北天山地區(qū)泥火山的地球化學(xué)成因

高小其 梁 卉 王海濤 鄭黎明李 杰 趙純青 向 陽 張 濤

1)中國地震局地殼應(yīng)力研究所， 地殼動力學(xué)重點實驗室， 北京 100085 2)新疆維吾爾自治區(qū)地震局， 烏魯木齊 830011

北天山地區(qū)泥火山的地球化學(xué)成因

高小其1)梁 卉2)*王海濤2)鄭黎明2)李 杰2)趙純青2)向 陽2)張 濤2)

1)中國地震局地殼應(yīng)力研究所， 地殼動力學(xué)重點實驗室， 北京 100085 2)新疆維吾爾自治區(qū)地震局， 烏魯木齊 830011

泥火山是特定地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)環(huán)境下的一種構(gòu)造流體地質(zhì)現(xiàn)象， 泥火山噴發(fā)時可以將大量有價值的信息帶到地表， 因此， 不少科學(xué)家將泥火山稱為深度可達(dá)12km的 “天賜鉆井”。在對新疆北天山地區(qū)分布的眾多泥火山進(jìn)行地形地貌、 地質(zhì)-水文地質(zhì)條件、 泥火山堆積物特征調(diào)查研究的基礎(chǔ)上， 系統(tǒng)分析了溫泉、 烏蘇、 艾其溝、 獨山子、 沙灣-霍爾果斯各泥火山噴出物的流體地球化學(xué)組成(固體、 氣體、 離子、 同位素等)， 初步得到了基于地球化學(xué)成分特點的泥火山成因； 區(qū)域地殼構(gòu)造應(yīng)力的不斷增強既可以導(dǎo)致地震的孕育和發(fā)生， 也可以使泥火山打破原有周期而出現(xiàn)顯著活動， 可見二者具有一定的同源關(guān)系。

泥火山 地球化學(xué) 噴發(fā) 成因 北天山地區(qū)

0 引言

泥火山是特定地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)環(huán)境下的一種構(gòu)造流體地質(zhì)現(xiàn)象。泥火山口噴涌泥漿的稠度與地下水的分布有關(guān)。由于噴發(fā)的泥漿稠度不同， 塑造的泥火山外形也不同， 大致可分為5類(栗周熊， 2003； 胡野圃， 2006)： 1)噴泥錐。 這種泥火山形成的泥漿濃稠度最高， 噴泥口直徑約數(shù)十cm至數(shù)m， 形成的地形邊坡陡峭， 傾斜角在20°以上。2)噴泥盾。 泥漿沒有噴泥錐濃稠度高， 噴泥口直徑約數(shù)十cm， 形成的地形邊坡較緩， 傾斜角在5°～20°以上。3)噴泥盆。 泥漿濃稠度較稀， 噴泥口直徑約數(shù)十cm至1～2m， 邊坡非常緩， 傾斜角在5°以下。4)噴泥池。 泥漿濃稠度極稀， 噴泥口直徑可達(dá)數(shù)m以上。5)噴泥洞。 噴泥量極低， 地表上只可見直徑數(shù)cm的噴泥口。

目前有部分學(xué)者對泥火山已開展了一定程度的研究。例如， 戴金星等(2012)分析了準(zhǔn)噶爾盆地南緣泥火山天然氣的地球化學(xué)特征， 范衛(wèi)平等(2007)研究了泥火山的形成及其與油氣的關(guān)系， 何家雄等(2012)深入分析了臺灣南部泥火山與伴生氣的地質(zhì)與地球化學(xué)特征， 并闡述了其所具有的重要油氣地質(zhì)意義， 李錳等(1996)、 孫謙等(2006)探究了不同區(qū)域泥火山的噴發(fā)特征。還有一些學(xué)者曾通過分析泥火山在地震前后的不同活動狀態(tài)來進(jìn)一步探究二者之間可能存在的內(nèi)在聯(lián)系(王道， 2000； 高小其等， 2008； 杜建國等， 2013； 王海濤等， 2014)。陳志等(2014)研究了2012年6月30日新源MS6.6地震前后北天山泥火山及溫泉的水化學(xué)變化特征。然而， 對于新疆北天山泥火山來說， 還沒有較為系統(tǒng)全面的研究。

本文將在新疆北天山地區(qū)泥火山的野外考察及實驗分析的基礎(chǔ)上， 從離子成分、 氣體組分和同位素等方面來系統(tǒng)地進(jìn)行初步分析。

1 新疆地區(qū)泥火山地震地質(zhì)概況

新疆地區(qū)的泥火山主要分布在北天山中西段地區(qū)。北天山地區(qū)是指東至烏魯木齊市， 西至溫泉縣， 包括了石河子市、 克拉瑪依市的新疆準(zhǔn)噶爾盆地南緣及附近地區(qū)， 構(gòu)造位置是在塔里木古板塊與哈薩克斯坦-準(zhǔn)噶爾古板塊之間， 受到了中新生代強烈的陸內(nèi)造山作用影響。天山中段中部是納倫-那拉提縫合帶， 發(fā)育了NWW和近EW的活動斷裂和活動褶皺， 北天山的斷層向S傾， 南天山的斷層向N傾。在近SN向強烈擠壓作用下， 天山北麓發(fā)育了具有典型斷裂擴展褶皺特征的依連哈比爾尕山前推覆構(gòu)造。

