龍門山斷裂帶溫泉水文地球化學(xué)特征

顏玉聰 劉峰立 郭麗爽 周曉成 歐陽澍培 李靜超 王萬麗

摘要：對地震活動強(qiáng)烈地區(qū)進(jìn)行水文地球化學(xué)監(jiān)測可以很好地獲取與地震相關(guān)的深部流體地球化學(xué)信息。通過研究龍門山斷裂帶及其周圍13個溫泉及觀測井的水文地球化學(xué)特征，建立該斷裂帶溫泉水文循環(huán)模型，揭示其水化學(xué)變化與地震活動的關(guān)系。結(jié)果表明：①龍門山斷裂帶溫泉水主要來自其周圍0.8～3.2 km高山的大氣降水;②溫泉水化學(xué)類型沿龍門山斷裂從北到南、從西到東依次為重碳酸型、硫酸型、氯化物型，溫泉水的循環(huán)深度、水巖反應(yīng)程度及微量元素富集因子不斷增加;③在汶川MS8.0地震、蘆山MS7.0地震發(fā)生后，震中距200 km以內(nèi)的溫泉的離子組分呈下降趨勢，這可能是在震后愈合過程中，龍門山斷裂內(nèi)部滲透性減弱、水巖反應(yīng)程度衰減所致。

關(guān)鍵詞：溫泉;水文地球化學(xué);地震;龍門山斷裂帶

中圖分類號：P314.1?? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A?? 文章編號：1000-0666（2021）02-0170-15

0 引言

溫泉多沿斷裂帶出露，是溝通地殼深部與淺部的窗口，和深部地下水系統(tǒng)有著密切的關(guān)系（Zhang et al，2015;Zhou et al，2017）。研究活動斷層的溫泉流體地球化學(xué)特征有助于深入了解該斷層的活動方式、活動強(qiáng)度以及切割深度等斷層運動特性，對探索斷層帶深部、特別是震源區(qū)附近介質(zhì)的物理化學(xué)環(huán)境、研究各類地球化學(xué)組分的地震前兆機(jī)制、尋找特定地區(qū)的前兆觀測組分有重要意義（Lambrakis，Kallergis，2005;Liu et al，2009）。因此，在地震易發(fā)區(qū)對溫泉的水文地球化學(xué)特征進(jìn)行監(jiān)測，可捕捉來自地殼深部活動的信息（蒲小武等，2013;王云等，2014;Walraevens et al，2018;Xu et al，2019）。

近年來，國內(nèi)外許多專家對溫泉動態(tài)與地震活動的關(guān)系進(jìn)行了研究（Tsunogai，Wakita，1995;Shi et al，2020）。Skelton等（2014）對冰島2012年10月以及2013年4月2次5級地震之間以及地震前后4～6個月的地下水中穩(wěn)定同位素比率和鈉、鈣等溶質(zhì)的濃度變化規(guī)律進(jìn)行研究，獲得了該地區(qū)地震前后地下水水文地球化學(xué)變化的規(guī)律;Okuyama等（2016）研究發(fā)現(xiàn)1965—1968年日本松代地震群前后水中某些溶解組分隨井深呈線性增長;Pérez 等（2008）研究1995年西班牙加利西亞4.6級地震以及1997年5.3級地震發(fā)現(xiàn)，在震中距為90 km的地下水觀測井中Cl-濃度明顯增加。另外，Shi等（2020）的研究顯示，氫氧同位素以及微量元素的變化對地震的響應(yīng)也較為明顯，2018年通海MS5.0地震后，江川觀測井的水化學(xué)以及氫氧同位素明顯上升，微量元素（Li+、Pb2+、As2+等元素）的濃度呈明顯下降。

