宁夏双井子流体观测台的改造及优化

任家琪，贺嘉伟，王晓涛，储 翔，张亚鹏

（宁夏回族自治区地震局，宁夏 银川 750001）

0 引言

宁夏固原市位于罗山—固原断裂带附近，地处青藏块体东北缘和鄂尔多斯西缘的交汇处，属南北地震带北段，地质构造复杂，是应力应变易积累区域和强震的易发区域。近40 年该地发生4.5 级以上地震8 次，震情形势不容乐观。宁夏固原市双井子流体观测台温泉观测环境优良，为近三十年多次中强震前提供了明显的前兆异常地震观测数据，是宁夏回族自治区地震局优质前兆观测台站之一。由于2010 年洪水对周围环境破坏、加之宁夏双井子流体台建设时间久远，硬件设施老化，通讯等设备陈旧，故宁夏回族自治区地震局依据中国地震局《关于下达2018 年度重点台站优化改造项目工作任务及相关安排的通知》（中震测函〔2018〕06 号）的通知，决定于2018 年对宁夏双井子流体台进行专项改造及优化，以填补宁夏固原市监测空区，进一步强化区域震情跟踪能力[1]。

1 宁夏双井子流体台地理条件及地震地质条件

宁夏双井子流体台位于中卫市海原县（海原县原属固原市）甘城乡双井村，在固原市以北约70 km 处。该台址距盘甘公路3.5 km，泉点地处黄土高原丘陵沟壑区，是典型的大陆性气候。年平均气温在5.8 ℃~7.8 ℃之间，降水偏少，年降水量306.9~737.7 mm，全年降水时空性分布不均匀，春、夏两季降水偏少，出现间歇性轻度干旱，秋季降水偏多。日照充足，昼夜温差大。区域内丘陵起伏，沟壑纵横，梁峁交错，山多川少，属典型的黄土丘陵沟壑区。电力、通信、交通便利，台站改造基础良好。

如图1 所示，宁夏双井子流体台位于青藏块体东北边缘，该区活动断裂发育，构造变形强烈，周围有海原活动断裂带、六盘山活动断裂带、香山—天景山活动断裂带、烟筒山活动断裂带和牛首山—罗山—云雾山活动断裂带。该地区地震频度高、强度大，历史上曾发生过1219年固原6.5级、1306年固原6.5级、1561年中宁南7.2级、1622年固原北7级、1709年中卫南7.5 级和1920 年海原8.5 级等强震甚至大震。宁夏双井子温泉不仅构造上处在烟筒山活动断裂带上，而且也在1622 年固原北7 级地震的宏观震中区内。

双井子温泉是宁夏南部一处难得的天然温泉，为构造上升温泉，位于固原地震台以北约70 km 处的烟筒山断裂带的南段。位于“几”字河道顶部，河水平时流量不大，雨季易发洪水。断层为近南北走向，逆冲断层，向西倾斜。泉水和气体出自白垩系下统马东山组（Klm），属湖相还原条件下的产物。泉水硫酸根和钠离子含量高，具有浓硫化氢气味。泉点水温25.0℃，流量可观，有大量气泡冒出，在宁夏境内属于罕见的断层上升温泉。

2 数字化改造的意义及可行性

（1）近年来受到观测环境变化和井水断流等因素影响，许多台站观测环境日趋恶化，导致测值长期低于观测规范背景值，无法开展观测。在宁夏南部流体台站观测受多种因素影响无法正常开展的情况下，双井子流体台改造项目将有效缓解宁夏南部流体观测的不足，进一步优化我区流体台网布局，提高宁夏南部地震监测能力。

（2）宁夏南部自上世纪海原8.5 级地震以来，连续95 年没有发生过6 级以上地震，连续34 年没有发生过5 级以上地震，震情形势非常严峻。通过构造类比，许多地质学家认为六盘山是国内与龙门山构造环境和构造式样最为接近的地区。同时，近年来通过地球物理场监测发现，六盘山地区处在高度闭锁状态，其态势与2008 年汶川地震前龙门山地区的应力应变情况非常相似。由于双井子温泉处在六盘山闭锁区北侧，距离预测破裂段80~100 公里，位于非常有利的前兆观测区域，将其建设为自动观测的前兆流体监测站，将会显著提升宁夏南部地区、特别是六盘山闭锁区的地震监测能力，对完善宁夏地区前兆监测布局起到重要的作用。

（3）宁夏固原地震台是国家Ⅰ类综合水化台，观测手段涵盖测震、形变、流体、电磁4大学科。目前固原市境内的流体台站共有4 个，观测手段包括水位、水温、氡气、水质、气体等。这些流体观测资料为宁夏南部地区地震预测预报提供了重要的地震观测数据，对地震预测预报发挥了重要作用。双井子流体台改造项目，将增添一处流体水化观测的综合观测台站，新增多个流体测项，充分有效发挥好综合水化台的人才、设备优势，发挥预报经验优势，对提升宁夏南部地震监测预测能力起到重要作用。