新疆泥火山地處準(zhǔn)格爾-北天山盆山過渡帶。該過渡帶NWW走向， EW延伸長度350～500km， SN影響寬度約100km。自西向東依次分布著如下泥火山： 溫泉縣泥火山群、 烏蘇市白楊溝泥火山群、 烏蘇市艾其溝泥火山、 獨山子泥火山、 沙灣-霍爾果斯泥火山。這些泥火山出露地層多為泥砂質(zhì)巖石， 巖石中富含多層地下水， 且地下水具有層壓高、 礦化度高、 天然氣或石油含量高的特點(李錳等， 1996； 王道， 2000)。

(1)溫泉縣泥火山群位于天泉風(fēng)景區(qū)， 海拔3397m， 距縣城70km， 在50×50m的范圍內(nèi)有近10個泥漿噴發(fā)口不停地冒泡噴泥漿， 噴泥口最大直徑約1m(44°47′32″N， 80°51′18″E)， 最小的有幾cm。

(2)烏蘇市白楊溝泥火山群位于烏蘇市西南43km處。根據(jù)縣志記載， 烏蘇市白楊溝泥火山群泥火山口最多時有100多個； 但是， 根據(jù)本課題組2010年、 2011年、 2012年連續(xù)3a的統(tǒng)計， 目前尚有21～40個左右正在噴發(fā)， 是目前中國發(fā)現(xiàn)的最大規(guī)模的泥火山群。這些泥火山口集中在白楊溝鎮(zhèn)附近不到0.5km2的范圍內(nèi)， 最大的直徑達(dá)1.6m(44.183°N， 84.389°E)， 小的有如蠶豆。泥火山的噴發(fā)口呈圓形和橢圓形等不同形狀， 測深有的可達(dá)3m以上， 地下噴出的天然氣和泥漿在噴發(fā)口不停地翻騰， 噴發(fā)劇烈的泥火山泉口每分鐘噴發(fā)超過60次， 噴發(fā)物有青灰色與褐紅色2種， 有的噴發(fā)物上面還漂浮著黑色的石油(圖1)。

(3)烏蘇市艾其溝雙泥火山錐。新疆烏蘇艾其溝泥火山為3個24h連續(xù)觀測點之一。該泥火山是高約8m、 相距10m的雙泥火山錐， 其構(gòu)造上位于清水河子斷裂與亞瑪特斷裂的交會部位。2座泥火山錐中， 南側(cè)的噴口直徑在1m左右， 北邊的噴口直徑近2m； 觀測點為北邊噴口較大的1個(44.2°N， 84.5°E)。最大的泥火山錐高15m(圖2)。

圖1 烏蘇白楊溝泥火山群(攝于2006年8月)Fig. 1 Mud volcanoes of Polar valley in Wusu(Photographed in August， 2006).

圖2 烏蘇艾其溝雙泥火山堆(攝于2012年8月)Fig. 2 Mud volcanoes of Aiqi valley in Wusu(Photographed in August， 2012).

(4)獨山子泥火山位于新疆石油管理局獨山子礦區(qū)西南1km的黃土山(44°18.3′N， 84°50.8′E)， 海拔高度950m左右， 是1個過去曾經(jīng)活動過的老泥火山。獨山子泥火山的噴發(fā)口主要有5處， 集中分布在黃土山山頂平臺500m2的范圍內(nèi)。主噴發(fā)口直徑為50～80cm， 孔內(nèi)不時溢出稀泥漿水， 噴口內(nèi)是黏稠的泥漿， 泥漿呈灰綠色， 略帶油氣味， 不停地向外翻泥泡， 匯集的泥漿沿西南側(cè)的開口外溢。涌出的泥流在地表形成錐型丘， 底部直徑在10m以上， 表面是干裂的泥漿塊(圖3)。

圖3 獨山子泥火山(攝于2010年6月)Fig. 3 Mud volcanoes in Dushanzi(Photographed in June， 2010).

