甘肃省地震异常分析报告

12.3.1.1 与本次异常分析相关的物理试验过程

1.对比观测

图2-12-18为同类仪器比测的结果，从曲线来看，两者的变化并不完全一致，这是因为实验过程都会出现一定的误差，包括系统误差和人为误差，因此当日变差较小时，两测线不可能完全成平行状态。但从两条曲线变化趋势来看，两者是一致的。2017年7月进行现场核实也用相同的仪器进行了对比观测，从两期的测值变化来看，相同的主测值对应的比测值也很相近，比如2019 年主测值277 Bq/L 对应的比测值为266 Bq/L，主测值280 Bq/L 对应的比测值为267 Bq/L，2017 年的主测值272 Bq/L 对应的比测值为260 Bq/L，主测值278 Bq/L 对应的比测值为261 Bq/L。由此可以判断，水氡异常变化测值是真实可靠的。

图2-12-18　同类仪器水氡比测曲线

2.不同取样方式的对比观测

2019年6月初，水氡的采样方式发生了改变，现场测量了流量，转换管取样方式（之前的采样方式）测得的流量为38 s/L，直接采样方式（现在的采样方式）且将水龙头开到最大时，流量为15 s/L。通过对观测人员的询问和观察了解到，就是直接采样，对水龙头开的大小也没有统一的标准，因此就会出现不同观测员采样流量不同的情况。为了分析两种取样方式对氡值的影响，7 月13 日16 点，利用两种方式进行了样品采集，直接采样方式的样品采集完成时间为16∶41，转换管取样方式（水龙头并未开到最大）样品采集完成时间为16∶46。利用主测仪器和主测闪烁完成测量，水氡测试结果为插管采样测值169 Bq/L，直接采样测值220 Bq/L。为了与之前的测值对比，整个试验都有核实人员陪同，观测人员操作。

12.3.1.2 与异常相关的化学试验过程

1.与异常井相关的水样采集过程

现场核实时，采集了4 个点的水样，这4 个点包括武山22 号井，武山1 号泉井旁温泉，地表水（此点相距1号泉井旁点不到1 m）[图2-12-19（a）]，铁疗水塔。由于450 m 井口已做封闭处理，无法进行样品采集，因此铁疗水塔井实为450 m 井与22号井水的混合水，但450 m 井中的水占很大比例，以下将此样品称为混合水。图2-12-19（b）为采样点的空间位置。

图2-12-19　水样采样现场图及空间位置

每个点采集2个样品，1个用于水化学组分测试，1个用于氢氧同位素测试，4个点共采集8 个样品。水化学组分检测样品容器使用100 ml 容量的PE 聚乙烯瓶，氢氧同位素检测样品容器使用50 ml容量的PE聚乙烯瓶，都为螺旋式瓶盖。由于溢流法很难排空空气，特别是瓶盖中的空气无法排除，因此先将泉水接到容器中再进行采集，采样及盖瓶盖都在水下完成，采集后快速用封口膜进行了封口处理，并贴上标签。采样前容器用待测水进行了3次以上的清洗。样品采集时间和水温见表2-12-5。样品测试由中国地震局地壳应力研究所地壳动力学重力实验室完成，测试结果见表2-12-6。

表2-12-6　采样点水质及氢氧同位素测试结果

2.气样及离子测试

从2019 年12 月11 日开始就用浙江福立生产的GC9790Plus 气象色谱仪进行气体组分分析，测试的气体包括He、H2、O2、N2、CH4、CO2，每天产出一个数；同时，利用山东青岛盛瀚生产的CIC-D120离子色谱仪进行F-、Cl-、离子分析，同样也是每天产出一个数。

3.氡值测量

（1）新打井水氡值测量

不论是矿山疗养院还是铁路疗养院，成井后都对井口做了封闭处理。矿山疗养院在井口未封闭前，台站观测人员对水中氡的含量进行了测量，测值与武山22 号井的相当，这次无法取到样品，因此没有测量。铁疗450 m 井封口前未进行氡值测量，这次现场核实时，在水塔采集的水样，即混合水进行了氡值测量，测量了两个样品，测量结果为76 Bq/L和80 Bq/L。