龍門山斷裂帶是青藏高原東緣山脈與揚(yáng)子板塊的結(jié)合部位，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地震活動劇烈（Lin et al，2018）。自2008年汶川MS8.0地震后，我國在該地區(qū)建立了大量的流動觀測網(wǎng)、溫泉和熱水井固定觀測點，豐富了該地區(qū)的流體地球化學(xué)背景（程萬正等，2013）。目前，關(guān)于龍門山斷裂帶地下流體的研究主要集中在地震前后溫泉水溫、水化學(xué)組分、水氡以及溫泉逸出氣異常等方面（Chen et al，2015;晏銳等，2015;Zhou et al，2015;楊耀等，2019）。Chen等（2015）對2008—2010年川西地區(qū)32個溫泉的水化學(xué)變化進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)了汶川地震后溫泉的離子濃度呈下降變化;Zhou等（2015）對該地區(qū)32個溫泉氣進(jìn)行了3次采樣，結(jié)果表明汶川MS8.0地震后，四川西部地區(qū)有更多地幔流體進(jìn)入地殼，地幔成分的流體上涌可能與大地震的發(fā)生有關(guān)系;楊耀等（2019）研究了川西地區(qū)地下流體觀測井的地下水的水化學(xué)特征，確定了四川西部地區(qū)主要觀測井的水文地球化學(xué)背景。

前人對龍門山斷裂帶溫泉水文地球化學(xué)特征的研究主要集中于川西地區(qū)附近，沒有對整個龍門山斷裂帶展開更為細(xì)致的分析，鑒于此，本文對龍門山斷裂帶13個溫泉及觀測井的水文地球化學(xué)特征進(jìn)行分析，針對該斷裂帶不同斷裂計算溫泉水的熱儲溫度與循環(huán)深度，確定溫泉水的補(bǔ)給來源和補(bǔ)給高程，判斷其水文地球化學(xué)的控制因素和影響因素，建立龍門山斷裂帶溫泉水循環(huán)模型。通過探討2008—2016年龍門山斷裂帶溫泉水文地球化學(xué)變化與汶川、蘆山地震活動的關(guān)系，為該地區(qū)震情跟蹤、異常落實和地震預(yù)測提供基礎(chǔ)研究。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

龍門山斷裂帶是青藏高原東緣的邊界山脈，北起廣元、南至天全，長約500 km、寬約30～50 km，呈NE—SW向展布，形成于印支晚期，受多期復(fù)雜構(gòu)造運動影響（鄧起東等，1994;Clark，Royden，2000;Godard et al，2009;Kouketsu et al，2017）。該構(gòu)造帶是由一系列大致平行的逆沖、逆沖兼走滑的斷裂構(gòu)成，自西向東發(fā)育有茂汶—汶川斷裂（F1）、北川—映秀斷裂（F2）、安縣—灌縣斷裂（F3）和廣元—大邑隱伏斷裂帶（F4）以及一系列龍門山山前斷裂（圖1）（王二七等，2001;徐錫偉等，2008;付碧宏等，2008）。

龍門山地區(qū)位于高原氣候區(qū)與季風(fēng)氣候區(qū)交界處，受大氣降水和高山冰雪融水的共同補(bǔ)給，水系較為發(fā)育（李奮生等，2015），從西南到東北依次發(fā)育青衣江、岷山、沱江、涪江和嘉陵江等一系列斜交于龍門山斷裂帶的河流（王志等，2010）。龍門山斷裂帶由多期構(gòu)造變動形成，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，溫泉多沿斷裂帶發(fā)育且呈帶狀分布。研究區(qū)主要的含水層包括第四系松散堆積層孔隙含水層、侏羅系—白堊系碎屑巖裂隙孔隙—基巖裂隙含水層、震旦系—三疊系碳酸鹽巖巖溶裂隙—基巖裂隙水以及前震旦系基底含水層4大含水層，且在褶皺和斷裂構(gòu)造共同作用下，各含水層之間相互聯(lián)系（陶廣斌，2019）。前人已收集到的地震數(shù)據(jù)顯示龍門山地區(qū)最早記錄的地震為1161年北川MS4.45地震，根據(jù)中國地震局監(jiān)測預(yù)報司統(tǒng)計，自公元1161年至2020年7月，本區(qū)共發(fā)生MS>43/4地震196次，其中MS5.0～5.9地震112次，MS6.0～6.9地震21次，MS>7.0地震5次，因此，該區(qū)具有重要的研究價值（張岳橋等，2008）。