(5)沙灣-霍爾果斯泥火山。霍爾果斯泥火山位于新疆沙灣縣南霍爾果斯金鉤河水管處(44°11′N， 85°27′E)， 海拔高度875m， 在地質(zhì)構(gòu)造上處于北天山山前坳陷帶霍爾果斯背斜軸部。該點有2口泥火山泉眼。

2 泥火山的活動

2.1 噴發(fā)方式

泥火山出現(xiàn)的地方常有某些相同的特征： 1)有泥巖層的分布， 供應(yīng)泥火山噴發(fā)泥漿的來源； 2)有天然氣外涌； 3)有斷層等通路， 允許氣體與泥漿的噴出。泥火山噴發(fā)是對內(nèi)部大量氣體聚集引起的異常高壓的釋放， 其噴發(fā)的劇烈程度取決于內(nèi)部氣體的多少或壓力的高低。一般在噴發(fā)初期， 由于內(nèi)部壓力較高， 在區(qū)域應(yīng)力增強或地震時， 會發(fā)生噴涌加劇現(xiàn)象。臺灣地區(qū)的泥火山主要分布在臺南、 高雄、 花蓮和臺東等地， 這些泥火山在噴發(fā)時會出現(xiàn)短暫的爆裂， 發(fā)出巨大的爆炸聲， 泥漿噴出高度可達(dá)1～2m， 并伴隨有大量氣體噴出， 點火后的火焰最高可超過10m(阿塞拜疆的巴庫泥火山點燃后火焰也曾超過10m)。由于泥漿的外涌， 迅速形成錐形泥丘， 噴發(fā)后期， 隨著氣體的減少使得噴發(fā)能量減弱， 逐漸轉(zhuǎn)為比較寧靜的泥池， 有泥漿向外溢流， 或只有氣泡和泥泡翻涌， 如烏蘇白楊溝泥火山群等(楊燦堯， 2003; Yusifovetal.， 2004)。

2.2 噴發(fā)時間及地震前后的動態(tài)反應(yīng)

泥漿和氣體聚合到足夠的壓力才沖出地面， 使得絕大多數(shù)泥火山為間歇式噴發(fā)， 在沒有地震等事件影響時， 泥火山有較為穩(wěn)定的噴發(fā)周期， 當(dāng)受到地震等事件影響時噴發(fā)周期為不定期。臺灣屏東泥火山平均每年爆發(fā)1次， 但有地震發(fā)生時， 出現(xiàn)了爆發(fā)的頻率增加、 地點移動、 面積擴大等現(xiàn)象， 一年噴發(fā)可達(dá)4次。這些泥火山活動所伴生的天然氣組成大多數(shù)以甲烷為主， 乙烷及其重?zé)N含量甚低(何家雄等， 2012)。

1948年10月5日土庫曼斯坦共和國首都阿什哈巴德市發(fā)生7.3級地震時， 在極震區(qū)引起泥火山重新活動。烏克蘭共和國伊萬諾. 弗蘭科夫斯克州的泥火山首次噴發(fā)是在1977年3月4日羅馬尼亞7.2級地震之后， 從那時起， 據(jù)有關(guān)專家觀察， 它的每次發(fā)噴發(fā)都與半徑300km以內(nèi)的地震有關(guān)。

1990年6月14日哈薩克斯坦共和國齋桑7.3級地震前后， 觀測到沙灣-霍爾果斯泥火山噴出大量的泥漿水。伴隨這次地震北天山多個石油井噴出黑油和地下深層水， 一些地下流體觀測井同時出現(xiàn)異常變化。

1990年10月25日烏蘇西南發(fā)生了2次5.2級地震， 地震前后距震中40km的托斯臺泥火山發(fā)現(xiàn)有大量的泥沙噴出， 水流量也比平常增大。

1995年5月， 克拉瑪依市獨山子礦區(qū)泥火山重新活動， 5處泥火山口噴出大量稠泥漿和水、 天然氣， 噴發(fā)時泥漿柱高20～50cm， 由泥漿形成的泥火山錐的直徑達(dá)5～6m， 高度>2m， 泥漿中混有巖石碎塊， 經(jīng)沉淀后水樣分析， 其地下水為高礦化(14.7g/l)的氯-鈉質(zhì)水。氣體成分主要為甲烷、 氮和二氧化碳等， 有的出口還可見少量油花。此泥火山自20世紀(jì)70年代以來就很少這樣活動過， 這次噴發(fā)一直持續(xù)到10月底。進(jìn)入到1996年1月9日， 首先發(fā)生了沙灣5.2級地震， 而后便開始了長達(dá)3a的11次6級、 2次7級地震(含瑪尼地震)的活躍期(李錳等， 1996； 王道， 2000)。

2004年10月15日， 中國臺灣宜蘭發(fā)生了6.2級地震， 全臺灣島都有震感。震前， 臺灣省高雄縣的泥火山多次噴發(fā)， 而且出現(xiàn)了噴發(fā)的頻率明顯加快、 強度增加、 面積擴大等現(xiàn)象。該地震后不久， 臺灣有關(guān)部門便對靠近旗山斷層附近的泥火山泉口布設(shè)了氣體流量儀、 甲烷測量儀、 氡測量儀、 水溫儀、 酸堿PH自記儀、 雨量計、 氣溫計與地溫儀等， 這些儀器從2004年11 月開始進(jìn)入日常觀測， 目前， 該監(jiān)測點已積累了部分有益的數(shù)據(jù)。

