沈 平，田優(yōu)平，鄭博文，姚海東

(湖南省地震局，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

地下水位對(duì)地殼介質(zhì)應(yīng)力應(yīng)變反映靈敏，一直以來(lái)是地震地下流體觀測(cè)的重要手段之一。地下水位的動(dòng)態(tài)特征能夠直接或間接地反映地震活動(dòng)的發(fā)展過(guò)程，但并不是所有的水位變化都與地震有關(guān)[1-2]。因此，當(dāng)監(jiān)測(cè)到的地下水位數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)有別于正常動(dòng)態(tài)的異常變化時(shí)，必須及時(shí)、認(rèn)真地進(jìn)行異常核實(shí)，從而對(duì)異常性質(zhì)進(jìn)行準(zhǔn)確判定。許多學(xué)者在水位異常識(shí)別方面做了大量工作，有的經(jīng)過(guò)核實(shí)，確定為干擾異常，有的則提取了到地震前兆異常[3-6]。地下水位觀測(cè)資料所受干擾較多，異常成因較為復(fù)雜，所以準(zhǔn)確地排除干擾因素對(duì)于成功判定地震前兆異常至關(guān)重要。

本文針對(duì)湘陰井水位在2019年8月出現(xiàn)的大幅下降異常變化，從觀測(cè)儀器自身到環(huán)境干擾因素進(jìn)行系統(tǒng)分析，以及對(duì)觀測(cè)井的水樣進(jìn)行氫氧同位素和水質(zhì)成分分析，找到此次水位大幅異常變化的主要原因，為地震地下流體分析預(yù)測(cè)工作提供一些參考。

1 觀測(cè)井概況

湖南湘陰井位于洞庭湖坳陷的中心地區(qū)，即上迭于江南地軸之上的一個(gè)中新生代坳陷盆地，區(qū)內(nèi)褶皺斷裂較發(fā)育。較近的斷層有北面幸福港斷裂及湘陰-岳陽(yáng)斷裂，其中湘陰-岳陽(yáng)斷裂從湘陰縣城通過(guò)。區(qū)內(nèi)氣候?qū)俅箨懶詠啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，雨量充沛，四季分明，仲夏多雨易澇，夏末秋初多旱。

湘陰井水位始測(cè)時(shí)間是2014年1月，類型為靜水位。根據(jù)湘陰井觀測(cè)孔報(bào)告，鉆孔終孔后，采用抽水量4.5 t/h開(kāi)采用水泵進(jìn)行了抽水試驗(yàn)，其泵頭下至70 m處進(jìn)行抽水，連續(xù)抽水2 h水位穩(wěn)定在60.75 m處，此時(shí)每分鐘出水2.75 kg，由此推算，該井日出水量約為4 t，故本孔存在裂隙水，但水量較小。同時(shí)，隨氣候環(huán)境變化井孔內(nèi)水量可能受到一定影響。

2 觀測(cè)資料異常變化

湘陰井水位自觀測(cè)以來(lái)在每年夏季會(huì)有小幅上升，但在2018年夏季水位總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，出現(xiàn)破年變。自2019年7月中旬起，湘陰井水位開(kāi)始大幅下降，截至9月2日，下降幅度共約3.6 m，達(dá)到自2014年1月開(kāi)始觀測(cè)以來(lái)的最低水位，下降幅度也是自觀測(cè)以來(lái)的單次最大幅度(圖1)。湘陰井水溫在此期間沒(méi)有出現(xiàn)異常變化。

圖1 湘陰井水位快速下降異常變化曲線

3 異常排查及成因分析

3.1 儀器因素排查

對(duì)儀器工作狀態(tài)、供電、避雷、數(shù)據(jù)采集、井口裝置、探頭電纜固定裝置等進(jìn)行了檢查，均為正常。進(jìn)行了人工水位校測(cè)，兩次校測(cè)結(jié)果均符合規(guī)范要求，說(shuō)明儀器工作狀態(tài)正常。

3.2 環(huán)境因素排查

3.2.1 氣象因素影響分析

從湘陰臺(tái)的輔助觀測(cè)儀器監(jiān)測(cè)到的氣壓、氣溫?cái)?shù)據(jù)與水位的對(duì)比曲線來(lái)看，2019年以來(lái)，臺(tái)站的氣溫、氣壓變化較穩(wěn)定，變化形態(tài)與規(guī)律均與往年基本一致，未出現(xiàn)異常變化(圖2)。因此，可以排除氣溫、氣壓對(duì)本次水位異常的干擾。

