甘肃地震异常现场核实报告异常分析与性质判定

7.2.4.1 异常分析

1.短期高值变化过程分析

（1）对比观测

仔细核对了原始记录表，确认了2017年4月以来人员的轮换时间，人员轮换与水氡测值曲线如图2-7-17 所示，从图上可以清楚看到，水氡的三次高值时间与新观测人员的观测时间完全吻合，并且轮换到老观测人员时，氡值恢复到正常稳定水平，由此可以推断，2014年4月以来的高值为观测人员的轮换引起的。

图2-7-17　水氡变化与观测人员轮换对比图

为了验证判断的准确性，6月22～26日，进行了人员对比试验，即由观测测值偏高的观测人员（观测员A）与观测值正常的观测人员（观测员B）同期各自取样，然后用同一套仪器进行观测，比较两位观测人员的测值变化，测值结果如图2-7-18 所示，其中观测员A 为新招人员，观测员B为多年观测人员。由图可看到，同期结果，22号井测值偏高，观测员的观测值仍然高，而1号泉，两位观测员的测值交互变化，但22号井使用的闪烁室更加稳定（两套仪器的测值几乎重合）。结合高值出现时间与人员轮换的一致性，可以判断2017 年4 月份以来的高值是由观测人员轮换引起的观测误差。

图2-7-18　武山22号井、1号泉水氡同期不同人员测值对比图

（2）水化学分析

①水质分析

地下水中阴阳离子的相对含量可以判断地下水的类型以及不同泉点地下水类型的关系。为此分别采集了1 号泉、22 号井、矿疗新井以及对比样地表溪水的样品进行了离子分析。图2-7-19 为各个测点水化学的piper 图，从图可以看出，此次核实时所采集的样品，三个井泉点水化学类型一致，都为Na-HCO3型水，溪水为Na-Ca-HCO3型水，表明武山1号泉和22号井的水不是大气降水直接补给，而是经过了一定深度的地下循环而出露地表的。

图2-7-19　武山水氡及周围测点水化学piper图

同时对武山22 号井1987 年、2009 年、2011 年和2017 年以及1 号泉2009 年与2017 年的水质类型进行了对比，可以看出22 号井多年之间水质没有明显的差别。而1 号泉则不同，2009年的水质类型更接近于溪水（地表水），这主要是2008 年汶川8.0 级地震使地表或浅层裂隙度增大，连通性增强，大气降水或区域浅层水更容易从泉点周围补给进去，从而使1号泉水中大气降水的比例显著增加，这也进一步说明，武山1号泉会受到区域地表水（降水）或浅层水的影响，而22 号井区域地表水对其影响不大。对比结果同时也表明目前水氡测点的水质与无震年份没有明显的差别，补给比较稳定。

②水岩化学平衡特征

图2-7-20为武山水氡点及其周围泉井水的Na-K-Mg三角图，从图可以看出，2017年的水样，22 号井水岩反应部分达到了平衡，表明22 号井水补给来源较远，循环周期较长。矿疗井也部分达到了平衡，但平衡程度并没有22 号井高，这可能是矿疗井水在出露地表过程中浅层水的混入较多引起的。因为矿疗井深度是武山22 号井的2 倍，流量是22 号井的3 倍，水温比22号井低接近4 ℃。理论上，矿疗井的水岩反应平衡度更高，温度更高。武山1号泉为未成熟水，但距离Mg 端点（地表溪水位置）较远，这表明取样点附近区域的地表溪水并没有直接补给到1号泉或者补给量很小。

图2-7-20　武山水氡及周围测点Na-K-Mg三角图

从同井不同期水岩平衡特征来看，22 号井1980 年、1987 年和2011 年三年的几乎没有差别，但2009年水岩反应平衡程度达到最高，这是因为2008年汶川8.0级地震使地壳深部平衡度更高的流体补给而入所致。目前水岩反应平衡度虽然不及2009年高，但高于其他年份。

