2020年新疆伽師MS6.4地震前后伽師地區(qū)溫泉水文地球化學特征*

顏玉聰，周曉成，朱成英，李靜超，劉峰立，歐陽澍培，姜 莉

(1.中國地震局地震預測研究所 地震預測重點實驗室，北京 100036；2.新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011；3.中國地質(zhì)大學(北京)地球科學與資源學院，北京 100083)

0 引言

溫泉作為地下流體的重要組成部分，多沿斷裂帶出露，在運移過程中攜帶了大量深部信息(Griffin，2017)。地震活動可以改變地下應力應變狀態(tài)，影響溫泉水動力條件和水巖反應程度，進而改變其流體組分及其同位素特征(杜建國等，2018；Sun，2020)。因此，溫泉的水文地球化學特征監(jiān)測是地震前兆監(jiān)測的一項重要技術(Poitrasson，1999；Liu，2009；Zhang，2019；Shi，2020)。

近年來，國內(nèi)外大量學者研究發(fā)現(xiàn)在地震前數(shù)小時或數(shù)月會出現(xiàn)流體異常，尤其在孕震期間，通常表現(xiàn)出溫泉水離子組分和同位素濃度在震前幾天至幾個月發(fā)生變化(Tsunogai，Wakita，1995；Pierotti，2013；Andrén，2016)，這些地球化學異常變化與地震活動在時空上存在一定的對應關系(Barbera，Andreo，2015；Rigo，2010)。Skelton等(2014)對冰島2012年10月及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)律進行研究，獲得了該地區(qū)地震前后地下水水文地球化學變化的規(guī)律；陳志(2014)對2008—2010年川西地區(qū)32個溫泉的水化學變化進行了研究，發(fā)現(xiàn)了2008年汶川8.0地震后溫泉的離子濃度呈下降變化；周曉成(2011)對川西地區(qū)32個溫泉氣進行了3次采樣，結(jié)果表明汶川8.0地震后，該地區(qū)有更多地幔流體進入地殼，地幔流體上涌可能與大地震的發(fā)生有關系；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也較為明顯，2018年通海5.0地震前后，江川觀測井的常量元素濃度和氫氧同位素在震后明顯上升，而微量元素(Li、Pb、As等)濃度在震后明顯下降。

歐亞板塊和印度板塊相互碰撞擠壓，使得帕米爾—西昆侖—南天山西段三角地帶的構造作用十分強烈，因此新疆成為我國大陸地震活動最強烈的省區(qū)之一(李杰等，2012)，而伽師地區(qū)是新疆中強地震活動的重點監(jiān)視區(qū)之一，也是研究地震的天然實驗場，但該地區(qū)地震監(jiān)測臺站較少，地震監(jiān)測能力較弱。2020年1月19日21時27分，新疆伽師地區(qū)發(fā)生6.4地震，震中位置(39.83°N，77.21°E)，震源深度為16 km。大量學者對伽師6.4地震發(fā)生前后的異常現(xiàn)象進行了研究，包括震前地磁日變化異常、地震前后GNSS異常、震前重力異常變化等(李桂榮等，2020；李瑞等，2020；艾薩·伊斯馬伊力等，2020)，但缺乏對溫泉水文地球化學連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)以及溫泉水化學變化與地震活動的研究。鑒于此，本文通過分析伽師6.4地震前后溫泉水化學組分和同位素組成的變化，結(jié)合伽師地區(qū)的地震活動規(guī)律，分析了該地區(qū)溫泉水文地球化學變化規(guī)律，以期為該區(qū)未來地震危險性判定提供基礎研究資料。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

