甘肃省地震异常现场核实报告2020年产出

13.3.1.1 与异常相关的实验过程

1.对比观测

2020年8月3日下午和8月4日上午，进行了两组对比观测：

（1）改变新观测井采样口的流量，采集了最大流量和最小流量（刚好达到样品采集的标准）下的样品。

（2）按照正常观测时的状态采集新观测井和22 号井的水样，将以上样品带回实验室进行水氡测量。为了使数据具有可对比性，整个过程由观测人员完成，除闪烁室之外，用同一仪器观测。具体参数及测量结果见表2-13-4。

表2-13-4　水氡比测参数及结果

2.样品的采集及测试结果

现场核实时，采集了4 个点的水样，包括武山新井、22 号井，距离新旧观测井50 m 的冷泉，还有地表水（图2-13-18）。

图2-13-18　样品采集

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。水化学组分及氢氧同位素检测样品都采用100 ml 容量的PE 聚乙烯瓶，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，因此采集时先将水样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。采样前对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2-13-5。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2-13-6。

表2-13-5　样品采样参数

表2-13-6　水化学测试结果

13.3.1.2 新旧观测井水氡测值连续性分析

1.新旧观测井及含水层对比

武山水氡新旧观测井相距仅20 m，它们的地质构造背景完全相同。22号井井深154 m，新观测井井深450 m，从图2-13-5 柱状图可以看出，地层5 m 以下都为花岗岩，120～300 m、400～450 m 岩性为中粗粒斑状角闪二长花岗岩，粗中粒二长花岗岩，岩石节理发育，100～120 m，300～300 m 为断层破碎带，裂隙发育连通性好，导水且含水，主要含水层在120～300 m之间，该段岩石组成和结构完全相同。由此可见，新旧井的含水层是完全相同的。新井井径为192 mm，套管内径180 mm，22 号井为185 mm，两井井径几乎相同，因此新旧井地下含水层相同，在结构上对应力变化具有相近的响应能力。

2.新旧观测井氡值大小对比

由于铁路疗养院将22 号井转让，无法进行较长时间的并行观测，但从图2-13-1 可以看出，2020年1月1日更换测点前后氡值并没有出现台阶式的变化，表明两个测点井水中氡的含量相同。现场核实时，我们对两个测点的测值进行了对比观测，结果见表2-13-4。8月3日的测值，新井的为272 Bq/L，22 号井的为262 Bq/L，两者相差4%，未达到主副样5%的超差标准。8月4日的测值，新井的主样为271 Bq/L，副样为259 Bq/L，22号井的为256 Bq/L，主样与22号井相差5.3%，与主副样规定的超差5%的标准相差很少，副样与22号井的测值几乎一致。从图2-13-1 可以看出，从2020 年7 月开始，2020 年和2019 年的测值已经相当，由此可以判断，在测值大小上，更换测点对测值没有影响，水氡2020 年恢复性上升并不是更换测点引起的，而是真实存在的。

3.新旧观测井地下水类型和循环的对比

2019年7月和2020年8月，在武山水氡异常核实时，对两个井的离子和氢氧同位素进行了分析，由于是两井间的对比，样品的采集时间并不会影响新旧井之间的对比，同时新采集的样品测试具有滞后性，因此以下分析基于2019年7月的测试数据。

图2-13-19（b）三线图显示，两个测点投影点重合，地下水类型完全相同，都为HCO3-Na 型水，Na-K-Mg 图[图2-13-19（a）]中两个测点的投影点也几乎完全重合，且都处于部分平衡状态。Schoeller图可以直观地示踪不同水体的循环路径，图2-13-16（c）显示，新旧观测井离子的路径几乎完全重合。表明新旧观测井地下水来源相同，且经过了一定深度的循环，循环速度和循环深度相近，循环路径一致。

图2-13-19　武山新旧观测井Na-K-Mg（a）、piper（b）和Schoeller（c）图

4.地下水补给来源比较

（1）氢氧同位素比较

从离子变化可以看出，新旧观测井的地下水来源相同，且循环路径和循环速度一致，但离子变化无法判断地下水的来源，而氢氧同位素比值的变化可以判断地下水的来源。图2-13-20显示，新旧观测井和地表水氢氧同位素的投影点都分布在西北大气降水上或附近，表明新旧观测井地下水都来源于大气降水，具有相同的补给来源。