2010年2月4日美國加利福尼亞發(fā)生6級地震， 震前19d， 加利福尼亞安德烈斯斷層上的泥火山持續(xù)強烈噴出泥漿和氣體。

自2011年8月起， 新疆維吾爾自治區(qū)地震局開始對新疆烏蘇艾其溝泥火山實施24h連續(xù)觀測， 在此期間， 距泥火山200km范圍內(nèi)， 截止到2013年12月相繼發(fā)生了2次6級地震。2次6級地震前， 艾其溝泥火山液面出現(xiàn)了類似的 “背景值—上升—轉(zhuǎn)折—下降—背景值”的異常變化現(xiàn)象， 而地震都發(fā)生在泥火山液面下降的過程中， 通過分析地震前后樣品中的氣體組分變化， 發(fā)現(xiàn)泥火山氣體排放量增加， 且出現(xiàn)了不同程度的微量氣體濃度異常(杜建國等， 2013； 王海濤等， 2014)。

有一點可以初步肯定， 泥火山噴發(fā)、 地震等都和區(qū)域地殼構(gòu)造應(yīng)力增強有關(guān)(車用太等， 1997； 劉耀煒等， 2000； 郭正府等， 2003； 洪漢凈等， 2003； 范衛(wèi)平等， 2007； 高小其等， 2008)。

3 地球化學(xué)特征初步分析

2010年6月、 2011年6月、 2012年6月， 課題組沿溫泉、 烏蘇、 獨山子、 沙灣一線分別取樣， 而后委托中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所、 新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)局分析測試中心和新疆維吾爾自治區(qū)地震局地下流體研究中心等單位， 分別進(jìn)行了分析和測試。

3.1 液體成分

北天山地區(qū)多個泥火山3次水質(zhì)分析測試平均結(jié)果見表1。

表1 北天山地區(qū)泥火山水分析結(jié)果

Table1 Measurements of water in the mud volcanoes in northern Tianshan

樣品編號Cl-/mg·L-1CO32-/mg·L-1HCO-3/mg·L-1SO42-/mg·L-1F-/mg·L-1Ca2+/mg·L-1Mg2+/mg·L-1K++Na+/mg·L-1硫化物/mg·L-1電導(dǎo)率/mS·cm-1干渣/g·L-1溶解汞含量/ng·L-1烏蘇白楊溝13379.78216.61386.30118.2413.69.1310.1572875.025.4910.28.8615烏蘇白楊溝23311.6123.771461.5829.181.859.1336.942728.425.499.98.60814烏蘇白楊溝33457.6123.771449.033.652.114.5712.042858.895.49108.98610烏蘇艾其溝1217.501267.117.30.9748.6960.021102.831.15.64.6888獨山子-1泥火山6866.70602.193.651.177.6106.194391.943.2914.712.318沙灣-霍爾果斯5210.937.13583.385.4723.9562.39112.663349.381.8311.869.60620

注 水分析結(jié)果在新疆維吾爾自治區(qū)地震局地下流體研究中心測定， 氟離子(F-)用PXS-215型離子活度計測定， 電導(dǎo)率用DDS-11A型電導(dǎo)率儀測定， 汞用XG-4型測汞儀測定， 其他離子均用滴定法測定。表中硫化物指H2S、 HS-及S2-等的總含量。

(1)礦化度基本分布在8～13g/L， 處在咸水和鹽水之間；

(2)陰離子基本上以CL-為主；

(3)汞含量在8～20ng/L；

(4)測點中都含有硫化氫氣體或者硫化物。

3.2 氣體成分

在泥火山活躍期， 氣體成分含量由多到少依次為甲烷、 氮氣、 二氧化碳(獨山子泥火山； 王道， 1997)； 氦氣含量也會明顯增多(霍爾果斯泥火山)*高小其， 2006， 新疆地震地下流體2007年度震情趨勢會商報告。。但是， 泥火山在平靜期的氣體含量和活躍期明顯不同， 如表2 所示：

表2 北天山地區(qū)泥火山氣體分析結(jié)果

Table2 Measurements of gas from the mud volcanoes in northern Tianshan

樣品編號氣體總量/mlHe/%H2/%Ar/%O2/%烏蘇白楊溝120.10.03600.740烏蘇白楊溝228.6000.414.2烏蘇白楊溝326000.483.9烏蘇艾其溝42000.3718獨山子-1泥火山26000.480沙灣-霍爾果斯66000.390

