氢氧稳定同位素在地下水异常核实中的应用

张　磊　刘耀炜　任宏微　郭丽爽

(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)



氢氧稳定同位素在地下水异常核实中的应用

张磊刘耀炜*任宏微郭丽爽

(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)

在地震地下流体研究中，区别地下水是受浅层物质补给还是受深部介质活动的影响，是异常核实的主要任务。氢氧稳定同位素技术能够有效地识别地下水的来源与补给过程。文中概述了氢氧稳定同位素方法在地下水异常核实应用中的基本原理、水样采集和测试技术，列举了应用氢氧稳定同位素技术研究井水位升高和水质浑浊异常现象的实例，就氢氧稳定同位素用于核实地下水水位、水温、化学组分和宏观异常进行了简要讨论。该方法的广泛使用，有助于识别地下水异常的构造与非构造影响因素。

氢氧稳定同位素地下水异常异常核实水岩作用地下水混合作用

0　引言

尽管地震预测研究面临着前兆异常信息获取与分析方面的困难，但国内外从未放弃对地震孕育过程中的前兆现象研究，其中对地下水物理、地下水化学以及地下气体地震前的异常分析手段在不断发展，并取得了显著进展(Montgomeryetal.，2003；Kingetal.，2006；Woithetal.，2013；Shietal.，2014)。前人的观测研究中，十分注重分析流体异常的来源问题，也就是说在浅地表观测到的流体异常是浅层物质补给还是深部介质活动的结果(Rojstaczeretal.，1995)，这一判据是分析异常与地震孕育过程是否有密切关系的重要依据。

对于判定流体源的深、浅部补给源研究，主要涉及到物理和化学2种手段。物理方法手段，比如用数值方法分析大气降水和地下水开采对井水位的影响(车用太等，1993；孙小龙等，2013)，通过GPS观测揭示的区域应力状态分析井水位异常与区域构造活动的关系(付虹等，2014)。化学手段方面，涉及到水化学、同位素、地下水年龄(张国盟等，2015)等手段，能够给出地下水性质的实际观测值，定量地指示流体的来源和经历的地质过程。其中，氢氧稳定同位素技术在确定地下水的成因与补给、水岩作用、地下水混合作用等方面具有优势(刘耀炜等，2009)。国内外学者开展了一系列的氢氧稳定同位素的地震前兆异常研究，如地震前后氢氧稳定同位素的变化特征与机理研究(Claessonetal.，2004，2007；Chenetal.，2014)，活动断裂带地下水中的氢同位素可作为5级以上地震临震预测的依据(赵永红等，2011)，利用水化学和氢氧稳定同位素识别水位和水温异常(张磊等，2014；晏锐等，2015)。

为了系统地总结以往的经验与方法，本文概述了氢氧稳定同位素研究方法的基本原理和异常分析的水样采集与测试技术，使用氢氧稳定同位素方法，对2014年8月3日鲁甸6.5级地震科学考察中的渔洞井水位异常升高和陆家大龙潭水质浑浊的异常现象进行了分析，讨论了氢氧稳定同位素在核实地下水水位、水温、水化学组分和宏观异常中的关键技术，希望该方法能在地下流体前兆异常识别及震情判定中发挥更大作用。

1　基本原理

水文地质学领域中广泛应用的氢氧稳定同位素分析方法，主要是利用水样氢氧稳定同位素数据与大气降水线之间的关系，研究地下水运动过程。氢氧稳定同位素方法也被国内外学者引进到地震监测预测领域，通过观测点地下水氢氧稳定同位素的变化特征与影响因素，研究构造活动下的地下水补给与运移机制，进而分析地下水前兆异常的物理机制。

1.1大气降水线

大气降水是指最近参与过大气循环的水，主要有雨、雪、冰川、汽、河水、溪水、湖水和大多数的低温地下水(李学礼等，2010)。Craig(1961)利用大气降水氢氧稳定同位素数据定义了全球大气降水线(GMWL)，具体方程式为δ2H=8δ18O+10‰，大气降水的氢氧稳定同位素组成沿着这条直线分布。

