甘肃省地震异常分析与判定报告

8.2.4.1 异常分析

1.水氡历年变化特征分析

通过前面的分析发现，2017 年以来的水氡与水位的变化具有同步性变化特征，而通过周围环境调查，发现引起水位变化的主要因素就是抽水。由于该测点在2012 年以来就一直存在无序抽水，如果2017 年以来水氡的大幅低值变化是由抽水引起的，那每年都应该有类似的变化，事实是否如此？

图2-8-13为2012年以来水氡测值的日值曲线图，从图可以清楚地看出，除2012年，其他年份同期水氡都出现了大幅的低值变化，且都形态相近，这期间只有2013 年有地震发生，表明这种大幅变化并不是地震异常，而是与固定的干扰——抽水有关。抽水究竟怎么影响了水氡的变化，就需要进行抽水实验及水质和同位素变化分析。

图2-8-13　水氡历年（2012—2017年）日值变化曲线图

2.抽水试验

（1）实验过程

清水温泉为上升泉，当停止抽水或抽水量小于补给量时，会自动蓄水，为了实验结果具有可对比性，规定由一家单位在稳定的动力源下进行抽水，抽水和蓄水（完全停止抽水）时间都为1小时，但由于抽、停水由用水单位实施，因此时间上会出现小幅的波动。

试验于2017年7月18日上午10：20开始，进行了两个抽水过程和两个蓄水过程，由于试验进行前，用水单位已经抽水，所以第一次的抽水开始时间无法确定，但10：20 开始按规定抽水，结束时间为11：40；抽水结束，自动蓄水；12：45第二次抽水开始，13：45抽水结束第二次蓄水开始，14：45 第二次蓄水结束。整个实验于15：00 前全部结束。试验主要记录抽水、蓄水过程中水位和水温的变化水氡值的测量及水质同位素样品的采集。水氡测量使用P2000便携式水氡仪，一次水氡测量产生20 个左右水氡数据，时间为20 分钟左右，然后根据规范校正后计算出氡值。

每次采集水氡样品时，测量此刻水位的高度和水温，每个抽水和蓄水分别测量两次氡的含量，共产生8 个氡值。第一次抽水过程测量了两次水位，第二次抽水每5 分钟测量1 次水位，两次蓄水同样每5分钟测量1次水位。

（2）实验结果

①水氡测量结果

表2-8-3、2-8-4、2-8-5以及2-8-6为8次水氡测量的结果。

表2-8-3　第一次抽水阶段水氡取样时间及测量结果

表2-8-4　第一次蓄水阶段水氡取样时间及测量结果

表2-8-5　第二次抽水阶段取水氡样时间及测量结果

续表2-8-5

表2-8-6　第二次蓄水阶段水氡取样时间及测量结果

②水位与水温测量结果

表2-8-7为抽、蓄水过程中水位和水温的变化情况，由于水位和水温的观测不是一一对应的，因此表中出现空缺位置。

表2-8-7　抽蓄水过程水位与水温测量结果

（3）实验结果分析

①水位与水氡的关系

图2-8-14 为两次抽水和蓄水过程中水氡与水位的变化曲线。从图中可以看出第一次抽水过程水位的变化不大，主要是试验在原有的抽水过程中进行的，试验开始时，水深也只有最高水位的1/3，但水位总体为下降变化，水氡测值也逐渐减小。第一次蓄水过程中，随着水位的上升，水氡测值逐渐增加。第二次抽水，水氡测值随着水位的下降而减小。第二次蓄水过程中，水位上升，水氡测值增加。由此可以看出，抽水和蓄水过程对水氡的影响非常明显，抽水过程中，随着水位的下降，氡值减小；蓄水过程中，随着水位的上升，氡值出现上升，两者具有非常好的同向同步变化特征。

图2-8-14　抽水和蓄水过程中水位与水氡的变化关系图(www.xing528.com)

②水氡与水温的关系

表2-8-7给出了抽蓄水过程中水温的变化值，可以看出整个过程，水温的变化不大。图2-8-15 为抽蓄水过程水温与水氡的曲线图，从图也可以看出，不管是抽水过程还是蓄水过程，水温的变化并不一致且不单调，在趋势上与水氡的变化不一致，由此可以看出，抽水试验过程中，水温对水氡测值没有明显的影响。

