胡小靜 付虹 張翔 何德強(qiáng) 周曉成 李麗

摘要：對(duì)昭通地區(qū)12口流體觀測(cè)井及其周邊5個(gè)地表水體進(jìn)行取樣測(cè)試，分析其水化學(xué)組分和氫氧同位素，確定該地區(qū)流體觀測(cè)井的地球化學(xué)背景特征，為該區(qū)流體測(cè)項(xiàng)的跟蹤分析提供基礎(chǔ)支撐。水巖平衡結(jié)果顯示：相較于其它觀測(cè)井，昭陽(yáng)一中井地下水水巖平衡狀態(tài)更接近于部分成熟水，表現(xiàn)為地下水補(bǔ)給過程緩慢，水巖作用程度較高;其余觀測(cè)井均處在未成熟水階段，表現(xiàn)出補(bǔ)給路徑較短，水巖相互作用較弱等特點(diǎn)。氫氧同位素組成顯示：研究區(qū)內(nèi)大多數(shù)流體觀測(cè)井補(bǔ)給源均為大氣降水，但補(bǔ)給方式略有差異。水化學(xué)組分演化過程顯示：自2014年以來，大多數(shù)井含水層水體未發(fā)生新的水巖作用過程，并且與其附近的河流水力聯(lián)系密切。

關(guān)鍵詞：流體觀測(cè)井;地球化學(xué)特征;昭通地區(qū)

中圖分類號(hào)：P315.724文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000-0666（2020）04-0630-08

0引言

地下流體觀測(cè)是地震前兆監(jiān)測(cè)的主要手段，一直被廣泛應(yīng)用。有研究表明：地殼中地下流體特別是斷裂帶地下流體循環(huán)深度可達(dá)到15～20 km（MuirWood，King，1993;Gudmundsson et al，2001），正好與發(fā)生在中國(guó)大陸地區(qū)的大多數(shù)地震的震源深度一致。水化學(xué)組分和氫氧同位素作為地下水循環(huán)過程中的示蹤劑，可以很好地記錄地下水起源、運(yùn)移及巖石圈內(nèi)的重要信息，可有效揭示區(qū)域內(nèi)地表水和地下水之間的轉(zhuǎn)化過程信息，因此常被用來識(shí)別地下水成因、遷移路徑及其成分演化機(jī)制等（李學(xué)禮，1988;杜建國(guó)，劉叢生，2003;宋獻(xiàn)方等，2007;顧慰祖，2011;胡小靜等，2018）。

許多學(xué)者的研究結(jié)果表明：當(dāng)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈或者在地震活動(dòng)時(shí)期，地殼介質(zhì)中水-巖之間原有的平衡狀態(tài)被打破，地下水中的氣體及水化學(xué)組分就會(huì)出現(xiàn)異常變化（蘇鶴軍等，2006;Ching et al，2008;周曉成等，2012;劉耀煒等，2015;田雷等，2018），同時(shí)也會(huì)引起圍巖的蝕變，導(dǎo)致某些元素的富集和礦物的形成（Matsuda et al，2004;Singh et al，2005;趙軍等，2009;周志華等，2014）。因此，將同位素技術(shù)和水化學(xué)方法結(jié)合起來，可進(jìn)一步提高地下流體補(bǔ)給源及來源深度分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性（蘇小四等，2009;王云等，2018）。目前常用的分析方法包括水化學(xué)Piper圖、Na-K-Mg三角圖、Schoeller圖以及大氣降雨的氫氧同位素對(duì)比等。

川滇交界東部地區(qū)是近幾年全國(guó)強(qiáng)震危險(xiǎn)區(qū)之一，位于該危險(xiǎn)區(qū)的昭通地區(qū)分布有多口流體觀測(cè)井。因此，2018年5月30日—6月3日，筆者對(duì)昭通地區(qū)的流體觀測(cè)井及周邊水體進(jìn)行了采樣測(cè)定，并收集了該區(qū)已有的測(cè)試結(jié)果，通過分析觀測(cè)井水化學(xué)組分和氫氧同位素，研究了該區(qū)內(nèi)流體觀測(cè)井地下水的地球化學(xué)特征。

1區(qū)域水文地質(zhì)概況

昭通地區(qū)位于云南省東北部，年均降水量600～1 200 mm，年均氣溫11 ℃～20 ℃，不同地區(qū)的海拔不同，年降水量和氣溫也有所差別。昭通地區(qū)位于揚(yáng)子板塊西南緣，緊鄰青藏滇西褶皺帶，區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造作用強(qiáng)烈，主要斷裂為昭通—魯?shù)閿嗔?，總體走向?yàn)镹NE向，全長(zhǎng)約160 km，經(jīng)昭通到魯?shù)?、北至大關(guān)附近。昭通地區(qū)地層從第四系到震旦系均有出露，各地質(zhì)時(shí)代出露的面積、地層厚度及巖性見表1（劉永林，雒昆利，2016）。