不同地区存在着不同的区域大气降水线(LMWL)，前人的研究结果定义了中国不同地区的区域大气降水线(郑淑慧等，1983；李亚举等，2011)。同时可通过国际原子能机构(IAEA)网站查找全球不同地区的降雨和河流的氢氧稳定同位素数据作为比对分析。

1.2氢氧稳定同位素演化特征

1.2.1浅层物质作用

浅层物质作用，通常为地下流体监测中的环境干扰因素，比如大气降水、地表水等。通过氢氧稳定同位素能够较好地识别出大气降水和地表水与地下水之间的补给关系。浅层地下水的成因主要为大气降水，表现出氢氧同位素组成靠近GMWL和LMWL。由于受到大气降水补给来源的差别，不同地区和补给源的地下水在大气降水线上的分布是有差别的。

井水受到周边地表水(河水、湖泊水、水库水等)的补给，二者的氢氧稳定同位素组成更为接近。通过比对地下水与地表水的氢氧稳定同位素组成，能判定出二者之间是否存在补给关系。图1 给出了降水因同位素交换过程而发生的演化和分异，可了解地下水经历的各种过程。如干旱内陆地区的地震观测井水，受到蒸发作用影响，井水表面的地下水氢氧稳定同位素向大气降水线右上方的趋势变化。通过定深取样器，采集地下深处含水层的水样，能够有效地避免蒸发作用对分析结果的影响。

1.2.2深层地质作用

不同地质作用下地下水中的氢氧稳定同位素组成是存在差异性的(图1)，通过这种变化特征可以识别出地下水的地球化学过程(顾慰祖等，2011)。深层地质作用主要包括水岩作用和地下水混合作用等。

水岩作用。图1(同位素交换的起点和坐标值为叙述方便而设定)显示，大气降水成因的地下水位于全球大气降水线上，在高温水岩作用的影响下，富集18O，发生氧漂移，这一过程多发生在地下热水系统中(温度>80℃)。水和二氧化碳间的同位素交换作用，结果是δ18O向左平移(李学礼等，2010)。

地下水混合作用。同位素组分差别的不同水体发生混合，导致同位素组成上的变化。图2 给出了一些典型流体的氢氧同位素组成。根据质量平衡原理可以计算混合比例，可分为2端元混合和3端元混合，其中利用氢氧稳定同位素进行2端元混合模型计算的公式如下：

(1)

(2)

式(1)、(2)中，δM为混合水的同位素含量，δA和δB为A和B端元水的同位素含量，fA和fB为混合水中A和B端元所占的比例(中国地质调查局，2012)。通过端元混合方法，可确定观测井水受到不同水体补给的贡献率，对进一步分析水位异常升高的补给来源提供了确认方法。

图1　降水氢氧稳定同位素组成演化示意图(修改自顾慰祖等，2011)。Fig. 1　The evolution of the stable hydrogen and oxygen isotopes in precipitation(after Gu Wei￣zu et al.，2011).GMWL为全球大气降水线

图2　不同来源水的δ2H-δ18O图(修改自Hoefs，2012)Fig. 2　Plot of δ2H vs δ18O of different origins water(after Hoefs，2012). SMOW代表标准平均海水

1.3构造活动与氢氧稳定同位素变化

地震孕育与发生过程中，构造活动引起地下水与岩石之间的水岩作用增强，以及不同性质的地下水之间的混合作用(Thomas，1988；Wästebyetal.，2014)。这2种因素能引起地下水中氢氧稳定同位素的变化，前人的研究对其作用机理有系统表述： 1)水岩作用，前震与同震过程中构造活动促使断层开启，增加了地下水与新出露矿物的接触，使水岩反应能力增强，引起δ18O和δ2H值的变化，可通过W/R(水/岩)值进行计算；2)地下水混合作用，地震疏通裂隙，引起含水层间渗透性增强，致使不同地下水混合，引起地下水中δ18O和δ2H值发生变化(Thomas，1988；Claessonetal.，2007)。通过连续观测地下水中的氢氧稳定同位素，上述方法能有效地判定地下水异常是否受水岩作用或者地下水混合作用的影响，进而判定区域构造活动的情况(Claessonetal.，2004，2007)。

