秦嶺北緣斷裂帶溫泉水滲流特征與地震活動水平研究＊

史 杰,張 慧,2,蘇鶴軍,2,張蓮海

(1.中國地震局蘭州地震研究所,蘭州 730000;2.中國地震局地震預測研究所蘭州科技創(chuàng)新基地,蘭州 730000)

秦嶺北緣斷裂帶溫泉水滲流特征與地震活動水平研究＊

史 杰1,張 慧1,2,蘇鶴軍1,2,張蓮海1

(1.中國地震局蘭州地震研究所,蘭州 730000;2.中國地震局地震預測研究所蘭州科技創(chuàng)新基地,蘭州 730000)

前人對秦嶺北緣斷裂帶出露溫泉水的氫氧同位素、He同位素和 SiO2含量進行了計算,得到了溫泉水的熱儲溫度和循環(huán)深度。在此基礎(chǔ)上,運用溫度場作用下的熱水垂向運移數(shù)學模型演算了循環(huán)深度和斷層帶滲透性之間的關(guān)系。根據(jù) 1970～2008年的區(qū)域臺網(wǎng)資料,對斷裂帶進行了分段地震活動多參數(shù)組合方法分析,并結(jié)合歷史中強地震(公元前 781年～公元 2008年)的空間分布特點,分析總結(jié)了斷層帶不同區(qū)段滲透特征和地震活動的關(guān)系。最后對秦嶺北緣斷裂帶的滲透性成因進行了解釋。

秦嶺北緣斷裂帶;溫泉水;循環(huán)深度;滲流特征;地震活動

0 前言

秦嶺北緣斷裂帶是我國大陸內(nèi)部一條近東西向的大型活動斷裂帶。該斷裂帶形成于加里東期,發(fā)育歷史悠久,晚更新世晚期以來有過多次強烈構(gòu)造活動,是一條超殼深斷裂帶,同時又是一條強震構(gòu)造帶(滕瑞增等,1994;劉百篪,周俊喜,1985;董治平等,1996)。從公元前 781年有地震記載至今,沿該斷裂帶共發(fā)生 5級以上中強地震30余次,包括公元 1556年陜西華縣 8.0級地震、公元 734年天水 7級地震(雷中生等,2007)和公元 143年甘谷西 7級地震等(袁道陽等,2007)。該斷裂切割深度大,為溫泉水的出露提供了良好的地質(zhì)條件。沿斷裂帶走向分布的溫泉循環(huán)深度大,出露溫度普遍較高,攜帶了豐富的地殼深部信息,是研究深循環(huán)水與地震活動關(guān)系的天然實驗場。汪萬紅等(2008)研究了該斷裂帶泉水的氫氧同位素和氦同位素,對水的來源和水巖相互作用進行了分析;石雅镠(1988)利用 SiO2地熱溫標法進行了水循環(huán)深度的計算,結(jié)果表明:這些溫泉水均來源于大氣降水,泉水在循環(huán)過程中發(fā)生了高溫水巖相互作用,致使大部分出露溫泉中富集18O,特別是寶雞—潼關(guān)段溫泉 “氧漂移”現(xiàn)象比較明顯;氦同位素比值具有殼源特征,表明水在斷裂帶中循壞的深度較大。筆者依據(jù)上述研究成果,利用循環(huán)深度來定量描述流體在深部的運移特征,在此基礎(chǔ)上結(jié)合斷裂帶內(nèi)地震活動水平差異,分析二者之間的關(guān)系。

1 秦嶺北緣活動斷裂簡述

秦嶺北緣斷裂帶西起青海貴德,往東南經(jīng)尖扎、循化,過甘肅臨夏、漳縣、天水,經(jīng)寶雞延至陜西潼關(guān),綿延 800余千米,主要包括西秦嶺北緣斷裂帶、秦嶺北緣斷裂帶和華山山前斷裂。根據(jù)活動性質(zhì)和時代,可將該斷裂帶劃分為貴德—臨夏段(F1)、和政—天水段(F2)和寶雞—潼關(guān)段(F3)(圖 1)。貴德—臨夏段的最新活動時代為晚更新世,性質(zhì)為逆斷兼左旋走滑。和政—天水段以左旋走滑為主兼正斷特征,全新世以來活動強烈,自古近紀中晚期以來成為青藏高原早期的北東邊界,其新生代構(gòu)造活動控制了兩側(cè)新生代盆地的沉積演化和構(gòu)造變形(王志才等,2006)。寶雞—潼關(guān)段新生代以來一直做強烈垂直差異運動,主要表現(xiàn)為正斷特征,走滑不明顯,全新世以來差異運動顯著(張安良等,1992;韓恒悅等,2002)?？祦硌?1990)在斷裂分段的基礎(chǔ)上,根據(jù)河流不同階地斷錯平均速率的差異認為晚更新世以來和政—天水段各分段的運動強度由西向東逐漸增大。袁道陽和楊明(1999)對該段各分段的累積滑動虧損率進行了計算,結(jié)果表明:斷裂帶從西向東累積滑動虧損率逐漸減小,反映了整個斷裂帶活動強度的差異性。