（2）22号井周围10 km范围内井泉氡值的测值

2018年4月，武山地震台观测人员对武山22号井方圆10 km范围内的泉点进行了勘选，共找到了9处泉点，空间位置如图2-12-17所示，对它们的水温及水氡进行了测量，结果见表2-12-7。

表2-7-7　武山22号井周围泉点水温及氡值

备注：常温的泉水都为生活用水。

12.3.1.3 与本次异常相关的试验数据分析

1.气象因素分析

武山22号井深度达154 m，水温达到55.6 ℃，且没有季节性的变化，因此理论上并不受气温和气压因素的影响。根据已有的研究结果，它的热水来源为大气降水，但经过了一定深度的循环上溢出地表，因此并不直接受降雨的影响。

武山22 号井水氡正常动态没有年变显示，且多年成平稳变化状态。从2016 年8 月开始呈趋势下降变化且出现了类似年变的动态，2019 年3 月趋势异常转折。从2011 年以来气象三要素的旬均值变化来看[图2-12-11（a）]，气温、气压变化平稳，年变形态稳定，降雨量2016和2019年前后并没有大的变化。从图2-12-1也可以看到，武山22号井水氡2015年9月之前并没有年变显示，因此可以排除水氡的趋势下降和年变以及2019 年3 月的转平是气象因素引起的可能。

从短期变化来看[图2-12-11（b）]，2019年6月中旬以来，气温没有起伏变化，气压也比较平稳，没有明显的降雨，因此水氡的短期变化并不是气象因素引起的。

综合上述分析，水氡异常不是气象因素引起的。

2.地下水成因及补给类型

（1）地下水类型分析

从piper 三线图可以看出（图2-12-20），22 号井地下水中主要阴离子为HCO3-，主要阳离子为Na+离子，地下水类型为Na-HCO3，与2017 年和2018 年相比，地下水类型没有发生变化。与周围井泉相比，与武山1号泉和混合水及矿疗井的类型也一样，表明它们有相同的地下水来源和循环途径，与浅层循环水和地表水相比，后者阳离子主要为Ca2+，阴离子含量也高于前者，地下水类型为Ca-HCO3。表明热水井水经过了一定深度的循环。

图2-12-20　武山22号井及周围井泉piper三线图与Na-K-Mg图

由此可以判断，22号井水与450 m 井水、矿疗井水及1号泉水都经过一定深度的循环，具有相同的地下水循环途径，与2017年和2018年相比，2019年地下水类型没有发生变化。

（2）热储温度计算及分析

准确的热储温度是估算地下热水循环深度的前提，但井口温度比热储温度低，通常用地球化学温标法计算地下热储的温度。地球化学温标主要有两大类：一类为SiO2温标，一类为阳离子温标。由于试验条件限制，几次测试都未对SiO2含量进行测试。利用阳离子温标的前提是要水样反应达标平衡状态，Na-K-Mg（Giggenbach）三角图可以反映地下水岩反应程度。从图2-12-20 可以看出，22 号井2019 年的投影点位于水岩部分平衡区域，表明地下水循环时间较短或在上升过程中与浅部平衡程度更低的地下水发生了混合，还未达到平衡，溶解仍在进行。对比2017年与2018年的投影点，2019年的平衡程度更低，由此可以判断，2019年来自深部的地下热水比例在减少。与混合水的投影点相比，两者距离非常近，表明与450 m 井来源更为相近，与武山1号泉和矿疗井相比，它们都处于部分平衡状态且位置相近。

由此可知，所有采样点都无法用阳离子温标法准确计算出热储温度，但22 号井水岩反应都达到了部分平衡，可采用阳离子温标估算热储温度。武山22 号井为中低温热水系统，因此选用K-Mg温标计算，计算结果见表2-12-8。结果显示22号井热储温度在90～119 ℃之间，这与其他学者用SiO2计算的温度很接近（温煜华等，2010），表明计算结果可信。混合水温度高于22号井6.2 ℃，表明450 m井的热储温度高于22号井，这与地温梯度是一致的。武山22号井与矿疗井和武山1号泉的热储温度也比较相近。