圖2 湘陰井水位與氣溫氣壓對(duì)比曲線

由于臺(tái)站的雨量計(jì)有故障，因此去湘陰縣氣象局搜集了2014年以來(lái)當(dāng)?shù)氐慕涤炅吭戮?。從圖3可以看出，湘陰井水位與湘陰縣降雨量有一定的相關(guān)性。在往年夏季降雨量增多的時(shí)候，湘陰井水位一般也會(huì)有所上升。但2018年，湘陰縣降雨量較往年明顯減少，湘陰井水位在2018年也出現(xiàn)破年變變化。2019年1-8月，湘陰縣的降雨量進(jìn)一步減少，達(dá)到2014年以來(lái)的極低值，在夏季也沒(méi)有像往年一樣出現(xiàn)明顯的上升現(xiàn)象。與此同時(shí)，湘陰井的水位自2019年5月以來(lái)也一直處于極低水位，特別是7月中旬以來(lái)快速下降，達(dá)到自觀測(cè)以來(lái)的極低值。

圖3 湘陰井水位與降雨量對(duì)比曲線

3.2.2 湘江水位影響分析

在湘陰井西部約3km處有一條從南往北的湘江流過(guò)。據(jù)調(diào)查，雖然2019年天氣較干旱，但湘江水位相比于往年并沒(méi)有偏低，因?yàn)楹勇┞冻霾糠譀](méi)有往年多。因此去湘陰縣水文局搜集了2014年以來(lái)湘江水位的資料。從湘陰井水位與湘江水位的日均值對(duì)比圖可以看出，除了2018年之外，在每年夏季湘江水位下降最快的時(shí)段也正是湘陰井水位下降最快的時(shí)段(圖4)。2019年7月以來(lái)，湘江水位再次出現(xiàn)明顯下降，與湘陰井水位開(kāi)始下降的時(shí)間基本同步。但與前幾次相比，此次湘陰井水位下降幅度明顯要大。另外值得注意的是，2018年是近6年以來(lái)湘江水位最低的年份，湘陰井水位也是在2018年開(kāi)始發(fā)生破年變，沒(méi)有出現(xiàn)往年“夏高冬低”的年動(dòng)態(tài)變化。

圖4 湘陰井水位與湘江水位對(duì)比曲線

3.2.3 周邊施工作業(yè)影響分析

2019年8月，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查時(shí)，湘陰井周邊有4個(gè)房地產(chǎn)項(xiàng)目在建，4個(gè)工地與湘陰井的具體位置如圖5所示。1號(hào)工地位于湘陰井西南邊，直線距離約330 m。據(jù)工人介紹，此工地是一個(gè)老舊工地，最早是在3年前進(jìn)行樁基施工的，目前地下室一層主體已基本建好，但已于2019年7月初停工至現(xiàn)在。 2號(hào)、3號(hào)工地位于湘陰井東南方向，直線距離約930 m，兩個(gè)工地只相隔一條馬路。據(jù)調(diào)查，2號(hào)工地是在2019年5月份進(jìn)行樁基施工，當(dāng)時(shí)已建至地上兩層。此工地建筑面積共4 688 m2，一共打了約1 000根60 cm粗的AB樁，絕大部分只打了9 m多深，15 m深的樁只有極少數(shù)。3號(hào)工地是在2018年12月份進(jìn)行樁基施工，當(dāng)時(shí)已建至地上兩層。4號(hào)工地位于湘陰井的東邊約250 m，當(dāng)時(shí)工地處于停工狀態(tài)。據(jù)調(diào)查，4號(hào)工地內(nèi)存在2個(gè)池塘，一個(gè)位于工地西邊，另一個(gè)位于工地東邊，均在2019年4月份進(jìn)行了回填，回填之前池塘內(nèi)積水較少。西邊池塘回填了2000 m3多土方，回填深度約1.1 m，東邊池塘回填了1 000 m3多土方，回填深度最深約0.6 m。池塘回填之后進(jìn)行了簡(jiǎn)單壓平，后在2019年8月20日左右打了3根20多米的試驗(yàn)樁。

圖5 湘陰井周邊工地位置示意圖

3.3 水化學(xué)實(shí)驗(yàn)分析

為確認(rèn)湘陰井和湘江水之間有無(wú)相關(guān)性，取二者水樣進(jìn)行水質(zhì)成分和氫氧同位素分析。

3.3.1 水質(zhì)類型分析

根據(jù)舒卡列夫分類，各個(gè)點(diǎn)在piper圖上的位置可以劃分水質(zhì)類型。湘陰井和湘江水水樣水質(zhì)類型分析結(jié)果見(jiàn)圖 6。二者水質(zhì)類型一致，均為重碳酸型水，代表典型的大氣水與巖石之間的第一階段反應(yīng)，反映了淺層的水文循環(huán)特征，缺乏深部的物質(zhì)來(lái)源。2個(gè)水樣離子濃度的相對(duì)含量分布集中，含量接近。