注 氣體成分用Trace GC型氣相色譜儀測定。

(1)氣體含量最多的2個成分為氮氣和甲烷， 氮氣含量在36%～49%， 甲烷含量在23%～36%；

(2)各測點不含氧氣或者氧氣含量很低；

(3)測點的二氧化碳含量基本穩(wěn)定， 大都在12%～25%；

(4)在平靜期， 氣體中氫氣、 氦氣含量為零或者很低。

上述分析結(jié)果表明， 泥火山劇烈噴涌時， 甲烷、 二氧化碳、 氦氣含量都會大幅度上升。

3.3 固體成分

(1)泥火山噴發(fā)的泥漿中， 在已檢測的非金屬元素中， 硅、 硫、 氟元素百分含量相對較高；

(2)泥火山噴發(fā)的泥漿中， 在已檢測的金屬元素中， 鐵、 鈣元素百分含量相對較高；

(3)噴發(fā)泥漿中， 汞含量都相對較高。

表3 北天山地區(qū)泥火山固體分析結(jié)果

Table3 Measurements of solid material from the mud volcanoes in northern Tianshan %

樣品編號NaKCaMgLiSPFeCISIN(總N)F水分總有機碳有機氫Hg/μg·kg-1溫泉點2.662.036.621.660.0911.230.343.140.02726.80.0532.8614.80.740.5978.42烏蘇白楊溝14.462.416.452.070.09211.680.365.240.1126.850.087.1122.41.170.8852.44烏蘇白楊溝22.622.155.942.070.11712.550.414.560.1525.520.126.0914.340.680.9247.38烏蘇艾其溝4.681.681.860.520.09511.040.427.730.2924.820.13.1714.541.690.8498.65獨山子17.213.163.480.490.1112.010.434.461.1726.850.0712.8812.010.290.9361.57獨山子25.962.133.840.560.099.980.364.650.8626.270.054.7522.650.350.7354.33沙灣-霍爾果斯10.413.025.962.640.1112.690.44.480.2617.950.111.9830.0116.42.3152.22

注 數(shù)據(jù)為不同測點各元素的百分含量， 用順序式波長色散型X射線熒光光譜儀檢測。

3.4 泥火山氣體穩(wěn)定同位素組成

(1)根據(jù)δ13CCH4和δ13CCO2測值顯示， 除了溫泉縣泥火山點外， 其余各點測值基本接近， 說明這些泥火山可能具有同源或者同成因性。

(2)氦在自然界有2個同位素(3He、4He)。3He是與地幔有關(guān)的原始成因氦；4He與地殼中放射性物質(zhì)鈾、 釷α衰變有關(guān)。不同來源的氦3He /4He值有顯著的差異， 在地球不同圈層中，3He /4He比值差異明顯。殼源氦的3He /4He值隨巖石類型不同有很大變化， 其范圍值為10-7～10-9。這一測試結(jié)果和杜建國等(2013)的測試結(jié)果基本一致。

戴金星等(2012)根據(jù)鄂爾多斯盆地46個氣樣， 測得3He /4He值為3.18×10-8～1.2×10-7， 平均值為4.36×10-8， R/Ra為0.022～0.085， 認(rèn)為均是殼源氦。從表4測試結(jié)果可知， 北天山地區(qū)的泥火山R/Ra值均顯示為殼源氣體。而獨山子和沙灣-霍爾果斯泥火山R/Ra值顯示， 其氣體來源相對更深層。

表4 北天山地區(qū)泥火山同位素分析結(jié)果

Table4 Isotopic compositions of gases from the mud volcanoes in northern Tianshan

樣品編號δ13CCH4/‰δ13CCO2/‰3He/4He(×10-8)R/Ra溫泉點-18.62-16.523.32±0.240.023烏蘇視1-45.8216.152.40±0.070.017烏蘇視2-45.7115.922.90±0.110.021艾其溝視3-41.1220.163.11±0.160.022獨山子1-42.5116.124.61±0.200.033獨山子2-42.4915.784.92±0.200.035沙灣-霍爾果斯-37.1519.427.80±0.330.056

注 碳同位素組成用MAT253型氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀測定； 氦同位素分析用MM5400質(zhì)譜儀測定。R/Ra表示測量的3He /4He值與大氣3He /4He(1.4×10-6)值的比值。

4 結(jié)論與討論

4.1 地球化學(xué)成因

(1)氣體。 1)在泥火山活躍期， 氣體成分含量由多到少依次為氮氣、 甲烷、 二氧化碳； 氦氣含量也會明顯增多； 但是， 泥火山在平靜期氣體含量和活躍期明顯不同； 2)各測點不含氧氣或者氧氣含量很低； 3)在平靜期， 氣體中氫氣、 氦氣含量為零或者很低； 4)測點中都含有硫化氫氣體或者硫化物。

氣體測試結(jié)果表明， 泥火山劇烈噴涌時， 深層成分會大幅度增加， 從而導(dǎo)致深層氣體甲烷、 二氧化碳、 氦氣含量大幅度上升。

(2)水質(zhì)。 1)各泥火山液體(離心水)礦化度基本處在咸水和鹽水之間， 陰離子基本上以CL—為主； 2)溶解汞濃度在8～20ng/L之間， 尚不造成污染。上述離子分析結(jié)果表明， 泥火山液來自地層深處。