2020年新疆伽師6.4地震位于柯坪斷裂，該斷裂屬于南天山柯坪逆沖推覆構造帶，柯坪推覆構造帶東西長約300 km，南北寬60～140 km，北以邁丹斷裂與南天山晚古生代造山帶為界，南以柯坪斷裂與塔里木盆地為界，推覆體由多排近EW向的逆斷裂-背斜帶組成，形態(tài)上呈扇形(楊曉平等，2008)。該構造體系以皮羌斷裂為界，分為東西兩部分，西側(cè)發(fā)育4排逆斷裂-褶皺帶，東段發(fā)育5～6排逆斷裂-褶皺帶(圖1)，這些背斜的主體由古生代地層組成，斷層在背斜南翼出露地表(Chen，2007)。

F1：柯坪斷裂；F2：皮羌斷裂；F3：邁丹斷裂；F4：托云斷裂；F5：喀什庫爾干斷裂；01：神木園溫泉；02：九眼泉；03：因干溫泉；04：阿合其溫泉；05：阿圖什溫泉；06：烏恰泥火山溫泉；07：玉其塔什溫泉；08：塔合曼溫泉；09：公格爾溫泉

伽師地區(qū)地表出露的最老地層為寒武系，古生代地層沉積連續(xù)，中生代地層缺失三疊系和侏羅系(冉勇康等，2006)，新生代地層發(fā)育不全，厚度不大。區(qū)內(nèi)中、下寒武統(tǒng)發(fā)育較多的膏鹽層，厚約200 m(肖安成等，2002)。該地區(qū)氣候為暖溫帶大陸性干旱氣候，降雨量小、蒸發(fā)量大，多年降雨量為200～600 mm，塔里木河支流為主要的地下水補給區(qū)(An，2020)。研究區(qū)溫泉主要分布在南天山及西昆侖地區(qū)，其構造位置及出露巖石見表1，西昆侖地區(qū)溫泉多出露于海拔3 km以上，沿NW—SE方向呈帶狀展布，溫泉水溫一般較高，多數(shù)大于40 ℃；南天山地區(qū)溫泉多出露于海拔1～3 km，呈EW向帶狀分布，溫泉水溫在40 ℃以下(陳鋒等，2016)。

伽師是新疆地區(qū)地震多發(fā)區(qū)之一，曾發(fā)生多次6.0級以上地震。伽師6.4地震震中200 km范圍內(nèi)的歷史大地震有1902年阿圖什8.2地震、1985年烏恰7.1地震，其它均為6.0級左右地震。震中50 km范圍內(nèi)的6.0級以上地震中，1961年巴楚和1997—1998年的伽師6級地震為強震群，1977年伽師6.2地震、1998年阿圖什6.0地震和2003年伽師6.8地震為主震-余震型地震(沈軍等，2006)。孟令媛等(2020)研究發(fā)現(xiàn)2020年伽師6.4地震序列特征與2003年伽師6.8地震序列較為類似，都為有較多、較大余震的前震-主震-余震型地震序列。

表1 2020年伽師MS6.4地震震中周邊地區(qū)溫泉點

2 分析方法

離子平衡 () 計算公式 (顏玉聰?shù)龋?2021)為：

(1)

式中：陰、陽離子的測量誤差絕對值均小于5%。

3 結(jié)果與討論

3.1 溫泉水的來源

大氣降水線(LMWL)可以用于判斷現(xiàn)代地下水的補給來源(Craig，1961)。王圣杰和張明軍(2017)分析了新疆天山地區(qū)的δD與δO的關系，得到新疆天山地區(qū)大氣降水線：δD=7.60δO+2.66。將采集到的溫泉的δD、δO數(shù)據(jù)繪制成δD-δO關系圖，如圖2所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)采樣點數(shù)據(jù)發(fā)生了輕微的“氧漂移”，但基本位于大氣降水線兩側(cè)，這說明地下熱水來源于大氣降水，但在循環(huán)過程中與巖石礦物發(fā)生了氧同位素交換。其中玉其塔什溫泉落在大氣降水線的左下方，其可能來源為周圍高山的冰川融水。