圖 1 秦嶺北緣斷裂帶構(gòu)造略圖Fig.1 Structural sketch of the Northern Margin of Qinling Fault Zone

2 溫泉水循環(huán)深度與斷裂帶滲透性關(guān)系的計算

Caine等(1996)、Evans等(1997)、Gudmundsson(2000)提出了滲流性斷裂帶概念模型。他們認為,斷裂帶沿滲流構(gòu)造垂直斷層走向可分為三個構(gòu)造單元,即中心帶、破壞帶和原巖帶。斷裂滑動主要發(fā)生在中心帶,中心帶由一些富含粘土的斷層泥、次級角礫巖和碎裂巖組成,這些巖石成分的性質(zhì)導致中心帶的滲透率較破壞帶小 4～6個數(shù)量級;破壞帶主要由次級構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)組成,包括小斷裂、紋理、裂隙、劈理、褶皺,這些小的次級構(gòu)造組成導致該帶滲流很強;中心帶和破壞帶的外部包圍體就是原巖帶,雖然原巖帶未經(jīng)過明顯變形,但其滲透率僅僅比破壞帶小 2～3個數(shù)量級。在比較不同斷層帶滲流性能時可用Fm=破壞帶寬度 /(中心帶寬度 +破壞帶寬度)來定量描述(Caineet al,1996)。由此可看出,破壞帶單元的規(guī)模是決定滲流性能大小的重要因素。

水的循環(huán)深度對研究斷層帶巖體的滲透性有重要的參考意義。流體在垂向運移時,地溫場受對流和傳導的雙重控制;流體以較快速度運移時運移區(qū)域和圍巖之間有溫度差異,兩者存在熱交換。一般可建立如下一維數(shù)學模型(Jaeger,Carslaw,1959;陳墨香等,1991):

式中r0為泉口出水半徑,ρ1、c1分別為熱水的密度和比熱,v為流體運移的速度,t為時間,TL、Tc分別為泉水實測溫度和高度為y的(距計算熱儲溫度值處指向地表)圍巖的溫度,a1為流體和圍巖的熱交換系數(shù)。

由式(1)可知,當a1逐漸增大時,井中水溫逐漸接近圍巖體r=r0處的溫度;而當a1=0時,即在水和巖石不發(fā)生熱交換的理想狀態(tài)下,熱水沒有散熱現(xiàn)象,圍巖溫度將不受影響,但在實際情況下熱水在向上運移過程中會有熱量傳遞給圍巖,出水溫度將低于熱儲層溫度。如果把圍巖溫度看作一個常量,設(shè)Tk=[(T0+Tb)/2],即Tc=Tk。當泉水出露時間很長,熱水溫度達到相對穩(wěn)定狀態(tài)時,上式可以得到解析解

將Tk=(T0+Tb)/2代入(2)式并整理得

式(3)中T1為y處熱水的溫度,假設(shè)巖石的溫度為一個常量,那么可設(shè)熱水的溫度的垂向梯度為gw,則上式中T1-T0=gw·(H-y),Tb-T1=gw·y,Tb-T0=gw·H。在此尋求H和v的單調(diào)性(v是H的函數(shù),即v=v(H))。比較不同的溫泉水的滲流性時,將條件假設(shè)為一致,并將y、r0、ρ1和c1看作常數(shù)。把上述 3個式子代入(3)式中并對方程兩邊取對數(shù)整理得

式中C=r0ρ1c1.

