江西九江2号井地震水文地球化学特征及成因

鲍志诚,查小惠 ,高小其,赵 影,赵爱平,许志山,陈江贻,蒋雨函

(1.应急管理部国家自然灾害防治研究院,北京 100085;2.江西省地震局,江西 南昌 330026)

0 引言

在地震地下流体研究中,地下水的地球化学特征及成因是热点研究方向之一,因为地下水是传递地球内部地质演变信息的重要载体[1-4]。国内外学者研究发现,地下水中稳定同位素及水化学组分记录着地下水的起源和形成过程等信息[5],常用来表征地下水的成因与循环补给过程。目前,国内外研究人员利用地下水中环境同位素及常量化学组分开展了地震地下流体异常核实[6-8],地下水、地表水不同水体之间的水力关系[5,9-14],地震前后地下流体的化学组分变化特征[15-19],以及地下水循环过程和孕震机理等研究工作[5,14,18-21]。特别是国外学者,在地震水文地球化学、地震化学等方面做了大量有益工作并取得了重要认识[16,22-32],如1995 年西班牙加利西亚地震前观测井水中Cl-浓度增加将近一倍[28],1995 年1月神户大地震前几个月地下水Cl-浓度增加[29],2012年10月和2013年4月冰岛两次5级以上地震前4到6个月δD、δ18O、Na+浓度等参量均出现异常高值[30-31],2016年10月日本鸟取MS6.6地震前δ18O出现异常高值等[32]。

江西省九江地震台作为中国地震局专业性地震台站,因其特殊的地理位置,长期以来以流体观测见长,这得益于观测2号井井口环境良好、干扰小、井水流量充沛,适宜开展地震地下流体监测及实验研究工作[14]。九江台附近构造活动强烈,具有中强地震孕育发生背景。2005年11月26日发生的九江—瑞昌MS5.7地震是近年来中东部地区破坏力最强、灾害最严重、损失最大的地震,造成直接经济损失达20.4亿元[33]。基于此,九江台增加了流体地球化学监测手段并开始逸出气氡连续监测,发现2011年9月10日瑞昌—阳新MS4.6地震前1个月左右水氡浓度快速升高,出现显著高值异常。九江台观测井较浅,为何能捕捉到如此显著的异常信息？这可能与九江台2号井地下水年龄适中且位于断裂带上有关。有研究认为,地下水年龄太小或太大均无法有效表征内部地壳的化学环境变化[6],年龄适中的冷泉和低温温泉在中强地震前往往表现出较完整的异常形态[6,34]。

以往对九江台2号井的研究主要包括基于井口恒流装置改造的新型氡、汞仪器观测效能实验,水位资料同震响应分析和稳定同位素变化特征等[14,35-37],系统探究其水文地球化学特征及其与震前异常关系的相关研究尚不多。因此,本文基于九江台2号井在瑞昌—阳新地震前的异常特征,通过水化学组分、氢氧同位素及地下水年龄分析结果,利用水文地球化学方法探究九江台气氡异常形成机理及其与区域构造活动的响应关系。这对于深入认识断裂带上浅井补给循环、异常形成机理及庐山地区地下水水文地质环境均具有重要的借鉴意义。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

九江地震台创建于1972年,是一座专业的综合地震监测台站,位于江西省北部庐山西北侧山脚(29.65° N,116.01° E),海拔110 m。其在大地构造上属下扬子地块中部,区域构造上位于庐山西北缘边缘剪切带上的夏家—威家岭左行走滑断裂带上。该断裂带在中-新生代以来多次活动,继承了早第四纪时发生的断块抬升运动并控制第四纪的分布[38]。1911年2月6日在该断裂带上曾发生过一次5.0级地震,距台址仅1.5 km。台站附近具有较强烈的岩浆及构造活动性,断裂构造十分复杂且深受NE向郯庐断裂和NW向襄樊—广济断裂构造的影响。除此之外,研究区内还有其他断裂,如华夏断裂、铜陵—九江断裂、九江—靖安断裂、唐口—幕埠山断裂等。它们延伸数百千米,下切深入基岩,多属压性或压扭性断裂,具有中强地震发生的复杂地质构造背景。近年来,在台站附近及邻区相继发生九江—瑞昌MS5.7地震(<50 km)、瑞昌—阳新MS4.6地震(<60 km)和安徽安庆MS4.8地震(<150 km)。

九江台2号井成井于2008年,为构造承压自流井,详细的井孔剖面特征如图1所示。依图1可见,该井0～6.2 m为第四系联圩组亚黏土、砂砾石,6.2～11.9 m为震旦系皮园村组强风化碳质灰岩,11.9～71 m为下元古代碳质灰岩。九江台2号井日流量约300 t,有两个含水层,分别位于17～22.5 m、55～63.5 m处。该井东北向约1 km处有一座水库,50 m处有一条河流,河流源头为庐山马尾水泉水[14]。

图1 研究区构造地质图及井孔柱状图Fig.1 Structural geological map and wellbore histogram of the study area