图2-13-20　武山新旧（22号井）观测井氢氧同位素曲线图

（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，异常核实时，并未对SiO2含量进行测试。利用阳离子温标的前提是水岩反应达到平衡状态，Na-K-Mg（Giggenbach）三角图可以反映地下水岩反应程度。从图2-13-19（b）可以看出，新旧观测井离子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。因此，无法用阳离子温标法准确计算出热储温度，但新旧观测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。新旧观测井为中低温热水系统，因此选用K-Mg温标计算，计算出新观测井热储温度为96.4 ℃，22号井热储温度为90.2 ℃，这与其他学者用SiO2计算的温度很接近（温煜华等，2010）。新旧观测井热储温度相差6.2 ℃，按当地的地温梯度计算，相差296 m的水温差别应该是10 ℃。两观测井温度的差值略小于地温梯度计算的值，表明新旧观测井中的部分流体来源于相同热储层。

（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：

其中：T为热储温度，这里用K-Mg算出的热储温度；

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。

通过此公式计算了新旧观测井的循环深度，结果22 号井的循环深度为2.29 km，新观测井的循环深度为2.47 km，两者相差190 m，而实际两井相差296 m，表明新井的地热流体并不是完全来自450 m深度，这与主要含水层在120～300 m的深度是一致的，表明新旧观测井中的部分流体来源于相同的循环深度。

（4）地下水离子来源的判断

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 号井的比值为13.8，新观测井的为12.81，都远大于0.85，新旧观测井的井水都不是来自沉积水，这与氢氧同位素测值的分析结果一致。

（5）补给高程、流经途径及冷热水混合比例分析

氢氧同位素具有高程效应，可用高程效应公式计算出地下水的补给地区。结算结果：22号井补给高程为2292 m，新观测井的补给高程为2328 m，两者相差并不大，表明新旧观测井的补给地区都在武山云雾山，即两者具有相同的补给区域及相近的循环路径。

热储温度和循环深度计算结果显示，新观测井的热水并不完全来源于450 m 深度，在上升过程中混合了不同深度的地下水，根据同位素质量守恒原理，可以计算出不同含水层地下水的混合比例，混合比例计算公式为：

其中：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。

这里选取δDA 为新观测井的测值，为A 端元，值为-83.27‰，大气降水为B 端元，值为-52.88‰。计算新观测井水中97%与22 号井相同，这与钻井资料显示的主要含水层为120～300 m是一致的，表明新旧观测井水来源深度相差不大。

5.新旧观测井气体及离子组分趋势变化分析

（1）离子组分变化分析

2019 年开始，在水氡观测的同时也进行阴离子观测，2020 年虽然更换到了新观测井，但测项并没有改变，从测值大小来看，硫酸根离子和氟离子新井的略低于22 号井的，氯离子完全一致，这与两井井水的循环路径存在微小的差异有关。对比两井1～8 月的变化，不论是变化趋势还是波动大小，新旧观测井都是一致的，具体如图2-13-21所示。

图2-13-21　武山新旧观测井离子组分变化曲线

（2）气体组分变化分析

图2-13-22为新旧观测井气体组分的变化，从测值的大小来看，更换前后测值并没有出现台阶变化，表明两井气体组分的含量一致，从1～8 月的变化趋势来看，两井并没有明显的差别，表明新旧观测井气体组分的变化对区域应力变化的响应是一致的。

6 不同深度氡值变化趋势分析

武山水氡观测最初为1号泉和22号井，两测点相距60 m，武山1号泉测点为天然露头，水温20 ℃左右，水化学分析结果（吕超甲等，2017）表明，两者具有相同的地下水来源和循环路径，但1号泉在上升过程中混入了测点附近渗入的地表水。从图2-13-23水氡的变化趋势来看，两者变化几乎一致，月均值的相关系数达到了0.973，并且在汶川MS8.0和岷县-漳县MS6.6前震前异常形态也一致，由此可以判断，该地区只要地下水来源相同，氡对区域应力变化的响应是一致的。