依據(jù)(4)式可得到不同溫泉滲流速度v和滲流最大深度H的關(guān)系(圖 2)。由圖 2可以看出:溫泉水的滲流速度與其循環(huán)深度呈正相關(guān)的關(guān)系;在垂向上,深循環(huán)的溫泉水的滲透流速度較淺循環(huán)的溫泉水的滲流速度變化率高。也就是說循環(huán)深度大的溫泉水,在垂向上的滲流速度變化較大;對于單個溫泉來說,隨著深度的增加,滲流速度呈現(xiàn)指數(shù)降低。

圖 2 溫泉水循環(huán)深度(a)和滲流速度(b)曲線圖Fig.2 Circulation depth of hot spring water(a)and per meability diagram(b)

上述結(jié)果是依據(jù)選取的數(shù)學模型和限制條件得到的,反映了水的運移特性。沿秦嶺北緣斷裂帶出露的各溫泉的水因循環(huán)深度的不同,其滲流系數(shù)也有所不同:和政—天水段的水循環(huán)深度在整個斷裂帶上最淺,滲流性差;寶雞—潼關(guān)段水循環(huán)深度最深,滲流性好。

3 現(xiàn)今地震活動水平分析

通過對秦嶺北緣斷裂帶不同段落的多個地震活動參數(shù)的組合特征和歷史強震分析,可為我們判定斷層帶近期相對應(yīng)力狀況和地震活動特征提供重要依據(jù),也使我們能夠在不同構(gòu)造應(yīng)力和水、巖相互作用背景下進行斷裂帶溫泉水滲流特征與地震活動水平的對比研究。

3.1 最小完整性震級的確定

筆者根據(jù) 1970～2008年全國地震目錄,應(yīng)用震級—頻度關(guān)系判定了斷裂帶不同段落的最小完整性震級(圖 3)。由圖 3可將貴德—臨夏段的最小完整性震級確定為Mmin=2.0,和政—天水段Mmin=2.1,寶雞—潼關(guān)段Mmin=1.9。

圖 3 不同統(tǒng)計單元最小完整性震級的確定(a)貴德—臨夏段;(b)和政—天水段;(c)寶雞—潼關(guān)段Fig.3 Diagrams illustrating the dete rmination of the min imal earthquake of completeness in varies statistical unit(a)Guide-Linxia segment;(b)Hezheng-Tianshui segment;(c)Baoji-Tongguan segment

3.2 多參數(shù)地震活動分析

利用多地震活動參數(shù)對斷層活動狀態(tài)進行分析是聞學澤等(1984,1986)、易桂喜等(2004,2006,2007)提出來的一種以b值為主、多參數(shù)組合值 、值、值、n值)對斷裂帶近期地震活動習性進行分析的有效方法。本文主要運用此方法進行分析和討論。

和分別為震級—頻度關(guān)系中的兩個系數(shù)的平均值,為無量綱參數(shù),可由統(tǒng)計得到;代表斷裂帶單位面積的應(yīng)變能年釋放率,可根據(jù)公式和 lgEi=4.8+1.5Ms,i得出。式中t和A分別為統(tǒng)計時間尺度(單位:年)和統(tǒng)計區(qū)域面積(單位:km2);n為斷裂帶單位面積地震年頻度,n=N/(t×A),其中N為各斷裂段地震個數(shù)。由于統(tǒng)計區(qū)域地震的時間和空間差異,為了便于比較不同斷裂段的值和n值,計算時進行了面積和時間的歸一處理。

對秦嶺北緣斷裂帶進行b值掃描計算,在斷層分段和最小完整性震級(ML≥Mmin)的基礎(chǔ)上以0.1°×0.1°劃分平面網(wǎng)格,根據(jù)地震分布,以每個節(jié)點為中心、10 km為半徑進行圓形區(qū)域掃描,得到b值分布圖像(圖 4)。同時根據(jù)斷層分段分別計算值、值 、值和n值,得到不同參數(shù)的空間分布(圖 4,表 1)。

圖 4 研究區(qū)多地震活動參數(shù)組合圖像Fig.4 Combination of seis mic parameters of varies segments in the study region

表 1 地震活動參數(shù)表Tab.1 Seismic parameters in different segments

從和計算結(jié)果可以看出,區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力在貴德—臨夏段、和政—天水段上較為集中。并且,雖然貴德—臨夏段具有較大地震的期望值,但貴德—臨夏段的值和n值均明顯低于和政—天水段,表明和政—天水段的地震活動水平遠高于貴德—臨夏段;多地震活動參數(shù)表明,寶雞—潼關(guān)段和貴德—臨夏段地震活動強度基本相當,但寶雞—潼關(guān)段的n值略高于貴德—臨夏段,這表明雖然貴德—臨夏段處于較高的區(qū)域應(yīng)力水平狀態(tài),但其地震活動頻度卻不高。