2 研究方法

筆者對2008—2016年龍門山斷裂帶13個溫泉（表1）進(jìn)行了9次調(diào)查，共59個溫泉水樣，每個溫泉水樣采集4瓶用于測定其主量元素、微量元素、氫氧同位素及SiO2含量。野外采樣時，采樣容器為250 mL的聚乙烯塑料瓶，將聚乙烯瓶置于水中潤洗2～3次后裝樣，取樣時將瓶內(nèi)空氣排凈，避免水樣受空氣影響，并現(xiàn)場測定溫泉水的水溫、pH、電導(dǎo)率，并向測定微量元素的樣品中加入1.00 mL的濃硝酸（pH<2），在室溫條件下保存。

溫泉水樣品中常量元素的測定在中國地震局地震預(yù)測重點實驗室完成，使用儀器為Dionex ICS-900離子色譜儀及AS40自動進(jìn)樣器，檢測限為0.01 mg/L。溫泉水中的HCO-3和CO2-3濃度使用ZDJ-3D型電位滴定儀通過標(biāo)準(zhǔn)滴定程序進(jìn)行測量，滴定所用鹽酸濃度為0.05 mol/L。為了校準(zhǔn)色譜，在測量每批水樣品之前需測量標(biāo)準(zhǔn)樣品，測量偏差在±2‰以內(nèi)。離子平衡（ib）計算公式如下：

ib=∑陽離子-∑陰離子（∑陽離子+∑陰離子）×0.5×100%（1）

式中：陰陽離子的測量誤差均小于5%。

微量元素的含量分析在中國地震局地殼應(yīng)力研究所采用Element型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀ICP-MS完成，樣品的分析精度優(yōu)于5%。氫氧同位素分析采用氣體同位素質(zhì)譜儀MAT253，以國際標(biāo)準(zhǔn)即標(biāo)準(zhǔn)平均海洋水（SMOW）為標(biāo)準(zhǔn)，分別記為δD和δ18O，氫氧同位素參考標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（GBW04401，04402），樣品的分析精度為δD<±1‰和δ18O<±0.2‰。利用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀Optima-5300DV檢測SiO2含量。

3 溫泉水樣分析結(jié)果

對所采集的溫泉水樣進(jìn)行分析，結(jié)果見表2。研究區(qū)溫泉水樣水溫變化范圍為10.8℃～64.0 ℃;pH變化范圍為6.86～9.50，平均值為7.96，均為典型的弱堿性水;電導(dǎo)率變化范圍為154.00～132 400.00 μs/cm，TDS的變化范圍為0.08～201.37 g/L，其中WJJ為鹵水，LFS、ZGS為鹽水，HSW、TC、PL為咸水，GYG、SZZ、JYG為淡水，LX、WC、ZBS、ZLJ為微咸水溫泉。從表2還可看出，水樣中的主量元素相對豐度：陽離子主要為Na+、Mg2+、Ca2+;陰離子主要為SO2-4、HCO-3、Cl-;水樣中δD和δ18O測值的分布范圍分別為-6.18‰～-17.80‰和-51.50‰～-119.20‰。微量元素含量較低，其豐度結(jié)果見表3，SiO2含量的分布范圍為0.81～29.70 mg/L。

4 討論

4.1 溫泉水來源

Craig（1961）通過總結(jié)全球各地區(qū)大氣降水中的δD、δ18O數(shù)值變化范圍及二者之間的關(guān)系，最先提出了用于判斷地下水現(xiàn)代補(bǔ)給來源的全球大氣降水線（GMLW）。在此之后，不斷有學(xué)者提出了一系列降水線方程，本文選取了Xu等（2015）對龍門山地區(qū)建立的大氣降水線方程（LMLW）：δD=7.6δ18O+11.3，繪制龍門山斷裂帶溫泉δD-δ18O關(guān)系圖。從圖2可觀察到，龍門山斷裂帶的溫泉水同位素數(shù)據(jù)主要分布在大氣降水線兩側(cè)，表明研究區(qū)溫泉水及觀測井水主要來源于大氣降水。

