孫召華 謝健健 侯博文 王恒業(yè) 謝佳興 王世昌

（中國鄭州 450016 河南省地震局）

0 引言

有實驗證明，氡反應(yīng)靈敏，當?shù)叵聭?yīng)力發(fā)生變化時，容易從其賦存的介質(zhì)中逃逸出來，導(dǎo)致地下水中氡的濃度出現(xiàn)不同程度的變化，具有較強的映震效能。在我國地震地下流體觀測中，水氡觀測成為一個重要測項，且開展的相關(guān)研究較多，如：車用太等（1997）提出水氡異常的水動力學(xué)機制；劉耀煒等（2006）回顧了我國地震地下流體學(xué)科40 年觀測研究發(fā)展的歷史，并給出幾次地震預(yù)報成功實例；楊興悅等（2011）采用從屬函數(shù)、變差率、趨勢速率3 種數(shù)學(xué)方法，分析甘肅東南部水氡異常特征與地震的關(guān)系；Ren 等（2012）描述了氡氣和水氡的震后效應(yīng)；葉青等（2015）發(fā)現(xiàn)，在汶川地震和蘆山地震震中附近，水氡與水位分別呈正相關(guān)和負相關(guān)關(guān)系。

地下水中的同位素和水化學(xué)組分攜帶著地下水來源、含水層間相互作用的重要信息。將水化學(xué)和物理方法相結(jié)合，有利于提高地震觀測井—含水層系統(tǒng)水動力過程分析的準確性和可靠性，可為判定與識別異常提供一種可靠的技術(shù)途徑。相關(guān)研究有：杜建國等（2003）認為，同位素地球化學(xué)可以用來判定流體來源，識別流體異常；蘇小四等（2009）應(yīng)用水化學(xué)和同位素技術(shù)相結(jié)合的方法，分析了馬蓮河河水與地下水的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系；張磊等（2014）分析了蘇18 井水位異常與高郵地震的關(guān)系；張國盟等（2015）指出，利用水化學(xué)、同位素、地下水年齡等手段，能給出地下水性質(zhì)的實際觀測值，定量指示流體來源及經(jīng)歷的地質(zhì)過程；方震等（2016）利用水化學(xué)和物理相結(jié)合的方法，對皖27 井地下水動態(tài)變化成因及開采干擾進行了分析；盛艷蕊等（2020）根據(jù)河北何家莊流體觀測井氫氧同位素和離子化學(xué)組分測試結(jié)果，分析了該井的地球化學(xué)特征及與構(gòu)造活動的關(guān)系。

洛陽地震臺（下文簡稱洛陽臺）水氡觀測數(shù)據(jù)多年來連續(xù)穩(wěn)定、可靠，2015—2020 年記錄到多次大幅波動異常變化，該異常為區(qū)域構(gòu)造活動的表現(xiàn)亦或是干擾異常，對科學(xué)研判該地區(qū)震情形勢具有重要意義。本文利用多次異常核實結(jié)果，梳理洛陽臺觀測井周邊觀測環(huán)境，分析地下水化學(xué)特征及其與周圍水體的水力聯(lián)系等，研究該臺水氡異常變化成因。

1 洛陽臺水氡觀測概況

洛陽臺位于河南省洛陽市南郊龍門鎮(zhèn)魏灣村，位于斷裂的破碎邊緣。臺站以東分布伊河斷裂、登封—龍門斷層，登封—龍門斷層向西南傾伏，被分為2 個幾乎平行的二級斷層，即魏灣斷層和草店斷裂，臺站靠近草店斷裂，基巖為寒武系中統(tǒng)石灰?guī)r，含水層為寒武系灰?guī)r，地下水類型為HCO3-Ca 型，屬巖溶裂隙水（孫召華等，2017）。洛陽臺觀測井深約104 m，水位8—10 m，套管深度20 m，20 m 以下為裸孔，其中，1—5.36 m 為亞粘土，5.36—10.40 m為砂卵石，10.40—38.35 m為石灰?guī)r，動水層在23 m，水氡取水觀測水位在23 m，1—22 m 井孔直徑220 cm，22—82 m 井孔直徑180 cm，82—100 m 井孔直徑150 cm，石灰?guī)r以上使用套管。

