云南丽江观测井水温趋势上升原因分析

李利波 邓盛昌 杨永文 毛泽斌

摘要：针对云南丽江观测井水温自2012年来处于趋势上升状态这一现象，分析了该井的水文变化过程，利用Piper图、Schoeller图和氢氧同位素等方法，对其地下水化学特征及与周围水体的水力联系进行定量分析，讨论了该井水温上升变化原因。结果认为：该井断流时受深部地下水径流补给，地下水类型为HCO3-Na型，自流时受大气降水直接补给，地下水类型为HCO3-Ca型;该井水-岩反应程度较弱，与周围水体有明显的水力联系，受地表水影响较大，所携带的深部信息较少。该井2012年断流后，水温受深部热水上升影响表现为持续上升状态;受雨季降雨量影响，水温随水位变化表现出一定程度的年变形态，分析认为该时期的前兆特征不明显。

关键词：水温;趋势上升;地下水化学特征;丽江观测井

中图分类号：P315723   文献标识码：A   文章编号：1000-0666（2019）03-0358-08

0 引言

地下流体是影响地震孕育与发生的重要因素，可灵敏反映重要前兆信息（Raleigh，1976;Simpson，1986）。流体是地壳中最为活跃的组分，可造成岩石软化、空隙压力增加、流体受热膨胀等影响，从而诱发地震（Byerlee，1978;Shi，Wang，1982;车用太，杨会年，1989）。地下流体水温观测中微小的变化可能反映地震孕育、发展和发生过程或地壳构造活动引起热状态的改变，在地震监测预报研究中发挥着重要的作用，因此水温异常识别和提取是地震预测预报的一种有效手段。在地下流体水温变化与构造活动的关系研究中，国内外许多学者认为地震确实能引起水温的变化，并尝试从大量监测数据中分析其异常机理（Mogi et al，1989;Sohn et al，1998;Baker et al，1999;车用太，鱼金子，1996;刘耀炜等，2008）。

云南丽江观测井水温从2012年以来趋势上升，年变幅度也变大，在该井周围及邻区曾多次发生M50以上中强地震。杨竹转等（2018）从区域水文地质、井孔结构和水温梯度试验等方面，分析了该井水温动态的基本特征。在地下水循环过程中，水化学组分及环境同位素作为示踪剂，在一定程度上记录着水分运移、转化的历史，可有效揭示流域内地表水和地下水之间的关系（Scholler，1962;刘耀炜等，2009;张磊等，2016）。2017年漾濞M51地震后，该井水温又出现快速上升现象。本文从丽江观测井的地下水文变化过程，定量分析其地下水化学特征及其与周围水体的水力联系，探讨该井水温上升的原因。

1 观测井基本情况

丽江观测井位于云南省丽江市古城区北面的象山脚下，丽江盆地东北缘。该井于1984年7月建成，成井深度为347 m，初为自流井，1992年3月开始水位观测。2007年6月对该井进行数字化改造，井深为310 m，并增加水温观测，探头位于井下300 m，含水层为三叠系北衙组（T2b）灰岩、白云质灰岩（图1a）（云南省地震局，2005）。该井水温正常动态为年变型，旱季缓慢上升，雨季快速下降，年变幅度约为002 ℃。2011年11月23日开始断流，变为静水位观测。

该井地下水类型与其北侧的黑龙潭泉群一致，均为碳酸盐裂隙岩溶水，补给区为大气降雨和北部的九子海溶蚀区（康晓波等，2013）。在区域构造上，该井位于川滇菱形块体中部西侧，是红河断裂北段、龙蟠—乔后断裂、丽江—剑川断裂、鹤庆—洱源断裂等构造复合交汇部（国家地震局地质研究所，云南省地震局，1990）（图1b），该区域构造复杂，活动强烈，中强地震频发，最近一次强震活动是1996年丽江M70地震。

2 地下水文变化过程

根据丽江观测井水位在自流状态与非自流状态间的转换，将其地下水文状态划分为3个阶段（图2）：

第一階段：2007年6月1日至2011年11月23日为自流井观测（图2a）。表现为每年4—6 月断流，8月恢复泄流;水位年变幅约4 m，水温出现多次上升或下降的台阶式变化;水位与水温的负相关特征非常明显，水位快速上升时，水温突降。

