甘肃地震异常分析与性质判定报告

9.2.4.1 异常分析

1.对比观测

通渭地震台备用一套与主测仪器同型号的仪器，2017 年11 月16～20 日用两套仪器进行了对比观测，比测结果如图2-9-17所示。从图上可以看出，备测仪器测值略高于主测仪器测值，这是由观测系统误差引起的，但从变化趋势来看，两者的变化趋势完全一致，表明主测测值是真实可靠的，可以排除主测仪器故障引起水氡高值变化的可能。

图2-9-17　水氡对比观测曲线

2.同期水氡测值对比分析

图2-9-18为2016年和2017年水氡测值同期对比图，总体变化趋势上两者一致，测值也相差不大，特别是9月份以后，两条测线几乎重合。从局部变化来看，11月以来，2017年测值波动大于2016年，但从全年变化来看，这种大幅波动大量存在，且2016年和2017年都有，并且2017 年次数没有增加的现象，由此可以判断，水氡的这种大幅波动，或者突变型的高值并不是2017年特有，因此判定为前兆异常的证据并不充分。

图2-9-18　2016年和2017年水氡测值对比曲线

3.周围环境变化对水氡影响的分析

（1）路面施工的影响

通过现场核实发现，在距离测点360 m 远的地方进行路面拓宽，但通渭水氡取样点观测初期水温达到55 ℃，表明其循环深度较深，并且根据最初的调查资料，观测井水的补给来源在其西面，而施工的道路在其东面。另外，由于天气寒冷，施工几乎停止，没有大型的机器施工，因此道路拓宽对水氡不会造成显著的影响。

（2）周围水井对水氡观测井的影响

测点周围有热水井两口，冷泉一口，它们是否会对观测井造成影响？

抽水试验：2006 年7 月定西市水利水电勘测设计院对1 号井和2 号井进行了开采性群井抽水试验复核，当群井抽水33 小时45 分，水氡观测井水位下降1.9 m，泉水干枯。1 号井单井每天的出水量为1200 m3，水温54 ℃，2号井单井的出水量为1036 m3，水温52 ℃。由此可以看出该地区构造裂隙连通性好，各热水井之间水力连通性好。

水质分析：2017 年11 月17 日，在水氡观测井、冷水泉和2 号井采集了样品，进行了水质分析。1号井由于负责人员有事外出，没有取到水样。

piper三线图表明三个水样点的地下水类型都为Na·Ca-SO4·Cl，2号井和水氡观测井地下水类型完全一致，冷水泉的Mg 离子含量较高，Cl 离子也高于热水井的，由此可以判断2 号井和水氡观测井具有很好的水力连通性（图2-9-19），而与冷水井连通性差。

从三个水样点水岩反应平衡图来看，2 号井和水氡观测井都处于水岩反应部分平衡状态，说明都经过了一定的循环深度，而冷水泉水岩反应处于未平衡状态且靠近右端点，表明冷水泉为浅层地表水，循环深度浅。

从以上分析可以看出，冷水泉的变化对水氡观测井影响不大，而2号井对水氡观测井存在着影响。

氢氧同位素分析：地下水中氢氧同位素的组成是区分地下水来源的最有效的指标。样品来源的三个水样点的地下水氢氧同位素的分布如图2-9-20 所示。总体来看，三个水样点都分布在大气降水线附近，表明它们都来源于大气降水，但2号井和水氡观测井氢氧同位素的含量几乎完全相同，而冷水泉的含量都比较高，表明2号井和水氡观测点地下水不仅来源相同，而且循环过程也一致。

图2-9-19　三个水样点的piper图（左）和K-Na-Mg水岩反应平衡图

图2-9-20　3个水样点地下水氢氧同位素分布

综合以上水质和氢氧同位素分析可以确定，水氡观测井和周围的热水井水力联系紧密，热水井对水氡观测井存在明显的干扰，而冷水泉对其影响不大。

4.水氡观测井水位变化与水氡测值的相关性分析

从前面的定性调查和分析结果显示，影响水氡的主要因素是水位，两者在长期变化上呈反向变化，在短期变化上，峰谷值也有很好的对应关系，那么水位对水氡的影响程度有多大呢？为此计算了两者的相关系数。由于目前主要的异常变化出现在2017 年11 月，因此需要分时段计算，以便判断异常期间水位对水氡的影响是否更加显著。

相关系数使用SPSS软件计算，相关与否由程序自动判定，计算结果见表2-9-3。从表可以看出，在99%的置信水平下，各个计算时段两者都显著相关，并且呈负相关关系。从相关系数的变化来看，2016 年的相关系数明显小于2017 年的，由此可以看出，2017 年水位与水氡变化的相关性更高。目前的异常出现在2017 年11 月，从表可以看出，异常期间两者的相关系数达到0.779，这表明异常变化期间水位变化对水氡的影响更加显著。

表2-9-3　通渭温泉观测井水氡与水位相关分析结果

5.水氡观测井水质和氢氧同位素变化分析

同类仪器的对比观测可以排除观测仪器故障引起水氡测值异常变化的可能，周围环境也没有显著变化。但水氡与水位在异常期间，两者的相关性很高，这种变化究竟是周围应力变化引起的，还是其他因素所致，可以通过水质和同位素的变化判断地下水的变化。

（1）水质变化分析

水质的变化可以判断地下水来源、循环路径及循环速度的变化。图2-9-21 为通渭水氡观测点地下水的piper 图和K-Na-Mg 三角图，共四次采样和分析，其中2008 年的为汶川8.0 级地震后一个月采集的样品，四次样品采集后都没有较大的地震发生。从地下水类型来看，阴阳离子当量几乎没有变化，投影在piper 图上几乎成重合状态，地下水类型没有变化，地震后的水质类型和无震时段没有明显差别。