研究區(qū)水樣δD和δ18O測值的分布范圍分別為-6.18‰～-17.80‰和-51.50‰～-119.20‰，由于龍門山地區(qū)海拔變化較大，氫氧同位素會受到高程效應(yīng)的影響，因此可以利用同位素的高程效應(yīng)估算溫泉水的補(bǔ)給高程（Clark，Royden，2000;于津生，1997;Zhou et al，2010;劉成龍等，2020）。

我國西部降水的δD值與高程H的關(guān)系為（于津生，1997）：

δD=-0.026H-30.2（2）

中國大氣降水δD的高程效應(yīng)可以表示為（Zhou et al，2010）：

δD=-0.03HALT -27（3）

式中：HALT為海拔高程值。

根據(jù)這些公式計算研究區(qū)溫泉補(bǔ)給高程再取平均值（表4）。由表4可見，研究區(qū)溫泉的補(bǔ)給高程大致為0.8～3.2 km;斷裂帶南西段溫泉的補(bǔ)給高程為1.4～3.2 km，補(bǔ)給高程較高;北東段溫泉的補(bǔ)給高程為0.8～1.9 km，相對較低，這與龍門山斷裂帶總體呈現(xiàn)由南向北、由西向東傾斜的趨勢一致。

4.2 水化學(xué)成分特征

4.2.1 常量元素

本文使用了舒卡列夫分類法（毫克當(dāng)量百分比分別大于25%的陰陽離子參與命名）將龍門山斷裂帶的溫泉水劃分為Na-HCO3、Ca·Na-HCO3、Na-HCO3·SO4、Ca-HCO3·SO4、Ca·Mg-SO4、Na-HCO3·Cl、Na-SO4·Cl、Na-Cl八種水化學(xué)類型，利用origin軟件繪制Piper三線圖，觀測離子分配規(guī)律（圖3），從空間上看，該地區(qū)水化學(xué)類型復(fù)雜，從時間上看，該地區(qū)溫泉水化學(xué)類型在采樣期間沒有明顯改變。

位于茂縣—汶川斷裂帶的GRG、JYG溫泉水化學(xué)類型為Na-HCO3、Na-HCO3·SO4，礦化度較低，其含水層為分別為侏羅系蓮花口組鈣質(zhì)砂巖、粉砂巖以及震旦系燈影組白云巖、頁巖。溫泉中Na+主要來源于鈉長石、鉀長石、鈣長石等礦物發(fā)生的溶解作用和陽離子吸附的交替作用。HCO-3主要來源于灰?guī)r、白云巖等碳酸鹽巖的溶解，一般來說，隨著地下水入滲深度的增加，溶濾作用增強(qiáng)，溫泉水中的SO2-4含量也會增加。WC、LX溫泉的水化學(xué)類型為Ca·Mg-SO4，出露于志留系-泥盆系泥質(zhì)灰?guī)r夾黃鐵礦巖層中，含水介質(zhì)中黃鐵礦的氧化作用可加快灰?guī)r及白云巖的溶解，從而使WC、LX溫泉富集Ca2+、Mg2+及SO2-4。

位于龍門山地區(qū)北川—映秀斷裂、安縣—灌縣斷裂及廣元—大邑隱伏斷裂帶南段附近的WJJ、ZGS、HSW溫泉，靠近四川盆地，礦化度高，為鹵水和咸水，水化學(xué)類型為Na-Cl型及Ma-SO2-4型，而LFS、ZBS、ZLJ溫泉水化學(xué)類型為Na-HCO3·Cl型。這可能是由于四川盆地從震旦系到白堊系各個地層均賦存有地下鹵水（周訓(xùn)等，2015），而在構(gòu)造應(yīng)力相對集中帶、斷裂破碎帶和裂隙發(fā)育帶是鹵水的主要富集地帶（林耀庭，2001;楊耀等，2019），因此WJJ、ZGS、HSW溫泉的形成可能起源于古海水，在水體循環(huán)過程中以濃縮作用為主，最終形成高礦化度的深部鹵水（曹琴等，2015）。而LFS、ZBS、ZLJ溫泉可能是地下水體循環(huán)過程中經(jīng)過含鹽地層，水體溶濾大量氯化物巖類（周訓(xùn)，1993），從而導(dǎo)致地下水的礦化度增高。研究區(qū)中段SZZ溫泉水化學(xué)類型為Ca·Na-HCO3型，而北段PL、TC溫泉的水化學(xué)類型為Ca-SO4·HCO3，都出露于三疊系嘉陵江組灰?guī)r、白云巖。而北段溫泉中SO2-4含量增加是由該溫泉含水介質(zhì)中三疊系嘉陵江組巖層中夾厚層硬石膏所致。

