昆明地震台流体观测井水文地球化学特征

李圣 张 立 钱文品 张光顺 何应文 杨玲英 卿元华 罗嘉铮

1）中国昆明650224 云南省地震局

2）中国四川611130 成都师范学院史地与旅游学院

3）中国四川610059 成都理工大学能源学院

0 引言

地震地下流体是指与地震孕育、发生或构造活动有直接联系的、赋存于地壳岩体孔隙中的水、气、油等物质（刘耀炜等，2000），地下流体监测在地震短临预测中起着重要作用（杨秋野等，2020）。地下水的地球化学研究对判定地下水的水化学类型、循环深度、水—岩作用强度，以及探讨水体之间的水力关系具有重要作用（张国盟等，2015；胡小静等，2020；盛艳蕊等，2020）。利用地下水氢、氧同位素的变化特征可判断地下水水—岩作用和混合作用强度，以进一步推断水位异常的影响因素及区域构造活动情况（Claesson et al，2004，2007）。根据地震前后氢、氧同位素的变化特征，可较好地识别地下水成分改变与区域构造活动间的关系（Skelton et al，2014）。因此，利用化学元素、同位素开展地下流体的示踪和分析，对于判定水位异常、震前跟踪分析及预测区域构造活动情况具有重要作用。

2018 年地球化学背景调查时，曾对昆明基准地震台流体观测井（以下简称昆明台井），作过井水化学测试工作。该井北约80 m 处有一渔塘，渔塘面积800 m2，平均深度5 m，总容积约4 000 m3。全年蓄水，但有季节性变化。本文以水化学分析为手段，结合水文地质、构造地质等基础资料，对昆明台井地下水的地球化学特征进行研究，探究昆明台井地下水地球化学时空变化过程，明确地下水补给来源，以及昆明台井与昆明台渔塘之间的水力关系，以期为昆明台井地下水地震观测提供理论依据。

1 昆明台井水文地质概况

昆明基准地震台位于昆明市北部约13 km 处，所在地区断裂构造发育，台站东、西两端有近SN 向断层不连续分布，台站北侧有近EW 向断层分布，连续出露约62 m。其中，台站北侧断层为右旋走滑断层，两侧岩石破裂宽度约15 m，北盘为灰岩，走向N250°E，倾向SE，倾角350°；南盘为玄武岩，断层走向近EW，倾向N。昆明台井位于昆明基准地震台西侧约40 m 处，黑龙潭北侧冲沟东部，高程1 975 m，地处滇东断裂系NS 向黑龙潭—官渡断裂上[图1（a）]。井深280.20 m，在0—199.00 m 孔段进行了永久性井壁保护，井内59.00 m 处作永久性止水，199.00—249.00 m 为滤水管，249.00—280.20 m 以下为裸孔[图1（b）]。地下水为岩溶裂隙承压水，隔水层为玄武岩，含水层为二叠系茅口组、栖覆组白云质灰岩。昆明台井于2004 年6 月成井，2006 年用于流体观测。水温一般为17.79—17.97 ℃，温度变化较小，10 月温度最高，达17.96 ℃，3 月温度最低，为17.81 ℃。水位为18.12—27.88 m（图2），变化较大，9—10 月水位埋深较浅，水位高，均值22.41 m；3—4 月水位埋深较深，水位低，为27.13 m。

图1 采样点分布示意图（a）和昆明台井孔柱状图（b）Fig.1 The Sketch map of sampling point distribution (a) and column chart of well bore of Kunming Seismic Station well (b)

图2 昆明地震台静水位（a）、降水量（b）Fig.2 The dynamic curve of well water level (a) and precipitation (b)