第二阶段：2011年11月24日至2018年8月10日为静水位观测（图2b）。表现为断流状态;水位年变幅增大，表现为大幅度升降变化;水温为缓慢的上升—下降变化，具有一定的年变形态;水位与水温大体呈负相关特征，有时短期为正相关关系。

第三阶段：2018年8月11日恢复出水后，表现为水位上升，水温快速下降（图2c）。

地下水文变化过程显示，该井水温与水位动态之间具有良好的相关性。水温探头位于井孔中水体与含水层连通的主要部位。该井的水温较低，在自流状态时，在含水层水头压力作用下，较低温度的水向井孔内部流动补给，与浅层水混合，然后通过泄流口溢出排泄，水温动态曲线相对平缓;水位接近断流时，较低温度的水补给减少，探头附近水温快速上升（图2a）。在断流状态时，深部较高温度的水通过传导、对流与浅层水发生热交换，水温表现为随水位变化的年变形态，二者基本呈反相关特征（图2b）;水位上升至泄流时，较低温度的水加速向井孔溢出，水温快速下降（图2c）。这与杨竹转等（2018）做的水温梯度实验结果一致，分析认为该过程受补给区的水源温度较低影响。

3 地下水化学特征

笔者曾2次现场采集地下水样品，第一次时间为2018年7月28日，丽江观测井处于断流状态（样品①）;第二次时间为2018年10月12日，该井处于自流状态（样品②）。同时采集了观测井旁的玉河，上游黑龙潭泉群中的洗象池、珍珠泉和补给水（引自上游的清溪水库、白水河和拉市海等），以及目前仍在观测的金甲井水样（甘泽泉已干涸，未取样）进行对比。水质分析委托中国地震局地壳应力研究所（地壳动力学重点实验室）负责，结果见表1。

对比2次测试结果，丽江观测井自流状态下的阳离子Na+含量比断流状态下明显减少，K+、Ca2+含量明显增加;阴离子SO2-4含量减少，HCO3-含量增加;氢氧同位素变化不大。从水样的Piper图看出，该井断流状态下的地下水类型为HCO3-Na型，自流时为HCO3-Ca型（图3a），显示断流状态下的地下水有一定程度的离子交换作用，Na+交换吸附Ca2+，从重碳酸型水转为碱性水特征。周围水体中，玉河、洗象池、珍珠泉和补给水的地下水类型均为HCO3-Ca型，金甲井为HCO3-Ca·Na型。

从水样的Na-K-Mg三角图来看，丽江观测井的2次测试结果均落在“未成熟水区域”，且非常接近Mg端元（图3b），表明该井目前的水-岩反应程度较弱，水-岩之间尚未达到离子平衡状态，所携带的深部信息较少，受地表水影响较大。周围水体中，玉河、洗象池、珍珠泉、补给水和金甲井的地下水均属于“未成熟水”，受地表水影响较大。

从水样的氢氧同位素曲线来看，丽江观测井的2次测试结果均落在全球大气降水线（GMWL）上（图3c），表明其水体主要受大气降雨补给，水-岩反应程度较弱。玉河的地下水也落在GMWL上，主要受大气降雨补给;金甲井、珍珠泉和补给水的测试结果位于GMWL右上方，发生“18O漂移”，受蒸发作用影响;洗象池的测试结果位于GMWL右侧，表明该地下水有一定程度的水-岩反应。

从水样的Schoeller图来看，丽江观测井的2次测试结果除了Ca2+和Na++K+含量变化较大外，其它离子含量变化很小（图3d），表明断流状态下的地下水Na+，K+与Ca2+发生了一定程度的离子交换作用。玉河、洗象池、珍珠泉、补给水的离子含量与丽江井②的大致相当，表明这些地下水之间有明显的水力联系;金甲井的Cl-，Ca2+和Na++K+含量与其他水体有明显差别，显示该井有一定程度的水-岩反应。