4.2.2 微量元素

深循環(huán)地下熱水中微量元素的含量特征與區(qū)域地球化學(xué)背景值、元素性質(zhì)、地下水的物理化學(xué)條件、水-巖相互作用等密切相關(guān)（Zhang et al，2016）。研究區(qū)溫泉圍巖以白云巖、泥質(zhì)灰?guī)r、碎屑巖及砂巖為主，溫泉水循環(huán)于碳酸鹽巖中，微量元素富集因子的大小可以定性判斷溫泉的水巖反應(yīng)程度（Soto-Jiménez，Páez-Osuna，2001），其計算方法為：

EFi=（Ci/CR）w /（Ci/CR）r（4）

式中：CR為選定的參比元素含量;Ci為樣品中元素含量;w為水樣中元素濃度;r為巖石中元素濃度。因此將龍門山地區(qū)方解石及石英巖脈的微量元素含量（薛鈞月，2009）作為標(biāo)準(zhǔn)，使用Ti濃度對微量元素數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化，計算研究區(qū)微量元素富集因子EF（圖4）。從圖4中可以明顯看到微量元素的富集狀況，結(jié)合微量元素含量，對研究區(qū)微量元素地球化學(xué)特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)斷裂帶南西段溫泉微量元素相對富集，且微量元素富集因子比北東段大。

4.3 水巖反應(yīng)程度

Na-K-Mg三角圖能夠反應(yīng)溫泉的水巖平衡狀態(tài)和平衡溫度（Giggenbach，1988）。從研究區(qū)的水巖反應(yīng)圖（圖5）可以看出，WJJ溫泉落在完全平衡區(qū)。林耀庭等（1997）和Zhou等（2015）根據(jù)四川盆地地下鹵水的δD和δ18O值將其劃分為4種類型：大氣水淋濾型鹵水、海相沉積型鹵水、海相沉積-大氣降水疊加型鹵水以及海相沉積-巖漿水疊加型鹵水。WJJ溫泉礦化度較高，其δD和δ18O落于大氣降水線上部，表明其成因與大氣降水有關(guān)，為大氣淋濾型鹵水，且水-巖反應(yīng)達(dá)到離子平衡狀態(tài)。HSW06、ZLJ06、LFA06、ZBS06、ZGS06、ZGS07為部分平衡水，其它溫泉為未成熟水在圖中Mg1/2的一側(cè)，表明水巖反應(yīng)程度低，并受到一些淺層冷水混合作用。

4.4 熱儲溫度與循環(huán)深度

目前常用的地?zé)釡貥?biāo)主要分為兩大類，一類是陽離子溫標(biāo)，另一類為SiO2溫標(biāo)。陽離子溫標(biāo)方法一般用于估算部分平衡水及平衡水的熱儲溫度（Fournier，Rowe，1966），陽離子溫標(biāo)法中K-Mg溫標(biāo)適用于中低溫地?zé)崴?。研究區(qū)WJJ平衡水溫泉及HSW、ZLJ、LFA、ZBS、ZGS溫泉等部分平衡水為中低溫地?zé)崴到y(tǒng)，因此采用K-Mg溫標(biāo)計算熱儲溫度更適合（王逸凌等，2020）。而SiO2相對于其他礦物而言，穩(wěn)定性較高，能夠指示未成熟水的熱儲溫度（龐忠和等，1990），因此該地區(qū)未成熟水溫泉采用SiO2溫標(biāo)。通過計算得到龍門山地區(qū)熱儲溫度范圍為20.1 ℃～123.4 ℃（表5）。