2 取样与测试结果

2020 年11 月23 日对黑龙潭地区昆明台井、昆明台渔塘共2 个水体点进行了样品采集，采样点空间分布如图1（a）所示。先用取样器放入水下3 m 处取水，将水装于100 mL 的聚乙烯塑料瓶。取样前塑料瓶已用超净水清洗，装样时再用所采水样冲洗3 次，为了避免水中元素沉淀或氧化，还需将瓶内空气排净，然后密封保存。将2018 年水化学背景监测水样样品编号为KMT1，将2020 年11 月23 日昆明台井水（地下水）、渔塘水（地表水）两水体采集水样编号为KMT2、KMT3。3 个水样的水质分析和同位素测试委托国家自然灾害防治研究院地壳动力学重点实验室负责完成，具体测试结果见表1。

表1 昆明台井及渔塘水样化学分析结果Table 1 The chemical composition of water samples in Kunming Seismic Station well and fish pond

3 水化学特征及分析

根据2 个水体的现场测试结果（表1）可知，昆明台井地下水pH 值为8.38，渔塘水pH值为8.90，均为碱性水。昆明台井水和渔塘水的氧化还原电位分别为94 mV、129 mV，电导率分别为212 μs/cm、158 μs/cm，表明2 个水体水化学成分有一定差异。

3.1 水质类型

昆明台井地下水含水层岩性为溶蚀孔较发育的云质灰岩，地下水在渗流过程中会不断地与围岩介质发生水岩相互作用，使得地下水中的化学成分出现差异性（张洪志等，2015）。白云质灰岩的矿物成分阳离子组分主要为Ca2+、Mg2+离子，随着水—岩作用的进行，Ca2+、Mg2+从岩石中析出，改变了地下水阳离子组成。昆明台井隔水层为二叠系玄武岩，该岩石富含铁镁质硅酸盐矿物，在近地表常温、常压条件下不稳定，容易与地下水发生化学反应，析出Fe2+、Mg2+、Ca2+、Na+、K+。昆明台井地下水阳离子以Mg2+、Ca2+、Na+、K+为主，可见含水层岩性、隔水层岩性是控制昆明台井地下水水化学类型的主要因素之一。

图3 昆明地震台井和鱼塘水piper 三线图（a）和schoeller 图（b）Fig.3 The piper diagram (a) and schoeller diagram (b) of water in Kunming Seismic Station well and fish pond

3.2 水化学组分演化特征及分析

图4 距昆明地震台井50 km 范围内ML ≥2.0 地震M—t图Fig.4 TheM-tdiagram of earthquakes withML ≥2.0 in the 50 km range of Kunming Seismic Station well

3.3 水—岩化学平衡特征及分析

Na—K—Mg 三角图解能很好评价水—岩化学平衡状态，区分不同类型水样及判断地下水循环深度（胡小静等，2020）。将2018 年、2020 年昆明台井水和渔塘水的水样数据绘制成Na—K—Mg 三角图[图5（a）]。由图5（a）可见，昆明台井2018 年、2020 年水样点及渔塘水样点均位于未成熟水区域，处在 Mg 端元，表明井水、渔塘水的循环周期较快，水—岩作用较弱，尚未达到离子平衡状态，溶解作用依旧在进行。

3.4 氢、氧同位素特征及分析

Graig（1961）提出全球大气降水线，其降水方程为

其中，δD 为氢同位素实测比值；δ18O 为氧同位素实测比值。式（1）的提出有利于氢、氧同位素水循环研究的示踪，可根据δD 和δ18O 的含量和分布特征来分析地下水的补给来源。朱秀勤等（2013）计算出了昆明地区的大气降水线，其降水方程为