表2-12-8　武山22号井及周围泉、井热储温度估算值

（3）地下水循环深度计算及分析

地热水的循环深度H的计算公式为：

式中：T为热储温度，这里用K-Mg算出热储温度；

T0为恒温层温度，取当地平均气温10.8 ℃；

Tgrad为地温梯度，这里选取35 ℃/km；

H0为恒温层深度，这里选取0.02 km。

计算结果见表2-12-8，从表上可以看出，同一测井（泉）相比，2017年的循环深度最深，而2018年和2019年的测值很相近，这或者与样品采集有关，因为2018年和2019年的样品都是同一人采集，而2017年的样品为另一人采集，或者与2017年8月九寨沟7.0级地震有关，因为2017年的样品采集时间为7月16日。不同测点相比，它们的循环深度很接近，都在1.98～2.52 km 之间，这与其他学者（温煜华等，2010）用玉髓温标的计算结果1.74～2.77 km 很接近，表明这些井（泉）属于同一热储。从22号井来看，2019年的计算深度浅于2018年，也明显浅于2017年有震年份测值的计算深度，表明来自深部的流体并没有增加。

（4）地下水离子来源的判断(www.xing528.com)

rNa/rCl 可以反映地下水的变质系数，沉积水的比值为0.85 左右，计算得22 号井水2019 年的比值为13.7，2018年的比值为13.5，2017年的比值为12.2，都远大于沉积水的比值，表明地下水不是来自沉积水或者混入了大量的大气降水。从比值的大小来看，2019 年的测值最大，表明来自深部的流体减少。

（5）地下水来源、补给高程、流经途径及冷热水混合比例分析

氢氧稳定同位素是分析地下水循环及相互转化的最常用的指示剂，地下热水中δ18O含量随热储温度的升高而减小，较低温度埋藏较浅的地热水中更容易富集δ18O。图2-12-21 显示，除2008年22号井测点外，其他22号井周围泉（井）及地表水氢氧同位素比值都分布在西北大气降水线和全球大气降水线之间，且沿大气降水线分布，表明这些泉点的地下水都来源于大气降水。22 号井与混合水投影点很接近，表明450 m 井也与22 号井来源和循环路径相同。22 号井三个不同采样时期的测值显示，2018年和2019年投影点几乎重合，而2017年测值偏低，且氧略有右漂移，这与水质分析结果一致。2008 年22 号井氧同位素出现了明显的右漂移，这是因为该样品采集时间为汶川MS8.0 地震震后1 个月，该大地震使水岩反应程度更高的深部流体混入其中。

图2-12-21　武山22号井及其周围井泉氢氧同位素分布图

氢氧同位素具有高程效应，高程越高，δD 和δ18O 含量越低。已有研究表明武山温泉的补给区为武山云雾山（周小龙，2010），该地区海拔达到2700 m左右，如果武山22号井地下水全部来源于大气降水，那么根据氢氧同位素计算出的高程不能高于2700 m。从图2-12-21也可以看出，2019 年的测值距离大气降水线很近，表明大气降水在循环过程中水岩反应不显著或者可以忽略，因此这里用该年的测值计算22 号井的补给高程，利用高程计算公式进行计算，结果为2522 m，略低于云雾山的高度，表明地下热水循环溢出地表的过程中，发生了冷热水的混合。

根据同位素质量守恒原理，可以计算出冷热水的混合比例，混合比例计算公式为：

式中：δDM 为混合水M 的δD 值（‰），δDA、δDB 分别为A、B 端元的δD 值（‰），X 为混入A端元的比例。

由于无法取到未混合的热水水样，无法测出原水δDA值，但是这里主要分析混合比例的变化，并不一定要原水δDA 值才能计算，因此这里选取δDA 最低的混合水作为原水，为A 端元，值为-83.27‰，大气降水为B端元，值为-52.88‰。