图2-13-22　武山新旧观测井气体组分变化曲线

图2-13-23　武山旧观测井（22号井）和1号泉水氡变化曲线

综合上述分析，武山水氡新旧观测井，不论是离子、气体还是水氡，对区域应力变化的响应是一致的，因此新井的氡值变化无论在多年变化趋势上，还是在氡值的大小上，都可以与22号井衔接。

13.3.1.3 破年变异常分析(www.xing528.com)

1.测值可靠性分析

由于水氡破年变异常出现在2020 年1 月21 日，现场核实的时候并没有对比观测，但异常间进行过两次仪器标定，标定结果显示仪器工作状态良好。另外，2020年3月标定的时候进行了主、备用仪器对比观测（表2-13-3），由于只有4 个测值，因此无法判断趋势的变化，但从测值大小来看，两者几乎一致，表明仪器工作正常，主测值真实可靠。

2.流量变化对氡值的影响

从2015 年9 月开始，周围打井造成22 号水氡观测井流量大幅度减小，水氡出现了与疗养院用水量变化一致的年变变化，2019 年在现场核实时，也测量了采样口不同流量下的氡值，结果显示，流量对氡值的影响显著。为了判断此类变化是否在新观测井也存在，技术人员进行了不同流量下氡值的测量。

（1）采样口流量变化对水氡测值的影响

从图2-13-6 可以看出，水氡的取样口在取样房内，出水口安装一阀门，取样前打开阀门让水自流3分钟左右，然后将负压扩散瓶上的软管直接深入取样口内，完成采样，规定取样时阀门开到最大。为了验证采样口流量变化是否会引起氡值的变化，现场核实时进行了最大流量和最小流量（刚达到采样条件）下的氡值测量，结果见表2-13-4，试验结果显示，8月3日的测值，最大流量和最小流量下的氡值完全相同，都是272 Bq/L。8 月4 日的测值，最大流量时氡值主样为271 Bq/L，副样为259 Bq/L，最小流量时氡值为261 Bq/L，与主样的差值为4%，根据主、副样的观测标准，在允许的误差范围内，与副样的测值几乎一致。由此可以判断，取样口流量的变化对水氡测值没有影响。

（2）井口出水量变化对氡值的影响

从用水单位铁路疗养院负责人处了解，由于新观测井2018年3月才成井，因此井水的涌水量一直稳定，井口出水量的变化由用水单位调节阀门大小来控制，阀门大小的控制标准是蓄水塔不溢出为准，由于每年的11月至第二年4月，基本为疗养院工作人员用水，因此这段时间井口阀门开得最小，通常水量占水管的1/3。4月底5月初开始，洗浴和疗养的客人增加，用水量也就增加，需要对阀门进行调节。从铁路疗养院部门经理处了解，2020年4月底5月初疗养院工作人员对出水阀门进行了调节，增加了井口的出水量，由于未做详细记录，具体时间无法确定。

从水氡观测人员记录的流量来看，流量一直为0.093 L/s，即为10.75 s/L，我们现场测量的流量为8.88 s/L，表明流量确实增大，但由于台站观测人员并没有每天监测流量的变化，因此也无法确认流量调节的具体时间。

从氡值的变化来看（图2-13-24），2020年4月底或5月初，井口阀门调节期间氡值也比较稳定，由此可以看出，井口出水量的变化对氡值没有影响，这与22 号井的实验结果不一致，表明当井涌水量较大时，疗养院用水量的变化相对很小，因此用水量变化不会对氡值造成影响。

3.气象因素分析

武山22 号井井深154 m，采样口水温55.6 ℃，从图2-13-1 可以看出，2015 年前，氡值并没有季节性变化，而新观测井深度达到450 m，采样口水温达到56 ℃，据此判断，它并不受气温和气压因素的影响，也不受降雨的直接影响。

图2-13-12（b）显示，2011 年以来，气温和气压年变形态相似，变幅相近，每年的峰值和低值时间一致，7月之前的降雨每年都差别不大。

从短期变化来看[图2-13-12（a）]，氡值的波动变化与气象变量并不一致，且未通过相关性检验。

综合上述分析：水氡破年变异常不是气象因素引起的。

图2-13-24　武山新旧观测井水氡日值曲线

4.周围泉井的影响

（1）周围地温泉（30 ℃以下）的影响

2018年4月，武山1号泉（距离旧观测井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2-13-7）可以看出，这些泉点的氡值都在200 Bq/L 以下，都比新旧观测井水中的低。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，泉水循环深度与旧观测井相近，但氡值达到500 Bq/L 左右，明显高于新旧观测井中的。2017—2020年连续4年，对武山1号泉旁泉水水化学组分进行了检测，结果显示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新观测井的氡含量造成影响。