地層年代出露面積/km2地層厚度/m巖性特征古近紀(jì)289.8—碎屑巖侏羅紀(jì)1 766.480砂巖、泥質(zhì)灰?guī)r三疊紀(jì)3 870.0230～260砂巖、灰?guī)r、白云巖二疊紀(jì)8 757.81 350灰?guī)r、玄武巖、煤層石炭紀(jì)1 323.6250灰?guī)r、白云巖泥盆紀(jì)935.5—灰?guī)r、砂巖志留紀(jì)700.6200砂巖、頁(yè)巖奧陶紀(jì)760.5580白云質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r寒武紀(jì)844.3340灰?guī)r前寒武紀(jì)2 741.3—板巖、大理巖、砂巖地震研究43卷第4期胡小靜等：昭通地區(qū)流體觀測(cè)井地下水地球化學(xué)特征2采樣與測(cè)試結(jié)果

2018年5月30日—6月3日，筆者對(duì)昭通地區(qū)分布的12口流體觀測(cè)井、泉及5個(gè)出露的龍?zhí)端畮?kù)等地表水體共計(jì)17個(gè)水體點(diǎn)進(jìn)行了樣品采集，采樣點(diǎn)空間分布見圖1，各采樣點(diǎn)基礎(chǔ)資料見表2。根據(jù)測(cè)試需要，每個(gè)采樣點(diǎn)采集水樣3瓶，分別用于氫氧同位素測(cè)定、水化學(xué)組分測(cè)定及碳酸氫根滴定法，其中用于主元素及氫氧同位素測(cè)量的樣品容器為30 mL聚乙烯塑料瓶，用于碳酸氫根滴定的樣品容器為100 mL聚乙烯塑料瓶。采樣前將聚乙烯塑料瓶浸泡在純凈水中清洗，自然風(fēng)干，取水樣時(shí)再次將取樣瓶浸泡入水中潤(rùn)洗3遍后裝樣，裝樣過程中通過多次晃動(dòng)等方式將瓶中的空氣排出，確保樣品無氣泡，將蓋子扭緊并用封口膜進(jìn)行密封。流體觀測(cè)井利用帶有止回閥PVC貝勒管取樣，容積為1 000 mL，采樣深度為水面以下約3 m處;地表水利用蠕動(dòng)泵抽取，距離岸邊1～3 m，深度為水體表面。

本次樣品的水化學(xué)成分測(cè)試結(jié)果和氫氧同位素組成見表3。為了進(jìn)一步驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果的可靠性，對(duì)上述測(cè)試結(jié)果做陰陽(yáng)離子平衡檢驗(yàn)（表4），其相對(duì)誤差基本都在10%以內(nèi)，符合離子均衡要求。另外，本文收集了2014年8月和2017年5月底在研究區(qū)內(nèi)開展的樣品測(cè)試結(jié)果，見表5。

3水化學(xué)特征分析

3.1水質(zhì)類型

根據(jù)水化學(xué)測(cè)試結(jié)果（表3），利用AqQA軟件按照Na-K，Mg，Ca相對(duì)濃度和SO4，HCO3相對(duì)含量對(duì)17個(gè)水樣的化學(xué)組成繪制Piper三線圖（圖2）。根據(jù)舒卡列夫分類法，可將昭通地區(qū)流體觀測(cè)井地下水的水化學(xué)類型劃分為：HCO3-Ca型、HCO3·SO4-Ca型、HCO3·SO4-Ca·Na型、HCO3-Mg型、HCO3·SO4-Cg·Mg型、HCO3-Ca·Mg型、HCO3-Na·Ca型、HCO3-Na型（表3）。結(jié)果顯示：各采樣點(diǎn)主要的陰、陽(yáng)離子組成類似，均表現(xiàn)為碳酸型水，但不同觀測(cè)井水樣中相同離子的含量和離子總含量均存在較大的差別。因此，各采樣點(diǎn)水化學(xué)類型存在一定的差別，表明各采樣點(diǎn)的地下水來源、形成過程有所不同（周志華等，2014）。