(3)固體。噴發(fā)出的泥漿中， 硅、 硫、 氟等非金屬元素和鐵、 鈣等金屬元素的百分含量相對較高。

(4)同位素。 1)根據(jù)δ13CCH4和δ13CCO2測值顯示， 除溫泉縣泥火山點外， 其余各點可能具有同源或者同成因性； 2)3He/4He值測試結(jié)果顯示， 北天山地區(qū)的泥火山R/Ra值均顯示為殼源氣體。而獨山子和沙灣-霍爾果斯泥火山R/Ra值顯示其氣體來源相對更深層。

綜合上述各方面的分析結(jié)果可知， 當(dāng)泥火山劇烈活動時， 一些金屬元素和非金屬元素隨泥漿噴出， 深層的氣體、 離子等亦會有不同程度的增加。另外，δ13CCH4與臺灣高雄縣的滾水坪泥火山、 烏山頂泥火山、 關(guān)子嶺溫泉氣和新養(yǎng)女湖泥火山的測值接近， 4座泥火山伴生氣中δ13CCH4依次分別為-35.9‰、 -31.7‰、-32.9‰、 -31.76‰；δ13CCO2與烏山頂泥火山伴生氣和關(guān)子嶺溫泉氣中測值相近， 二者的δ13CCO2分別為-11.5‰、 -10.0‰～15.2‰(另外2座泥火山伴生氣中CO2含量較低)， 由此可推斷δ13CCO2源于泥火山系統(tǒng)內(nèi)的某種作用， Etiope等(2009)認(rèn)為， 在泥火山氣來源儲層或擴散通道中， 厭氧微生物降解原油或重?zé)N類生成CO2， CO2在微生物作用下發(fā)生還原反應(yīng)生成CH4， 導(dǎo)致反應(yīng)剩余的CO2富含重同位素(δ13C)。這表明北天山泥火山的氣體屬于有機成因來源的熱解烴類氣。又因為除溫泉點樣品外， 其余樣品中δ13CCO2>+5‰， 說明氣體在溢出之前受到厭氧微生物的降解作用， 而同時含溫泉點在內(nèi)的所有樣品中δ13CCH4沒有明顯的降低， 都>-55‰， 說明厭氧微生物降解作用對烷烴類同位素組成影響不大。有研究資料表明， 這類沉積成因的泥火山發(fā)生所謂的噴泥、 噴氣等現(xiàn)象， 是在快速沉降沉積及埋藏的區(qū)域地質(zhì)背景下， 由于沉積充填的富含有機質(zhì)巨厚巖層在壓實與流體排出不均衡的條件中， 孕育了巨大的異常高溫超壓潛能， 進(jìn)而導(dǎo)致大量有機質(zhì)向烴類轉(zhuǎn)化并形成其他流體， 同時由于巨大高溫超壓潛能的強烈作用， 促使烴類流體和其他流體通過地殼薄弱帶和斷裂及裂隙發(fā)育帶， 不斷向上部地層侵入和沖注， 發(fā)生強烈的底辟刺穿和上拱擠入作用， 最終形成泥火山， 并攜帶大量泥質(zhì)物、 泥漿水和烴類及非烴類氣體產(chǎn)出(何家雄等， 2012)。

4.2 泥火山噴發(fā)與地震

結(jié)合地下流體、 GPS、 跨斷層水準(zhǔn)和其他資料， 筆者對泥火山噴發(fā)活動規(guī)律進(jìn)行了初步研究。在通常情況下， 泥火山噴發(fā)具有一定的準(zhǔn)周期性， 當(dāng)區(qū)域地殼構(gòu)造應(yīng)力不斷增強時， 封閉構(gòu)造中巖石的孔隙壓力逐漸增大， 當(dāng)壓力達(dá)到泥火山噴發(fā)條件時， 泥火山就打破原有周期而重新活動。同樣， 這種區(qū)域地殼構(gòu)造應(yīng)力的不斷增強也能導(dǎo)致地震的孕育和發(fā)生， 因此可以說二者具有一定的同源關(guān)系。地震活動可以伴隨泥火山的活動， 大規(guī)模的泥火山活動同樣也可以引發(fā)小地震。但由于泥火山活動和地震的關(guān)系可能相當(dāng)復(fù)雜， 目前， 很難用某一種簡單的模式對其加以總結(jié)或科學(xué)解釋。

致謝 在項目的推進(jìn)或本文撰寫過程中， 中國地震局地質(zhì)研究所車用太研究員、 許建東研究員， 中國地震局地殼應(yīng)力研究所劉耀煒研究員， 中國地震局地震預(yù)測研究所杜建國研究員等給予了幫助或指導(dǎo)， 在此一并致謝!

車用太， 魚金子. 1997. 地下流體的源兆、 場兆、 遠(yuǎn)兆及其在地震預(yù)報中的意義 [J]. 地震， 17(3): 283—288.

CHE Yong-tai， YU Jin-zi. 1997. The focal precursors， field precursors and remote precursors of ground fluid before strong earthquakes and their significance in the earthquake prediction [J]. Earthquake， 17(3): 283—288(in Chinese).