本研究依据式（1）、（2）为基线，对井水、渔塘水的氢、氧同位素作了投点，最终得到各水体的氢、氧同位素关系[图5（b）]，该结果可以用来说明各个样品的来源及其相互转化关系。昆明台井水和渔塘水的氢、氧同位素特征差别较大，但都靠近区域大气降水线，表明同为大气降水补给。昆明地震台渔塘水δD、δ18O 浓度显著大于井水相应值，这主要是与渔塘水作为地表水经历了较强的蒸发作用有关（张磊等，2016），同时也说明，昆明台井地下水存在其他来源的地表水补给。由图5（b）可见，2020 年昆明台井水与2018 年相比，向右上方偏移，氢、氧同位素富集，原因可能是自2018 年7 月至2020 年11 月水—岩作用增强。结合考虑昆明台井地下水离子组分演化特征及其与渔塘水离子组成的较大差异认为，氢、氧同位素富集主要原因应是水—岩作用增强。

图5 昆明地震台井及渔塘水水化学Na—K—Mg 三角图（a）和氢、氧同位素组成（b）Fig.5 The trigonometry map of hydrochemistry of Na-K-Mg (a) and the composition of hydrogen and oxygen Isotopes (b) in well water and fish pond water of Kunming Seismic Station

3.5 井水补给高程

已有研究表明，δD、δ18O 具有高程效应，即δD、δ18O 会随高程的增加而降低（盛艳蕊等，2020），利用该原理可计算出昆明台井水的补给高度。昆明台井水补给区的确定有利于分析区域降雨对井水位变化的影响。根据同位素效应计算补给区的公式为（李学礼等，2010）

其中，H为补给区高程；h为取样层高程；δs 为所取水样的δD 或δ18O 值；δp 为所取水样点附近大气降水的δD 或δ18O 值。据已有资料，δD 值取-54.209‰，δ18O 值取-7.763‰（朱秀勤等，2013）；K为同位素高度梯度。取δ18O 随高程的变化梯度-0.276‰/100 m（柳鉴容等，2009），计算出昆明台井水的补给高程为1 965 m，根据黑龙潭地区的地形地貌及高程特征，确定补给区为观测井正北的石关一带。

3.6 观测井与昆明台渔塘之间的水力关系

如上所述，昆明台渔塘水和观测井水的水化学组分相似，化学类型和水岩作用强度相似，表明二者水体成因相似，加之二者都处在区域降水线下方，补给来源都为大气降水，井水和渔塘水之间可能存在水力关系。图6 为2020 年昆明地震台渔塘水位、井水位、降雨量。由图6 可见，降雨过后二者水位曲线都呈现先增加、后减少的趋势，其不同点在于渔塘水作为地表水对降雨量的效应出现较快，而井水对降雨量导致的水位上升效应较滞后。但整体上来看，二者水位相关性较好，这间接说明井水、渔塘水间存在水力关系。据图1（b）可知，观测井与渔塘都位于黑龙潭—官渡断裂上，故推测渔塘水是通过断层通道缓慢运移、压力传导、渗透等因素影响井水位而非直接的水力贯通。因此，渔塘水对昆明地震台流体观测井有一定程度的影响，后期抽水时可能会引起井水位下降，在后续分析中应考虑进去。但考虑到二者氢、氧同位素组成差异较大的缘故，可以判定渔塘水不是影响井水的主要因素。

图6 2020 年昆明地震台静水位（a）、渔塘水位（b）、降水量（c）Fig.6 The diagram of dynamic curve of well water level (a),fish pond water level (b) and precipitation (c)

4 结论

通过对昆明台井水、渔塘水地球化学特征及氢、氧同位素组成的研究，得出如下结论。

（2）离子组分特征演化结果表明，研究区构造活动平稳，因含水层渗透性增强和人为干扰，自2018 年7 月至2020 年11 月昆明台井水—岩作用有所增强，具体表现为δD、δ18O 富集、Mg2+浓度升高。

（3）根据氧同位素高程效应及其与渔塘水离子、氢氧同位素组成的差异可知，昆明台井水主要补给来源为大气降水，补给区主要为台站正北的石关一带，渔塘水与昆明台井地下水间存在水力关系，但渔塘水不是影响井水的主要因素。

（4）Na—K—Mg 三角图显示昆明台井水为未成熟水，地下水处于演化的初始阶段。