岷江斷裂帶北段溫泉流體地球化學(xué)特征

石宏宇 周曉成 王萬(wàn)麗 顏玉聰 李鵬飛 姜莉

1)中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所，中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100036 2)中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)，地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083

0 引言

溫泉是出露于地表、由地球內(nèi)部熱能釋放加熱導(dǎo)致溫度高于當(dāng)?shù)啬昶骄鶞囟鹊牡叵滤?Griffin et al，2017)?；顒?dòng)斷裂是地下流體良好的運(yùn)移通道，研究活動(dòng)斷裂中溫泉流體的地球化學(xué)特征變化可以較好地監(jiān)測(cè)活動(dòng)斷裂帶內(nèi)部的活動(dòng)狀態(tài)(Favara et al，2001；Skelton et al，2014； 仵柯田等，2019； 盛艷蕊等，2020)。國(guó)外學(xué)者對(duì)圣安地列斯斷裂(Kennedy et al，1997)、土耳其安納托利亞斷裂(Aydn et al，2015)、日本俯沖帶(Sano et al，1998)和中歐等地區(qū)(Zhang et al，2017)溫泉流體進(jìn)行地球化學(xué)研究發(fā)現(xiàn)：離子(Na+、Cl-和等)濃度、氣體(H2、CH4和CO2等)濃度和同位素(3He/4He、δ13CCO2等)含量在地震發(fā)生前后均出現(xiàn)大幅度變化。邢臺(tái)地震發(fā)生后，我國(guó)開(kāi)始了地震地球化學(xué)離子觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)了地震地球化學(xué)流體異?，F(xiàn)象。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)龍門(mén)山斷裂帶(Du et al，2006)、岷江斷裂帶(Shi et al，2014)、甘孜-玉樹(shù)斷裂帶(劉雷等，2012)和理塘斷裂帶(Zhou et al，2017)溫泉流體的地球化學(xué)研究表明，在中強(qiáng)地震之后，同樣出現(xiàn)了明顯的溫泉流體地球化學(xué)異常變化。

岷江斷裂帶位于岷山隆起的西側(cè)，其東側(cè)為虎牙斷裂帶(張?jiān)罉虻龋?010)。歷史上，岷江斷裂帶曾在1933年、1938年和1960年分別發(fā)生了MS7.5、MS6.0和MS6.8 地震，第四紀(jì)活動(dòng)強(qiáng)烈(Qian et al，2000)，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行溫泉流體地球化學(xué)監(jiān)測(cè)研究具有重要的價(jià)值。李宏業(yè)等(2003)對(duì)岷江斷裂帶溫泉流體地球化學(xué)特征研究，發(fā)現(xiàn)含δ13CCO2的CO2流體主要來(lái)自于地殼淺部，溫泉水補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水，但尚不清楚岷江斷裂帶流體地球化學(xué)變化的機(jī)理和流體運(yùn)移模式。汶川地震發(fā)生后的2008年6月—2010年6月期間，周曉成(2011)對(duì)岷江斷裂帶附近的溫泉進(jìn)行了3次采樣監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)溫泉?dú)怏w中有大量的幔源δ13CCO2和3He/4He上涌。2017年岷江、虎牙和塔藏?cái)嗔呀粎R處發(fā)生九寨溝MS7.0 地震，筆者于該地震第二天到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，獲取流體地球化學(xué)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該地震前后溫泉流體地球化學(xué)特征同樣出現(xiàn)了明顯的變化。本文對(duì)岷江斷裂帶溫泉流體的地球化學(xué)時(shí)空變化特征進(jìn)行了研究，探討了斷裂帶內(nèi)深淺部流體耦合機(jī)理以及溫泉流體地球化學(xué)特征變化與地震之間的關(guān)系，建立了岷江斷裂帶深淺部流體耦合模型，可為今后判斷岷江斷裂帶未來(lái)中強(qiáng)地震的短臨前兆流體異常變化提供幫助。

1 研究區(qū)域地質(zhì)概況

注： 圖中地震為研究區(qū)域2008—2018年發(fā)生的4級(jí)以上地震圖1 采樣點(diǎn)分布

2 野外采樣和處理方法

(1)