圖6 水化學(xué)類型piper圖 圖7 Na-K-Mg三角圖

3.3.2 水-巖化學(xué)平衡反應(yīng)特征分析

Na-K-Mg三角圖被用來(lái)評(píng)價(jià)水-巖平衡狀態(tài)和區(qū)分不同類型的水樣[7]。在湘陰井和湘江水水樣的Na-K-Mg三角圖(圖7)中， 2個(gè)樣品均落在Mg端元附近，為未飽和水，說(shuō)明地下水循環(huán)周期較快，水巖反應(yīng)程度相對(duì)較低，尚未達(dá)到離子平衡狀態(tài)，體現(xiàn)了水樣的大氣降水成因特征。

3.3.3 氫氧同位素特征分析

地下水氫氧同位素組成特征一般利用區(qū)域雨水進(jìn)行對(duì)比分析，能夠有效地識(shí)別地下水的來(lái)源與補(bǔ)給過(guò)程。降水的氫氧同位素組成受緯度效應(yīng)、季節(jié)效應(yīng)、大陸效應(yīng)以及海拔效應(yīng)等的影響，不同地區(qū)不同季節(jié)的大氣雨水線各不相同[7]，本文所用的大氣降水線為全球大氣降水線，其方程為δ2H=8.1δ18O+10，式中δD為氫同位素實(shí)測(cè)比值，δ18O為氧同位素實(shí)測(cè)比值。水樣氫氧同位素組成與大氣降水線對(duì)比如圖8，其中藍(lán)線為中國(guó)大氣降水線。結(jié)果顯示，2個(gè)水樣氫氧同位素比值均在全球大氣降水線附近，水樣主要為大氣降雨成因，即主要接受大氣降雨補(bǔ)給。

圖8 水樣氫氧同位素與大氣降水線

由以上分析可知，湘陰井和湘江水水質(zhì)類型一致，均為大氣成因水，水-巖反應(yīng)程度較弱，尚未達(dá)到離子平衡狀態(tài)，地下水循環(huán)循環(huán)周期快，溶解作用仍在進(jìn)行，無(wú)深部物質(zhì)來(lái)源。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)檢查湘陰井的觀測(cè)系統(tǒng)、排查其觀測(cè)環(huán)境，包括對(duì)溫度、氣壓、降雨量、湘江水位以及周邊施工作業(yè)等的排查，并對(duì)湘陰井和湘江水的水樣進(jìn)行水質(zhì)成分和氫氧同位素分析， 認(rèn)為：

(1)通過(guò)對(duì)湘陰井井口以上水位觀測(cè)系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、避雷設(shè)備進(jìn)行檢查，均工作正常，且水位校測(cè)正常，因此，此次湘陰井水位的大幅下降與儀器故障無(wú)關(guān)。

(2)通過(guò)分析湘陰井水位與湘陰縣降雨量的關(guān)系，認(rèn)為二者之間存在一定的相關(guān)性，湘陰井水位的大幅下降變化與2019年以來(lái)當(dāng)?shù)亟涤炅棵黠@減少有一定的關(guān)系。

(3)通過(guò)分析湘陰井水位與湘江水位的關(guān)系，認(rèn)為湘陰井水位的變化與湘江水位變化具有一定的同步性。每年湘江水位下降最快的時(shí)段也是湘陰井水位下降最快的時(shí)段，而2019年7月以來(lái)正是湘江水位迅速下降的時(shí)段。因此，湘陰井水位此次大幅下降也受到湘江水位下降的影響。

(4)通過(guò)水化學(xué)實(shí)驗(yàn)分析，認(rèn)為湘陰井和湘江水均為大氣成因水和未成熟水，主要受大氣降雨補(bǔ)給，無(wú)深部物質(zhì)來(lái)源。

(5)通過(guò)調(diào)查湘陰井附近的工地施工情況，4號(hào)工地位于湘陰井的正東邊，離湘陰井最近，且在2019年4月底回填了兩個(gè)池塘，回填之前有抽水，回填之后進(jìn)行了壓實(shí)，分析認(rèn)為湘陰井水位的大幅下降變化受4號(hào)工地施工的影響較大。

綜上所述，湘陰井水位自2019年7月中旬出現(xiàn)的大幅下降變化不是地震前兆異常，此變化可能是在當(dāng)時(shí)湘陰縣降雨量明顯減少且湘江水位降低的情況下，附近工地施工引起的水位下降。