湖北房縣三海村井水溫負(fù)梯度與周邊斷層相關(guān)性分析

翁 騁,王 杰,王晶晶

(1.中國(guó)地震局地震研究所(地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室),湖北 武漢 430071;2.湖北省地震局,湖北 武漢 430071)

0 引言

地下流體動(dòng)態(tài)指的是地下流體的物理、化學(xué)性質(zhì)(其中包括水位、水溫、化學(xué)組分、氣體組分等)隨著時(shí)間的變化過(guò)程。地下流體動(dòng)態(tài)主要包括兩個(gè)類型,即微觀和宏觀動(dòng)態(tài)[1-2]。地下流體微觀動(dòng)態(tài)指的是含水層周邊巖體因?yàn)閼?yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的改變導(dǎo)致地下水性質(zhì)發(fā)生變化。地下流體宏觀動(dòng)態(tài)指的是由于含水層水量的增加減少?gòu)亩鴮?dǎo)致的地下水性質(zhì)改變[3]。地下流體的動(dòng)態(tài)變化能夠反映周邊的地質(zhì)活動(dòng)過(guò)程,甚至能夠與地震孕育、發(fā)展過(guò)程產(chǎn)生內(nèi)在的聯(lián)系。因此將地下流體的動(dòng)態(tài)變化與周邊地質(zhì)構(gòu)造相結(jié)合進(jìn)行研究具有重要的意義。前人對(duì)地下流體的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了大量的研究,如楊竹轉(zhuǎn)等[4]對(duì)北京塔院井和四川太和井進(jìn)行水溫對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)水溫梯度是水溫動(dòng)態(tài)的主要影響因素,梯度的變化與水溫動(dòng)態(tài)存在一定的規(guī)律性。韓孔艷等[5]對(duì)北京5口井的水溫梯度進(jìn)行測(cè)量后發(fā)現(xiàn)震前水溫的微動(dòng)態(tài)變化與水溫傳感器的放置深度有緊密關(guān)系,水溫探頭須要放在溫度梯度變化比較小的位置。張清秀等[6]對(duì)福建仙游井進(jìn)行水化學(xué)分析發(fā)現(xiàn)仙游井水位水溫的同步下降是受到周圍井抽水試驗(yàn)的影響。

雖然前人對(duì)井水溫的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了大量的研究,但主要是對(duì)水溫、水位和水化學(xué)的對(duì)比研究,將水溫與地質(zhì)構(gòu)造相結(jié)合的研究相對(duì)較少。本文研究井位于房縣三海村(簡(jiǎn)稱房縣井),研究區(qū)附近在2014年5月27日發(fā)生M4.0地震,水位有明顯前兆異常。該井是湖北省內(nèi)唯一一個(gè)存在水溫負(fù)梯度現(xiàn)象的靜水位井。本文對(duì)該井水溫負(fù)梯度的產(chǎn)生原因進(jìn)行了詳細(xì)的分析,結(jié)合INSAR影像圖、水化學(xué)資料、水文地質(zhì)資料和地質(zhì)構(gòu)造資料探討該井水溫負(fù)梯度產(chǎn)生的原因以及該井與周圍地質(zhì)構(gòu)造的內(nèi)在聯(lián)系。本文的研究成果對(duì)今后地下流體的動(dòng)態(tài)變化研究存在一定的參考價(jià)值。

1 房縣井概況和地質(zhì)構(gòu)造背景

1.1 房縣井概況

房縣井建井之初旨在通過(guò)觀察該區(qū)域地下流體物理化學(xué)特征的變化,研究青峰斷裂的構(gòu)造活動(dòng)規(guī)律,從而揭示地震的孕育與發(fā)展機(jī)理。房縣井于2013年5月22日完成鉆井工程,井深118 m。根據(jù)地勘資料和現(xiàn)場(chǎng)巖芯取樣分析,鉆井場(chǎng)地上部1 m厚為黃褐色黏土層夾雜少量碎石,下部巖性主要為灰?guī)r、硅質(zhì)巖和硅質(zhì)白云巖,夾層主要為泥灰?guī)r及泥巖等,地層裂隙發(fā)育、貫通,形成暗河(圖1)。

圖1 房縣井巖芯柱狀圖Fig.1 Bar graph of Fangxian well core

1.2 房縣井地質(zhì)構(gòu)造背景

構(gòu)造上房縣井位于房縣盆地南緣三海堰一帶,靠近神農(nóng)架北坡的南大巴山東延余脈。研究區(qū)以青峰斷裂為界,其北側(cè)為秦嶺地層區(qū),南側(cè)為揚(yáng)子地層區(qū)。該井周邊的主要構(gòu)造為青峰斷裂,該斷裂總體呈近EW向展布,傾向N或NNW,傾角30°～85°,剖面呈上陡下緩的犁形,由數(shù)條近似平行的斷裂組成,最寬達(dá)4 km,局部地段被NW向的斷裂所截切。房縣盆地以西表現(xiàn)為左旋逆走滑或繼承性擠壓變形,沿線斷層陡坎和斷層埡口顯著發(fā)育[7-8]。周邊歷史上最大地震為1742年的5.0級(jí)地震,震中位于房縣門古寺鎮(zhèn)。最近一次4級(jí)以上地震發(fā)生于2014年5月27日,震級(jí)為M4.0,震中位于門古寺鎮(zhèn)楊岔山林場(chǎng)一帶(圖2)。

