盐源县龙洞河水位异常的分析和判定

蒋 川，陈碧洪，马付红

（四川省地震局西昌地震监测中心站，四川 西昌 615022）

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、赋存于地壳岩体空隙中的水、气、油等物质。人们把地下流体的异常变化作为地震前兆来研究，起源于强震前出现的井水位变化、冒泡、变色、变味等宏观现象的认识（郭增建，1964）。多年观测实践及研究证明，中强地震发生前震区部分观测井会出现明显的地下水异常变化，这主要是由于在区域应力作用下，地壳介质受到力的作用发生形变破坏时，介质中的流体在动力作用、热力作用和化学作用下发生动态变化（孙小龙，2016）。水位观测是地下流体观测的手段之一，1966～2006年的《中国震例》中，有水位前兆异常的共有100个震例，占统计震例的41.7%。100个震例中，共有283项水位异常，平均每个震例有2.83项异常（李利波等，2016）。水位异常也发挥着重要作用，如海城地震前，在海城地震震中半径250 km范围内的25个县、市，共测得118口井水位有异常表现（马宗晋等，2008）。然而并非所有的水位异常均是地震前兆异常，原因在于很多因素均可引起异常变化，如构造活动、降雨、放炮采矿、钻井抽水、水库蓄放水等。如何在各种因素共同作用下准确识别地震前兆信息，排除各种干扰做出准确的判定，是目前地震监测预报亟需解决的重要问题。2019年12月10日盐源县龙洞河地下水位发生异常，短时间内蓄水区水位急剧下降，这是该点被设立为地震观测点以来首次观测到的现象。本文针对盐源县龙洞河地下水位异常的现象，对近2年来的连续跟踪观察结果和收集到的数据资料进行综合分析，寻找异常发生的原因，进而为本地区今后的前兆观测及地下水异常分析判定提供参考。

1 区域地质构造概况

龙洞河位于川滇菱形块体内、丽江—小金河断裂带的中段偏南的位置。丽江—小金河断裂带是川滇菱形块体内部的一条NE向活动构造带，断裂全长360 km，它将川滇菱形块体斜切为川西北和滇中2个次级块体，是龙门山—锦屏山—玉龙雪山中新生代推覆构造带西南段基础上形成的一条活动断裂带（邓起东等，2002；向宏发等，2002），从全新世至今一直具有较强的活动性（徐锡伟等，2003；季灵运等，2015）。丽江—小金河断裂及其次级宁蒗断裂、甲米断裂历史上地震频发，统计龙洞河异常点50 km以内地震，发生5级以上地震17次，最大一次为1976年11月6日发生的6.7级地震，最晚为2001年5月23日发生的6级地震。李宁等（2018）采用DEFNODE负位错反演程序计算了丽江—小金河断裂带的断层闭锁程度和滑动亏损速率特征，结合小震精定位结果分析了该断裂带的强震危险性，结果表明丽江—小金河断裂的南段－中段南部具有发生较大地震的潜在危险性。可见异常区域既具有中强地震活动的构造背景，又有发生较大地震的风险，因此异常的跟踪分析尤为重要。

2 异常概况

2.1 异常点及周边概况

盐源县棉桠乡核桃园村龙洞河宏观异常观测点分蓄水区和排泄区，蓄水区为一水坝所围限的出水坑，地下水通过蓄水区底部的入水口进入蓄水区，入水口为一直径约1 m的圆形洞口，2004年枯水期当地人员曾深入洞口约500 m，发现内部有暗河，蓄水区在蓄满水后自然溢出，通过外围的水坝向外排泄（图1b）。