陳志， 杜建國， 周曉成， 等. 2014. 2012年6月30日新源MS6.6地震前后北天山泥火山及溫泉的水化學(xué)變化 [J]. 地震， 34(3)： 97—107.

CHEN Zhi， DU Jian-guo， ZHOU Xiao-cheng，etal. 2014. Hydrogeochemical changes of mud volcanoes and springs in North Tianshan related to the June 30， 2012 XinyuanMS6.6 earthquake [J]. Earthquake， 34(3)： 97—107(in Chinese).

戴金星， 吳小奇， 倪云燕， 等， 2012. 準(zhǔn)噶爾盆地南緣泥火山天然氣的地球化學(xué)特征 [J]. 中國科學(xué)(D輯)， 42(2)： 178—190.

DAI Jin-xing， WU Xiao-qi， NI Yun-yan，etal. 2012. Geochemical characteristics of natural gas from mud volcanoes in the southern Junggar Basin [J]. Science in China (Ser D)， 42(2)： 178—190(in Chinese).

杜建國， 周曉成， 陳志， 等. 2013. 北天山泥火山對2012年6月30日新源-和靜MS6.6地震的響應(yīng) [J]. 地震學(xué)報， 35(6)： 876—887.

DU Jian-guo， ZHOU Xiao-cheng， CHEN Zhi，etal. 2013. Responses of mud volcanoes in the North Tianshan to the 30 June， 2012 Xinyuan-HejingMS6.6 earthquake [J]. Acta Seismologica Sinica， 35(6)： 876—887(in Chinese).

范衛(wèi)平， 鄭雷清， 龔建華， 等. 2007. 泥火山的形成及其與油氣的關(guān)系 [J]. 吐哈油氣， 12(1)： 43— 47.

FAN Wei-ping， ZHENG Lei-qing， GONG Jian-hua，etal. 2007. Forming of mud volcano and relation with hydrocarbon [J]. Tuha Oil & Gas， 12(1)： 43— 47(in Chinese).

高小其， 王海濤， 高國英， 等. 2008. 霍爾果斯泥火山活動與新疆地區(qū)中強以上地震活動關(guān)系的初步研究 [J]. 地震地質(zhì)， 30(2)： 464— 474.

GAO Xiao-qi， WANG Hai-tao， GAO Guo-ying，etal. 2008. Study on relationship between seismic activity and Horgos mud volcano in Xinjiang [J]. Seismology and Geology， 30(2)： 464— 474(in Chinese).

郭正府， 劉嘉麒， 賀懷宇， 等， 2003. 火山噴出氣體的環(huán)境、 災(zāi)害效應(yīng)以及對火山未來噴發(fā)的指示意義 [J]. 地震地質(zhì)， 25(增刊)： 88—98.

GUO Zheng-fu， LIU Jia-qi， HE Huai-yu，etal. 2003. Environmental and climatic effects of volcanic volatiles and the use of volatiles as potential indicator of future eruptions [J]. Seismology and Geology， 25(suppl)： 88—98(in Chinese).

何家雄， 崔潔， 翁榮南， 等. 2012. 臺灣南部泥火山與伴生氣地質(zhì)地球化學(xué)特征及其油氣地質(zhì)意義 [J]. 天然氣地球科學(xué)， 23(2)： 319—326.

HE Jia-xiong， CUI Jie， WENG Rong-nan，etal. 2012. Geology of mud volcanoes and geochemistry of southern Taiwan and its significance to petroleum geology [J]. Natural Gas Geoscience， 23(2)： 319—326(in Chinese).

洪漢凈， 于泳， 鄭秀珍， 等. 2003. 全球火山活動分布特征 [J]. 地學(xué)前緣， 10(特刊): 11—16.

HONG Han-jing， YU Yong， ZHENG Xiu-zhen，etal. 2003. Global volcano distribution: Pattern and variation [J]. Earth Science Frontiers， 10(suppl): 11—16(in Chinese).

胡野圃. 2006. 話說泥火山 [J]. 地球， 6： 7—10.

HU Yie-pu. 2006. Introduction of mud volcano [J]. Earth， 6: 7—10(in Chinese).

李錳， 王道， 李茂偉， 等. 1996. 新疆獨山子泥火山噴發(fā)特征的研究 [J]. 內(nèi)陸地震， 10(4): 359—362.

LI Meng， WANG Dao， LI Mao-wei，etal. 1996. Study on eruption features of Dushanzi mud volcano [J]. Inland Earthquake， 10(4): 359—362(in Chinese).

劉耀煒， 施錦. 2000. 強震地下流體前兆信息特征 [J]. 地震學(xué)報， 22(1): 59— 64.

LIU Yao-wei， SHI Jin. 2000. Information characteristics of ground fluid precursor on continental strong earthquakes [J]. Acta Seismologica Sinica， 22(1): 59— 64(in Chinese).