分析承壓水盆地地下水水化學(xué)成分形成過程認(rèn)為，HCO3-Ca型水屬于補(bǔ)給區(qū)最初始的大氣降水，大氣降水在補(bǔ)給運(yùn)動(dòng)過程中富集硫酸鹽，從而形成HCO3·SO4-Ca型水;同時(shí)，由于Ca2+被交替，水中將富集Na+，演化成HCO3·SO4-Na·Ca型水;隨著補(bǔ)給區(qū)水繼續(xù)沿著水流方向運(yùn)動(dòng)，硫酸鹽繼續(xù)富集，形成硫酸型鹽水，在缺氧或含有機(jī)物質(zhì)的條件下，硫酸鹽開始發(fā)生還原反應(yīng)，使得水體變?yōu)镠CO3·SO4-Na型水（李學(xué)禮，1988）。整個(gè)演變過程表明，昭陽(yáng)一中井經(jīng)歷了較長(zhǎng)的補(bǔ)給路徑，發(fā)生了較為強(qiáng)烈的Ca2+，Na+陽(yáng)離子交替吸附作用以及還原反應(yīng)，其他井大氣降水補(bǔ)給路徑相對(duì)較短，水巖相互作用較弱。收集昭陽(yáng)一中井抽水試驗(yàn)參數(shù)，其單位涌水量約為0.001 68 L/s，滲透系數(shù)約為0.004 93 M/d，這表明昭陽(yáng)一中井含水層滲透系數(shù)非常小。分析原始觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所在2017年5月背景值調(diào)查過程中對(duì)該觀測(cè)井進(jìn)行了取水化驗(yàn)，造成水位下降，直至10月底水位才恢復(fù)至原有水位狀態(tài)。而云南地區(qū)大多數(shù)流體觀測(cè)井取樣后的水位恢復(fù)過程基本都在數(shù)天之內(nèi)，如此大的差別進(jìn)一步表明昭陽(yáng)一中井含水層中水體補(bǔ)給過程非常緩慢。上述現(xiàn)象可能是由昭陽(yáng)一中井在整個(gè)地下水補(bǔ)給、運(yùn)移過程中水巖作用較為強(qiáng)烈所導(dǎo)致。

3.2水-巖化學(xué)平衡反應(yīng)特征

Na-K-Mg三角圖解常被用來評(píng)價(jià)水—巖化學(xué)平衡狀態(tài)、區(qū)分不同類型的水樣以及判斷地下水循環(huán)深度。將昭通地區(qū)的水樣測(cè)試結(jié)果繪制成Na-K-Mg三角圖（圖3），結(jié)果顯示，大多數(shù)采樣點(diǎn)均屬于未成熟水，處在Mg端元，表明水巖相互作用程度非常弱，處在水巖作用的初始階段，尚未達(dá)到水巖平衡狀態(tài);昭陽(yáng)巡龍井、魯?shù)樘锖暇⒄殃?yáng)一中井明顯偏離了Mg端元，尤其是昭陽(yáng)一中井相較其他采樣點(diǎn)更接近于部分平衡水，表明這3個(gè)采樣點(diǎn)的水巖作用過程明顯強(qiáng)于其他采樣點(diǎn)，其中魯?shù)樘锖暇⒄殃?yáng)巡龍井均為魯?shù)?.5級(jí)地震后重建新打的井孔，自2017年初開始觀測(cè)，這2口觀測(cè)井的含水層系統(tǒng)可能未達(dá)到平衡，尚處于與地表水的交替過程，而昭陽(yáng)一中井則是地下水在補(bǔ)給運(yùn)移過程中發(fā)生了較為強(qiáng)烈的水巖作用。

3.3氫氧同位素組成特征

地下水的氫氧同位素是水循環(huán)研究中的示蹤劑，其δD和δ18O的含量和分布特征可以用來分析地下水的補(bǔ)給來源。根據(jù)以往研究結(jié)果，全球大氣降水線方程為δD=8δ18O+10，西南地區(qū)大氣降水線方程為δD=7.54δ18O+4.84（劉進(jìn)達(dá)等，1997），二者相差非常小。昭通地區(qū)多個(gè)采樣點(diǎn)氫氧同位素測(cè)定結(jié)果顯示，大多數(shù)采樣點(diǎn)都位于大氣降水線附近（圖4），表明區(qū)內(nèi)大多數(shù)流體觀測(cè)井、泉主要是由大氣降水補(bǔ)給。