图2-8-15　抽水和蓄水过程中水氡与水温的变化曲线图

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，在本次抽水实验过程中，采集了两次抽水，三次蓄水过程中对温泉水及测点周围温泉井和冷水井的水样进行了氢氧同位素分析，取样点分布如图2-8-3（a）所示，结果如图2-8-16 所示，图中显示所有样品氢氧同位素都沿大气降水线分布且靠近大气降水线，说明清水温泉水和周围泉井水都为大气降水成因。但大地冷水井水和温泉水位于大气降水线的两端，说明它们补给成因存在一定的差别，大地冷水井水补给区较近，而温泉水补给区较远或高程高。这表明清水温泉水氡的变化不是附近浅层水入渗或混合引起的。

图2-8-16　清水温泉氢氧同位素分析

4.水质分析

清水温泉抽水和蓄水过程中共取了5 个样品，其中1 个在抽水过程中，1 个在抽水水位达到最低值，1个为蓄水达到最高值，两个分别在蓄水103 cm和125 cm处，另外，在职工培训中心温泉和大地冷水井分别取了样品进行对比试验。同时采用清水温泉成井（1980 年）和2009年所测得水质值进行对比分析水质的变化。

图2-8-17（a）为水质piper图，从图中可以看出，大地冷水井与温泉井类型完全不同，大地冷水井为Ca-HCO3型，温泉水都为Na·Ca-SO4型水，这表明地表水或降雨对温泉水的影响不大。从温泉水1980年、2009年和2017年的水质来看，这三个时段水质类型没有改变，且与周围井一致。表明温泉水在深循环过程中与热储层中的花岗岩及混合质片麻岩产生溶滤作用，且温泉井附近地表水对温泉水的影响并不大。

图2-8-17（b）为清水温泉及周围观测井Na-K-Mg 水岩反应平衡图，从图中可以看出，单从清水温泉这次测量的5组水质数据来看，它们位于未成熟水和部分平衡水边界且在未成熟区域，表明温泉水补给循环速度较快，在补给循环出露过程中水岩反应不多，而大地冷水井位于三角图的Mg1/2端，从图中也可以看出蓄水过程中图像向三角图右下角迁移，表明抽水、蓄水使水的循环速度进一步加快，这进一步说明温泉水中并没有冷水或没有大量的冷水混入，它的快速循环是由大量抽水引起的。

图2-8-17　清水温泉及其周围水质piper三线图（a）和Na-K-Mg三角图（b）

对比1980 年、2009 年和目前清水温泉的水质变化，可以看出，相比而言，2009 年成熟度最高，这主要是因为2008 年汶川8.0 级地震导致深层水岩交换充分的水运移至观测井。对比1980 年成井时与目前的水质图，可以看出1980 年的水质部分达到了平衡，而目前的为未成熟状态，但差别不大，这表明温泉水补给来源多年来没有大的变化，只是目前大量的抽水导致水的循环速度加快。

5.试验结果综合分析及讨论

综合试验结果，抽水对水氡的影响非常显著且具有很好的规律性，即抽水过程中，随着水位的下降，氡值下降；蓄水过程中，随着水位的上升，氡值上升。根据已有的研究结果，抽水对水氡的影响主要包括三个方面，即滞水更新作用，层内或层间水的混合和水泵抽空作用。滞水更新作用是指抽水使井管内水的更替加速，使来自含水层的高氡“新水”代替原来的低氡“陈水”，从而使水氡测值增加。层内或层间水的混合作用是指抽水引起地下水的水力坡度、流速及流向改变，造成含水层内部或层间的不同氡含量水的混合比改变，从而引起水氡测值变化。水泵抽空作用是指抽水时水泵发生抽空现象，一方面吸入空气，另一方面使水产生脱气，致使水氡测值减小。

由于本次试验中，抽蓄水时间总共4 个小时，每个过程只有1 个小时，并且期间不断有新水补入，相对氡3.85天的半衰期，实验期间氡的衰变引起氡的减少可以忽略。另外，滞水更新会引起氡值的升高，这与实际测值不相符。因此可以排除滞水或滞水更新引起氡值的变化。

