湖南湘阴井水位的一次大幅下降异常成因分析

沈 平，田优平，郑博文，姚海东

(湖南省地震局，湖南 长沙 410004)

地下水位对地壳介质应力应变反映灵敏，一直以来是地震地下流体观测的重要手段之一。地下水位的动态特征能够直接或间接地反映地震活动的发展过程，但并不是所有的水位变化都与地震有关[1-2]。因此，当监测到的地下水位数据曲线出现有别于正常动态的异常变化时，必须及时、认真地进行异常核实，从而对异常性质进行准确判定。许多学者在水位异常识别方面做了大量工作，有的经过核实，确定为干扰异常，有的则提取了到地震前兆异常[3-6]。地下水位观测资料所受干扰较多，异常成因较为复杂，所以准确地排除干扰因素对于成功判定地震前兆异常至关重要。

本文针对湘阴井水位在2019年8月出现的大幅下降异常变化，从观测仪器自身到环境干扰因素进行系统分析，以及对观测井的水样进行氢氧同位素和水质成分分析，找到此次水位大幅异常变化的主要原因，为地震地下流体分析预测工作提供一些参考。

1 观测井概况

湖南湘阴井位于洞庭湖坳陷的中心地区，即上迭于江南地轴之上的一个中新生代坳陷盆地，区内褶皱断裂较发育。较近的断层有北面幸福港断裂及湘阴-岳阳断裂，其中湘阴-岳阳断裂从湘阴县城通过。区内气候属大陆性亚热带季风气候，雨量充沛，四季分明，仲夏多雨易涝，夏末秋初多旱。

湘阴井水位始测时间是2014年1月，类型为静水位。根据湘阴井观测孔报告，钻孔终孔后，采用抽水量4.5 t/h开采用水泵进行了抽水试验，其泵头下至70 m处进行抽水，连续抽水2 h水位稳定在60.75 m处，此时每分钟出水2.75 kg，由此推算，该井日出水量约为4 t，故本孔存在裂隙水，但水量较小。同时，随气候环境变化井孔内水量可能受到一定影响。

2 观测资料异常变化

湘阴井水位自观测以来在每年夏季会有小幅上升，但在2018年夏季水位总体呈现下降趋势，出现破年变。自2019年7月中旬起，湘阴井水位开始大幅下降，截至9月2日，下降幅度共约3.6 m，达到自2014年1月开始观测以来的最低水位，下降幅度也是自观测以来的单次最大幅度(图1)。湘阴井水温在此期间没有出现异常变化。

图1 湘阴井水位快速下降异常变化曲线

3 异常排查及成因分析

3.1 仪器因素排查

对仪器工作状态、供电、避雷、数据采集、井口装置、探头电缆固定装置等进行了检查，均为正常。进行了人工水位校测，两次校测结果均符合规范要求，说明仪器工作状态正常。

3.2 环境因素排查

3.2.1 气象因素影响分析

从湘阴台的辅助观测仪器监测到的气压、气温数据与水位的对比曲线来看，2019年以来，台站的气温、气压变化较稳定，变化形态与规律均与往年基本一致，未出现异常变化(图2)。因此，可以排除气温、气压对本次水位异常的干扰。

图2 湘阴井水位与气温气压对比曲线

由于台站的雨量计有故障，因此去湘阴县气象局搜集了2014年以来当地的降雨量月均值。从图3可以看出，湘阴井水位与湘阴县降雨量有一定的相关性。在往年夏季降雨量增多的时候，湘阴井水位一般也会有所上升。但2018年，湘阴县降雨量较往年明显减少，湘阴井水位在2018年也出现破年变变化。2019年1-8月，湘阴县的降雨量进一步减少，达到2014年以来的极低值，在夏季也没有像往年一样出现明显的上升现象。与此同时，湘阴井的水位自2019年5月以来也一直处于极低水位，特别是7月中旬以来快速下降，达到自观测以来的极低值。

图3 湘阴井水位与降雨量对比曲线

3.2.2 湘江水位影响分析

在湘阴井西部约3km处有一条从南往北的湘江流过。据调查，虽然2019年天气较干旱，但湘江水位相比于往年并没有偏低，因为河漫滩露出部分没有往年多。因此去湘阴县水文局搜集了2014年以来湘江水位的资料。从湘阴井水位与湘江水位的日均值对比图可以看出，除了2018年之外，在每年夏季湘江水位下降最快的时段也正是湘阴井水位下降最快的时段(图4)。2019年7月以来，湘江水位再次出现明显下降，与湘阴井水位开始下降的时间基本同步。但与前几次相比，此次湘阴井水位下降幅度明显要大。另外值得注意的是，2018年是近6年以来湘江水位最低的年份，湘阴井水位也是在2018年开始发生破年变，没有出现往年“夏高冬低”的年动态变化。