大氣降水中的氫氧同位素會受高程效應的影響，因此可以利用同位素的高程效應估算地下水的補給高程(Kendall，Coplen，2010)。δD和δO含量與高程關系如下(王恒純，1991)：

=(-)+

(2)

表2 溫泉水樣常量元素分析表

表3 溫泉水樣微量元素分析表

式中：為同位素入滲高度(補給區(qū)海拔高程，單位：m)；為取樣點高程(井、泉海拔高程，單位：m)；為地下水同位素組成；為取樣點附近大氣降水同位素組成；為同位素高程梯度(單位：n‰/hm)。同位素高程梯度采用全球平均δO高程梯度，即(δO)=-0.25‰/hm，大氣降水同位素組成采用和田地區(qū)大氣降水同位素加權平均值δD=-41‰、δO=-6.4‰(陳宗宇等，2010)。通過式(2)計算得到研究區(qū)9個溫泉的補給高程(表4)，其中玉其塔什溫泉的補給高程達到6.3 km，這與該泉氫氧同位素位于大氣降水線下部，來源于周圍高山的冰川融水結(jié)果一致。

氫氧同位素是與地震活動關系密切的一種同位素，與4級以上地震存在一定關系，且震級越大、氫氧同位素值變化越大，地下水中的氫氧同位素值的異?？梢苑从硵嗔褞У牡卣鸹顒有浴１鶏u連續(xù)2次5.5級地震與汶川8.0地震后的一系列余震的氫氧同位素值都有明顯變化(Skelton，2015)。對比塔合曼溫泉、因干溫泉的氫氧同位素的連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，這2個溫泉的氫氧同位素數(shù)據(jù)在伽師6.4地震后偏輕，偏離LMWL的左上方(圖2)，可能是溫泉水與深部來源的CO在相互溶解的過程中發(fā)生了δO同位素交換(Benavente，2016)所致，汶川8.0地震后龍門山斷裂帶溫泉也出現(xiàn)類似現(xiàn)象(顏玉聰?shù)龋?021)。

圖2 9個溫泉水樣δD-δ18O分布圖

3.2 溫泉成因分析

3.2.1 平衡水判定

Giggenbach(1988)三角圖(Na-K-Mg)能夠反應溫泉的水巖平衡狀態(tài)和平衡溫度。從圖3可以看出，研究區(qū)9個溫泉為未成熟水，且靠近Mg端，表明其水-巖反應較強，且受到淺層冷水的混合，其中塔合曼、阿合其、因干和烏恰泥火山溫泉為部分平衡水，表明其發(fā)生部分水-巖反應，熱儲溫度較高，循環(huán)深度較深，溫泉水與圍巖的反應達到部分平衡狀態(tài)。在伽師地震前后，因干溫泉水-巖反應程度變化不大，而塔合曼溫泉的水-巖反應程度有明顯的增加。

圖3 9個溫泉水樣Na-K-Mg三角圖

3.2.2 熱儲溫度和循環(huán)深度

目前估算熱儲溫度常用的地熱溫標主要分為陽離子溫標和SiO溫標，陽離子溫標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)，而SiO相對于其它礦物而言，穩(wěn)定性較高，能很好地指示未成熟水的熱儲溫度(Li，2019)。結(jié)合Na-K-Mg三角圖及溫泉的水化學特征，塔合曼、阿合其、因干和烏恰泥火山溫泉熱儲溫度采用K-Mg溫標估算，而其它溫泉熱儲溫度采用SiO溫標-無蒸汽損失計算(Fournier，1977)。研究區(qū)溫泉為大氣降水入滲補給，并通過深循環(huán)獲得深部熱流加熱之后再升流至地表所形成，熱水循環(huán)公式為：

=(-)+

(3)

式中：為循環(huán)深度(單位：m)；為地熱水的熱儲溫度(單位：℃)；為研究區(qū)的平均氣溫(單位：℃)，研究區(qū)內(nèi)平均氣溫取3 ℃；為地溫梯度，為2.5 ℃/100 m(楊志勛等，1990)；為常溫帶深度，為30 m。

