文地质环境分析

在考察周边地质环境时发现,房县三海村井NW方向约1.3 km处,分布有以七里沟水库为代表的小型水库(堰)4个。据当地居民反映,七里沟水库常年蓄水,当地居民用水库水进行农田灌溉和养鱼等农业活动。经过实地考察和遥感影像显示2017年的蓄水量较往年有明显的增加(图6)。

笔者在房县井周围展开了地质调查,并采集了水库和房县井的水样。查看房县井的岩芯资料发现,井下的岩性以震旦纪灰岩、硅质灰岩和硅质白云岩为主,岩石本身透水性较差,但其中裂隙发育,导致井孔周边地层具有一定的透水性。井与水库之间出露的地层主要为新近纪砾岩和砂岩,透水性非常好,厚度达到50～60 m,下伏地层为志留纪硅质岩,而上覆的第四纪松散堆积物较薄,未见黏土类隔水层(图7)。二者中间被青峰断裂分支切割,断裂两边的岩性和地层产状变化较大。根据建台资料,该观测井固井设计的原则是封堵上部地层,确保上部地层中的地下流体不向下部地层渗流,并保证井身结构强度和稳定性。因此,钻井初期止水套管安装至井下56 m处,56 m以下存在漏失层,应该与周边裂隙水存在联系。结合研究区断裂产状、地质资料、建台资料和INSAR影像,绘出了房县井周边的水文地质剖面图(图8)。

图7 房县井周边地质概况Fig.7 Geology around Fangxian well

图8 房县井周边水文地质剖面图Fig.8 Hydrogeological profile around Fangxian well

台站北西侧的多个水库在地势上高出观测井50～100 m。根据建台资料,台站周边地层以新近纪砾岩、砂岩为主,透水性较好。从观测井岩芯资料来看,90 m以下岩石裂隙较发育,可以判断地表水、潜水与观测井应该存在一定水力联系。观测井水深90 m以下的负梯度有可能受到水库较冷水补给的影响。

5 水化学分析

地下水在漫长的地质演变过程中,伴随着水文地质、地球化学系统、流动系统及人类活动等因素影响[10-12],经过繁复的水岩作用,最终形成具备特定化学组分的液体,这种液体携带着地下水演化的重要信息。我们采集了房县井水样品FX201801和七里沟水库样品FX201802各一瓶,送往湖北省地质实验测试中心进行水质分析,所用仪器为CIC-260离子分析仪。

表2 房县井和水库水样水化学分析一览表Table 2 Hydrochemical characteristics analysis of water samples from Fangxian well and reservoir

5.1 主要离子浓度对比分析

图9 离子浓度对比图(Schoeller图)Fig.9 Comparison between ion concentration(Schoeller diagram)

5.2 水质类型分析

图10 水化学离子Piper图Fig.10 Piper diagram of hydrochemical ion

5.3 水岩平衡分析

水岩平衡分析常被用来判断地下水的补给来源。两个样品均位于“未成熟水”区域,表明两者水-岩反应程度较弱,水-岩尚未达到离子平衡状态,地下水循环周期相对较快。另外,二者均靠近Mg2+端元附近,表明二者都与地表水的联系较为紧密,也就是说二者存在类似的补给来源(图11)。

图11 Na-K-Mg水化学离子三角图Fig.11 Triangular diagram of hydrochemical ion of Na-K-Mg

6 结论

(1) 从INSAR影像图分析来看,青峰断裂房县段在图上显示清晰,呈线性展布特征,房县井位于该断裂展布位置。断层附近新鲜的断层三角面和热释光(TL)测年值均表明青峰断裂房县段在更新世和晚更新世仍然存在明显的剪切活动。

(2) 考察周围水文地质概况,观测井与周围地表水及潜水可能存在一定水力联系。水库海拔高于房县井,且中间地层倾向往井的方向倾斜,房县井与水库中间分布有青峰断裂分支,断裂一直下切至井下岩层。房县井在约90 m处可能直接受到水库水补给。

(3) 通过水化学分析判断,观测井水化学类型与水库类似,离子浓度变化不大,从水岩平衡分析来看均属于未成熟水,二者具有相同的补给来源。结合地质资料、INSAR影像图、水文地质图和水化学数据可判断,青峰断裂分支切割井下岩层,使得房县井90 m以下裂隙发育,井水通过这些裂隙与上游的水库存在联系,因此井水的水化学类型与水库水类似,而水岩平衡也显示为未成熟水,表明井水与地表水是存在联系的。房县井水温负梯度是由于井水在此处受到周围温度较低的潜水及地表水的补给所致。房县井与周围裂隙水存在密切的内在联系,可反映青峰断裂带构造活动的相关信息。2014年房县M4.0地震前的水位阶变可能与震前井周边青峰断裂带的构造活动有关。