图1 异常点示意图

异常区内主要出露地层为：（1）第三系昔格达组（N2x）为粉砂岩、粘土岩、砂砾岩夹褐煤层，浅层水泉流量0.02～0.32 L／s，最大23 L／s；（2）三叠系白山组（T2b）为灰岩、白云质灰岩，组内岩溶发育，岩溶泉流量50～40 L／s，局部发育岩溶大泉流量超6000 L／s；（3）三叠系盐塘组（T2y）为一套浅海相或封闭海湾的碳酸岩沉积，岩性为粉砂岩、砂岩夹泥质灰岩、泥灰岩，含石膏层，赋存岩溶水，溶洞暗河强烈发育，大泉暗河流量100～1000 L／s，大者达6830 L／s①资料来源：四川省地质局第一区域地质测量队二分队.1971.区域地质测量报告（盐源幅G－47－VI），未公开出版.。异常点旁的陡壁（图1a）上的基岩剖面（图2）可见灰岩、泥灰岩出露。

图2 异常点附近基岩出露情况

2.2 异常特征

2019年12月10日异常点外围水坝断流（图3），蓄水区的水位开始急剧下降，12月14日水位下降约6 m（图4），此后水位不断下降，直到2020年2月5日蓄水区入水口已干涸。而异常发生之前，异常点蓄水位偶尔会下降，但一般下降20～30 cm后就会恢复。

图3 异常发生前、后的水坝溢水情况对比

图4 蓄水区水位变化对比

3 异常点跟踪变化及数据资料分析

3.1 异常点跟踪变化分析

异常点在综合水文地质图上被标识为长观泉点，常年泉水流量变化为0～6327.54 L／s②资料来源：中国人民解放军00九三一部队四中队.1977.综合水文地质图（盐源幅G-47-6），未公开出版.，异常点至少在1977年编制综合水文地质图或更早的野外工作阶段，就出现过断流和恢复外排事件。通过现场调查了解到异常点在2004年之前的丰水期均有水排泄，并在枯水期断流；2019年12月10日异常发生外围水坝立即断流；2020年7月9日外围水坝恢复外排；2020年12月27日外围水坝断流；2021年7月6日外围水坝恢复外排。异常点详细变化情况见表1、图5。

表1 异常点历史变化统计表

通过异常点跟踪变化分析发现2019年异常点出现断流事件并非首次发生，历史上异常点已经出现过多次类似事件。2019年异常发生以来已经出现的2次断流和2次恢复事件（图5），对比异常点历史上已出现的断流和恢复事件并无不同之处，断流时间都在枯水季，恢复外排均在雨季。分析认为这与降雨的周期性变化有关，在某一个较长的时间段内年累计降雨量高于平均水平，异常点补给充足，常年向外排水；而在另一段较长的时间段内年累计降雨量低于平均水平，在每年的枯水季节补给不足出现断流，2019年发生的异常仅是另一个降雨周期的开启。统计发现异常点发生断流的年数远多于不发生断流的年数，发生断流、水位下降事件应属正常，分析认为造成这种“错觉”的原因是异常点于2005年被设立为地震宏观观测点，由专门人员负责观察，而2005年一直到异常发生前均为常年向外排水，2019年首次观测到断流则被视为异常。

图5 异常点变化与降雨对应图

3.2 干海井数据资料分析

干海井观测点位于异常点SEE向约16 km处，井深73.65 m，流量0.132～0.703 L／s，水温15.0～18.5℃，井下38～54.05 m的砂岩段为主要含水层。干海井观测点与异常点下覆地层（图6）为第三系昔格达组（N2x）、三叠系白山组（T2b）、盐塘组（T2y），均为异常区域地下水的出漏点。异常点与干海井观测点之间发育有三叠系盐源—棉垭断裂。由于干海井观测点与异常点同处异常区域，且干海井位于异常点地下水流动方向的下游，干海井的降雨、水化学观测资料能够反应异常区域整体降雨、地下水补给、岩溶变化等特征。

图6 异常点－干海井观测点地质剖面示意图

3.2.1 水化学及氢氧同位素分析

地下水的化学组分和稳定同位素组成可以用于判定其水化类型、水－岩平衡反应特征及其组分来源。Piper图可以判定地下水的类型和地下水的混合作用；Giggenbach图可判定地下水的水岩平衡状态，进一步揭示含水层的深浅部补给关系和地下水系统的开放与封闭程度；Schoeller图形状变化趋势可以判断地下水补给是否具有同一补给来源；氢氧稳定同位素数据与大气降水线之间的关系可研究地下水的运动过程。本文收集了干海井的水化学及氢氧同位素数据（表2）。