研究區(qū)溫泉及觀測井為大氣降水入滲補(bǔ)給通過深循環(huán)獲得深部熱流加熱之后在升流至地表形成，其熱水循環(huán)深度計算公式如下：

H=（T-T0）/g+h（5）

式中：H為循環(huán)深度（km）;T為地?zé)崴臒醿囟龋ā妫?T0為研究區(qū)的平均氣溫（℃），研究區(qū)內(nèi)平均氣溫取17 ℃;g為地溫梯度，為24.5 ℃/km;h為常溫帶深度，為30 m（崔希林，2014）。

由表5得到龍門山斷裂帶內(nèi)熱水循環(huán)深度范圍為0.1～4.4 km（表5）。其北東段TC及PL溫泉循環(huán)深度為1.1～1.5 km，中部GRG等溫泉的循環(huán)深度為0.7～2.5 km，其中以Cl-為主的LFS、ZBS、ZLJ溫泉，其循環(huán)深度為0.9～2.8 km，北部HSW、WJJ、ZGS溫泉循環(huán)深度為4.0～4.4 km。結(jié)合溫泉常量元素及微量元素特征可以發(fā)現(xiàn)，以HCO-3為主的溫泉，循環(huán)深度較淺，SO2-4次之，而以Cl-為主要陰離子的溫泉循環(huán)深度較深。結(jié)合Na-K-Mg三角圖（圖4）、水化學(xué)組分特征以及循環(huán)深度綜合分析，龍門山斷裂帶溫泉的水化學(xué)類型沿茂縣—汶川斷裂帶、北川—映秀斷裂、安縣—灌縣斷裂及廣元—大邑隱伏斷裂帶從北到南、從西到東依次為重碳酸型、硫酸型、氯化物型溫泉水，其水巖反應(yīng)程度、水化學(xué)組分含量、循環(huán)深度沿斷裂分布不斷加深。

4.5 溫泉水化學(xué)變化與地震的響應(yīng)

構(gòu)造活動和地震活動會打破地殼中流體原有的水-巖平衡狀態(tài)，使溫泉循環(huán)深度，熱儲溫度，深部熱水循環(huán)程度，水-巖相互作用改變，造成離子組分，氫氧同位素等發(fā)生變化（Skelton et al，2014）。通過龍門山地區(qū)溫泉的各離子濃度繪制主要離子相對變化率（（測量值-平均值）/平均值×100%）隨時間變化的折線圖（圖6），根據(jù)采集樣品離子含量的方差占平均值的百分比來判斷研究區(qū)異常值的臨界。

通過對比距離汶川MS8.0地震震中108 km以內(nèi)的GRG、JYG、SZZ、LX、WC溫泉在震后1個月及5個月采集的兩次溫泉水樣（表6），發(fā)現(xiàn)隨著時間的變化，溫泉中的主要離子組分（Na+、Cl-、SO2-4）及微量元素含量（Li+、Pb2+、As2+）呈下降趨勢，同時2008年6月至2010年6月采集水樣的δD和δ18O也回歸至大氣降水線附近。從δD-δ18O關(guān)系圖（圖2）發(fā)現(xiàn)，2008年6月和10月采集的GRG01、GRG02、JYG01、LX01、SZZ01、WC02的氧同位素偏離于大氣降水線的右下方。這可能是由于區(qū)域構(gòu)造活動的改變使斷層封閉性改變，增加了溫泉水與礦物的接觸，使其水巖反應(yīng)增強(qiáng)，水化學(xué)離子含量增加。

2013年蘆山MS7.0地震后，在2013年4月及2014年8月采集了震中距為65 km以內(nèi)HSW和WJJ溫泉以及震中距為195 km以內(nèi)的SZZ、WC的水樣，其化學(xué)組分部分呈下降趨勢，但變化不明顯，也有少量元素呈增加的趨勢（表6）。這可能與蘆山地震后研究區(qū)多次發(fā)生5級以上余震，且在2014年11月發(fā)生了康定MS6.5地震（見圖6中紅色框），其深部熱水供應(yīng)變化不大有關(guān)。從δD-δ18O關(guān)系圖可以發(fā)現(xiàn)，2013年5月采集的JYG06、LFS06、PL06、SZZ06、WC06、WJJ06、ZBS06、ZGS06、ZLJ06氫氧同位素偏離于大氣降水線的左上方。因此，推測2013年蘆山地震時各溫泉離子濃度發(fā)生變化的原因為地震引起的各含水層間滲透性增強(qiáng)，地下水混合所致。