對(duì)微量元素的測(cè)定在核工業(yè)地質(zhì)研究院測(cè)試中心分析完成，采用Element型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀ICP-MS(張彥輝等，2018)。氫氧同位素分析使用氣體同位素質(zhì)譜儀MAT253，樣品的分析精度為δD<±1‰和δ18O<±0.2‰(劉漢彬等，2013)； 使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀Optima-5300 DV檢測(cè)SiO2； 鍶同位素分析使用Phonix型熱電離質(zhì)譜儀分析完成(湯書(shū)婷等，2015)； 碳同位素分析使用Delta Plus XL質(zhì)譜計(jì)分析完成，13C/12C的精度為0.2‰(李中平等，2007)； 氦氖同位素分析使用Noblesse稀有氣體同位素質(zhì)譜儀(Cao et al，2018)。

2013年之前的氣體樣品在中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所石油資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，使用儀器為Agilent 7890(Zhou et al，2017)；2013年之后的氣體樣品在中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所分析完成。溫泉?dú)怏w中的N2、H2、CO2、O2、CH4和Ar使用Agilent Macro 3000便攜式氣相色譜儀進(jìn)行測(cè)量(Zhou et al，2017)。

3 溫泉流體地球化學(xué)特征分析

3.1 常量元素、微量元素的地球化學(xué)特征

圖2 水樣piper三線圖

表2 離子含量的相關(guān)系數(shù)矩陣(單位：mg·L-1)

圖3 溫泉中微量元素含量對(duì)比

碳酸鹽巖地層和碎屑巖地層對(duì)Sr2+的富集最有利，pH值在7.0～8.5之間的弱堿性水更容易富集Sr2+(劉慶宣等，2004)。岷江斷裂帶溫泉水pH值分布范圍為6.4～9.8，平均值為7.4，又由于含游離CO2較多的水與含有Sr2+的地層發(fā)生作用有利于Sr2+的溶解，研究區(qū)游離CO2含量較高，因此表明該區(qū)域容易富集Sr2+。

張春山等(2003)的研究表明，當(dāng)深度、壓力增加時(shí)，B在地下水中的溶解度會(huì)增高。岷江斷裂帶溫泉水中的B濃度較高，為5.60mg/L，根據(jù)地球物理資料發(fā)現(xiàn)，岷江斷裂帶受巴顏喀啦地塊推及作用形成，因此含有大量的B。同時(shí)，Ni、Ti、Fe、Cr等金屬離子易富集在高壓區(qū)(Pili et al，2002)，且石英中Sr2+、方解石中Ca2+和白云石中Mg2+的溶解會(huì)導(dǎo)致高嶺石和氧化礦物中的Al、Fe、Ti等金屬離子被動(dòng)富集(Pili et al，2002；Uysal et al，2007)，致使岷江斷裂帶溫泉水中的Al、Fe、Ti的含量較高。根據(jù)富集因子(EF)的大小可以定性地判斷溫泉水中微量元素來(lái)源，計(jì)算公式為

EFi=(Ci/CR)w/(Ci/CR)r

(2)

其中，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。富集因子能夠表示某種元素在某一地質(zhì)體中富集的程度，當(dāng)該值小于1時(shí)，則意味著元素分散。

將川西地區(qū)上三疊統(tǒng)微量元素平均值作為參考背景(劉金華等，2005)，選定地殼巖石微量元素Ni作參比元素，對(duì)微量元素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理(表3)。能夠看出，研究區(qū)域內(nèi)卡卡溝和牟尼溝溫泉水中B、Sr、Ba元素的富集因子大于1，川盤(pán)橋、黃龍、扎嘎瀑布和岷江水的Sr和Ba富集因子大于1，而其他元素富集因子小于1，表明其他元素相對(duì)分散。由圖3可知，B、Sr和Ba的含量相對(duì)其他元素較高，且常量元素中富集Ca和Mg，均為堿土金屬元素，因此，判斷岷江斷裂帶溫泉水主要來(lái)自于灰?guī)r(Pili et al，2002)。

3.2 溫泉水來(lái)源

δ18O=-0.002Alt-6.327

(3)

得出補(bǔ)給高程為3.4～4.5km。

圖4 水樣δD-δ18O分布

圖5 Na-K-Mg三角圖

Na-K-Mg三角圖解(Giggenbach，1988)(圖5)能夠反應(yīng)水化學(xué)的平衡狀況和平衡溫度。不同條件下所用的熱儲(chǔ)溫標(biāo)不同，常用的地球化學(xué)溫標(biāo)主要有石英、玉髓溫標(biāo)和離子溫標(biāo)，離子溫標(biāo)在水巖反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)適用，而圖5顯示研究區(qū)域溫泉點(diǎn)均處于未成熟水區(qū)域，且研究表明溫度小于110℃時(shí)，通常是玉髓控制著溶液中的SiO2含量(鄭西來(lái)等，1996)，計(jì)算公式為(Arnórsson，1983)