1 号泉2009 年和2017 年都为不饱和水，但2009 年的水质接近于地表溪水，这是因为2008年汶川地震使区域地表水大量深入到泉水中所致，而目前区域地表水的补给并不多。这表明武山水氡两个取样点地下水循环周期相对较慢，主要是新矿疗井的分流使1号泉和22号井深部补给来源的水流速减小所致。

（3）氢氧同位素分析

温泉水氢氧同位素组成是判断水来源的主要指标。在现场核实时，分别采集了各个测点的样品进行了氢氧同位素分析，结果如图2-7-21 所示。从图可以看出，这些测点的地下水都为大气降水成因，武山22 号井和矿疗井具有相同的补给来源且不受附近区域地表水或降水的影响，1 号泉介于大气降水和深层水的中间，表明1 号泉更容易受到区域地表水或大气降水的影响，同时也有22 号井同源水的补给。由此可以判断1 号泉、22 号井和矿疗井在循环过程中都有一定的水岩交换反应。武山1 号泉由于没有其他年份同位素测值对比，没法判断目前的状态，但对比22 号井2006 年和目前的测值，可以发现，2006 年和2017 年同位素测值相差不大，但2017年的更接近于大气降水线，表明22号井水岩作用没有2006年强烈，这进一步说明目前深部水岩作用强烈的水补给并没有增加，水氡的高值是观测人员的变化引起的。

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图2-7-21　水样氢氧同位素与西北大气降水线的关系图

2.趋势高值异常分析

武山水氡2016 年5 月以来的高值被认定为年度异常，依据为2013 年岷县-漳县6.6 级地震震前异常变化。之所以将2016 年5 月认定为新的异常开始，是因为2015 年的快速下降变化当时没发现干扰，且下降为异常结束过程。但从图2-7-22 可以看出，2016 年5 月以来的高值与2012 年3 月以来的高值在变化趋势上是一致的，因此需要对2015 年的快速下降和2016 年的高值过程进行重新认定。

结合环境的调查，武山矿山疗养院打井从2015年4月中旬开始，7月份成井，这期间两个水氡测点的流量并没有大的变化，水温也平稳；但22 号井水氡测值波动加大，这主要是因为这口井井深只有100 m，水温不高，表明并没有打到22号井补给的含水层位置，且新井流量不大，对含水层的补给影响不大，而1号泉水主要的补给源比较浅，且与新井距离远，因此它只对22号井水氡造成了扰动，对1号泉水氡几乎没什么影响。

由于第一口井水温和流量没有达到疗养院的用水要求，又在第一口井旁打第二口井。这口井打到305 m时，水温达到了50 ℃，流量达到50 t/h，满足疗养院的用水需求。

第二口新井（以下统称矿疗井）与武山22 号井相比，温度相差不大，深度几乎是22 号井的两倍，出水量是22 号井的3 倍多，这表明矿疗井穿过了22 号井的含水层，且承压更大。同年12 月7 日对矿疗井的水氡含量进行了测量，测值为282 Bq/L，与22 号井相当，这表明22 号井与新矿疗井具有相同的地下水补给来源。

图2-7-22　武山水氡异常变化曲线图

从图2-7-22 可以看出，在打井进行了到9 月份时，22 号井的水氡波动加大，之后出现了下降变化，但由于流量观测方式的限制（采用了每秒流量记录，对于流量较小的观测井，每秒流量的误差较大），其变化并没有从图中显示出来。打井期间，打井对1 号泉的影响较小；但成井后，新井流量迅速增大，导致22号井和1号泉的流量度出现了大幅的下降变化，1号泉水氡下降明显，22 号井水氡下降速度加快。由此可以看出，2015 年水氡的快速下降并不是2012年3月以来高值异常的结束，而是打井引起的干扰变化将原有异常抵消掉。

2016年5月开始，水氡周围取样点环境没有变化，因此2016年5～12月的高值异常可能为2012年3月以来高值异常的延续，2017年低值为水氡异常结束后的正常变化。