地震活動還會改變應(yīng)力場變化，斷裂帶裂隙發(fā)生變化，引起滲透率發(fā)生變化，從而導(dǎo)致地震震中區(qū)周圍的流體行為改變（Zhou et al，2017）。周永勝等（2008）、宋娟和周永勝（2013）研究發(fā)現(xiàn)川滇地區(qū)的龍門山斷裂以及紅河斷裂帶發(fā)生內(nèi)部流體孔隙壓力周期性變化以及斷層帶脆-塑性轉(zhuǎn)化、裂縫張開與愈合等現(xiàn)象。強(qiáng)震發(fā)生后，在巖石塑性變形、壓溶、靜態(tài)重結(jié)晶、水巖反應(yīng)等作用下，斷層內(nèi)部由地震形成的斷層和微裂縫逐漸被愈合，把斷層深部的流體密封。Luo等（2017）研究發(fā)現(xiàn)地下熱水的氧同位素向右偏移的原因為地下熱水在深循環(huán)過程中與富集δ18O圍巖發(fā)生水巖作用，伴隨氧同位素的交換，導(dǎo)致地下熱水δ18O的升高，這與2008年氫氧同位素的變化表現(xiàn)一致。2013年5月，氫氧同位素偏離大氣降水線的左上方，其原因為溫泉水與深部來源的CO2相互溶解的過程中發(fā)生了δ18O同位素交換（Benavente et al，2016），這與2013年氫氧同位素的變化表現(xiàn)一致。

地震的孕育和發(fā)生過程中也會改變含水層及其周圍巖土環(huán)境，引起滲透率變化或水體混合，從而引起水文地球化學(xué)變化。地震后，斷層愈合，各離子濃度又大幅度回落，這可能是由地震后斷裂內(nèi)部滲透性減弱、深部流體供應(yīng)減少、水巖反應(yīng)程度衰減以及當(dāng)?shù)亟涤炅康脑龆?、大量淺層水混入所致。

4.6 溫泉成因模式

結(jié)合已有的地球物理資料和本文的研究成果建立模型，龍門山斷裂帶周圍3.2 km的高山為溫泉的補(bǔ)給區(qū)，大氣降水入滲沿斷裂帶匯聚補(bǔ)給地下水，地下水沿斷層破碎帶或裂隙帶經(jīng)歷深循環(huán)，獲得來自深部熱源加熱，此時水體的溫度增加至123 ℃，循環(huán)深度增大至地下4 km左右，與周圍的巖石發(fā)生水巖反應(yīng)，并在水頭差驅(qū)動下上升，在地形較低的山谷和河谷處出露地表（圖7）。而龍門山斷裂帶兩側(cè)中上地殼存在低速高導(dǎo)層，為龍門山中上地殼內(nèi)淺源地震的孕育提供了深部構(gòu)造條件。地震的孕育及發(fā)生可以改變地下應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，觸發(fā)斷裂帶內(nèi)部含水層破碎，導(dǎo)致深部流體以及淺層冷水混入從而影響地下熱水的水巖反應(yīng)程度，并改變研究區(qū)溫泉的水化學(xué)組分及同位素特征。本文通過以上研究建立了龍門山地區(qū)溫泉水化學(xué)模型，結(jié)合研究區(qū)溫泉水化學(xué)變化對地震的響應(yīng)，為該地區(qū)的震情跟蹤、異常落實和地震預(yù)測提供基礎(chǔ)研究。