由表4可見，研究區(qū)溫泉熱儲溫度為17 ℃～82 ℃，循環(huán)深度為0.6～3.2 km(表4)，大部分為中低溫類型溫泉，只有塔合曼溫泉為中高溫地下熱水，其中烏恰泥火山、因干、塔合曼和阿合其溫泉循環(huán)深度較深，達到1.0～3.2 km。其它溫泉水為未成熟水，循環(huán)深度較淺，推測其與淺層冷水發(fā)生了混合作用。

對因干溫泉及塔合曼溫泉在監(jiān)測期間的熱儲溫度及循環(huán)深度進行計算分析，發(fā)現(xiàn)因干溫泉熱儲溫度為25.9 ℃～27.4 ℃，循環(huán)深度為0.9～1.0 km；塔合曼溫泉的熱儲溫度為49.3 ℃～91.9 ℃，循環(huán)深度為1.9～3.6 km，變化較大。2020年1月15日，塔合曼溫泉熱儲溫度突然下降，循環(huán)深度也變淺。

表4 溫泉熱儲溫度、循環(huán)深度及補給高程

3.3 溫泉水化學特征

研究區(qū)溫泉水溫變化范圍為6.0 ℃～65.0 ℃，TDS的變化范圍為0.28～4.48 g/L，其中烏恰泥火山溫泉為咸水，TDS>3.00 g/L(表2)。采用舒卡列夫分類法(毫克當量百分比分別大于25%的陰陽離子參與命名)將研究區(qū)的溫泉劃分為Ca·Na-SO·HCO、Ca·Mg-HCO·SO、Na-Cl·SO、Na-HCO、Na·Mg-Cl·SO、Na-Cl、Ca-HCO·SO、Na-SO·HCO及Na·Ca-HCO共9種水化學類型。利用水化學數(shù)據(jù)繪制Piper圖(圖4)，從空間上看，該地區(qū)溫泉水化學類型復雜，這可能是由于溫泉沿各斷裂帶分散較廣，圍巖不盡相同所致；從時間上看，在采樣期間溫泉水化學類型沒有明顯改變。

圖4 9個溫泉水樣Piper三線圖

圖5 溫泉水樣Ca2+/Na+分別與物質(zhì)的量濃度比值

研究區(qū)Sr元素含量為0.71～16.5 mg/L，其中烏恰泥火山溫泉的含量最高，因干溫泉的含量也達到4.89 mg/L，鍶、鋇常與鈣、鉀發(fā)生類質(zhì)同象替換，因此在富鈣、富鉀礦物中，鍶、鋇的含量也不低(譚夢如等，2019)。研究區(qū)發(fā)育富鉀長石，角閃石的變質(zhì)巖基底，使得微量元素鍶、鋇含量較高，此外由于Sr半徑較Ba更小，在溫泉水中遷移性更好。溫泉中的Sr/Sr往往與它所接觸的巖石礦物的Sr/Sr相似，因此，這一比值可以成為各種巖石礦物之間相互作用的有效示蹤劑(Blum，Erel，1997)。硅酸鹽、碳酸鹽和硫酸鹽等礦物是地下水中Sr的重要來源，影響著地下水中的Sr/Sr(Philippe，2006；Min，2007；Gaillardet，1999)。碳酸鹽、硫酸鹽風化來源的Sr/Sr約為0.708 000，鋁硅酸鹽風化來源的一般為0.716 000～0.720 000，現(xiàn)代海水中的平均值為0.709 03，河水為0.711 00，地幔巖漿水為0.704 00(Edmond，1992；Bickle，1995)。研究區(qū)溫泉的Sr/Sr為0.709 605～0.712 243。根據(jù)研究區(qū)溫泉的Sr/Sr與Sr關系(圖6)，可以發(fā)現(xiàn)研究區(qū)溫泉水主要是碳酸鹽巖或者硫酸鹽巖來源，也存在少量硅酸巖來源。