（4）双井子温泉为宁夏南部一处难得的构造上升温泉，泉水和气体出自白垩系下统马东山组（Klm），属湖相还原条件下的产物。双井子温泉目前泉眼较分散，且位置位于河床底部。根据多年的连续观测、多期次的流动观测和多次实地勘察等积累了丰富的资料，为后续该泉点的改造打下了坚实的基础。

3 特性与勘选

3.1 物理化学特性

（1）肉眼可见许多气泡逸出。

（2）嗅觉体验：逸出臭鸡蛋气味的气体，判断为硫化氢。

（3）将温度计置于水下，5 分钟以后测得温度25℃。

（4）pH 值7.4~8.5，为碱性水。氯离子含量10.167 g/L，碳酸氢根离子含量0.565 g/L，氦气含量0.9909%左右，气氡含量约30.0 Bq/L，电导率24.4 ms/cm。

（5）结合地震科技星火计划对双井子泉点近几年水化学离子样品测试结果分析发现：①2016 年以来4 期结果都表明，双井子都属于Cl-·SO42--Na+·K+型水，且不管是丰水期还是枯水期泉水的阴阳离子差异不大（图2）；②2016年以来4 期结果都表明，双井子泉全部处于部分平衡水状态（地下水的补给来源中除了大气降水的补给外，还有较深层地下水的混入）；③从2016 年3 月同位素测试结果来看，泉点同位素偏离全国大气降水线，表明受浅表水的混合和稀释作用，以及水岩反应和蒸发分馏效应等影响（图3）[2]。

图2 双井子泉各期水化离子三线图及双井子泉各期水化离子三角图Fig.2 Three line diagram of hydration ions in Shuangjingziquan and triangles of hydration ions in different stages of Shuangjingziquan

3.2 水化勘选测试

2016 年11 月，我们对1 号测点和2 号测点进行了观测，氡的测值均为30 Bq/L左右，氦气的测值为0.4%左右（仅以1号点为例）。

2017 年3 月初现场水化堪选时，在泉点附近布设3 条东西向测线，共19 个测点。其中，在1 号测线分别进行了He 和CO2测量，在北侧5m左右的3号线进行了Rn的测量（图4）[3]。

图4 不同点位的CO2、He、Rn测值Fig.4 CO2、He and Rn values at different points of line 1

3.3 电法勘选测试

在泉点及外围布置了两条高密度电法测线，Ⅰ—Ⅰ′测线布置于泉点附近，由于测量条件限制测线不能充分展开，测线长度仅为180 m，测量电极距为2 m，测量有效深度为20 m。Ⅱ—Ⅱ′测线布置于测线南侧约50 m，测线长度为890 m，测量电极距为10 m，有效测量深度为100 m（图5）[4]。

图5 现场电法勘探测线平面布置图Fig.5 Layout plan of survey line for field electrical prospecting

3.3.1 测线Ⅰ—Ⅰ′剖面

剖面上部岩土电性局部表现为高阻，视电阻率值分布在50~250 Ω.m 之间，是干燥疏松的黄土在电性上的反映。剖面下部岩土电性同样出现高阻值向低阻值变化界面，低阻视电阻率值分布在2~6 Ω.m 之间，是饱水黄土在电性上的反映。高阻视电阻率值分布在7~20 Ω.m 之间，为第三系砂岩或页岩在电性上的反映，因此推测该岩土电性变化界面可能为断层面，断层上断点距剖面起始端约26 m（图6）[5]。

图6 测线Ⅰ—Ⅰ′剖面实测视电阻率断面（上）和反演解释电阻率断面（下）Fig.6 Measured apparent resistivity section of profile Ⅰ-Ⅰ′（upward）and resistivity section of inversion interpretation（downward）

3.3.2 测线Ⅱ—Ⅱ′剖面

剖面上部岩土电性局部表现为相对高阻，视电阻率值分布在9~60 Ω.m 之间，是河床表层细砂及卵石在电性上的反映。剖面下部岩土电性出现高阻值向低阻值变化界面，低阻视电阻率值分布在2~10 Ω.m 之间，是饱水黄土在电性上的反映。高阻视电阻率值分布在11~50 Ω.m之间，为第三系砂岩或页岩在电性上的反映，因此推测该岩土电性变化界面可能为断层面，断层上断点距剖面起始端约310 m（图7）。

图7 测线Ⅱ—Ⅱ′剖面实测视电阻率断面（上）和反演解释电阻率断面（下）Fig.7 Measured apparent resistivity section of line Ⅱ-Ⅱ′profile（upward）and resistivity section of inversion interpretation（downward）

在泉点附近布置的测线Ⅰ—Ⅰ′剖面其下部岩土电性出现高低阻值变化界面，推测距测线起始端约26 m 处可能有断层存在；泉点外围布置的测线Ⅱ—Ⅱ′剖面同样出现电性变化界面，推测距测线起始端约310 m处可能有断层存在。