5 結(jié)論

本文對龍門山斷裂帶13個溫泉及觀測井的水文地球化學(xué)特征進(jìn)行分析研究，得到以下結(jié)論：

（1）龍門山斷裂帶溫泉水的主要來源為周圍3.2 km高山的大氣降水。

（2）根據(jù)Na-K-Mg三角圖、水化學(xué)組分特征以及循環(huán)深度綜合分析，龍門山斷裂帶溫泉的水化學(xué)類型沿龍門山斷裂帶從北到南、從西到東依次為重碳酸型、硫酸型、氯化物型，水巖反應(yīng)程度、水化學(xué)組分含量、循環(huán)深度沿斷裂分布不斷增加。其中茂縣—汶川斷裂帶溫泉為未成熟水，水巖反應(yīng)程度較弱，循環(huán)深度達(dá)到0.7～2.5 km;北川—映秀斷裂、安縣—灌縣斷裂及廣元—大邑隱伏斷裂帶北部為未成熟水，水巖反應(yīng)程度較弱，循環(huán)深度達(dá)到1.1～1.5 km;中部為部分平衡水，水巖反應(yīng)程度較強(qiáng)，循環(huán)深度達(dá)到0.9～2.8 km;南部為平衡水及部分平衡水，水巖反應(yīng)程度強(qiáng)，循環(huán)深度達(dá)到4.0～4.4 km。

（3）對比汶川MS8.0地震、蘆山MS7.0地震震后幾個月內(nèi)溫泉水化學(xué)組分（Na+、Cl-、SO42-、Li、Sr、As、δ18O及δD）的變化，發(fā)現(xiàn)震中距200 km以內(nèi)的溫泉水化學(xué)組分呈下降趨勢，結(jié)合氫氧同位素的變化推測這可能是由震后斷層愈合、斷層滲透系數(shù)減弱、水巖反應(yīng)程度衰減所致。以上研究可為該地區(qū)震情跟蹤、異常落實和地震預(yù)測提供基礎(chǔ)。

感謝中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所蘭州油氣資源研究中心與中國地震局地殼應(yīng)力研究所的相關(guān)工作人員在樣品分析過程中給予的幫助，在此表示衷心的感謝！

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Hydrogeochemical Characteristics of the Hot Springsin the Longmenshan Fault Zone

YAN Yucong1，LIU Fengli1，GUO Lishuang2，ZHOU Xiaocheng1，OUYANG Shupei1，LI Jingchao1，WANG Wanli1

（1.Institute of Earthquake Forecasting，China Earthquake Administration，Beijing 100036，China）

（2.National Institute of Natural Hazards，Ministry of Emergency Management，Key Laboratory ofCrustal Dynamics，China Earthquake Administration，Beijing 100085，China）

Abstract

Hydrogeochemical Monitoring in the regions with strong earthquake activities would facilitate the obtaining of the geochemical information about deep fluids correlated to seismic anomalies.In this paper the hydrogeochemical characteristics of 13 hot springs（wells）in the Longmenshan Fault Zone were investigated，so as to establish the hydrogeochemical cycle model of the hot springs and reveal the relationship between hydrogeochemical variations and seismic activity in the Fault Zone.The results show that：①The hot springs in the Longmenshan Fault Zone were recharged by the meteoric water at elevations ranging from 0.8 to 3.2 km.②The chemical types of the hot springs from north to south，and from west to east along the Longmenshan Fault Zone were respectively carbonic acid，sulfuric acid and chloride.Likewise，the circulation depth of spring water deepened;the water-rock reaction intensified;and enrichment factors of the trace element of the hot springs continuously increased.③After the Wenchuan MS8.0 earthquake and the Lushan MS7.0 earthquake，the dissolved hydrochemical composition got declining in hot springs within the epicenter of 200 kilometers，which could be the result of the permeability decrease and the attenuation of water-rock reaction inside the fault in the healing process of the Longmenshan Fault after earthquake，

Keywords：hot spring;hydrogeochemistry;earthquake;the Longmenshan Fault Zone

收稿日期：2021-01-11.

基金項目：國家重點研發(fā)計劃（2017YFC1500501）、國家自然科學(xué)基金面上項目（41673106）和中國地震局地震預(yù)測研究所基本科研業(yè)務(wù)費（2017IES010205，2016IES010304，2018IEF010104，2020IEF0604，2020IEF0703）聯(lián)合資助.

第一作者簡介：顏玉聰（1996-），女，在讀碩士研究生，主要從事地震地球化學(xué)研究.E-mail：yanyucong2020@163.com.

通訊作者簡介：郭麗爽（1983-），高級工程師，主要從事地下流體地球化學(xué)方面的研究.E-mail：guolsh02@163.com.