洛陽水氡1972 年5 月正式觀測，水樣取自龍門石窟鑼鼓洞內(nèi)泉水，1982 年泉水斷流，水樣取自洛陽臺觀測井（圖1）。由于FD-105K測氡儀故障頻發(fā)，且缺少備機備件，于2015年1 月1 日增加1 套FD-125 氡釷分析儀，其各項檢測符合要求，原FD-105K 測氡儀永久停測，觀測人員按時對儀器進行檢查和標定，除抽水泵損壞、儀器故障外，數(shù)據(jù)質(zhì)量基本穩(wěn)定，觀測質(zhì)量評比合格，測值可靠。

圖1 水氡觀測井示意Fig.1 The schematic diagram of the water radon well

2 水氡觀測數(shù)據(jù)變化

2015—2020 年洛陽臺水氡測值出現(xiàn)多次大幅波動變化（圖2），根據(jù)多次異常核實結(jié)果，將水氡變化劃分為2015 年、2016 年1—7 月、2016 年8 月—2017 年、2018—2020 年4 個階段。

圖2 洛陽臺水氡和水溫、水位、降雨量五日均值觀測曲線（2015—2020 年）Fig.2 Five-day average curves of water radon,water temperature,water level,and rainfall at Luoyang Seismic Station from 2015 to 2020

階段Ⅰ：研究時段為2015 年全年，氡值觀測曲線整體呈上升變化。8—11 月，氡值由64 Bq/L 上升到80.6 Bq/L，上升幅度16.6 Bq/L，全年變化幅度為31 Bq/L，水位、水溫呈下降—上升—平穩(wěn)—下降變化，且水位年變化幅度為1.8 m，水溫觀測值全年夏高冬低，年變化幅度為2.8 ℃。

階段Ⅱ：研究時段為2016 年1—7 月，氡值觀測曲線呈下降—上升—下降變化。當年1—3 月，水氡處于高值狀態(tài)，隨后下降，5—7 月變化頻繁，7 月1 日—16 日降幅最大，由87.8 Bq/L 下降至52.6 Bq/L，幅度達35.2 Bq/L，時段內(nèi)氡值變化幅度為41 Bq/L。水溫曲線呈上升—下降—上升形態(tài)變化，變化幅度2.8 ℃；水位曲線呈下降—緩慢上升變化形態(tài)，特別指出，5 月10 日—18 日水位降幅最大，由9.7 m 下降至14.7 m，降幅達5 m。

階段Ⅲ ：研究時段為2016 年8 月至2017 年全年，水氡觀測曲線變化形態(tài)顯示氡值整體下降，變化幅度為14 Bq/L，水位和水溫觀測曲線整體上升，變化幅度分別為1.2 m、1.9 ℃。

階段Ⅳ：研究時段為2018—2020 年，水氡觀測曲線呈上升—平穩(wěn)變化趨勢。在2018 年1—5 月，氡值加速上升，由52.3 Bq/L 上升到74.3 Bq/L，幅度達22 Bq/L，此后變化總體平穩(wěn)；水溫、水位變化形態(tài)均表現(xiàn)為下降—平穩(wěn)變化，其中水溫變化幅度為2.1 ℃，水位變化幅度1.6 m。水溫年變化形態(tài)表現(xiàn)為下降—上升—下降，觀測值呈明顯的“夏高冬低”態(tài)勢，時段內(nèi)變化幅度為2.9 ℃；水位曲線變化總體呈平穩(wěn)趨勢，變化幅度為1.2 m。

選取2015—2020 年水位、水溫及氡值五日均值數(shù)據(jù)，計算水氡與二者的相關(guān)系數(shù)，其中水溫和水位與氡值均呈負相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為-0.66、-0.44，表明洛陽臺水溫變化對氡值的影響程度較水位高。