7.2.4.2 打井对水氡测值影响的机理分析

图2-7-23 为武山温泉补给区和排泄区示意图，显示泉水主要是南部的大气降水经过一定的深循环到断层附近，由于断层的阻水作用在断层破碎带上升，并通过钻孔或以泉的形式出露地表。同时由于断层破碎带裂隙，孔隙发育，泉水或套管阻水能力差的钻井有浅层水或区域地表水的混入，泉水出露地表更为明显。从水质和同位素测量结果也可以看出，武山22 号井和矿疗井具有相同的地下水来源和水质类型，但1号泉浅层低温水补给更多，由于氡的半衰变期短，1号泉来自深层的氡并不多，因此矿山疗养院打井前期对其影响并不大，而22号井为钻孔出水，对其影响更为显著。

当成井以后，矿疗井对水氡井泉的影响分两个方面：一方面矿疗井的流速比22号井的大，水中的气体通过脱气作用沿矿疗井逸出，进而使流经22 号井和补给给1 号泉水中的氡含量减少；另一方面矿疗井的显著分流作用导致22号井和1号泉的流量迅速减小。流量减小引起流速的减小，流速减小使地下水的滞留时间增加，氡的衰变量增加，从而使22号井和1号泉氡值出现了下降，但经过一段时间后，地下水深部和浅部的补给达到新的平衡，流速相对稳定，氡值不再下降。

图2-7-23　武山温泉补给（a）及排泄（b）示意图

7.2.4.3 同类异常震例分析

从图2-7-8可以看出，2002年以来氡值曲线变化比较平稳，在其监控范围内共发生6级以上地震两次，汶川地震前异常为趋势下降后的转平，岷县-漳县6.6 级地震前的异常表现为在低值过程中，2012 年两个测点氡值出现同步的快速上升变化，之后转平，在平稳变化过程中发生地震，两次地震前都没出现短期异常。因此，武山水氡的异常为高值异常，且地震发生在高值异常持续期间，没有短期异常出现。通常没有出现异常结束后发生地震的例子。

7.2.4.4 异常性质判定

根据以上的分析，认为2017 年4 月以来的3 次高值变化（图2-7-22D 段）由人员轮换引起，排除地震异常的可能；2015年10月以来的低值（图2-7-22B段）为矿疗打井引起的干扰；2016年5月至2016年12月的高值（图2-7-22C段）为2012年3月开始的高值异常的延续。

根据已有震例，地震发生在武山水氡高值异常持续时间，而目前水氡高值异常已经结束8个月，据此，认为可以取消武山水氡的趋势异常。但在异常正式报告提交之前，距离武山水氡测点230 km 的九寨沟发生了7.0级地震，在趋势异常没发现明显干扰的情况下，该变化可能与九寨沟7.0级地震有关。

7.2.4.5 异常信度判定的认识

目前在异常信度判定时，通常用震例进行类比，如果同类变化有震例，则认为异常信度较高，否则，异常信度较低。武山水氡监测范围内，2008年以来发生了两次6级以上地震，地震前都出现了相对的高值异常，且两次地震都发生在高值异常持续期间。截至目前武山水氡的趋势高值异常结束已达8个月，根据震例判断，异常结束发生地震的可能性不大，据此流体学科异常落实组认为可以取消2016年5月以来的高值异常，甘肃省地震局相关人员也认同判定依据和结果，但鉴于武山水氡为2017年的年度异常，建议等到2017年学科年度会的商会时再取消。2017 年8 月8 日距离武山水氡台站230 km 范围发生了九寨沟7.0 级地震。这主要是因为强震发生是低概率事件，严格按统计学来要求，样本量明显不足，且地震异常并不如期望的那样有很高的重复性，因此用震例异常特征判断异常的信度有很大的局限性，但目前又没有可替代的其他方法，只能根据震例增加对已有判据进行修订。