栗周熊. 2003. 致命殺手泥火山 [J]. 圖形科普， 6： 52—55.

SU Zhou-xiong. 2003. Mud volcano， the deadly killer [J]. Graphics Popular Science， 6: 52—55(in Chinese).

孫謙， 樊祺誠， 龍安明， 等. 2006. 廣西潿洲島南灣火山噴發(fā)特征 [J]. 地球科學(xué)-中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報， 31(1): 66—70.

SUN Qian， FAN Qi-cheng， LONG An-ming，etal. 2006. Nanwan volcano eruption features on Weizhou Island， Guangxi [J]. Earth Science-Journal of China University of Geosciences， 31(1): 66—70(in Chinese).

王道. 2000. 新疆北天山地區(qū)泥火山與地震 [J]. 內(nèi)陸地震， 14(4): 350—353.

WANG Dao. 2000. Mud volcanoes and earthquakes in North Tianshan， Xinjiang [J]. Inland Earthquake， 14(4): 350—353(in Chinese).

王道， 李茂瑋， 李錳， 等. 1997. 新疆獨山子泥火山噴發(fā)的初步研究， [J]. 地震地質(zhì)， 19(1)： 14—16.

WANG Dao， LI Mao-wei， LI Men，etal. 1997. A preliminary study on eruption of the mudvolcano in Dushanzi， Xinjiang [J]. Seismology and Geology， 19(1)： 14—16(in Chinese).

王海濤， 高小其， 李志海， 等. 2014. 新疆6.0、 6.6級地震前近場泥火山宏觀異?，F(xiàn)象 [J]. 地震學(xué)報， 36(1): 139—145.

WANG Hai-tao， GAO Xiao-qi， LI Zhi-hai，etal. 2014. Abnormal phenomenon of a mud volcano in Wusu County beforeMS6.0 andMS6.6 earthquakes in Xinjiang [J]. Acta Seismologica Sinica， 36(1): 139—145(in Chinese).

楊燦堯. 2003. 臺灣的泥火山 [J]. 臺大校友， 29(3): 8—13.

YANG Can-rao. 2003. Mud volcano in Taiwan [J]. NTU Alumni， 29(3): 8—13(in Chinese).

Etiope G， Feyzullayev A， Milkov A V，etal. 2009. Evidence of subsurface anaerobic biodegradation of hydrocarbons and potential secondary methanogenesis in terrestrial mud volcanoes [J]. Marine and Petroleum Geology， 26(9)： 1692—1703.

Yusifov M， Rabinowitz P D. 2004. Classification of mud volcanoes in the South Caspian Basin， offshore Azerbaijan [J]. Marine and Petroleum Geology， 21: 965—975.

ORIGIN OF THE MUD VOLCANO IN NORTHERN TIANSHAN CONSTRAINED BY GEOCHEMICAL INVESTIGATION

GAO Xiao-qi1)LIANG Hui2)WANG Hai-tao2)ZHENG Li-ming2)LI Jie2)ZHAO Chun-qing2)XIANG Yang2)ZHANG Tao2)

1)KeyLaboratoryofCrustalDynamics,InstituteofCrustalDynamics,ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100085,China2)EarthquakeAdministrationofXinjiangUygurAutonomousRegion，Urumqi830011，China

Mud volcano is a kind of structural geological phenomena under certain hydrogeological environment and can bring plenty of valuable information to the ground when it erupts， therefore， many researchers call it as “Heaven granted well” whose depth can be up to 12km. Mud volcanoes in Xinjiang are distributed in the central-west region of North Tianshan， and five of them are representative， namely， Horgus， Dushanzi， Wenquan， Poplar valley， and Sailetike. We tested the gas， fluid and solid components of these mud volcanoes through investigations and studies of topography and geomorphology， geological and hydrogeological conditions， and mud debris characteristics， and preliminary obtained the origin of these mud volcanoes based on geochemical features. Finally， the paper describes briefly that the continuous enchancement of regional crustal tectonic stress can not only give rise to the seismogenesis and earthquake occurrence， but also break the original cycle of mud volcano to bring about significant activity， therefore， the two have a certain homology relationship.

mud volcano; geochemistry; eruption; causes; Northern Tianshan

10.3969/j.issn.0253- 4967.2015.04.021

2014-09-28收稿， 2015-10-15改回。

財政部行業(yè)專項(201408008)、 中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項(IGCEA1221)、 國家自然科學(xué)基金(40962006)和新疆地震科學(xué)基金(20130202)共同資助。 *通訊作者： 梁卉， 電話： 0991-3853354， E-mail: huifreedom@sina.cn。

P315.72+4

A

0253-4967(2015)04-1215-10

高小其， 男， 1966年生， 1991年于新疆大學(xué)獲化學(xué)專業(yè)學(xué)士學(xué)位， 研究員， 主要從事地震地下流體監(jiān)測、 預(yù)報和泥火山的研究， E-mail: gaoxq06@tom.com。