結(jié)合地震分布(圖 3b)和參數(shù)計算結(jié)果,筆者認為,處于高應(yīng)力狀態(tài)的和政—天水段地震活動水平頻度和強度顯著高于其它兩段;貴德—臨夏段雖然同樣處于高應(yīng)力狀態(tài),地震活動水平卻不高;寶雞—潼關(guān)段處于相對低應(yīng)力水平狀態(tài),主要以中小地震活動為主。

3.3 歷史中強震分析

由公元前 781年～公元 1969年M≥5.0歷史地震表明,秦嶺北緣斷裂帶各段近 2800年來中強地震分布具有很強的差異性(顧功敘,1983)。由圖5可知,貴德—臨夏段沒有中強地震記錄,該段附近僅有的兩次 5級地震也是發(fā)生在鄰近的拉脊山斷裂帶上。和政—天水段共發(fā)生 19次M≥5.0地震,其中 5.0～5.9級 11次,6.0～6.9級 6次,7.0～7.9級 2次,最近一次地震為 1936年甘肅省康樂縣 63/4級地震。據(jù)歷史記載,1718年曾在通渭南發(fā)生過 7.5級強震(顧功敘,1983),過去近 300年的時間內(nèi)寶雞—潼關(guān)段共發(fā)生 13次中強地震,其中 5.0～5.9級 8次,6.0～6.9級 3次,7.0～7.9級 1次,最晚一次為 1607年發(fā)生在西安的 5.0級地震,最大的一次是 1556年發(fā)生在陜西華縣的8.0級強震。

圖 5 秦嶺北緣斷裂帶不同斷層段歷史中強地震頻次圖Fig.5 Frequency map of historicalmoderate-and strong-earthquakes in varies segments of the NorthernMargin Fault Zone ofQinling

歷史地震活動表明,和政—天水段的地震活動性明顯強于寶雞—潼關(guān)段,目前和政—天水段上還未發(fā)現(xiàn)有 8級地震的確鑿證據(jù);寶雞—潼關(guān)段現(xiàn)今地震活動水平不高,主要以中小地震活動為主,同時該段中強地震也較為豐富;貴德—臨夏段則沒有中強地震記錄。

4 溫泉水滲流特征與地震活動水平的對比關(guān)系

(1)筆者對泉水的循環(huán)深度和滲流的關(guān)系進行分析后發(fā)現(xiàn),滲流速度與循環(huán)深度呈正相關(guān)變化;深循環(huán)的水滲流速度的變化率較淺循環(huán)的水大。和政—天水段是秦嶺北緣斷裂帶水循環(huán)深度最淺的區(qū)段,滲流性差,在整個循環(huán)過程中速度變化較小;寶雞—潼關(guān)段循環(huán)深度較深,滲流性相對較強,滲流速度變化較為顯著。斷裂帶滲流性在空間上的變化體現(xiàn)了導水介質(zhì)的差異性,這可能與斷裂各滲透單元的組成規(guī)模不同有直接關(guān)系;這種差異會導致不同程度的水、巖相互作用,從而使斷裂帶巖石的弱化作用有所不同(林元武,1993)。

(2)對于斷裂帶應(yīng)力集中水平,貴德—臨夏段與和政—天水段高于寶雞—潼關(guān)段;歷史及現(xiàn)今地震活動水平表明和政—天水段最強,其余兩段相對較弱:和政—天水段保持較高的地震活動水平,寶雞—潼關(guān)段表現(xiàn)為較強歷史地震活動之后的小震活動,貴德—臨夏段則表現(xiàn)為中小地震持續(xù)活動狀態(tài)。這種地震活動格局可能與斷裂帶的不同介質(zhì)性質(zhì)和活動模式有一定關(guān)系(許紹燮,1993;陳順云等,2005)。

(3)隨著斷裂帶滲透性的不同,斷裂帶的地震活動水平也不同。和政—天水段是秦嶺北緣斷裂帶溫泉水滲流最差的區(qū)段,其地震活動水平卻相對較高,主要表現(xiàn)為高應(yīng)力下的高頻度和高強度的活動狀態(tài)。寶雞—潼關(guān)段滲流性相對較好,可能是豐富的歷史地震活動使斷層介質(zhì)變得比較破碎,從而為流體滲流提供了很好的條件;而現(xiàn)今地震活動水平表現(xiàn)為低應(yīng)力下的穩(wěn)定的中小地震活動狀態(tài),可能與 1556年 8.0級地震能量釋放有一定的關(guān)系。貴德—臨夏段斷裂帶滲透性與地震活動水平之間的對應(yīng)關(guān)系卻不明顯,原因是貴德—臨夏段全新世以來并不活動,是否還能用歷史地震和多地震活動參數(shù)來解釋,需要進一步探討。