3 水氡異常分析

針對水氡的異常變化特征，結(jié)合異常核實工作經(jīng)驗，就儀器觀測條件、周邊觀測環(huán)境變化（龍門煤礦抽排水、伊河水位變化）、水化學(xué)方法、降雨等進行深入研究。

3.1 儀器觀測條件調(diào)查

FD-125 氡釷分析儀工作參數(shù)正常，人員操作熟練，嚴格按照規(guī)范進行觀測，可排除因儀器問題導(dǎo)致的水氡測值變化。觀測日志顯示，2015 年8 月25 日洛陽臺觀測井抽水泵（功率3.8 kW）發(fā)生故障，水泵（功率5.5 kW）更換后，抽水時間由40 min 縮短到30 min，水泵更換時間與水氡測值上升時間一致，推測氡值升高是由水泵抽水時間及抽水量變化造成（圖2，階段Ⅰ）。

3.2 觀測環(huán)境變化分析

3.2.1 龍門煤礦透水對水氡觀測的影響。龍門煤礦距洛陽臺觀測井5 km，該煤礦自1976年10 月開挖以來，多次發(fā)生透水事件，造成區(qū)域水位持續(xù)下降，煤礦透水點封堵成功后，水位上升（謝佳興等，2020）。2016 年5 月11 日該煤礦礦井發(fā)生透水事故，洛陽臺觀測井井水位最高下降約10 m，7 月中旬完成透水點封堵，2018 年1 月底煤礦大量疏排水，同樣造成觀測井水位下降、氡值上升現(xiàn)象。

將礦井涌水量與水氡日值數(shù)據(jù)進行對比分析（圖3），計算得到二者相關(guān)系數(shù)為0.71，礦井發(fā)生透水事故后，2016 年5 月11 日涌水量最大，洛陽臺水氡測值由11 日的67.0 Bq/L 上升為12 日的78.4 Bq/L，上升幅度為11.4 Bq/L，可見礦井大量涌水后，觀測井水氡測值上升（圖2，階段Ⅱ、Ⅳ），7 月中旬煤礦封堵透水點成功，氡值下降（圖2，階段Ⅱ）。

圖3 龍門煤礦礦井涌水量與洛陽水氡測值數(shù)據(jù)變化對比曲線Fig.3 Curves of Longmen mine inflow and water radon of Luoyang station

3.2.2 伊河水位變化對水氡的影響。結(jié)合已有研究（翟健等，2014），選取2015年1 月1 日—2020 年12 月31 日伊河水位與洛陽觀測井水氡日值觀測數(shù)據(jù)進行對比分析，結(jié)果見圖4。

圖4 伊河水位與水氡日值對比曲線Fig.4 Curves of water radon and the water level of the Yihe River

計算2015—2020 年7—10 月汛期時伊河水位與水氡日值的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見表1。結(jié)合圖4，由表1 可見，2015 年、2016 年、2018—2020 年伊河水位與觀測井氡值的相關(guān)系數(shù)較低（≤0.2），相關(guān)性差，幾乎不相關(guān)。也就是說，伊河水位總體穩(wěn)定，水位與觀測井水氡測值不相關(guān)。2017 年伊河水位與觀測井水氡日值呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.6，伊河水位上升，則觀測井氡值上升，反之氡值下降，2017 年伊河水位總體呈下降趨勢，氡值緩慢下降（對應(yīng)圖2，階段Ⅲ）。

表1 2015—2020 年汛期伊河水位與觀測井水氡相關(guān)關(guān)系Table 1 Correlations between the water level of the Yihe River and the radon value (2015-2020)