由于各采樣點(diǎn)的地下水在運(yùn)移過程中水-巖相互作用程度存在一定的差異性，因此各采樣點(diǎn)的測(cè)定結(jié)果也略有差異。個(gè)別采樣點(diǎn)出現(xiàn)一定的18O漂移富集現(xiàn)象，其中硯池山水庫(kù)作為大型的地表出露水體，可能與其自身存在較為顯著的蒸發(fā)作用有關(guān);魯?shù)樘锖暇疄?016年新打井孔，自2017年投入觀測(cè)以來，其含水層的水平衡狀態(tài)很不穩(wěn)定，與周邊水體交換較為強(qiáng)烈，從而引起氫氧同位素的漂移過程;巧家毛椿林井距離金沙江邊約100 m，地下水補(bǔ)給來源與其他觀測(cè)點(diǎn)存在一定的差異。與上述觀測(cè)井不同，昭陽(yáng)一中井明顯偏離于大氣降水線，進(jìn)一步表明該井地下水在補(bǔ)給之后經(jīng)過了長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)移，并發(fā)生了較為強(qiáng)烈的水巖作用。

3.4不同采樣時(shí)段的水化學(xué)組分演化特征

收集2014，2017，2018年3個(gè)不同采磁時(shí)段昭通地區(qū)多口流體觀測(cè)井的取樣測(cè)試結(jié)果，對(duì)比不同時(shí)期觀測(cè)井水體水化學(xué)組分的演化過程，如圖5所示。由圖可見，不同采樣時(shí)段昭通漁洞井、大關(guān)謝家溝井、巧家毛椿林泉水化學(xué)組分均保持一致，表明近幾年這幾口井地下水補(bǔ)給來源未發(fā)生變化，含水層水體未發(fā)生新的更深入的水巖作用過程。昭陽(yáng)一中井在2014和2017年采樣時(shí)段水化學(xué)組分一致，在2018年采樣時(shí)段，其HCO-3含量明顯減少，SO2-4和NO-3含量也發(fā)生了一定變化，其水化學(xué)類型也由HCO3-Na演變?yōu)镠CO3·SO4-Na，表明自2018年以來，昭陽(yáng)一中井在地下水的補(bǔ)給、運(yùn)移過程中發(fā)生了一定改變。根據(jù)承壓層地下水演化過程分析認(rèn)為，可能是由地下水在補(bǔ)給運(yùn)移過程中發(fā)生了硫酸鹽富集等反應(yīng)所導(dǎo)致。大關(guān)水氡點(diǎn)在2014，2018年采樣時(shí)段水化學(xué)組分一致，2017年采樣時(shí)段發(fā)生了與昭陽(yáng)一中井2018年相類似的情況，表明在2017年大關(guān)水氡點(diǎn)的地下水的補(bǔ)給過程中發(fā)生了一定改變，至2018年再次恢復(fù)至原有大氣降水補(bǔ)給的初始狀態(tài)。魯?shù)樘锖暇⒄殃?yáng)巡龍井2口新打觀測(cè)井在2017和2018年采樣時(shí)段的離子組分和含量均發(fā)生了明顯的改變，應(yīng)該是整個(gè)含水層水體與外界地表水發(fā)生了較為強(qiáng)烈的交換過程，導(dǎo)致水體水化學(xué)組分變化較大。

3.5觀測(cè)井與周邊水體之間的水力聯(lián)系

研究區(qū)內(nèi)，昭通漁洞井、大關(guān)謝家溝井以及魯?shù)樗秉c(diǎn)附近分別存在3處出露地表的大型水體，分別為：漁洞河，距昭通漁洞井約100 m;謝家溝河（龍?zhí)叮?，距大關(guān)謝家溝井約100 m;硯池山水庫(kù)，距離魯?shù)樗秉c(diǎn)約700 m。同一時(shí)段對(duì)這3處水體進(jìn)行了取樣測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示，昭通漁洞井、大關(guān)謝家溝井與旁邊約100 m處的水庫(kù)、河流水化學(xué)組分基本一致（圖6a，b），表明兩者之間存在直接的水力聯(lián)系，而魯?shù)樗秉c(diǎn)與硯池山水庫(kù)的化學(xué)組分存在較大的差異（圖6c），表明兩者之間無直接的水力聯(lián)系。以上結(jié)果進(jìn)一步表明，當(dāng)?shù)乇沓雎兜乃w距離觀測(cè)井很近時(shí)，水體會(huì)對(duì)觀測(cè)井產(chǎn)生明顯的干擾影響，當(dāng)二者之間存在一定的距離之后，對(duì)觀測(cè)點(diǎn)的直接影響則不明顯。圖6觀測(cè)井與其周邊水體的水化學(xué)組分對(duì)比