T=1112/(4.91-lg(CSiO2)-273.15

(4)

其中，CSiO2代表水中SiO2的質(zhì)量濃度，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。因此，岷江斷裂帶熱儲(chǔ)溫度主要為26.00℃～52.22℃，循環(huán)深度主要為1.17～2.67km。

表5 熱儲(chǔ)溫度循環(huán)深度計(jì)算

3.3 溫泉?dú)怏wHe及CO2來(lái)源

3.3.1 He來(lái)源

2010年6月—2018年8月，3He/4He變化范圍為0.02Ra～0.68Ra，平均值為0.14Ra。為估算地幔衍生氦的比例，利用 4He/20Ne 對(duì)空氣混染程度進(jìn)行約束(Duchkov et al，2010)。3He/4He與4He/20Ne 關(guān)系圖(圖6)(Sano et al，1985)顯示了每個(gè)氣體樣品的濃度，所有點(diǎn)均靠近地殼端元。計(jì)算得出的幔源He貢獻(xiàn)率見(jiàn)表4，其中，2010年6月—2018年8月川盤(pán)橋溫泉幔源氦貢獻(xiàn)率約為0.07%～5.67%，牟尼溝溫泉的幔源氦貢獻(xiàn)率約為0.30%～7.77%。 由于2008年6月無(wú) 4He/20Ne 數(shù)據(jù)，無(wú)法校正3He/4He值，但發(fā)現(xiàn)川盤(pán)橋和牟尼溝溫泉中的3He/4He分別為1.68Ra和2.16Ra，均較高。周曉成等(2017)研究表明汶川地震后有大量的幔源物質(zhì)上涌與地殼流體混合，而隨著地震的減弱，地幔流體對(duì)溫泉的3He/4He貢獻(xiàn)逐漸減小。本研究發(fā)現(xiàn)2017年九寨溝MS7.0 地震之后3He/4He一直呈下降趨勢(shì)。

注： 各不同端元的比值分別為：空氣3He/4He=1.4×10-6，4He/ 20Ne=0.318； 地幔3He/4He=12×10-6，4He/20Ne=100000； 地殼3He/4He=0.02×10-6，4He/ 20Ne=100000(Ozima et al，1983；Ballentine et al，2005)。圖中數(shù)字為采樣時(shí)間：①2008-11-01； ②2009-06-01； ③2010-04-01； ④2013-04-20； ⑤2014-08-01； ⑥2015-08-01； ⑦2016-08-01； ⑧2017-08-01； ⑨2018-08-01，其中，2008-11-01、2009-06-01、2010-04-01的數(shù)據(jù)據(jù)Zhou等(2015)圖6 溫泉?dú)怏w中3He/4He與4He/20Ne 比值關(guān)系

3.3.2 CO2來(lái)源

2017年6月測(cè)得卡卡溝、川盤(pán)橋和牟尼溝溫泉水中的87Sr/86Sr比率分別為0.70862、0.70872和0.70870，利用研究區(qū)域溫泉水中87Sr/86Sr與3He/4He作圖(圖7)，發(fā)現(xiàn)川盤(pán)橋和牟尼溝溫泉水主要來(lái)自于地殼，卡卡溝溫泉、川盤(pán)橋溫泉和牟尼溝溫泉87Sr/86Sr主要分布在0.70800左右，推測(cè)鍶主要來(lái)自于岷江斷裂帶發(fā)育的碳酸鹽巖(Négrel，2006)。

圖7 岷江斷裂帶 3He/4He與 87Sr/86Sr關(guān)系圖(據(jù)Martelli等(2008))

岷江斷裂帶溫泉水中逸出氣體的CO2/3He比率范圍為0.66×1011～100×1011(表6)，均大于洋中脊玄武巖(2×109)(Marty et al，1987)，δ13CCO2主要分布在 0±3‰。溫泉逸出氣中的CO2主要來(lái)源有地幔、有機(jī)質(zhì)和灰?guī)r，為確定研究區(qū)域溫泉?dú)庵蠧O2的來(lái)源，繪制3He/4He(R/Ra)-δ13CCO2關(guān)系圖，見(jiàn)圖8。其中，所有的采樣點(diǎn)均靠近石灰石(L)端元，計(jì)算地幔脫氣(M)中碳的相對(duì)貢獻(xiàn)(Sano et al，1995)，發(fā)現(xiàn)石灰石(L)(Chiodini et al，2004)貢獻(xiàn)量為75.00%～99.47%(表6)，表明大量的CO2主要來(lái)自灰?guī)r裂解。