1.2 样品与测试

本次工作于2017 年1月—2018年3月采集了九江地震台2号观测井井水、降水及周边水库水、马尾水泉水水样,用作氢氧同位素及化学组分分析。其中井水每周采一次,取得有效水样26份;大气降水取得有效水样20份;水库水、泉水取得水样各1份。2019年8月采集2号观测井水用作氚活度分析,采样点现场还进行了水温、pH值、导电率、总溶解固体(Total Dissolved Solid,TDS) 等参数测定,采样方法及器具参考文献[5,14]。样品的水化学组分及氢氧同位素(δD,δ18O)均在中国地震局地壳动力学重点实验室完成,常量元素分析设备为ICS-2100型离子色谱仪(流量精度<0.1%),氢氧同位素的测试设备为Picarro液态水同位素分析仪(L2130-i型,美国)。氢氧稳定同位素的测定结果用相对于VSMOW的千分差表示,测试精度δD<0.5‰,δ18O<0.05‰。样品的氚同位素放射性活度测试在自然资源部地下水科学与工程重点实验室完成,测试设备为Quantulus-1220型超低本底液体闪烁谱仪,方法为液体闪烁计数法[5,14]。

2 分析结果

2.1 水化学特征

图2 水样Piper三线图解Fig.2 Piper diagram for water samples

表1 样品分析结果Table 1 Analysis results of samples

按照舒卡列夫分类法,可将九江台2号井、天花井水库水和马尾水泉水的水化学类型分别划分为HCO3·Ca-Mg型、HCO3·Ca型和HCO3·SO4-Na型。

2.2 氢氧同位素组成特征

由表1可知,九江台2号井井水稳定同位素测值的变化范围:δ18O介于-7.59‰～-6.09‰,平均值-6.99‰;δD 介于-45.22‰～-39.69‰,平均值-42.32‰。大气降水稳定同位素测值的变化范围:δ18O介于-13.00‰～-1.27‰,平均值-7.43‰;δD 介于-96.13‰～-4.74‰,平均值-46.87‰[14]。

如图3所示,根据九江台及附近实测大气降水的氢氧同位素数据，拟合得到九江地区大气降水线(Local Meteoric Water Line,LMWL)为:δD=8.4δ18O+15.7(R=0.96,n=20),降水线的斜率、截距和同属亚热带季风气候的南京地区(8.47、17.52)基本一致[39-40],总体上与九江台所处的亚热带季风区气候特征吻合。根据九江台2号井井水的实测氢氧同位素数据,拟合得到地下水蒸发线为:δD=3.0δ18O-21.8(R=0.86,n=26)[14],与当地大气降水线相比斜率、截距明显偏小,说明地下水补给前经历了较为显著的蒸发作用。

图3 氢氧同位素组成图Fig.3 Hydrogen and oxygen isotope composition diagram

3 讨论

3.1 水-岩反应

以往研究认为,水-岩作用导致的各种化学反应是控制地下水地球化学演化的重要因素[41-42]。图4为水样的Na-K-Mg三角图解,是目前识别地下水水-岩过程及状态的最主要途径之一。依图4可见,九江台地下水及天花井水库水接近Mg端元,为“未成熟水”,表明其水-岩相互作用尚未达到平衡,水-岩作用仍在进行中,循环周期相对较快;马尾水泉水为部分成熟水或混合水,说明其水-岩作用达到部分平衡,地下热水循环深度较深,或地表水混合较小。

3.2 地下水循环动力条件

γNa/γCl是刻画地下水成因、指示地下水Na+富集程度的水文地球化学参数,其与TDS一般呈负相关,海水γNa/γCl平均为0.85[43-45]。九江台地下水、马尾水泉水的γNa/γCl值分别为4.91、15.82,说明九江台2井水和马尾水泉水都经历了不同程度的阳离子交换和吸附。

γCl/γCa是表征水动力条件特征的参数,其值越大则水动力条件越弱[42]。经计算得出γCl/γCa的大小关系是:九江台地下水<天花井水库水<马尾水泉水。这表明九江台地下水动力条件好,循环更新较快;天花井水库水次之;马尾水泉水水动力弱,循环更新较慢,与图4中信息一致。

图4 水样的Na-K-Mg图解及局部放大图Fig.4 Na-K-Mg diagram of water samples and partial enlarged view

3.3 补给高程

利用不同高程与其氢氧同位素的线性回归,可以拟合出研究区氧同位素的高程梯度值。在研究地下水补给高程时,“同位素高程梯度”在局部范围内可以通用。根据前人的研究结果[46],庐山地区δ18O的高程梯度为0.188‰/100 m。利用高程梯度值可以估算出研究区地下水的补给高程H:

(1)