2　样品采集与测试

2.1样品采集

样品采样瓶宜采用高密度聚乙烯细颈瓶，螺纹盖，盖内有衬垫，容量为50ml。采样瓶按照清洁剂稀释水溶液清洗、自来水冲洗、纯水清洗3次、控干后拧紧瓶盖的步骤进行采样前的准备(中国地质调查局，2012)。采样前用被采水样清洗采样瓶3次，每个水样至少采集2瓶，作为平行样品进行分析。采样瓶装满水样，瓶内无气泡，最后用封口膜封好瓶口。对于样品，还需考虑到热胀冷缩的作用，以免运输过程中瓶子破裂。在盖衬垫时候，注意不要让手碰到衬垫与水样接触的部位，以免污染样品。

在采样点的布设上，根据地下水异常情况，结合区域水文地质，采集异常井(泉)水，同时采集周边地表水(河流、湖泊、水库、池塘等)、井(泉)水作为对比(张磊等，2014)。有条件的采集当地大气降水。对于自流井和泉水，直接在出漏口采集新鲜水样；对于非自流井，可采用定深取样器采集含水层处的新鲜水样；采集地表水要避开滞水、排污口，避免采集表面水体和岸边水样(中国地质调查局，2012)。

2.2样品测试

氢氧稳定同位素的主要测试方法为质谱法和光谱法。质谱法测试仪器如MAT253，光谱法仪器如LGR或Picarro公司生产的水同位素分析仪等。测定结果以相对于维也纳标准平均海水(VSMOW)的千分差表示。

地下水前兆异常核实工作中，要求1周内完成异常核实报告，因此需要快速准确地提供氢氧稳定同位素结果。光谱法测试仪器能够满足这一要求，能够较快地给出测试结果，满足地下水异常核实时间期限的要求。本文应用实例中氢氧同位素测试采用的仪器为Picarro公司生产的L2130-i型号极高精度液态水同位素分析仪，δ18O精度 <0.03‰，δ2H精度 <0.2‰。

3　应用实例

2014年鲁甸6.5级地震之后，进行了地震现场科学考察，总结了震前地下水微、宏观地震前兆现象(刘耀炜等，2015)。为了分析这些地下水异常机理以及是否与鲁甸6.5级地震有关，采集了显著异常点的地下水样品，进行了氢氧稳定同位素的分析，获得了较好的应用效果。下面以井水位异常和泉水浑浊宏观异常机理分析为例，阐述氢氧稳定同位素分析方法。

3.1渔洞井水位异常

承压含水层水位能够有效地反映出地下介质应力应变的变化(Montgomeryetal.，2003)，被广泛应用于地震前兆观测中。由于受到观测条件的限制，部分井水位观测易受到大气降水和地表水的影响。通常，地下水与补给源的补给关系处于相对平衡的状态，但是在大气降水增加、河流水位升高、水库蓄水等情况下，大气降水和地表水通过垂向渗流与径流的侧向补给等，会造成地震观测井水位的升高现象，这种情况会直接影响我们通过井水位升高分析区域应力场作用的程度，因此实际的工作中有必要对这种水位升高现象进行干扰因素的分析。

以下列举了对渔洞井水位异常的核实分析过程。渔洞井海拔1,914m，井深320.97m，套管深度290m，观测含水层位于80～303.87m深度，位于昭通-鲁甸断裂上，岩性为三叠系细砂岩；地下水类型为基岩裂隙承压水，该井距横江约120m(图3)。渔洞水位为数字化动水位观测，2014年鲁甸6.5级地震时，水位同步上升0.6m；8月6日增加泄流，水位下降；8月8日水位上升0.24m；8月23日再次增加泄流，整体上水位呈现持续上升的状态(图4)。为了解该井水位异常上升的原因，在对其进行异常核实与异常性质判定的过程中，主要考虑了2点影响因素，一是水位异常上升是否与距离观测井较近的横江补给有关，二是这种异常是否与鲁甸6.5级地震有关。为了充分研究渔洞井水位与横江之间的关系，于2014年8月29日采集了渔洞井水和横江水进行氢氧稳定同位素分析(表1)。

　图3　渔洞井和陆家龙潭位置图Fig. 3　Geographic location of Yudong Well and Lujialongtan.

图4　渔洞井水位图Fig. 4　Water level of Yudong Well.