根据水质和同位素分析结果判断，温泉水并不是由观测井附近区域地表水或浅层水直接补给，并且根据对比分析抽水年份和未抽水年份水质测值，发现水质并没有大的变化，表明温泉水的补给比较稳定。另外，根据抽蓄水过程中温度变化，除第二次蓄水达到最高时的水温偏低以外，其他时段水温变化并不大，这表明抽水引起层内或层间水的混合作用不明显。对比抽取和蓄入等量水的时间，蓄水用时42 min，抽水用时40 min，两者几乎相等，表明抽水和蓄水过程中水的补给速度并没有大的差别，因此可以排除地下水补给速度引起抽水和蓄水过程中水氡的差异性变化的可能。

抽水和蓄水过程中引起水氡出现异常变化的主要因素为水泵的抽空作用。在抽水阶段，水泵使水的脱气能力增强，水中的气体减少，氡值下降，因此抽水过程中，水氡的测值会逐渐减低，当抽水结束时，地下水的脱气能力减弱，水中气体含量增加，蓄水时间越长（达到最高之前）含气量高的水体补进的越多，水氡测值逐渐增大。

图2-8-11 为水氡与水位日常观测值，从趋势变化来看，两者的变化具有很好的同步性，即水位上升水氡上升，水位下降水氡下降，这与抽水实验结果是完全一致的。但从短期突变来看，有些时间点水氡与水位的变化成反向变化，即水氡低值对应水位的高值，但水位的低值与水氡的关系不明显，出现这种变化的原因是：实验是一个短时间的过程，这期间氡的衰变可以忽略，但在日常观测中并不完全是这样，如果较长时间不抽水，水位不会无限上升，当进水压与水井水压达到平衡时，水位不再上升，即当较长时间不抽水时，氡的衰变成为氡减少的主要因素，因此就会出现水位高值对应水氡低值的现象。水位较低时，为抽水的过程，滞水时间不会长，但存在新旧水的交换过程，因此日常观测中水氡的高值与水位的关系不明显。从图2-8-10也可以看出，水温的变化与水氡的变化不显著，这与抽水实验结果一致。

从以上分析可以看出，抽水和蓄水过程中水氡测值的变化是与实际观测一致的。因此抽水是引起水氡出现大幅变化的主要的因素。

6.不同测点流体测项对比分析

清水温泉仅进行水氡观测，但距离其仅1 km 处为清水温泉流体观测点，该观测点进行水温和水位观测，有两个不同深度的水温和一个水位，从图2-8-18 可以看出，两个不同深度的水温，观测以来测值都非常稳定，特别2017年4月以来，测值更加平稳，水位测值在2017年2月出现了转折上升变化，但从2015 年以来的观测曲线来看，这种转折是水位的正常年变。由此可以看出，水氡从2017年4月以来的异常变化与其他流体测项并不配套。

8.2.4.2 异常性质判定

通过资料分析、抽水实验和水质测试分析可以判定，2017年4月以来清水温泉水氡的低值变化是由温泉井不定期不定量的抽水引起的，为干扰变化，应排除地震异常的可能。

8.2.4.3 同类异常震例分析

清水温泉水氡从2007 年大量抽水以来，此类异常变化几乎每年都会频繁出现，特别在“五一”和“十一”节假日前后用水量增加期间。清水水氡观测以来，台站监控范围内发生的中强及以上地震并不多，最显著的有2008 年的汶川8.0 级地震和2013 年的岷县-漳县6.6 级地震，汶川地震前期，正好是“五一”用水的高峰时期，大量的抽水导致水氡出现大量的负突跳变化，没法区分出汶川地震的前兆异常。2013年岷县-漳县地震前，水氡的变化幅度并没有加大的现象。由此可以判断，此类变化与地震并没有很好的对应关系。

图2-8-18　清水温泉流体观测站水位和水温日值曲线图

8.2.4.4 水氡异常变化与九寨沟7.0级地震的关系

清水温泉水氡现场核实于2017 年7 月19 日结束，并按期提交了异常核实初始报告，但由于本次核实需要水质化学实验分析，因此在正式核实报告提交前发生了九寨沟7.0 级地震。但通过前面的一系列实验及深入的分析，仍然认为此次异常为抽水引起，与地震的关系不大。