3.3 水化學(xué)因素分析

為明確洛陽觀測井水氡測值變化是否異常變化，于2016 年5 月12 日、2017 年4 月17 日，分別取洛陽觀測井（代碼ly）、魏灣村水井（洛陽臺所在村水井，代碼weiwan）、伊河（代碼yihe）、龍門煤礦礦井水樣（代碼longmen），進行水化學(xué)分析和同位素測試。采樣均使用聚乙烯塑料瓶，為避免樣品污染，采用封口膜密封，確保與空氣隔離。2016 年樣品只進行水化學(xué)項目測試，采用滴定法，分析設(shè)備為ICS-2100 離子色譜儀，由河南煤炭質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心測定；2017 年樣品進行水化學(xué)項目和氫氧穩(wěn)定同位素測試，由核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試中心完成，其中水化學(xué)項目分析設(shè)備為883 Basic IC pluse 離子色譜儀、AT-510 全自動滴定分析儀、ICS-1100 離子色譜儀；氫氧同位素（δ18O 和δ2H）測試則采用二氧化碳—水平衡法和鋅還原法測定，分析設(shè)備為MAT-253，測試精度分別為±0.2‰和±1‰。2 次取樣測試結(jié)果見表2、表3。

表2 2016 年5 月水質(zhì)分析結(jié)果（單位：mg·L-1）Table 2 Results of water quality in May 2016 (Unit:mg·L-1)

表3 2017 年4 月水質(zhì)分析結(jié)果（單位：mg·L-1）Table 3 Results of water quality in April 2017 (Unit:mg·L-1)

（1）水質(zhì)分析。對洛陽觀測井、魏灣村水井、伊河、龍門煤礦礦井水樣進行水質(zhì)測試，繪制水樣piper 三線圖，見圖5，可見2016 年龍門煤礦礦井、魏灣村水井、洛陽觀測井地下水水質(zhì)類型一致，均為HCO3-Ca 型，屬于低礦化度的重碳酸根型水，伊河水為HCO3-Na 型，通過對比Cl-、SO42-、、Na++K+、Mg2+、Ca2+濃度數(shù)值，可知2016年洛陽觀測井與龍門煤礦礦井水樣離子含量變化趨勢一致性較好（表2），計算可知二者相關(guān)系數(shù)為0.99，高度相關(guān)，說明2016 年龍門煤礦透水與洛陽水氡變化密切相關(guān)（圖2，階段Ⅱ）；而2017 年相關(guān)系數(shù)為0.38，離子含量不相關(guān)（表3），且觀測井含量較2016年大幅減少，推測因2016 年煤礦透水，富含硫的地下水涌入觀測井，使得該離子濃度升高。

圖5 水樣piper 三線圖（a）2016 年；（b）2017 年Fig.5 Piper trilinear diagram of the water samples

（2）水—巖化學(xué)平衡特征。Na-K-Mg 三角圖解（圖6）用于評價水—巖平衡狀態(tài)和區(qū)分不同類型的水樣（Giggenbach et al，1988；張磊等，2014；方震等，2016），樣品均落在Mg端元附近，為“未成熟水區(qū)域”，表明洛陽臺觀測井井水為淺層地下水，主要受大氣降水補給，循環(huán)周期相對較快，觀測井的水—巖之間未達到離子平衡狀態(tài)，受地表水影響較大。

圖6 水樣Na-K-Mg 三角圖（a）2016 年；（b）2017 年Fig.6 Na-K-Mg triangle diagram of water samples

3.4 水氡與大氣降水關(guān)系分析

3.4.1 氫氧穩(wěn)定同位素。利用氫氧穩(wěn)定同位素可較好地識別大氣降水、地表水與地下水之間的補給關(guān)系。若井水受周邊地表水（河水、湖泊水、水庫水等）補給，二者的氫氧穩(wěn)定同位素組成將更為接近。因此，可通過對比地下水與地表水的氫氧穩(wěn)定同位素組成，判定二者之間是否存在補給關(guān)系（張磊等，2016，2019）。2017 年4 月的4 個樣品的氫氧同位素測試結(jié)果見表4、圖7，其中δ2H 為氫同位素實測比值，δ18O 為氧同位素實測比值。

表4 2017 年4 月氫氧同位素測試結(jié)果Table 4 Results of hydrogen and oxygen isotopes of samples in April 2017