在泉点附近布置的测线Ⅰ—Ⅰ′剖面，因受测量条件的限制，测线较短导致测量深度较浅，电性变化界面过于靠近测线起始端，判定断层的依据不够充分，建议挖深验证断层的存在及位置。

3.4 地质雷达勘选测试

沿着前述图中，2017 年3 月初现场水化堪选1号测线方向（W→E），布设了长度为60 m；标距5 m 的地质雷达测线，并做了2 次（图8-9），其剖面说明如下：剖面顶部0~7 ns 为高频低振幅信号层，推断属地表冲、洪积地层，7~180ns范围属低频小振幅信号层，局部同相轴起伏大，推断为强风化基岩层，180 ns 以下为中频大振幅信号层，西端同相轴存在明显的弧形起伏，向东逐渐平缓，推断为新鲜基岩面。

图8 双井子泉点地质雷达探测剖面（第一次）Fig.8 Geological radar profile of shuangjingziquan point（the first time）

图9 双井子泉点地质雷达探测剖面（第二次）Fig.9 Geological radar profile of shuangjingziquan point（the second time）

结论：由电磁波信号频率变化关系推断，测线27 m 标号位置存在一条破碎带，破碎带向西倾斜，角度大于60°[6]。

4 改造方案

为了将双井子流体台改造为自动化观测台站，该台将以流体学科各种观测手段对环境要求的行业标准为基础，以恢复或提高观测仪器、观测设施使用环境（或观测环境）为目标，系统性地开展台站改造工作。改造主要分为观测环境改造、基础设施改造和观测室建设三大部分。双井子流体台的具体改造目标、改造内容和方案如下。

4.1 改造目标及依据

双井子流体台改造完成后，将实现气氡、氦气、二氧化碳和氢气的综合观测，并结合降雨、气压和气温三要素辅助观测，进行日常观测和运维过程中的影响因素分析等。另外，通过修筑护坡、开挖导流渠等措施，避免和降低季节性洪水对测点的影响。

依据《地下流体数字观测技术》、行业标准《地震台站建设规范地下流体台站第2 部分：气氡和气汞台站》、其他省局关于泉点水化观测改造经验、以及一些专家老师的意见和建议等，我们对双井子流体台的改造方案不断优化[7]。

4.2 井（泉）点数字化观测要求

进行气体动态观测的井（泉）点的选择，必须要进行相关背景值的测试，其有关测项的背景值要求如下：（1）气氡背景值要求≥1.0 Bq/L；（2）气汞背景值要求≥0.1 ng/L；（3）氦气背景值要求≥0.002%；（4）氢气背景值要求≥0.003%。另外，氦气和氢气观测井（泉）点还要求井孔外围10 m范围内不允许有振动干扰源。

依据我国地震地下流体观测井（泉）点的分类及其井（泉）口装置的要求（表1），对双井子流体台井（泉）口装置必须要进行脱气、集气和冷却改造。

表1 我国地震地下流体观测井（泉）点的分类及其井（泉）口装置的要求

4.3 观测系统改造

鉴于双井子泉点的场地环境、影响因素以及上述集（脱）气装置等理论和实践，在改造过程中，参考图10 进行，其中：（1）底座用水泥管，之上至井口用PVC 管；（2）采用浮动罩式集气装置（助浮器漂浮在水面上，随着水面升降而浮动，观测系统的压力不会因水位的变化而改变）；（3）泄流装置采用窄缝堰的方式（水从缝出来后再汇集到排水管，这种方式不用安装阀门，用窄缝限流，即可防止堵塞，又可以起到限流）；（4）增上水温、气象三要素辅助观测等[8-9]。

图10 双井子流体台观测系统改造示意图Fig.10 Reconstruction of observation system of Shuangjingzi fluid station

4.4 试运行仪器型号及技术指标

固原双井子流体观测站试运行期间主要的观测项目包括：气氡、二氧化碳、氦气、氢气，仪器型号及技术指标见表2。

表2 双井子仪器架设信息列表

5 结论

宁夏南部自上世纪海原8.5 级地震序列以来，连续95 年没有发生过6 级以上地震，连续34 年没有发生过5 级以上地震，震情形势非常严峻。通过构造类比，许多地质学家认为六盘山是国内与龙门山构造环境和构造式样最为接近的地区。同时，近年来的地球物理场监测发现，六盘山地区处在高度闭锁状态，其态势与2008 年汶川地震前龙门山地区的应力应变情况非常相像。由于双井子温泉处在六盘山闭锁区北侧，距离预测破裂段80～100 公里，位于非常有利的前兆观测区域，将其尽快建设为自动观测的前兆流体监测站，将会显著提升宁夏南部地区、特别是六盘山闭锁区的地震监测能力，对完善宁夏地区前兆监测布局起到重要的作用。