基于水化学的永清井水温异常分析＊

2022-12-11马利军王会芳吕文青

地震科学进展 2022年12期

王艳马利军王会芳吕文青张娜

（保定地震监测中心站，河北保定 071051）

引言

地下水的化学组分是在漫长的地质历史中形成与演变的。多年的观测结果表明，井泉的年水化学动态有一定的变化规律，说明水化学组分对地壳中的应力应变的变化有一定的响应能力[1]。在水文地质学的研究史中，地下的一切变动都可能在地下流体中留下烙印[2]。水动态观测项目对周边及邻近地区所发生的中等、中强地震有过较好的映震反映[3]。然而，在地下流体观测过程中，我们对异常变化的判断还非常困难。有学者利用氢氧同位素示踪技术，分析不同来源水的混合比例，判定异常变化是远场地下水在径流过程中产生的，还是地表水或者大气降水直接补给的[4-6]。2017年以来，永清井水温出现了多次异常现象，开展了从观测系统检查、环境调查、注水实验、断电实验、水温观测对比、井下电视观察井壁完整情况等多项工作。由于以往没有震例反映，对于出现的异常现象认识一直比较模糊，导致预报中没有得到很好的利用。而且以往工作中对该井水化学测试结果的分析也不是十分充分。因此，本文在多次水温异常核实的基础上，从永清井水化学测试结果着手，系统收集了永清井水文地球化学的多期测试结果，对可能影响水温异常变化的因素进行综合分析，以期确定永清水温异常的性质，为今后中心站的预报工作奠定基础。

1 观测井基本概况

永清井位于河北省永清县罗家营村东北约500 m的永清台院内，地理坐标为（39.22°N，116.44°E）；井深1274.11 m，套管深度1061 m，直径216 mm；顶板埋深1065.3 m，裸孔过水段208.8 m，含水层岩性为震旦系白云岩，地下水类型为震旦亚界雾迷山组岩溶承压水；井口标高67 m。成井时为自流热水井，泄流口水温72℃。1995年底，受地热开发影响断流，改为静水位观测井（图1a），目前水温探头置于173 m左右。该井位于冀中拗陷北部的牛东断裂带北侧，永清井所在的廊坊地区地表水资源缺乏，是河北省唯一没有稳定地表水源—水库的地区，居民用水完全依赖开采地下水[7]（图1b）。

图1 永清井井孔柱状图（a）及周边区域构造图（b）Fig.1 Well hole histogram （a）and regional structure map of Yongqing well （b）

2 永清井水温异常情况及分析

永清井水温在2017年之前一直表现为趋势下降变化。2017年以来，永清井水温观测曲线（图2a）出现3次非常显著的异常变化（2019年的两次异常作为一组异常对待）。图2b—d为图2a中3个方框的放大日均值或分钟值曲线。2017年1月1日—12月29日延续之前的趋势性下降形态。2017年12月30日水温打破了原有的下降速率，加速下降，到2018年2月5日达最低值，水温由26.0409℃下降到25.9747℃，下降了0.0662℃；之后处于转平变化（6日、7日台站装修不慎切断水温仪电缆，导致数据缺测）；异常期间发生了2018年2月12日永清ML4.7地震，到2018年5月5日后水温变化趋于正常，又恢复了原有的下降状态（图2b）。2019年7月和9月再次出现异常变化（图2c），其特征为：2019年7月19日水温出现加速下降，到21日达最低值，水温由25.8579℃降到25.8308℃，降幅0.0271℃；之后26日水温又快速回升到25.8850℃，升幅为0.054 2℃；27日转降，31日后恢复正常。第2次异常是从9月29日的25.8403℃上升到10月22日的25.864 6℃，水温上升了0.024 3℃；10月25日转降，10月27日恢复正常；约40天后，于2019年12月5日发生丰南ML4.9地震。2020年4月20日开始，水温再次出现急速上升；异常核实发现，4月21日永清台站供电系统总闸由于年久失修，突然掉闸，出现了一个远超于3倍均方差的突跳水；除此之外，水温一直处于上升状态，4月30日达最高值，水温由21日的25.784 7℃上升到了4月30日的25.8269℃，上升幅度为0.0422℃；之后转为下降，5月3日恢复正常状态；71天后，2020年7月12日河北古冶发生ML5.5地震（图2d）。

永清井水温的这3次异常特征有上升也有下降，短期内又都有中等地震发生。异常出现后，台站工作人员都在第一时间进行了全面的异常核实。对观测系统进行了检查，开展了环境调查、注水实验、断电实验、水温对比观测、井下电视观察井壁完整情况等多项工作。除2020年4月21日的水温突跳怀疑是电瓶亏电导致外，其他变化均没有发现干扰现象。从这些工作的结果分析，永清井水温的3次异常变化可能具有一定的前兆意义。但在异常核实中，由于历史观测上没有震例反映，3次异常都没有明确结论。同期永清井水位没有异常变化。