表1　地下水样品氢氧稳定同位素结果

Table1　Stable oxygen and hydrogen isotopes data of the water samples

序号样品名称δ18O/‰δ2H/‰1渔洞井水-13.46-95.882横江河水-11.94-83.173陆家大龙潭(8月28日)-12.30-86.124陆家大龙潭(8月31日)-12.66-87.615陆家大龙潭(10月5日)-10.98-80.02

氢氧稳定同位素结果显示，渔洞井水和横江水样品靠近全球大气降水线(图5)，表明二者均为大气降水成因；但是二者的氢氧同位素处在图5 两端，说明其补给成因存在一定的差别，井水和江水之间的补给关系不明显。通常直观上会认为横江距离渔洞井较近，8月雨季横江水位上涨，似乎这时段大气降水会补给渔洞井水，形成井水位上升异常。然而通过氢氧稳定同位素分析结果，鲁甸地震后渔洞井水和横江之间的水力联系不明显，因此通过同位素技术排除了震后渔洞井水位异常上升是受到横江水位上涨影响的可能性。本文主要利用震后的氢氧稳定同位素数据分析认为渔洞井水与横江之间的水力联系不明显，但对于地震前和地震中两者之间是否存在水力联系，由于没有观测资料而无法给出明确结论。

3.2大龙潭泉水宏观异常

鲁甸县文屏镇安阁村陆家大龙潭(图3)，面积约120m2，深6m多，距2014年8月3日鲁甸6.5级地震震中约20km。 震前10多天，龙潭泉水出现浑浊宏观异常现象，呈现米汤色，震后水质逐渐恢复清澈；在8月17日永善地震前再次浑浊，浑浊现象持续到9月底，至10月5日考察时已恢复，水质清澈见底(刘耀炜等，2015)。笔者在鲁甸6.5级地震考察期间，于2014年8月28日、8月31日和10月5日采集了3次水样，其氢氧稳定同位素结果见表1 和图6。

图5　渔洞井水和横江氢氧稳定同位素分布图Fig. 5　Plot of δ18O vs. δ2H between Yudong Well and Hengjiang River.

图6　鲁甸6.5级地震后陆家大龙潭氢氧稳定同位素变化Fig. 6　Stable oxygen and hydrogen isotopes change in Lujiadalongtan after the Ludian M6.5 earthquake.

龙潭泉水氢氧稳定同位素结果分布在全球大气降水线的两侧，鲁甸地震后泉水浑浊期间，氢氧稳定同位素值位于大气降水线的左下侧，在泉水恢复清澈后，氢氧稳定同位素值位于全球大气降水线的右上侧(图6)。从水浑浊到清澈的过程中，氢氧稳定同位素值的变化趋势为向右上方偏离全球大气降水线；从图1 的研究结果来看，泉水氢氧稳定同位素的这种变化可能与CO2低温交换和不同地下水混合的共同作用有关。首先，在地质构造上，陆家大龙潭位于四面环山的小盆地，有断裂穿过，是长距离地下水运移的泄流区(刘耀炜等，2015)。鲁甸6.5级地震的构造活动导致地下岩层的新鲜面暴露、地下岩层微裂隙的打开、地下含水层渗透性增强(Reddy，2011b；Xueetal.，2013)，不同性质的地下水进行了混合。其次，据鲁甸6.5级地震科学考察结果，鲁甸地震震中距100km内，多处出现了断层逸出CO2浓度异常升高的现象(刘耀炜等，2015)；而CO2易溶于水，地震破坏了地下水补给排泄平衡条件，打破了原有的地下水中二氧化碳的平衡状态，引起地下水与CO2之间发生同位素交换反应，微观上出现了氢氧稳定同位素的变化。