圖2 房縣井周邊地質(zhì)構(gòu)造背景Fig.2 Geological tectonic background of Fangxian well

2 房縣井水溫校測(cè)結(jié)果

采用20060934水溫儀對(duì)房縣井水溫梯度進(jìn)行測(cè)量。圖3為井水溫梯度圖,從該井梯度曲線可見,其平均梯度為2.362 7 ℃/hm,而梯度分布也較不均勻。總體上,50～60 m處出現(xiàn)一梯度極大值,其幅度達(dá)7.548 ℃/hm,然后梯度趨于下降,井下90～110 m處出現(xiàn)負(fù)溫度梯度現(xiàn)象,最低值為-4.051 ℃/hm,至井底111.5 m處又恢復(fù)為正溫度梯度(表1)。

圖3 房縣井水溫梯度變化Fig.3 Variation of water temperature gradient of Fangxian well

表1 房縣井水溫梯度Table 1 Water temperature gradient of Fangxian well

研究區(qū)附近在2014年5月27日發(fā)生M4.0地震,該井水位在地震發(fā)生前2～3天出現(xiàn)階降,下降幅度達(dá)到0.22 m(圖4)。房縣井地處特殊構(gòu)造位置,本研究認(rèn)為該井的水溫負(fù)梯度現(xiàn)象與周邊地質(zhì)構(gòu)造存在一定聯(lián)系,具有很高的研究?jī)r(jià)值。

圖4 房縣三海村臺(tái)靜水位小時(shí)值曲線圖Fig.4 Hourly value curve of static water level at Sanhai Village,Fang County

3 INSAR影像圖分析

青峰斷裂房縣段在INSAR影像圖上顯示清晰,呈線性展布特征。圖5為房縣井位于該斷裂展布的位置,斷裂兩盤地表特征差異明顯,地貌上主要表現(xiàn)為負(fù)地形。房縣盆地位于斷裂北側(cè),地貌上呈現(xiàn)紅色丘陵緩慢展布,斷裂南側(cè)則表現(xiàn)為突變陡坎[9]。

(F1:青峰斷裂房縣段;F2:苦桃河斷裂;F3:馬欄斷裂;F4:青峰斷裂青峰段;F5:陳家鋪斷裂)圖5 房縣井與青峰斷裂影像分布位置[9]Fig.5 Location of Fangxian well and Qingfeng fault in the image[9]

現(xiàn)場(chǎng)考察發(fā)現(xiàn)青峰斷裂帶房縣段在回龍寺至沙坪一帶發(fā)育有清晰的斷層三角面和大規(guī)模粉狀碎裂構(gòu)造巖帶,這些斷層三角面的斷面揭示了新近紀(jì)的同沉積作用[9]。另外,甘家思等[8]在當(dāng)?shù)夭杉臄鄬幽鄻悠?熱釋光(TL)測(cè)年值為(5～7)×104a,以上證據(jù)均表明青峰斷裂房縣段在更新世和晚更新世仍然存在明顯的剪切活動(dòng)。

4 水文地質(zhì)環(huán)境分析

在考察周邊地質(zhì)環(huán)境時(shí)發(fā)現(xiàn),房縣三海村井NW方向約1.3 km處,分布有以七里溝水庫(kù)為代表的小型水庫(kù)(堰)4個(gè)。據(jù)當(dāng)?shù)鼐用穹从?七里溝水庫(kù)常年蓄水,當(dāng)?shù)鼐用裼盟畮?kù)水進(jìn)行農(nóng)田灌溉和養(yǎng)魚等農(nóng)業(yè)活動(dòng)。經(jīng)過(guò)實(shí)地考察和遙感影像顯示2017年的蓄水量較往年有明顯的增加(圖6)。

筆者在房縣井周圍展開了地質(zhì)調(diào)查,并采集了水庫(kù)和房縣井的水樣。查看房縣井的巖芯資料發(fā)現(xiàn),井下的巖性以震旦紀(jì)灰?guī)r、硅質(zhì)灰?guī)r和硅質(zhì)白云巖為主,巖石本身透水性較差,但其中裂隙發(fā)育,導(dǎo)致井孔周邊地層具有一定的透水性。井與水庫(kù)之間出露的地層主要為新近紀(jì)礫巖和砂巖,透水性非常好,厚度達(dá)到50～60 m,下伏地層為志留紀(jì)硅質(zhì)巖,而上覆的第四紀(jì)松散堆積物較薄,未見黏土類隔水層(圖7)。二者中間被青峰斷裂分支切割,斷裂兩邊的巖性和地層產(chǎn)狀變化較大。根據(jù)建臺(tái)資料,該觀測(cè)井固井設(shè)計(jì)的原則是封堵上部地層,確保上部地層中的地下流體不向下部地層滲流,并保證井身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性。因此,鉆井初期止水套管安裝至井下56 m處,56 m以下存在漏失層,應(yīng)該與周邊裂隙水存在聯(lián)系。結(jié)合研究區(qū)斷裂產(chǎn)狀、地質(zhì)資料、建臺(tái)資料和INSAR影像,繪出了房縣井周邊的水文地質(zhì)剖面圖(圖8)。