图2 永清井水温曲线图Fig.2 Curves of water temperature in Yongqing well

3 水化学测试结果分析

永清井的水化学资料在历年异常核实中，没有系统的进行分析。依靠项目的支撑，本文在收集永清井历史水化学数据的同时，再次对永清井地下水采样进行综合分析。

首先，收集历年来永清井、周边1.5 km花卉市场温泉井、2.5 km内石九垡村井的水样样品进行整理。其次利用定深取样器于2022年6月24日和2022年7月6日进行了水样采集，样品寄送到应急管理部国家自然灾害防治研究院进行化验，取样深度为井口下140 m，水面下20 m，氢氧同位素结果使用氢氧同位素水标准物质GBW04458，04459，04460校准。检测仪器：型号LGR 912-0008氢氧稳定同位素分析仪。

到目前为止，收集了永清井水质数据6次，氢氧同位素数据6次；永清井北1.5 km的花卉市场温泉井氢氧同位素数据1次；永清井东北部2.5 km的石九垡村井水质和氢氧同位素样品各1次。

3.1 氢氧同位素测试结果分析

将永清井、花卉市场温泉井、石九垡村井氢氧同位素结果列于表1并绘制对比图（图3）。GMWL：全球大气降水线，δ2H=8 δ18O+10；LMWL：区域大气降水线，δ2H=7.63δ18O+8.03[8]。

表1 氢氧同位素测量结果Table 1 Resultsof hydrogen and oxygen isotopemeasurements

图3 水样氢氧稳定同位素对比图Fig.3 Comparison of hydrogen and oxygen stable isotopes in water samples

永清井属雾迷山组地热水。已有的研究表明，雾迷山组地热水属大气来源，处在还原环境中，地质构造系统较为封闭，与浅部第四系地下水水力联系弱，以侧向径流补给为主[9]。从表1、图3氢氧同位素测试结果分析来看，永清井氢氧同位素含量位于全球大气降水线（GMWL)的右侧，为大气来源。数值上，除2018年4月和2019年11月测值外，其他3个测值均与牛驼镇地热田勘查期间同位素测定结果大致相当[10]。总体上来说，永清井地热的补给来源、径流条件并没有发生显著改变，井管内地下水来源于观测层。与花卉市场温泉井和石九垡村井氢氧同位素的差异，说明3口井水样品并不是来源于同一含水层，表明花卉市场温泉井和石九垡村井开采对永清井观测影响不显著。这一点与异常核实过程中的环境调查结果相一致。

3.2 水质化验结果分析

永清井位于牛驼镇凸起的东北部（图1b）。牛驼镇地热田可划分为新近系明化镇组孔隙热储、新近系馆陶组孔隙热储、奥陶系岩溶裂隙热储以及元古界元古界铁岭组岩溶裂隙热储和雾迷山组岩溶裂隙热储[11]。永清井观测层属震旦系雾迷山组岩溶裂隙热储。从图1a分析，其上部没有出现奥陶系岩溶裂隙热储。而明化镇组热储在全区均有分布，馆陶组热储仅分布于地热田的东部边缘[10]。明化镇热储层矿化度一般在0.5—1.5 g/L，水化学类型为HCO3—Na和Cl·HCO3—Na型水。馆陶组孔隙热储层矿化度一般为1.6—2.4 g/L，水化学类型为Cl·HCO3—Na或Cl—Na型水[11]。而从永清井离子组分测试结果分析（表2），其矿化度在2.8 g/L左右，属Cl—Na型水。与牛驼镇凸起雾迷山组岩溶裂隙热储水化学特征相一致[11]，与其上部的热储层水化学性质明显不同。石九垡村居民用水井则属HCO3—Na型水，与永清井观测层的水化学性质也明显不同。

从绘制的Piper图（图4）分析，永清井水质成分位于Piper图的7区，水化学成分并没有发生移动变化。在Schoeller图上（图5），从1980年以来，永清井水质没有发生大的变化。表明永清井观测层地下热水并没有外来不同性质地下水的混入。这与井下电视观察井壁没有破损现象（尽管只观察到井下300 m的深度），不存在由井外向井内渗水的结果相符合。永清井观测的就是本身观测层段的地下水，水温变化应是一种自然变化。

表2 水质化验结果（单位：mg/L)Table 2 Water quality test results（unit：mg/L）

图4 永清井离子组分三线图Fig.4 Piper diagram of ionic composition in Yongqing well

分析铁岭组岩溶裂隙热储水化学性质，矿化度约为2.955 g/L，水化学类型为Cl—Na型水[11]。与永清井水化学特征相一致，但其上部没有发现该组地层。如果是下部地热变化影响到了永清井水温的观测，反而有助于判定永清井水温变化可能是一种异常现象。

4 结语

（1）通过对永清井氢氧同位素和水质化验结果的分析，认为永清井观测并没有外来水的影响，水温的3次异常变化不是受干扰影响，很可能就是3次地震的异常反映。这种变化为永清井水温在今后预报中提供了一种短临指标。

（2）在永清水温异常中，既有相对上升性异常，也有下降性异常的现象，分析认为，水温异常过程中，水位没有出现相应的异常现象，因此，井水温度的升高与下降并不是由涌入（排出）井孔内的水量变化引起的，很可能是由于围岩温度、垂向热传导、水热交换等影响因素共同作用的结果[12]。水温的下降可能是水温探头上部水的热传导、热交换所致。同样，水温的升高则可能是水温探头下部水的热传导、热交换所致。地震前，永清井内应存在着剧烈的热传递现象。