富集因子()是定量評價元素來源的重要指標之一，其計算公式為：

=()()

(4)

式中：為選定的參比元素含量；為樣品中元素含量；為水樣中元素濃度；為巖石中元素濃度。選用地殼中普遍存在且化學穩(wěn)定性好、分析結(jié)果精確度高的低揮發(fā)性元素Ti作為參比元素。

圖6 溫泉水樣Sr濃度和87Sr/86Sr比值關系

Sr/Sr ratios in hot springs

樣品中某種元素濃度和參考元素濃度的比值與背景區(qū)中二者濃度比值的比率即為富集因子具體數(shù)值。某元素值越大則說明其富集程度越高。>1，則認為該元素相對參比體系更加富集；≈1，說明該元素源于地殼中的巖石；<1，表明該元素與圍巖之間的反應程度較低或為其它來源。選取南天山地區(qū)巖漿巖中微量元素作為標準(閻琨等，2021)，使用Ti濃度對微量元素數(shù)據(jù)進行歸一化，計算研究區(qū)微量元素富集因子(圖7)。發(fā)現(xiàn)>1的只有阿合其溫泉和烏恰泥火山溫泉的Li元素，其它溫泉各離子的<1。

研究區(qū)溫泉水樣中微量組分的含量較低，只有Li、B、Sr元素的含量較高(表3)。而Li元素化學性質(zhì)活潑，水解能大，易在溫泉水中富集(呂苑苑，鄭綿平，2014)。研究區(qū)廣泛發(fā)育花崗巖、砂巖和灰?guī)r，含有大量的鋰云母等鋰硅酸鹽礦物，在水解作用下，Li含量變高。另外Li元素是深部液體上涌的標志性元素，研究區(qū)處于南天山與西昆侖地區(qū)交匯區(qū)，構造活動復雜，因此Li含量較高。B元素在地下熱水中的溶解度隨深度、壓力、溫度增加而增高(張春山等，2003)。烏恰泥火山、因干、塔合曼、阿合其溫泉的循環(huán)深度較大且相對其他溫泉溫度也較高，使其B元素含量較高。

圖7 溫泉水樣微量元素富集因子對比

3.4 溫泉水文地球化學變化與地震活動的關系

圖8 因干(a)、塔合曼(b)溫泉離子濃度變化及其與地震對應關系

塔合曼溫泉周邊50 km以內(nèi)地震位于東昆侖斷裂，300 km以內(nèi)4級以上地震大多位于柯坪斷裂，由于塔合曼溫泉處于不同斷裂帶，因此該溫泉在監(jiān)測期間的水文地球化學變化對其周圍地震的響應不明顯。通過前期對塔合曼溫泉水文地球化學特征的研究發(fā)現(xiàn)，該溫泉的離子濃度主要與周圍圍巖的巖性有關，其水-巖反應程度與溫泉的熱儲溫度及循環(huán)深度有密切的關系，水-巖反應程度越深，循環(huán)深度越深，熱儲溫度越大(Gherardi，2017)。2020年伽師6.4地震前9 d其水化學發(fā)生明顯突增，波動幅度高于平均值的5%～15%，但熱儲溫度明顯降低，循環(huán)深度明顯減小(圖8b)。