4　讨论

4.1水位异常判定

在实际工作中常会遇到地震观测井水位异常上升的现象(机理可分为区域应力场作用导致含水层孔隙压增加、地下水补给量增加和地下水开采量减少3类)，对含水层孔隙压增加和地下水补给量增加这类异常，通常采取排除法来确定水位上升异常是否由已知浅层水源补给量增加造成的。第1步，根据观测井水位异常上升的时间和上升幅度，结合区域水文地质构造，判定异常是否受浅部物质干扰，包括大气降水增加、水库蓄水、河流水位升高、观测井周边抽水灌溉等。第2步，在干扰因素的判定过程中，可采集观测井水和浅部水样进行氢氧同位素分析，结合其结果判定井水位异常是否与补给增加的影响因素有关。第3步，根据图1，可了解地下水经历的同位素交换过程。在确认井水的补给关系后，可用端元混合模型计算水体的混合比例(Reddyetal.，2011a)，进一步确定观测井水受到不同水体补给的贡献率。如果排除了浅部地下水补给作用的可能因素，并计算出含水层参数与应力作用相关(刘序俨等，2009；Xueetal.，2013)，则可以认为这类井水位升高异常是区域应力作用的结果。

本文所例举的氢氧稳定同位素应用实例，只是涉及到了水位升高变化与地下水变色的宏观异常分析，对于地震地下流体其他类型异常分析中的氢氧同位素应用实例，诸如水温和水化学组分异常等，国内外学者均有系列研究结果。

4.2水温异常判定

氢氧稳定同位素的变化特征能表明地下深部的热流活动状态。2008年汶川8.0级地震前后，观测到了川西温泉的震前温度上升的异常现象(晏锐等，2015)；从氢氧稳定同位素的结果来看(图7)，汶川8.0级地震后随着时间的推移(2008年6月—2010年4月4次测量)，川西温泉的氢氧稳定同位素组成表现为由偏离大气降水线到靠近大气降水线的变化趋势(Chenetal.，2014)；表明汶川地震增强了活动断裂带地区地下深部热流活动，引起震前温泉水温升高(晏锐等，2015)，与围岩的高温交换作用引起18O漂移。

水温异常出现时，在确认观测仪器正常使用和观测环境无干扰(如不存在井下电线漏电)等情况后，开展水中氢氧稳定同位素的连续观测，通过数据的δ18O和δ2H与大气降水线的比对(图1)，能够了解到地下热状态的变化特征。观测到的川西地表露头温泉温度在汶川地震前后的变化在几℃以内，热量通过热对流从地下传到地表(晏锐等，2015)，其在地下深处的温度变化可能更大，因此出现比较明显的氢氧稳定同位素变化特征(图7)，氢氧稳定同位素方法适用于温度变化较大的异常核实。但是对于绝对温度变化量较小的异常，比如在1℃之内，氢氧稳定同位素的变化特征如何？这方面的应用研究还较少，需要今后开展更为仔细的研究工作。

4.3水化学组分异常判定

氢氧稳定同位素变化可以表征地震前后地下水化学成分的运移过程。Claesson等(2004)发现地下水(1,500m深井)在5.8级地震前后主微量元素含量和氢氧稳定同位素组成出现异常(图8)，通过δ18O和δ2H对比图发现地下水的这种变化与断层封闭性的改变引起的地下水流动和水岩作用有一定的关系。应用氢氧同位素数据分析地震前后水化学成分的异常特征，能够较好地识别地下水成分的改变与区域构造活动的关系(Claessonetal.，2004，2007；Skeltonetal.，2014)。

图7　汶川地震后川西温泉氢氧同位素变化(据Chen et al.，2014)Fig. 7　Stable oxygen and hydrogen isotopes change after the Wenchuan earthquake in western Sichuan(after Chen et al.，2014).箭头表示震后氢氧同位素向大气降水线恢复的趋势

图8　2002年冰岛北部5.8级地震前后某深井地下水氢氧稳定同位素随时间的变化(据Claesson et al.，2004，2007)Fig. 8　Stable oxygen and hydrogen isotopes change before and after earthquake(after Claesson et al.，2004，2007).

近几十年来，中国开展了大量的地下水中离子成分的日常监测和地震预测研究，主要涉及到了Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-和F-等离子组分含量，在地震监测预测中起到了一定的作用，但把氢氧稳定同位素观测作为日常监测项目还未开展起来。在分析地下水组分异常时，一般是把工作重点放在检查观测仪器是否正常或测试结果是否准确上，缺乏使用氢氧同位素进行地下水来源的研究内容，往往容易把环境干扰作为深部活动构造的信息。因此，开展观测点地下水氢氧稳定同位素的连续监测或阶段性分析，有助于正确判定离子含量异常的构造活动意义，排除异常变化的非构造因素。