图4 湘阴井水位与湘江水位对比曲线

3.2.3 周边施工作业影响分析

2019年8月，在现场调查时，湘阴井周边有4个房地产项目在建，4个工地与湘阴井的具体位置如图5所示。1号工地位于湘阴井西南边，直线距离约330 m。据工人介绍，此工地是一个老旧工地，最早是在3年前进行桩基施工的，目前地下室一层主体已基本建好，但已于2019年7月初停工至现在。 2号、3号工地位于湘阴井东南方向，直线距离约930 m，两个工地只相隔一条马路。据调查，2号工地是在2019年5月份进行桩基施工，当时已建至地上两层。此工地建筑面积共4 688 m2，一共打了约1 000根60 cm粗的AB桩，绝大部分只打了9 m多深，15 m深的桩只有极少数。3号工地是在2018年12月份进行桩基施工，当时已建至地上两层。4号工地位于湘阴井的东边约250 m，当时工地处于停工状态。据调查，4号工地内存在2个池塘，一个位于工地西边，另一个位于工地东边，均在2019年4月份进行了回填，回填之前池塘内积水较少。西边池塘回填了2000 m3多土方，回填深度约1.1 m，东边池塘回填了1 000 m3多土方，回填深度最深约0.6 m。池塘回填之后进行了简单压平，后在2019年8月20日左右打了3根20多米的试验桩。

图5 湘阴井周边工地位置示意图

3.3 水化学实验分析

为确认湘阴井和湘江水之间有无相关性，取二者水样进行水质成分和氢氧同位素分析。

3.3.1 水质类型分析

根据舒卡列夫分类，各个点在piper图上的位置可以划分水质类型。湘阴井和湘江水水样水质类型分析结果见图 6。二者水质类型一致，均为重碳酸型水，代表典型的大气水与岩石之间的第一阶段反应，反映了浅层的水文循环特征，缺乏深部的物质来源。2个水样离子浓度的相对含量分布集中，含量接近。

图6 水化学类型piper图 图7 Na-K-Mg三角图

3.3.2 水-岩化学平衡反应特征分析

Na-K-Mg三角图被用来评价水-岩平衡状态和区分不同类型的水样[7]。在湘阴井和湘江水水样的Na-K-Mg三角图(图7)中， 2个样品均落在Mg端元附近，为未饱和水，说明地下水循环周期较快，水岩反应程度相对较低，尚未达到离子平衡状态，体现了水样的大气降水成因特征。

3.3.3 氢氧同位素特征分析

地下水氢氧同位素组成特征一般利用区域雨水进行对比分析，能够有效地识别地下水的来源与补给过程。降水的氢氧同位素组成受纬度效应、季节效应、大陆效应以及海拔效应等的影响，不同地区不同季节的大气雨水线各不相同[7]，本文所用的大气降水线为全球大气降水线，其方程为δ2H=8.1δ18O+10，式中δD为氢同位素实测比值，δ18O为氧同位素实测比值。水样氢氧同位素组成与大气降水线对比如图8，其中蓝线为中国大气降水线。结果显示，2个水样氢氧同位素比值均在全球大气降水线附近，水样主要为大气降雨成因，即主要接受大气降雨补给。

图8 水样氢氧同位素与大气降水线

由以上分析可知，湘阴井和湘江水水质类型一致，均为大气成因水，水-岩反应程度较弱，尚未达到离子平衡状态，地下水循环循环周期快，溶解作用仍在进行，无深部物质来源。

4 结语

通过检查湘阴井的观测系统、排查其观测环境，包括对温度、气压、降雨量、湘江水位以及周边施工作业等的排查，并对湘阴井和湘江水的水样进行水质成分和氢氧同位素分析， 认为：

(1)通过对湘阴井井口以上水位观测系统、供电系统、避雷设备进行检查，均工作正常，且水位校测正常，因此，此次湘阴井水位的大幅下降与仪器故障无关。

(2)通过分析湘阴井水位与湘阴县降雨量的关系，认为二者之间存在一定的相关性，湘阴井水位的大幅下降变化与2019年以来当地降雨量明显减少有一定的关系。

(3)通过分析湘阴井水位与湘江水位的关系，认为湘阴井水位的变化与湘江水位变化具有一定的同步性。每年湘江水位下降最快的时段也是湘阴井水位下降最快的时段，而2019年7月以来正是湘江水位迅速下降的时段。因此，湘阴井水位此次大幅下降也受到湘江水位下降的影响。

(4)通过水化学实验分析，认为湘阴井和湘江水均为大气成因水和未成熟水，主要受大气降雨补给，无深部物质来源。

(5)通过调查湘阴井附近的工地施工情况，4号工地位于湘阴井的正东边，离湘阴井最近，且在2019年4月底回填了两个池塘，回填之前有抽水，回填之后进行了压实，分析认为湘阴井水位的大幅下降变化受4号工地施工的影响较大。

综上所述，湘阴井水位自2019年7月中旬出现的大幅下降变化不是地震前兆异常，此变化可能是在当时湘阴县降雨量明显减少且湘江水位降低的情况下，附近工地施工引起的水位下降。