表2-13-7　武山观测井周围泉点水温及氡值

备注：常温的泉水都为生活用水。

（2）周围用水单位用水量对氡值的影响

矿山疗养院总共有两口温泉井，与水氡观测井的相对位置如图2-13-13所示，其中最近的一口井2015年成井，之后投入使用。虽然因为疫情的影响，2020年1月15日至4月2日对外关闭，但这段时间也是每年的淡季，与往年相比，用水量没有明显的变化，因此该井对水氡观测井氡值影响不大。

每年的10月至第二年的4月，由于游客很少，铁路疗养院用水基本为职工生活用水，2020年由于疫情的影响，2020 年1 月末都未对外营业，4 月开放，但从疗养院观测人员处了解到，今年用水量与历年同期相当。22号井的用水单位4月才开始营业，与异常出现时间不一致，另外从图2-13-1可以看出，2016—2019年，当用水量减少时，氡值应该是偏低，而2020年为破年变高值，因此可以排除用水量的减少导致氡值出现破年变高值。

5.水化学分析

武山水氡观测以来，22号井水质分析共进行过9次，新井进行过2次，其中2008年在汶川地震后，2017 年在九寨沟地震前20 天，2019 年在夏河地震前3 个月。图2-13-25（a）显示，1980 年至今，该井的水质类型并没有变，都为HCO3-Na 型水，表明地下水来源比较固定，目前没有更深部流体的补入或混入比例增加。

从图2-13-25（b）可以看出，所有投影点都在部分平衡区，但汶川地震后和九寨沟地震前地下水的水岩反应平衡程度相对较高，表明有更深部的流体混入，而非地震年份，平衡程度较低。与2019年相比，无论是22号井还是新观测井，2020年的平衡程度更低，表明目前没有深部来源的流体或者比例没有增加。

图2-13-25　武山温泉井piper与Na-K-Mg三角图

（22——22号井，xinjing——新观测井，yushui——雨水）

图2-13-26（b）Schoeller 图显示，从1980 年以来，武山水氡观测井的补给来源和补给路径没有改变，图2-13-26（a）氢氧同位素投影图也显示，汶川地震前后，出现了明显的氧漂移现象，表明地震前后，会有深部来源的流体混入，而目前不论是22 号井还是新井，投影点都在西北大气降水线附近，且与2019 年相比，投影点都有沿降水线向右上迁移的迹象，表明目前没有来自来更深部的流体或者比例在减小。

图2-13-26　武山水氡观测井δD-δ18O和Schoeller图

地下水热储温度和循环深度可以判断是否有更深的热流体混入，表2-13-8 的计算结果显示汶川地震后和九寨沟地震前，地下热储温度高，循环深度也大，目前不具备这种特征，与2019年相比，22号井和新井的热储温度更低、循环深度更浅。

表2-13-8　武山水氡井循环深度变化过程

地下水的混合比例可以判断地热水的来源比例，这里将2008 年汶川地震后的流体看作来自地下深部，计算结果见表2-13-9，可以看出武山22号井2017年以来，循环更深的流体逐年减小，新观测井与2019年相当，表明2020年深部流体的混入比例并没有增加。

表2-13-9　武山水氡井冷热水混合比例

6.新旧观测井年变形态对比分析

从图2-13-1 可以看出，2015 年9 月之前，水氡并没有年变，通过多次现场核实及深入的分析，认为2016 年以来22 号井流量大幅度减小，用水单位用水量的变化引起了氡值的年变形变化。而新观测井深达到450 m，涌水量很大，仅采样孔与流量22 号井观测初期的流量相当，也是目前22 号井流量的6 倍。从22 号井水氡可以看出，当观测井涌水量较大时，疗养院用水量的变化不会对水氡测值造成影响，现场试验也印证了这点。由此可以推断，2020 年水氡的破年变变化可能是更换测点引起的。为此，为了排除观测井最初观测一些不确定因素的影响，我们选择22 号井最初观测年份1984 年的测值与目前新井测值进行对比，如图2-13-27 所示，图中显示22号井1984年的水氡测值变化趋势与2020年新井的一致，并且1984年前后两年监测区内都没有5级以上地震发生，为水氡的正常背景变化。