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图2-9-21　通渭水氡观测点地下水piper图（a）及水岩反应平衡图（b）

从水岩反应平衡状态来看，都处于未平衡状态，但从时间序列来看，有逐步向右下角（Mg0.5）迁移的趋势，这表明地下水循环周期加快或有浅层水的混入。从水温变化来看，成井时水温达到55 ℃，目前只有47 ℃左右，这进一步证明地下水循环加快或有浅层水的混入。

（2）氢氧同位素变化分析

氢氧同位素的变化可以判断地下水的来源，图2-9-22 为2006 年以来氢氧同位素的变化曲线，采用的西北大气降水线。从图上可以看出，四次样品采集时段，地下水都来源于大气降水，但2006 年和2008 年在降水线下面且稍偏离降水线，表明存在氢氧同位素的分馏，且这两次样品采集时间在汶川地震前后，可能与地震存在一定的关系。目前和2009 年在图中的位置非常接近，都在大气降水线附近，且2009 年之后3 年在其监测范围内没有中强以上地震发生，由此可以判断目前地下水为大气降水快速循环而出露于地表，符合抽水的变化特征。

图2-9-22　通渭水氡观测点地下水氢氧同位素

综合以上分析可以看出，水位和水氡的变化并不包含地壳深部的信息，而是浅部的变化引起的，且为抽水导致地下水循环加速。

6.抽水引起水氡含量变化的机理分析

通过大量的分析结果显示，水位与水氡具有很好的相关性，特别是目前的异常变化持续期间。而从多年的水质变化结果来看，并没有深层水的混入或地壳应力的加强，因此抽水是引起水氡变化的原因。水氡观测井周围热水井与观测井有很好的水力联系，因此水氡的变化是热水井共同抽水的结果。

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，层间水的混合和水泵抽空。通渭温泉区目前属于淡季，前去旅游的人并不多，用水量自然减少，根据我们现场了解，目前基本每天早晨抽1 次水，10：00 左右结束。抽水停止后，观测井开始蓄水，当水位达到一定高度时，进水压和井水的压力达到平衡，水位不再上升，含水层的水不再进入观测井，而氡同位素半衰期最长的也仅3.825 天，一天内水氡由于衰变而大量减少。第二天取样时，如果水位较高，表明蓄水池中为大量的含氡量低的陈水，所测氡值偏低；水位降低，井水的压力减小，含水层中的水进入井中的速度加快，含氡量高的新水增加，氡测值升高。因此就会出现水位升高水氡降低，水位降低水氡升高的现象。这与时间观测过程是一致的。

7.相同测点不同测项分析

通渭温泉为水氡单测项观测，不同测项间，选取距离最近的通渭电阻率（10 km）和静宁钻孔应变（29 km）为研究对象，分析它们之间是否具有同步性变化特征，台站的具体位置见图2-9-23。

图2-9-23　不同测项测点相对位置图

图2-9-24 为三个测项2017 年的日值变化曲线，从图上可以看出，在水氡变化期间，钻孔应变没有出现变化，电阻率虽然也在2017 年11 月初出现了转折下降变化，但从全年的变化曲线来看，此类变化多达5次，因此可以判断它为正常的变化形态。由此可以看出，地电阻率和钻孔应变没有异常变化出现，它们不具备同步性变化特征。

图2-9-24　通渭水氡、地电阻率和静宁钻孔应变日值曲线

8.不同测点流体同步性变化分析

图2-9-25 为静宁水位和花牛水氡2017 年以来的变化曲线，可以看出，静宁水位2017 年7月以来一直平稳变化，花牛水氡也没有异常出现，因此通渭水氡异常变化期间，周围流体台站没有异常出现，异常不具备区域性特征。

图2-9-25　静宁水位和天水花牛水氡日值曲线图

9.震例分析

（1）震前水氡异常变化特征

通渭水氡受抽水的影响非常严重，但又无法做到定量排除，如果不考虑异常的信度，从图2-9-26可以看出，除汶川地震前没有明显的异常出现外，其他地震前氡值都有个上升的过程，并且在下降过程中发生地震，岷县6.6级地震和九寨沟7.0级地震前更为明显，并且没有出现一次高值后发生两次较大地震的先例。九寨沟地震后，水氡测值在正常的变化背景下，没有背景异常存在。

图2-9-26　通渭水氡月均值异常曲线图

图2-9-27 为三次地震前水氡的日值变化曲线，从图可以看出，汶川地震前的一个多月，水氡变化非常平稳。岷县-漳县6.6 级地震前，水氡为低值变化过程。九寨沟地震前，水氡也没有出现大幅变化。由此可以看出，距离通渭温泉较近的这几次大震前，氡值没有出现大幅的波动变化。

图2-9-27　三次地震前水氡的短期异常变化特征

（2）同类异常震例分析

从以上的震例分析可以看出，水氡的这种大幅波动变化并没有震例对应。另外，从图2-9-6可以看出，水氡的大幅变化出现的频率很高。由此可以判断，这种大幅变化与地震并没有对应关系，不能作为地震前兆异常。

9.2.4.2 异常性质判定

通过对仪器的检查，辅助测项和气象因素的分析，以及周围环境的调查和试验数据的深入分析，判断2017年11月4～11日水氡的高值波动变化是由抽水引起的，为干扰变化。