表6 岷江斷裂帶溫泉?dú)怏w中地幔、石灰?guī)r和沉積有機(jī)質(zhì)CO2的比例

注： 不同端元組成分別為：沉積有機(jī)碳(S)，δ13CCO2=-25‰～-19‰，3He/4He(R/Ra)=0.01； 幔源碳(M)，δ13CCO2=-6‰～-2‰， 3He/4He(R/Ra)=8； 灰?guī)r(L)，δ13CCO2=0‰，3He/4He(R/Ra)=0.01(Sano et al，1995)圖8 3He/4He(R/Ra)-δ13CCO2關(guān)系圖

3.4 溫泉流體地球化學(xué)變化與地震

圖9 溫泉中離子含量隨時(shí)間變化關(guān)系圖(2008年6月—2010年4月數(shù)據(jù)據(jù)陳志(2014)；2006年數(shù)據(jù)據(jù)魯人齊等(2008)； 圖中地震表示為：震級(jí)/震中距(km))

溫泉逸出氣體及同位素主要成分(CO2、N2、CH4、O2、3He/4He)見(jiàn)表4，由于對(duì)研究區(qū)域的氣體監(jiān)測(cè)點(diǎn)密度小，九寨溝地震前He、3He/4He無(wú)明顯異常，而2015年H2出現(xiàn)異常高值，H2的異常與斷裂活動(dòng)密切相關(guān)，岷江斷裂持續(xù)運(yùn)動(dòng)可能使斷裂帶內(nèi)裂隙在連通與閉合間轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致H2濃度變化顯著。He是鈾-釷系等放射性元素α衰變的產(chǎn)物(楊曉芳等，2013)，研究區(qū)域溫泉水中的鈾為0.010～0.850mg/L、釷為0.002～0.009mg/L，含量極低，導(dǎo)致He濃度較低，且研究區(qū)域逸出氣含有大量CO2，會(huì)對(duì)He有一定的稀釋作用。周曉成(2011)研究發(fā)現(xiàn)，汶川地震發(fā)生后岷江斷裂帶有大量幔源物質(zhì)上涌，而九寨溝地震前后卻無(wú)明顯3He/4He變化。岷江斷裂帶處于松潘-甘孜褶皺帶、摩天嶺地塊與龍門(mén)山逆沖推覆構(gòu)造帶接合處(陳浩等，2014)，表明岷江斷裂帶與龍門(mén)山斷裂帶聯(lián)系較大，導(dǎo)致汶川地震對(duì)岷江斷裂帶的影響較為明顯，因此汶川地震對(duì)岷江斷裂帶的影響比九寨溝地震對(duì)該斷裂帶的影響大，也可能是本次研究對(duì)該區(qū)域的監(jiān)測(cè)密度不夠，未監(jiān)測(cè)到地震帶來(lái)的大量幔源物質(zhì)，今后還需繼續(xù)監(jiān)測(cè)。

3.5 溫泉流體地球化學(xué)模型

巴顏喀啦塊體東部位于我國(guó)南北地震帶中部。龍門(mén)山斷裂帶、岷江斷裂帶和甘孜-玉樹(shù)斷裂帶均為受到強(qiáng)烈的現(xiàn)今地殼變形影響而形成的一系列大型活動(dòng)帶(孔令昌等，2012； 陳長(zhǎng)云等，2013)。結(jié)合上述研究結(jié)果與已有的地質(zhì)資料建立模型(圖10)。

圖10 岷江斷裂帶溫泉流體地球化學(xué)模型(據(jù)任俊杰等(2017))