图2-13-27　新旧井水氡测值对比

仅用一年的测值分析具有一定的偶然性，为了排除这种偶然性，计算了2020 年水氡测值与1984—2019年每年的水氡测值的相关系数（图2-13-28），这里将相关系数达到0.5以上认为相关，从图上可以看出，有11年两者达到相关，且这11年都出现在2006年之前，而流量大幅较小的年份都没达到相关，并且这些高相关的年份，只有2003年发生了岷县MS5.2地震，甘肃东南及周边6级以上地震前都没达到相关。从图2-13-28也可以看出，1984—2015年共32年时间仅有11 年与目前测值相关，出现这种情况的原因是2015 年前水氡没有年变形态，都是趋势的变化，包括趋势的转折等，因此不可能都与2020 年的变化一致。因此，2020 年出现的与2016—2019年年变不相同的变化并不是地震异常，而是更换测点引起的。

图2-13-28　武山水氡新旧测点氡值相关系数

7.更换测点引起氡值破年变变化的机理分析

2015—2018年在22号井周围新打了两口观测井，2015年10月第一口井成井后，观测人员发现22 号井无法取到样品，打开井口发现水量减小了一半，因此对引水装置进行了改造，同时现在已经停测的1号泉流量也由原来的82 s/L下降到98 s/L，2018年3月的第二口井（新观测井）的成井直接导致1 号泉断流，22 号井由于只是分出一股水，取样口的流量变化并不明显。新观测井的打井资料显示，地下水水位的标高下降到150 m，接近22号井的深度（154 m），而22号井成井时，地下水位标高为79 m，水位的下降很明显。

在涌水量大幅度减小的情况下，当用水量减小时，井中水更新减缓，氡的衰变导致氡含量降低；当用水量增加时，井水中水更新加快，水中氡的衰变量减小，携带的含氡量高的气体逸散也减少，水氡测值增加。而2015 年前，22 号井涌水量大，用水量的变化相对井孔的涌水量很小，因此2015 年前用水量的变化并不影响氡值。新井是在22 号井水量无法满足铁路疗养院用水的情况下打的，新井成井后，由于水量充足，铁路疗养院将22 号井进行了转让。因此目前铁路疗养院用水量的变化不会对氡值造成影响，因此就不会出现类似年变的变化。

8.与异常相关的其他辅助测项分析

（1）同井辅助测项观测

由于观测人员并没有每天对水温和流量进行测量，流量一直为最初观测时测量的0.093 L/s，即10.75 s/L，水温也一直为56.4 ℃，因此无法进行流量、水温与水氡关系的分析。但鼓泡水温每天都有记录，为此计算了水氡与鼓泡水温的相关系数，计算值为-0.093，表明该点水氡测值并不受鼓泡温度的影响。

（2）其他测项分析

水氡观测的同时，还进行离子和气体的观测（图2-13-21、2-13-22），可以看出2020 年离子和气体的变化与2019年一致，没有出现异常变化。

2018 年8 月开始，在距离水氡观测点45 km 范围内增加了3 个断层土壤气CO2的观测，这三个测点分别为武山刘坪测点，距离水氡测点15 km，甘谷武家河测点，距离水氡测点18 km，秦州吕二沟测点，距离水氡测点45 km，测值曲线如图2-13-29 所示。从图上可以看出，甘谷武家河测点出现了断测，从两年的测值曲线来看，目前三个测点的测值都没有异常。

图2-13-29　断层气CO2日值曲线

武山钻孔倾斜就在武山地震台院内，从2016 年6 月以来的测值可以看出（图2-13-30），测值变化一直比较平稳，目前没有异常显示。

除此之外，距离较远的天水和清水地区的前兆测项也没有异常出现。

目前甘肃省内存在的测震异常主要集中在祁连山地区，甘肃东南地区仅为玛曲震群，距离武山测点较远。因此，武山水氡测氡周围并没有其他测项异常存在。

综合上述分析，武山水氡2020年1月21—7月21日出现的破年变变化是更换测点引起的。