式中:h为取样点高程;δG为取样点的δ18O或δD值;δP为取样点附近大气降水(补给水) 的δ18O或δD值;K值为δ18O或δD的高程梯度值。

经计算,研究区地下水的补给高程约为647 m,高于九江台实际高程(110 m),易形成承压自流井[14]。

3.4 地下水年龄

氚是氢的一种放射性同位素,其半衰期为12.43 a[47],按成因可分为天然氚和人工氚:天然氚多源自宇宙射线,人工氚则主要来自核爆等实验活动。氚在自然界的各种水体中均有分布,但含量很少(<0.5 TU),其与水文地质等过程终身相伴且不易与环境介质发生反应,只遵循放射性规律变化,变化具有相对独立性[5]。基于氚的固有特性,常被用于定性推测地下水年龄及状态[48]:当氚活度<1.0 TU,为1953年以前的老水;1～3 TU,为近10年内新水混入的老水;3～10 TU,为近10年内的新水;10～20 TU,为残留部分核爆氚;>20 TU,为20世纪60年代左右的降水补给[5]。

九江台2号井水氚活度为(1.6±0.6) TU,说明九江台观测井水既有老水补给又有近10年内的新水补给,地下水年龄适中且具备反映断裂带内部介质、环境动态变化的条件[34],这也暗示九江台两个含水层具有不同的循环路径及补给来源。

3.5 离子组分关系

常量组分关系图(Schoeller指印图)可直观反映环境介质中不同水体化学成分变化及分布的相关关系[49],常用于分析水体的补给来源和不同水体之间的水力联系。依图5可知,马尾水泉水、天花井水库水与九江台井水形态一致性均较弱,表明它们并不存在显著的水力联系,也暗示它们的循环路径并不相同。

图5 常量组分关系特征Fig.5 Characteristics of constant components

3.6 地下水循环及对构造活动的响应

九江台2号井水的氢氧同位素分别分布于全球大气降水线右下方和当地大气降水线两侧(图3),拟合出的蒸发线与当地降水线和全球大气降水线相比斜率与截距均明显偏小,说明其总体属于大气成因型,且在大气降水补给前经历了蒸发作用[14]。

地下水d值(过量氘)的演化过程除受含氧组分、岩性、含水层封闭条件、围岩及水体物理化学性质等因素控制外,还与水体滞留时间密切相关。一般认为,d值越小，说明水体在含水层滞留时间越长,径流速度越慢;反之,则滞留时间越短,径流速度越快[50-52]。九江台2号井水d值介于9.03～19.09,变化幅度较大,总体属于现代循环型溶滤水(d介于0～20)。这一方面说明该井不同含水层存在水体交换纵向混合补给,另一方面说明含水层循环补给较快、路径较短,与围岩的反应不充分,且不同含水层补给区及循环路径不同。基于此,推断九江台2号井上部含水层主要补给来源是大气降水经岩石裂隙下渗补给,其补给模型如图6所示;下部含水层补给来源于深层,补给区相对较远且参与断裂带物质循环过程,这与氚定性测年结果相吻合。因此,九江台2号井下部含水层可对区域内构造活动产生灵敏响应,如2011年11月26日瑞昌—阳新MS4.6地震(震中距<50 km)前一个月,观测井逸出氡就出现了显著高值异常(图7),笔者推断这可能与2号井在断裂带上且与下部含水层存在水力联系有关,孕震过程中断裂带上破碎带的钍、氡等物质不断增加并通过水体循环进入观测井(图8)。

图6 观测井水成因模式示意剖面图Fig.6 Schematic profile of genesis model of the observation well

图7 观测井逸出气氡浓度时序图Fig.7 Time series diagram of gas radon concentration from the observation well

图8 观测井逸出气氡来源示意卡通图Fig.8 Schematic cartoon picture of the source of gas radon escaping from the observation well

4 结论

本文采集了九江台2号井井水、大气降水、天花井水库水及马尾水泉水水样,通过地球化学的方法进行水化学组分、氢氧同位素、氚活度素等分析,尝试阐述断裂带上浅井井水地球化学特征及构造活动响应的机理,得出以下认识:

(1) 九江台2号井井水水-岩平衡较弱,处于Mg端元,属于未成熟水;马尾水泉水水-岩平衡较高,接近部分平衡水。这说明马尾水泉水与九江台2号井井水属于不同的循环路径。

(2) 氢氧同位素及过量氘指示九江地震台2号井水总体为大气成因型现代溶滤水,补给高程约为647 m,具有循环补给较快、路径较短且与围岩的反应不充分等特征。氚活度结果显示井水年龄适中,既有老水补给又有近10年的新水补给,这也暗示九江台2号井两个含水层具有不同的补给来源和循环路径。

(3) 九江台2号井虽然不深,但震例显示其能灵敏响应区域构造活动,可能与其在断裂带上、下部含水层与断层存在物质交换，携带了部分深部流体信息有关。此外,还可能与2号井井水年龄适中,能及时反映出地壳内部地球化学环境动态变化过程有关。

本文的研究仅是初步的,浅井井水水文地球化学特征对构造活动响应的机理还需要更多的震例和相关实验数据以进行进一步的论证。