4.4地下水宏观异常判定

地下流体地震异常分为微观异常和宏观异常2类。微观异常是指地下水的井水位或流量、水温及水化学组分等物理和化学参量变化无法用人体感官直接识别，需要通过专用仪器连续观测分析来获取。而宏观异常是指地下水在水岩剧烈作用和(或)地下水混合作用增强的情况下，导致显著的水变色、变味、流量变化、冒泡、温度变化等现象，通过人的感官能直接觉察到，表现出宏观的异常特征(朱自强等，2002；刘耀炜等，2015)。前人报道了通过气体含量和气体同位素手段识别2008年汶川8.0级地震引起的河水冒泡的宏观异常机制(Zhengetal.，2013)，对这类地下水的宏观异常，说明其补给源上发生了变化，使得地下水中的物质成分发生了改变。通过观测地下水中氢氧稳定同位素组成随时间的变化，可以分析地下水的补给源特征和构造作用程度，能合理解释地下水宏观现象产生的机理。

车用太等(2011)总结出判定地下水异常干扰性与前兆性的 “4个相关”基本原则，应该是异常现场核实工作的重要方法，但形式相关分析方法还不能满足我们对异常性质深层次的科学分析需要。笔者认为，除了干扰因素相关性分析外，需要通过地下水动力学的补-排水平衡模型、热动力学的水-热运移模型、以及化学动力学的氢氧稳定同位素及气体组分成因和水化学离子组分的水岩反应程度等分析过程，排除非构造影响因素，给出与构造活动有密切关系的前兆形成机理解释，这也是今后地下流体异常现场核实工作的发展趋势。

5　结论

氢氧稳定同位素方法采样方便、测试简单、测试周期较短，通过多次采集水样能够有效了解地下水循环和补给的变化，可广泛应用于地震地下流体监测中井水位、水温、水化学组分和宏观异常核实工作中。氢氧稳定同位素方法有助于识别地下水异常的构造与非构造影响因素，是地下流体地震前兆异常识别及震情判定工作的重要手段。

致谢感谢云南省地震局谷一山、付虹、高文斐和昭通市防震减灾局何德强在样品采集过程中提供的帮助；感谢审稿人对本文提出的建设性意见。

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APPLICATION OF STABLE OXYGEN AND HYDROGEN ISOTOPES TO THE VERIFICATION OF GROUNDWATER ANOMALIES

ZHANG LeiLIU Yao-weiREN Hong-weiGUO Li-shuang

(KeyLaboratoryofCrustalDynamics，InstituteofCrustalDynamics，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100085，China)

Identifying the source of the observed fluid anomalies is a major tast in verifying the anomalies in seismic subsurface fluid research. The stable hydrogen and oxygen isotopes are proved to be effective to trace the underground fluid origin and its development. In this study，we summarized the basic principles，water sampling and testing techniques in recognizing the fluid anomalies by using the stable hydrogen and oxygen isotopes. We also enumerated the related applications in analyzing the sudden water level increase and the rapid shifting from limpid water to murky. The stable hydrogen and oxygen isotopes analysis can be used to verify the macroscopic underground fluid anomalies，such as subsurface water temperature，water level and chemical component changes，and the wide use of this method in seismic subsurface fluid research will be helpful to identify the tectonic or non-tectonic related influencing factors to the fluid anomalies.

stable oxygen and hydrogen isotopes，the groundwater anomaly，anomaly verification，water-rock interaction，mixing of groundwater

10.3969/j.issn.0253- 4967.2016.03.017

2015-08-17收稿，2016-06-02改回。

地震行业科研专项(201308006)、中国地震局“云南鲁甸6.5级地震专题研究”项目、中国地震局震情跟踪定向工作任务(2016010301)与中国地震局地壳应力研究所中央级公益性科研院所基本科研业务专项(ZDJ2016-08)共同资助。

刘耀炜，研究员，电话： 010-62911045，E-mail: liuyw20080512@126.com。

P315.72+3

A

0253-4967(2016)03-0721-11

张磊，男，1987年生，2015年毕业于中国地震局地球物理研究所，获固体地球物理学博士学位，主要研究方向为地下流体动力学与地震监测预报技术，E-mial： lzhang87@163.com。