圖7 中全球大氣降水線引自Craig（1961）給定方程：δ2H=7.9δ18O+10，地區(qū)大氣降水線方程使用趙景耀等（2014）的研究結(jié)果：δ2H=8.1δ18O+10.51。2017 年4 月的4 個水樣處于全球及區(qū)域大氣降水線下方，說明除伊河河水外，龍門煤礦、魏灣村水井、洛陽觀測井水樣均系大氣降水，未經(jīng)歷明顯蒸發(fā)過程（圖6）。由圖7 可見，伊河水樣和洛陽觀測井水樣位于大氣降水線兩端，同位素測試結(jié)果表明，伊河河水不直接補給觀測井地下水。

圖7 2017 年4 月水樣氫氧同位素與大氣降水線的關(guān)系Fig.7 Relationship between hydrogen and oxygen isotopes and meteoric water line in Apr.2017

3.4.2 水氡測值變化與大氣降水的關(guān)系。據(jù)宋獻方等（2007）的研究，在自然條件下，地下水中Cl-來源于大氣降水和地層中鹽巖的溶解，具有強遷移性能，觀測井含水層巖性為灰?guī)r，水體中的Cl-主要來源于大氣降水，應(yīng)用氯離子質(zhì)量平衡法能夠估算降水對地下水的補給過程，設(shè)R為年均地下水補給率（%），則計算公式如下

式中，CCl降為降水中Cl-的雨量加權(quán)平均濃度，CCl地為地下水中Cl-平均濃度。文中，CCl降主要參考了洛陽大氣降水Cl-的含量，取值2.28 mg/L，洛陽觀測井CCl地取值8.01 mg/L，則據(jù)式（1）可得大氣降水對觀測井的補給率為28.46%，說明大氣降水補給對井水位觀測有一定影響。

大氣降水是地下水的主要補給來源，由于大氣降水中氡含量較低，而地下水中氡含量較高，降水補給越多，地下水中氡的含量就越低。匯總洛陽臺觀測井2015—2020 年水氡年均值與當?shù)啬杲邓繑?shù)據(jù)，見表5，可知2017 年氡值年均值歷年最低，而該年降水量歷年最高，達716.9 mm，分析認為，洛陽觀測井水氡測值變化可能疊加了降水影響。

表5 2015—2020 年洛陽臺降雨量與氡值年平均值統(tǒng)計Table 5 Yearly average values of rainfall and radon from 2015 to 2020 of Luoyang Seismic Station

4 結(jié)論與討論

通過進行觀測系統(tǒng)檢查、取樣方式調(diào)查，降水、觀測環(huán)境變化等分析，認為引起洛陽觀測井水氡測值變化的主要原因如下。

（1）2015 年水氡測值異常變化（階段Ⅰ），與洛陽臺更換大功率水泵有關(guān)，且在時間上具有高度相關(guān)性。大功率水泵使得抽水時間明顯縮短，水樣為來自較深部的地下水，含水層的高氡“新水”代替原來的低氡“舊水”，造成水氡測值升高。

（2）2016 年1—7 日（階段Ⅱ）、2018 年（階段Ⅳ）水氡測值異常變化，與龍門煤礦密切相關(guān)。水化學(xué)分析表明，由于洛陽觀測井和龍門煤礦井同屬巖溶水，受龍門煤礦大量疏排水（透水）的影響，觀測井淺層水混入較多，地下水徑流速度加快，氡脫氣能力加大，水氡測值升高。

（3）洛陽觀測井水樣氫氧同位素分析表明，大氣降水在洛陽臺觀測井井水補給中占有一定份額。2017 年洛陽水氡測值異常變化（階段Ⅲ），與伊河水位和降雨有關(guān)，降雨量增多，造成觀測井水中氡含量下降，降雨與伊河水位變化共同疊加，導(dǎo)致水氡測值下降。

綜合以上分析結(jié)果認為，洛陽水氡出現(xiàn)的波動異常與取樣方式（更換大功率抽水泵）、降雨、周邊觀測環(huán)境變化（龍門煤礦排水、伊河水位）密切相關(guān)，且具有時間上的同步性，大氣降水一定程度上會造成觀測井水氡測值的下降。