4結(jié)論

本文通過對(duì)昭通地區(qū)地下流體觀測(cè)井（泉）水質(zhì)及同位素組分進(jìn)行分析，初步探討了該地區(qū)地下流體觀測(cè)的地球化學(xué)背景特征，主要得到以下結(jié)論：

（1）昭通地區(qū)現(xiàn)有觀測(cè)井的陰、陽(yáng)離子主要組成類似，但水化學(xué)類型較多，表明各采樣點(diǎn)的地下水所經(jīng)歷的補(bǔ)給路徑和形成過程等有所不同。

（2）水巖平衡結(jié)果顯示，相較其它觀測(cè)井，昭陽(yáng)一中井水更接近于部分成熟水，水巖作用程度相對(duì)較高;其他采樣點(diǎn)的水巖平衡狀態(tài)大多數(shù)都是不成熟水，且位于Mg端元附近，地下水水-巖反應(yīng)程度非常弱，尚未達(dá)到離子平衡狀態(tài);昭陽(yáng)巡龍井和魯?shù)樘锖暇c其他采樣點(diǎn)存在明顯的差異，但仍然處在不成熟水狀態(tài)。

（3）氫氧同位素結(jié)果顯示，昭陽(yáng)一中井明顯偏離于大氣降水線，其他大多數(shù)采樣點(diǎn)都位于大氣降水線附近，表明研究區(qū)內(nèi)大多數(shù)流體觀測(cè)井主要是由大氣降水補(bǔ)給，而昭陽(yáng)一中井的地下水在補(bǔ)給之后經(jīng)過了長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)移，發(fā)生了較為強(qiáng)烈的水巖作用。

（4）水化學(xué)組分演化過程顯示，在不同采樣時(shí)段，大多數(shù)觀測(cè)井含水層水體均未發(fā)生新的、更深入的水巖作用過程;2017，2018年魯?shù)樘锖暇?、昭?yáng)巡龍井離子組分和含量發(fā)生了明顯的改變，分析認(rèn)為其是新打井孔，整個(gè)含水層系統(tǒng)尚未達(dá)到平衡狀態(tài)，含水層水體與外界地表水仍在發(fā)生著較為強(qiáng)烈的交換過程;昭通漁洞井、大關(guān)謝家溝井與其附近約100 m處的水庫(kù)、河流之間存在密切的水力聯(lián)系，因此當(dāng)觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，需要排除水庫(kù)及河流的干擾。

（5）昭陽(yáng)一中井的水化學(xué)離子組分和氫氧同位素組成等信息表明該井存在深部物質(zhì)來源。2014年8月3日魯?shù)?.5級(jí)地震前，在昭通地區(qū)所有流體觀測(cè)井中，僅有昭陽(yáng)一中井水位記錄到約65 cm的突升顯著短臨異常。結(jié)合該井的水化學(xué)特征分析認(rèn)為，存在有深部物質(zhì)來源的井孔可能更容易獲得深部構(gòu)造活動(dòng)信息。

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Hydrogeo Chemical Characteristics of Groundwater in Seismic

Observation Wells in Zhaotong Area

HU Xiaojing1，F(xiàn)U Hong1，ZHANG Xiang1，HE Deqiang2，ZHOU Xiaocheng3，LI Li4

（1.Yunnan Earthquake Agency，Kunming 650224，Yunnan，China）

（2.Zhaotong Earthquake Agency，Zhaotong 657099，Yunnan，China）

（3.Institute of Earthquake Forecasting，China Earthquake Administration，Beijing 100036，China）

（4.Shanxi Earthquake Agency，Taiyuan 030021，Shanxi，China）

Abstract

In order to discuss the hydrogeochemical background seismic observation wells in Zhaotong area and provide basic support for judging seismic chemical anomalies of the groundwater，we collected 17 water samples from 12 seismic observation wells and 5 surface water bodies，tested and analyzed the chemical components and hydrogen and oxygen isotopes of groundwater. The results of water-rock balance results revealed that the groundwater in the Zhaoyang No.1 Middle school well was characterized with long and slow recharge process，strong water-rock reaction，meaning partial equilibrated water，the other observation wells were classified as immature water，which were characterized with short recharge process and weak water-rock reaction. The isotope data of hydrogen and oxygen indicated that most of the seismic observation wells in the study area were originated from the atmospheric precipitation，and there were slightly different in the recharge modes. The evolution of chemical compositions of groundwater showed that most seismic observation wells had not experienced new water-rock reactions since 2014 and were closely related to the flowing river by 100 m in hydraulic connection.

Keywords：seismic observation wells; hydrochemical characteristics; Zhaotong area