許多學者對地下水前兆異常的機制進行了研究，提出了許多解釋地下水前兆異常機制的模型，包括聲波震動物理化學釋放(UV模型)、壓敏溶解度化學釋放(PSS模型)、孔隙坍塌物理釋放(PC模型)、增加反應表面積(IRSA模型)以及含水層破裂/流體混合(AB/FM模型)等(Ingebritsen，Manga，2019)。目前最能解釋前兆地球化學和水文異常的模型是IRSA模型以及AB/FM模型，IRSA模型可以解釋許多氣體濃度異常；AB/FM模型被認為是隔離含水層之間的水文屏障的前兆破裂，從而使不同含水層發(fā)生混合，而這種前兆破裂被認為是由地震前與應力積累相關的地殼膨脹引起的(Skelton，2014)，這種機制能很好地解釋離子和同位素化學的變化。因干及塔合曼溫泉的水化學變化現(xiàn)象可以用AB/FM模型機制解釋。地震前一定時間內(nèi)發(fā)生的地下水化學成分的變化往往歸咎于兩個或兩個以上化學性質(zhì)不同的含水層的流體混合(Ranjram，2015)。而塔合曼溫泉氫氧同位素的變化也很好地證明了AB/FM模型機制的可能性。前人研究意大利翁布里亞—馬爾凱地震序列中的溫泉水化學(常量元素、微量元素、溶解氣體和同位素比率)時認為，這種突然的水文變化并非正常水-巖反應演化所致，而是由構造活動性引起的，并且短期內(nèi)很難得到補償恢復原有平衡態(tài)(Ranjram，2015；Gherardi，2017)。地震的發(fā)生改變了地下水的環(huán)境，促使溫泉水在震后重新建立一個新的平衡狀態(tài)(高小其等，2018)。塔合曼溫泉在震后的常量元素含量一直高于背景值，氫氧同位素也異常與大氣降水線附近，這個現(xiàn)象也驗證了溫泉水已經(jīng)開始了一個新的平衡態(tài)。

4 結(jié)論

新疆南天山及西昆侖地區(qū)溫泉發(fā)育，南天山地區(qū)溫泉水溫多在40 ℃以下，屬于中低溫地下熱水，西昆侖地區(qū)溫泉水溫多在60 ℃以上，屬于高溫地下熱水，該地區(qū)構造復雜，因此溫泉水化學類型復雜。結(jié)合離子關系及Sr/Sr比值的研究可以發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)溫泉中Ca和Mg主要來源于碳酸鹽巖的風化溶解和蒸發(fā)鹽巖的溶解，而Na和K主要來源于鹽巖和硅酸鹽巖的溶解，且研究區(qū)溫泉主要受蒸發(fā)鹽巖的溶解作用控制，其次是來自碳酸鹽巖風化作用的貢獻，阿合其、玉其塔什、塔合曼以及公格爾溫泉具有少量硅酸鹽巖來源。

δD-δO關系表明研究區(qū)溫泉水主要來源于周圍6 km以下高山冰川融水與大氣降水。根據(jù)地熱溫標法估算研究區(qū)溫泉熱儲溫度為17 ℃～82 ℃，循環(huán)深度為0.6～3.2 km。結(jié)合Na-K-Mg三角圖發(fā)現(xiàn)烏恰泥火山、因干、塔合曼和阿合其溫泉循環(huán)深度較深，水-巖反應程度較高，其他溫泉水為未成熟水，溫泉的循環(huán)深度較淺，其在淺部存在冷水混入現(xiàn)象。

研究區(qū)溫泉的水文地球化學異常變化與地震活動在時空上存在一定的對應關系。因干溫泉及塔合曼溫泉的常量元素及微量元素變化對伽師6.4地震有明顯的前兆異常響應，其前兆異常持續(xù)時間為9～18 d，這可能是由于該地區(qū)地震活動造成斷裂帶及其周圍巖土介質(zhì)性質(zhì)的改變，引起滲透率變化或斷層破碎帶含水層產(chǎn)生微破裂，使不同含水層水體混合，從而引起溫泉水文地球化學變化。因此，對該地區(qū)溫泉水文地球化學變化的監(jiān)測可為新疆邁丹斷裂、柯坪斷裂和西昆侖山斷裂未來地震危險性判定提供基礎數(shù)據(jù)支持。