将以上参数带入公式，各端元混合比例计算结果见表2-12-9。

表2-12-9　武山22号井水不同年份各端元的混合比例

计算结果显示，武山22号井2018年和2019年混合比例很接近，且明显高于2017年，因此2017年以来深部来源热水逐年减小。

综合以上分析，武山22号井与1号泉，矿疗井，450 m 井具有很好的水力联系，且具有相同的地下水补给来源及循环路径，地下水来源于大气降水。2017 年至今，地下水类型没有发生变化，水岩反应平衡程度2019年与2018年相当，但低于2017年，δ18O和δD分析结果也显示2017年以来深部来源热水逐年减小。

3.溶解气体组分变化分析

地下水中气体组分有来源大气的，也有来源于地壳深部的，同时气体的变化可以指示地下水的来源环境，因此气体组分的变化在一定程度上可以反映区域应力的变化。2019 年12 月11日开始对武山22号井水中气体成分进行分析，结果见图2-12-22，由于观测时间较短，无法提取正常背景变化，但从仅有资料来看，测值一直比较平稳，甲烷5月底测值有所升高，但三月份也出现过类似变化，因此无法判断是否异常。对应力变化有灵敏响应的氢气并没有异常变化。因此，水氡异常期间，气体组分没有出现异常。

图2-12-22　武山22号井气体组分分析结果

4.离子组分变化分析

气体组分测量的同时，也对水中阴离子组分进行了测量，从图2-12-23可以看出，观测以来氯离子波动比较大，硫酸根离子和氟离子稳定。三个组分观测以来没有异常显示。因此，水氡异常期间，离子组分没有出现异常。

图2-12-23　武山22号井水离子组分

5.疗养院用水量的变化对氡值的影响

铁路疗养院并不记录每天的用水量（没有流量计），但对每天接待的人数（包括洗浴、游泳、住宿）都有详细的记录，而接待的人数与用水量成正相关关系，因此可以通过接待人数来分析用水量变化与水氡的关系，结果如图2-12-24 所示，考虑到铁路疗养院属于经营性单位，因此图中纵坐标数值进行隐性处理。从图上可以看出，接待人数与氡值变化具有很好的一致性，接待人数增加，氡值升高。但从图上也可以看出，上升时间氡值早于人流量增加值。这是因为这里还有矿山疗养院，疗养院有自己的用水井，前面分析表明矿山疗养院用井与22 号井具有相同的热水来源。因此矿山疗养院用水量的变化也会对22 号井氡的测值造成影响，但未获得矿山疗养院用水量的具体数值，无法做到量化分析。

图2-12-24　铁路疗养院接待人数与水氡的变化关系

据此可以推断水氡高值早于铁路疗养院接待人数增加的时间，应该与矿疗人数的变化有关。

6.取样方式的改变对氡的影响

从观测人员处了解到，新旧采样方式测得的氡值相差不多，新采样方式测值偏高，现场测试结果也验证了这一结论。由此可以看出，不同的采样方式测得的氡值差别比较大。单纯测值来看，同样的采样方式早晨的测值比下午的高47 Bq/L，这是由于核实当天闪烁室测样频繁，需要降低本底值，下午样品的衰变时间达到6小时30分钟，远大于早晨的1小时衰变时间，长时间的静置导致扩散瓶中的部分气体逸出。同时也可以看出，两种采样方式的差值，现场核实测量结果达到51 Bq/L，明显高于观测人员测量的数值，这可能是长时间放置导致扩散瓶漏气率不同所致。

从观测人员处了解到，虽然6 月初就开始采用新的采样方式，但由于还在试验阶段，6 月11～20日的值班人员取样时并不是一直使用新的采样方式，6月21～30日的值班人员一直沿用旧的采样方式。7月份开始，都采用新的采样方式。另外，就是新的采样，水龙头的开合程度并没有量化的标准，因此6 月中下旬，氡值与6 月初相比，不仅没有呈上升变化，反而有所下降。但7月份之前，疗养院客流量比较平稳。