表2 干海井水化学及氢氧同位素分析结果

干海井地下水阴离子以HCO－3、Cl－为主，阳离子以Na＋为主，依据舒卡列夫分类法干海井地下水水化类型为HCO3·Cl－Na类型。piper图（图7a）、Schoeller图（图7c）显示前后离子的含量较为接近，说明干海井补给源没有发生明显变化。地下水中Ca2＋、HCO－3来自于地下水流动过程中对灰岩的溶解。较高的Na＋、Cl－可能是由于在地下水流动过程中溶解盐类形成，K＋较低说明本地区沉积岩中含钾盐较低，增加近1倍，分析认为这与下覆地层盐塘组（T2y）中部含有透镜状石膏，底部含有石膏矿有关，15年间含有CO2的地下水不断向深部侵蚀，发生反应：CaCO3＋CO2＋H2O→HCO－3＋Ca2＋，地下水的容纳空间向下扩展，盐塘组中部和底部的石膏溶解在地下水中，同时维持原有地下水水位所需的水源补给更多，这可能是异常发生的一个次要原因。

图7 干海井地下水分析

Giggenbach图（图7b）显示两次采样分析结果几乎重叠，均落在靠近Mg2＋端元部分平衡区域，表明水循环相对较快，水岩之间尚未达到离子平衡状态，水岩作用仍在进行。氢氧同位素测试结果（图7d）位于中国西南地区大气降水线（δD＝7.54δ18O＋4.84）下方附近，分析认为干海井地下受大气降水直接补给，但因发生了部分平衡的水－岩反应，造成该水样轻微偏离中国西南地区大气降水线右侧。

3.2.2 降雨观测资料分析

依据氢氧同位素分析结果，结合其他学者对本地区井水的研究成果（杨耀等，2019）认为异常点地下水补给来源也为大气降水，因此分析降雨数据对查明异常发生的原因十分重要。对干海井所在地区的降雨量进行统计，结果见图8。从该图可以看出：（1）异常点区域降雨具有显著的季节性特征，每年的6～9月为降雨集中的时段，其中7月降雨量最多，11月至次年的4月为少雨时段；（2）异常点区域每年的年累计降雨量并不平均，最小值为2013年的611.6 mm，最大值为2015年的945.4 mm，变异系数为0.166，离散程度较高。发生断流的2019年年累计降雨量（611.7 mm）为近年来的次低水平，降雨量明显偏少。

图8 2012～2020年盐源地区年降雨量和月均降雨量（中国气象局公共气象服务中心，2021）

4 结论

（1）跟踪调查情况表明2019年12月10日盐源县龙洞河地下水位异常并不是首次发生，异常发生以来相继出现的断流和恢复外排的事件与降雨的对应关系明确，具有显著的相关性，认为异常的发生只是一个新的降雨周期（枯水周期）的开启。（2）依据水化学和氢氧同位素分析情况，认为异常地区地下水直接受降雨补给，地下水循环相对较快，发生了一定程度的水岩反应，使氢氧同位素轻微偏离西南地区降水线。显著增加原因是溶解了盐塘组中部、底部的石膏矿，认为异常区岩溶系统在不断向下发育，地下水的容纳空间也在向深部扩展，维持原有地下水位所需的水源补给将更多，这是异常发生的次要原因。（3）异常区域近年来降雨量低于年平均降雨水平，且季节性特征十分明显。综合分析认为近年来的降雨量偏低使地下水补给总体偏少是发生异常的基础，季节性的补给不足是异常发生的主要原因。

由于数据有限，仅使用干海井单点的数据进行研究，在今后的前兆观测及异常核实工作中需要收集丰富数据以进一步夯实研究成果。

致谢：梁明剑、李晨桦高工对本文的写作给予了指导帮助；中国地震台网中心，国家地震科学数据中心（http：／／data.earthquake.cn）提供了数据支撑，在这里一并致谢！