圖7 房縣井周邊地質(zhì)概況Fig.7 Geology around Fangxian well

圖8 房縣井周邊水文地質(zhì)剖面圖Fig.8 Hydrogeological profile around Fangxian well

臺(tái)站北西側(cè)的多個(gè)水庫(kù)在地勢(shì)上高出觀測(cè)井50～100 m。根據(jù)建臺(tái)資料,臺(tái)站周邊地層以新近紀(jì)礫巖、砂巖為主,透水性較好。從觀測(cè)井巖芯資料來(lái)看,90 m以下巖石裂隙較發(fā)育,可以判斷地表水、潛水與觀測(cè)井應(yīng)該存在一定水力聯(lián)系。觀測(cè)井水深90 m以下的負(fù)梯度有可能受到水庫(kù)較冷水補(bǔ)給的影響。

5 水化學(xué)分析

地下水在漫長(zhǎng)的地質(zhì)演變過(guò)程中,伴隨著水文地質(zhì)、地球化學(xué)系統(tǒng)、流動(dòng)系統(tǒng)及人類活動(dòng)等因素影響[10-12],經(jīng)過(guò)繁復(fù)的水巖作用,最終形成具備特定化學(xué)組分的液體,這種液體攜帶著地下水演化的重要信息。我們采集了房縣井水樣品FX201801和七里溝水庫(kù)樣品FX201802各一瓶,送往湖北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心進(jìn)行水質(zhì)分析,所用儀器為CIC-260離子分析儀。

表2 房縣井和水庫(kù)水樣水化學(xué)分析一覽表Table 2 Hydrochemical characteristics analysis of water samples from Fangxian well and reservoir

5.1 主要離子濃度對(duì)比分析

圖9 離子濃度對(duì)比圖(Schoeller圖)Fig.9 Comparison between ion concentration(Schoeller diagram)

5.2 水質(zhì)類型分析

圖10 水化學(xué)離子Piper圖Fig.10 Piper diagram of hydrochemical ion

5.3 水巖平衡分析

水巖平衡分析常被用來(lái)判斷地下水的補(bǔ)給來(lái)源。兩個(gè)樣品均位于“未成熟水”區(qū)域,表明兩者水-巖反應(yīng)程度較弱,水-巖尚未達(dá)到離子平衡狀態(tài),地下水循環(huán)周期相對(duì)較快。另外,二者均靠近Mg2+端元附近,表明二者都與地表水的聯(lián)系較為緊密,也就是說(shuō)二者存在類似的補(bǔ)給來(lái)源(圖11)。

圖11 Na-K-Mg水化學(xué)離子三角圖Fig.11 Triangular diagram of hydrochemical ion of Na-K-Mg

6 結(jié)論

(1) 從INSAR影像圖分析來(lái)看,青峰斷裂房縣段在圖上顯示清晰,呈線性展布特征,房縣井位于該斷裂展布位置。斷層附近新鮮的斷層三角面和熱釋光(TL)測(cè)年值均表明青峰斷裂房縣段在更新世和晚更新世仍然存在明顯的剪切活動(dòng)。

(2) 考察周圍水文地質(zhì)概況,觀測(cè)井與周圍地表水及潛水可能存在一定水力聯(lián)系。水庫(kù)海拔高于房縣井,且中間地層傾向往井的方向傾斜,房縣井與水庫(kù)中間分布有青峰斷裂分支,斷裂一直下切至井下巖層。房縣井在約90 m處可能直接受到水庫(kù)水補(bǔ)給。

(3) 通過(guò)水化學(xué)分析判斷,觀測(cè)井水化學(xué)類型與水庫(kù)類似,離子濃度變化不大,從水巖平衡分析來(lái)看均屬于未成熟水,二者具有相同的補(bǔ)給來(lái)源。結(jié)合地質(zhì)資料、INSAR影像圖、水文地質(zhì)圖和水化學(xué)數(shù)據(jù)可判斷,青峰斷裂分支切割井下巖層,使得房縣井90 m以下裂隙發(fā)育,井水通過(guò)這些裂隙與上游的水庫(kù)存在聯(lián)系,因此井水的水化學(xué)類型與水庫(kù)水類似,而水巖平衡也顯示為未成熟水,表明井水與地表水是存在聯(lián)系的。房縣井水溫負(fù)梯度是由于井水在此處受到周圍溫度較低的潛水及地表水的補(bǔ)給所致。房縣井與周圍裂隙水存在密切的內(nèi)在聯(lián)系,可反映青峰斷裂帶構(gòu)造活動(dòng)的相關(guān)信息。2014年房縣M4.0地震前的水位階變可能與震前井周邊青峰斷裂帶的構(gòu)造活動(dòng)有關(guān)。