综合上述分析，取样方式的改变和水龙头开合程度的不统一造成了2019年6月中下旬氡值的低值变化。

7.周围30 ℃以下泉水对氡值的影响

2018年4月，武山1号泉（距离22号井60 m）流量越来越小，台站观测人员在周围勘选新测点时，对各个泉点的水温和氡值都进行了测量，从测量结果（表2-12-7）可以看出，这些泉点的氡值都在200 Bq/L 以下，其中2个泉点都比22号井水中的低。武山1号泉未断流前，它的水温也在30 ℃以下，水化学组分显示，部分泉水循环深度与22 号井的相同，但氡值在500 Bq/L 左右，明显高于22 号井的。2017 年和2018 年对武山1 号泉旁泉水的水化学组分也进行了检测，结果显示循环深度很浅，接近地表水。由此可以判断，新勘选的这些泉点都为地表浅层循环水，它们用水量的变化不会对武山22号井氡含量造成影响。

综合分析认为，武山22 号井水氡2019 年7 月份以来的高值是疗养院用水量增大，水流加快，地下水携带的气体增加及更新加快引起的。

8.450 m井与22号井氡含量差异性分析

由于450 m井井口封闭，无法取到450 m井的水样，现场核实时，是从水塔中取得的样品，是450 m 井和22号井的混合水，测得的氡值为80 Bq/L 左右，这与当天测得的22井中的氡值相比，仅为其30%左右。但这两次取样的方式完全不同，22 号井在分流出水口直接取样，而450 m 井由于温度太高加之水流大，无法直接取样，因此先将水塔中水打入水桶中，再用扩散瓶取样。为了使两个测值具有可比性，将22 号井水也先接到水桶，再在水桶中取样，测得22号井的水氡含量达到190 Bq/L，仍然差别很大。

2018年武山1号泉流量太小，取样时如果扩散瓶进气量太多，氡值升高非常明显，如果先将泉水接到容器中，再进行取样，氡值又下降很明显。武山22 号井，当先将井水接到容器中再进行取样时，氡值也比直接取样的低。据此可以判断，我们测量的氡来自泉水携带的气体中的含量比较高，如果气体逸出得多，测得的氡值就偏低。水塔到井口的距离达到110 m，且高程低于井口，现场也可以看到，水塔中水流冲击比较大，并且塔口是敞开的，热水携带的气体已经所剩无几，因此混合水中氡的含量明显低于22号井的。

武山1 号泉距离22 号井不到100 m，从图2-12-21 和图2-12-22 可以看出，武山1 号泉地下水来源大多与22 号井同源，22 号井与450 m 井有相同的地下水来源和循环路径，因此可以通过1号泉中水氡值含量估算混合水中450 m井水和22号井水氡含量的关系。2018年委托武山台观测人员对武山1 号泉进行了试验测试，即通过测量不同水汽比例氡的含量，计算出武山1号泉携带的气体中氡含量为1644 Bq/L，溶解在水中的氡含量为500 Bq/L，前者是后者的3.288倍。而现场核实时，测得武山22 号井水氡（正常取样）是水塔中水氡含量的3.34 倍，两者比值非常相近。虽然水塔水为450 m 井水和22号井水的混合水，但来自450 m 井的水占了更大的比例，混合后的氡值与22号井中的相当表明450 m井水中氡含量与22号井相当。

9.与异常相关的其他辅助测项分析

（1）同井辅助测项观测

每天水氡测量时还进行流量和水温的测量，从长趋势变化来看（图2-12-25），水温变化很稳定，特别是2014 年以来，基本在55.5 ℃左右变动，2019 年3 月以来测值固定为55.6 ℃。流量2014 年初出现了阶梯变化，这是改变测量方式引起的，2014 年以来比较稳定，但我们测量的流量仅是分支的流量，无法反映真正的井水流量变化。另外，2016 年对引水装置进行了全新改造，2019年6月采样方式又发生了改变，因此该点的流量测值仅供参考。

图2-12-26 为2019 年以来水氡、水温和流量的短期变化，水氡值变化期间，水温没有发生变化，流量测值不准确，无法使用。

图2-12-25　武山22号井辅助测项多年趋势的变化

图2-12-26　武山22号井辅助测项短期变化

（2）其他测项分析

武山22 号井方圆100 km 的其他测项没有异常。武山钻孔倾斜就在武山地震台院内，2017年以来的测值可以看出（图2-12-27），测值变化一致比较平稳（2018 年7 月的变化为仪器调整引起），2019年7月以来也没有异常显示。

图2-12-27　武山钻孔倾斜曲线