如模型所示，岷江斷裂帶周?chē)臏厝饕獊?lái)自于3436～4506m大氣降水補(bǔ)給。岷江斷裂帶為溫泉水提供良好的運(yùn)移通道，使溫泉水沿?cái)嗔衙嫦蛳逻\(yùn)移，在運(yùn)移過(guò)程中與研究區(qū)域富集的灰?guī)r發(fā)生了水巖反應(yīng)，產(chǎn)生少量的微量元素和較多的常量元素。部分溫泉水向下運(yùn)移至地殼下1.17～2.67km處，經(jīng)地溫加熱向上補(bǔ)給岷江斷裂帶周?chē)臏厝?。研究區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，300km范圍內(nèi)的中強(qiáng)地震孕育、發(fā)生過(guò)程中，可能會(huì)觸發(fā)斷裂帶內(nèi)部含水層破碎，不同裂隙間的導(dǎo)通致使流體混合，深部流體混入從而導(dǎo)致岷江斷裂帶周?chē)鷾厝械碾x子濃度發(fā)生變化，如九寨溝地震的發(fā)生導(dǎo)致岷江斷裂帶周?chē)鷾厝械碾x子濃度產(chǎn)生變化。由于岷江斷裂帶向下延伸至30km處的滑脫面(鄧起東等，1994； 任俊杰等，2017)，阻礙了部分幔源物質(zhì)的上涌，因此研究區(qū)域溫泉水中的幔源He貢獻(xiàn)率較低。

已有研究發(fā)現(xiàn)，汶川地震和九寨溝地震的發(fā)生增加了東昆侖斷裂、岷江斷裂的庫(kù)倫應(yīng)力的積累(Shan et al，2009； 汪建軍等，2017)。同時(shí)，岷江斷裂帶溫泉水中含有大量的逸出氣CO2，CO2逸出氣及地震帶來(lái)的深部構(gòu)造帶高壓流體會(huì)對(duì)斷層產(chǎn)生“潤(rùn)滑”作用，說(shuō)明岷江斷裂帶溫泉流體地球化學(xué)連續(xù)監(jiān)測(cè)對(duì)該地區(qū)及其周?chē)磥?lái)中強(qiáng)地震短臨流體異常判斷具有一定意義。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)2010年6月—2018年8月岷江斷裂帶及其臨近區(qū)域溫泉流體地球化學(xué)數(shù)據(jù)的收集、匯總，對(duì)該區(qū)域水化學(xué)特征及水文地球化學(xué)場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比研究，得出以下結(jié)論：

(1)研究區(qū)域的水均為中性弱堿性水，且溫泉水化學(xué)類(lèi)型差異較小，根據(jù)化學(xué)組合特征將溫泉水分為Ca-HCO3、Mg-HCO3、Ca·Mg-HCO3、Mg·Ca-HCO3四種類(lèi)型。通過(guò)δ18O、δD和SiO2值判斷出岷江斷裂帶周?chē)臏厝从诖髿饨邓?，熱?chǔ)溫度為26.00～52.22℃，循環(huán)深度為1.17～2.67km，微量元素含量較低，由此判斷岷江斷裂帶溫泉水均為水巖反應(yīng)程度不高的未成熟水。岷江斷裂帶溫泉水中的86Sr/87Sr范圍為0.70862～0.70872，判斷其主要來(lái)自于碳酸鹽類(lèi)礦物。δ13CCO2范圍為-7.50‰～-0.12‰，表明岷江斷裂帶內(nèi)溫泉水逸出氣中的CO2主要來(lái)自地殼中的灰?guī)r。

(3)結(jié)合已有地球物理資料和研究區(qū)域溫泉流體地球化學(xué)特征，繪制岷江斷裂帶溫泉流體運(yùn)移模型，根據(jù)模型發(fā)現(xiàn)，3436～4506m的岷山上的大氣降水補(bǔ)給岷江斷裂帶周?chē)目?、川盤(pán)橋、松潘和牟尼溝溫泉，并沿岷江斷裂帶和裂隙向下運(yùn)移至地殼下0.82～2.67km，運(yùn)移過(guò)程中與岷江斷裂帶圍巖發(fā)生一定的水巖反應(yīng)，產(chǎn)生大量的常量元素、微量元素和CO2等氣體。而岷江斷裂帶周?chē)鷾厝巺^(qū)域構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，因此，300m范圍內(nèi)的中強(qiáng)地震孕育、發(fā)生過(guò)程中，可能會(huì)觸發(fā)斷裂帶內(nèi)部構(gòu)造發(fā)生改變，引起含水層破碎，不同裂隙間導(dǎo)通致使流體混合，不同來(lái)源的流體混入，從而導(dǎo)致岷江斷裂帶周?chē)鷾厝x子濃度發(fā)生變化。

致謝：感謝中國(guó)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李立武、李中平和核工業(yè)地質(zhì)研究院測(cè)試中心劉漢彬、劉牧、劉小桐在測(cè)量分析時(shí)的幫助，感謝審稿專(zhuān)家的悉心指導(dǎo)。