4 水温上升变化分析

丽江观测井自2012年断流以来，其水位仍表现为夏低冬高的年变形态，但年变幅度变大，幅度从之前的4 m左右变为502～1740 m;每年年初缓慢下降，至7—8月达到最低值，之后变为快速上升，10—11月达到最高值;对比该地区的月降雨量，水位变化受降雨量的影响较大，但有一定的滞后性（图4）。康晓波等（2013）研究认为，除降雨量减少外，地下水开采也是导致该地区水位下降的主要因素，因此分析水位與降雨量的关系，利用水位谷值变化量进行研究，计算结果可能会受地下水开采的影响。本文选取丽江地区主要雨季（5—10月）的累积降雨量，与该井水位变化量、水位峰值变化量（胡小静等，2016）进行对比，对其数量关系进行数学回归分析，发现其水位变化量、水位峰值变化量与雨季降雨量的线性关系较好，相关性系数（R2）分别为0606 9和0647 3（图5），反映了该井水位变化受雨季降雨量的影响显著。

丽江观测井水温在趋势上升的背景下，有夏高冬低的年变形态，在每年7—8月达到最高值，与水位大体呈负相关（图2b）。杨竹转等（2018）对丽江观测井的前兆变化进行了研究，发现其有明显的震时效应：水位均表现为震荡型;水温在自流状态时表现为上升—下降—恢复型，断流状态时为下降—上升—恢复型;据此认为丽江井水温动态受水位泄流状态影响明显。2012年以来，在丽江观测井周边发生多次M≥50中强地震，但水位水温均无明显的震时效应（图6），表明该时期水温的前兆特征不明显;受水位断流影响，含水层较低温度的水补给减少，导致探头附近水温逐渐上升;该井主要受雨季大气降水补给，水温随水位变化表现出年变形态。

丽江观测井地下水的补给主要来自大气降水和北部九子海溶蚀区，降水沿岩溶裂隙、洼地、落水洞等由北向南径流，在黑龙潭泉群处受地形切割和第四系相对隔水层阻隔，形成地下水富集带，向下游古城区排泄。高伟（2016）将该区域的地下水径流系统由上而下分为垂直入渗带、季节变动带和水平流动带。垂直入渗带受大气降水直接补给，形成浅层地下水，与岩石发生一定程度的水-岩作用，地下水类型为低矿化度的HCO3-Ca型酸性水。季节变动带受雨季降雨影响，沿较深部地下水径流补给，水-岩之间进一步作用，Na+，Ca2+，Mg2+等离子之间发生交换作用，地下水类型变为HCO3-Ca·Na或HCO3-Na·Ca等。水平流动带受更深部的地下热水影响，侧向径流过程中水-岩作用加剧，地下水类型为HCO3-Na型碱性水（图7）。

当降雨量偏少且处于断流状态时，该井为季节变动带和水平流动带的深部地下水径流补给，水与岩石之间存在离子交换作用，地下水类型为HCO3-Na型;深部热水上升，与浅层地下水混合，水温表现为持续上升状态;受季节性降水影响，补给水量变化，水温表现出一定程度的年变形态。当降雨量增大且处于泄流状态时，该井为垂直入渗带的大气降水补给，与岩石发生溶解交换作用，地下水循环周期相对较快，类型为HCO3-Ca型;地表水下渗，水温表现为快速下降状态。

5 结论

本文基于2012—2018年丽江观测井的水文变化过程，对其地下水化学特征及与周围水体的水力联系进行定量分析，探讨该井水温上升的原因，得到以下认识：

（1）水温探头放置在井孔含水层主要部位，补给水源的水温较低，水温动态特征受水位泄流状态影响明显。

（2）水化学特征表明该井主要受大气降雨补给，水-岩反应程度较弱，且与周围地表水有明显的水力联系。

（3）断流时，该井为深部地下水径流补给，水与岩石之间存在交换作用，地下水类型为HCO3-Na型;自流时为大气降水直接补给，与岩石发生溶解交换作用，地下水类型为HCO3-Ca型。

（4）断流状态下受深部热水上升影响，水温表现为持续上升状态;受雨季降雨量影响，水温随水位变化表现出一定程度的年变形态，认为该时期的前兆变化特征不明显。

2018年8月11日泄流后，浅层地表水下渗，水温快速下降，受含水层的低温水源补给影响，之后水温波动平稳。该井地下水体活动强烈，水温波动幅度较大，难以反映与地震孕育有关的信息，建议其探头位置的放置应避开与含水层连通的主要部位。

中国地震局地壳应力研究所任宏微和郭丽爽提供了水质离子测试，审稿专家给予了有益建议，在此一并表示衷心的感谢！

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