曾聯(lián)波等(2008)的實驗結(jié)果認為,構(gòu)造應(yīng)力導致的巖石變形,不僅提供了流體流動的通道,而且還改變了巖石的滲透性能;高壓流體的存在,使得低滲透裂隙的形成更加容易,斷裂帶內(nèi)流體滲流受到應(yīng)力作用控制,同時流體的作用還可以改變巖石裂隙的發(fā)育。筆者根據(jù)b值分析結(jié)果認為秦嶺北緣斷裂帶不同的滲流特征應(yīng)該是區(qū)域應(yīng)力差異作用的結(jié)果,并且這種不同的滲流特征會對介質(zhì)的裂隙產(chǎn)生不同程度的作用,從而起到使斷層弱化的作用。秦嶺北緣斷裂帶地震活動水平則是中段高而其余兩段低,這可能反映了不同斷裂帶的滲透性和構(gòu)造應(yīng)力水平的共同作用結(jié)果。該帶溫泉水滲流性、斷裂帶區(qū)域應(yīng)力和地震活動水平具有明顯的差異性和規(guī)律性。

5 討論

Caine等(1996)、Gudmundsson(2000)提出用Fm值來定量描述斷層的滲透性,其值是根據(jù)大量野外調(diào)查和巖石滲透率實驗數(shù)據(jù)計算出來的。如果要利用溫泉水循環(huán)深度估算滲透性,并推算Fm值,這是一個值得深入探討的問題。Fm值不僅與圍巖的性質(zhì)和斷裂帶構(gòu)造情況等因素有關(guān),而且與流體運移和應(yīng)力之間的耦合作用也有一定關(guān)系。要定量研究斷層帶滲流性需要做大量的野外地質(zhì)調(diào)查和詳細的實驗研究。本文用來演算滲流深度和溫泉水滲透性關(guān)系的一維數(shù)學模型是基于溫度場作用下的。流體在巖石介質(zhì)中的滲流是非常復雜的過程,其滲流特性不僅受到溫度場、應(yīng)力場的控制,還受到巖石本身的物理性質(zhì)和化學性質(zhì)等因素的影響,要得到更加準確可靠的計算結(jié)果還有待大量的關(guān)于斷層地下流體動力學、巖石學等方面的研究。由于數(shù)據(jù)有限,筆者沒有將滲流特征參數(shù)計算出來,但通過不同溫泉水滲流特征的差異和地震活動性的研究已經(jīng)得到了定性的分析結(jié)果。

在撰寫論文時,筆者得到了中國地震局蘭州地震研究所董治平研究員和曹玲玲副研究員的熱心指導,在此深表感謝!

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Correlation between the Permeability Characteristics of Hot Spring Water and Seismicity in the Northern Margin Fault Zone of Qinling

SH I Jie1,ZHANG Hui1,2,SU He-jun1,2,ZHANG L ian-hai1
(1.Lanzhou Institute of Seismology,China Earthquake Administration,Lanzhou730000,Gansu,China)
(2.Lanzhou Base,Institute of Earthquake Prediction,China Earthquake Administration,Lanzhou730000,Gansu,China)

O n the basis of the heat reservoir temperature and the circulation depth of the hot springs evaluated by the predecessor's through hydrogen and oxygen stable isotopic composition,helium isotopic composition and silicon dioxide content of the water of the hot springs in the Northern Margin Fault Zone of Qinling,and using a mathematical model of vertical liquid movement affected by the geothermal field,We deduce a relation bet Ween permeability of the Fault Zone and circulation depth of the hot spring water.We apply the multiple seismic-parameters to analyzing the seismicity of Qinling Fault according to seismic data of regional network from1970to2008,and analyze the distribution of historical moderate-strong earthquakes from 781BC to2008AD.And We research the correlation bet Ween the permeability and seismicity of different segments in the Fault Zone.Finally,We exp lain the permeability conditions of the Northern Margin Fault Zone of Qinling.

Northern Margin Fault Zone of Qinling;hot spring water;circulation depth;permeability feature;seismicity

P315.7

A

1000-0666(2010)03-0273-07

2010-03-03.

地震科學聯(lián)合基金(106108)、甘肅省自然科學基金(3ZS051-A25-006)和中國地震局地震預測研究所基本科研業(yè)務(wù)基金(2009-A027)聯(lián)合資助 .