云南寧洱—通關(guān)火山區(qū)溫泉水文地球化學與地震短臨前兆異常特征研究*

歐陽澍培，周曉成，何 苗，天 嬌，李靜超，董金元，李 營，顏玉聰，劉峰立，姚炳宇，王昱文，曾召君，陳曲菲，羅志鑫，吉庚鳳

(1.中國地震局地震預(yù)測研究所 高壓物理與地震科技聯(lián)合實驗室，北京 100036；2.新疆維吾爾自治區(qū)消防救援總隊 烏魯木齊市消防救援支隊經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)大隊，新疆 烏魯木齊 830009)

0 引言

溫泉是地下流體的一種，泉口的溫度顯著高于當?shù)啬昶骄鶜鉁兀湓睾亢碗x子組分的變化特征可以反映地下水文循環(huán)的過程，為該地區(qū)斷裂帶及火山地熱流體活動提供證據(jù)，為地震監(jiān)測、預(yù)報和分析工作提供基礎(chǔ)背景數(shù)據(jù)和有效的預(yù)測指標(Zhangetal，2015；Zhouetal，2017；Wangetal，2018；Shietal，2020)。

溫泉水文地球化學特征的變化作為地震短臨前兆異常監(jiān)測的方法，目前得到了廣泛的應(yīng)用，近年來，我國學者對龍門山斷裂帶、鮮水河斷裂帶、岷江斷裂帶等地區(qū)的溫泉流體地球化學的研究表明，中強地震后相關(guān)地區(qū)周圍溫泉出現(xiàn)了明顯的水文地球化學異常，地熱活動性的強弱與地震活動性密切相關(guān)(Duetal，2006；Shietal，2014；Tianetal，2021)。

云南寧洱—通關(guān)火山區(qū)地震頻發(fā)，地熱資源豐富，降雨量充沛，溫泉分布廣泛。研究表明：地震發(fā)生前后溫泉的陰陽離子含量和部分微量元素會發(fā)生顯著變化。綜合研究區(qū)的地質(zhì)演化歷史、地球物理深部探測結(jié)果及地震活動的相關(guān)資料研究顯示地下水的深循環(huán)與斷裂構(gòu)造、火山活動密切相關(guān)(潘明等，2015)。本文通過水文地球化學方法研究該火山區(qū)溫泉水文地球化學與地震短臨前兆異常特征，以期為地震前兆水化異常的判斷提供理論依據(jù)，為該地區(qū)中強地震預(yù)報監(jiān)測提供參考。

1 地熱地質(zhì)概況

研究區(qū)位于思茅盆地中央的云南寧洱—通關(guān)火山區(qū)，思茅盆地新生代以來出現(xiàn)了近NEE走向的隆起構(gòu)造，東至阿墨江，西至瀾滄江，北至墨江通關(guān)，南至景洪北，其中央是一條近南北走向的構(gòu)造帶，稱為中軸構(gòu)造帶。中軸構(gòu)造帶沿著兩條主要的斷裂帶——無量山斷裂和把邊江斷裂展布，并被一系列NE走向的小型斷裂錯斷，形成棋盤網(wǎng)格狀構(gòu)造(趙慈平等，2017；Zhangetal，2021)。

研究區(qū)的8個溫泉均位于云南省普洱市寧洱縣、墨江縣(圖1、表1)，該地區(qū)全年氣候暖濕，日照充足，降水量豐富，分布有侏羅系—白堊系—古近系一套紅色碎屑巖地層(王曉翠，2016)，思茅盆地位于歐亞板塊和印度板塊結(jié)合帶(21°14′～24°45′N，100°83′～101°76′E)，以瀾滄江斷裂為界，可分為2個不同級的大地構(gòu)造單元：西部屬岡底斯—念青唐古拉褶皺系的東南端，以大型斷裂帶構(gòu)造為主；東部屬于唐古拉—昌都—蘭坪—思茅褶皺系的南端，構(gòu)造以蓋層褶皺為主。區(qū)內(nèi)分布有東部的阿墨江大斷裂，中部沿瀾滄江河谷延伸的瀾滄江斷裂及西部沿黑河、謙邁河延伸的黑河斷裂，切割深度大，活動性強，與該地區(qū)地震頻發(fā)密切相關(guān)(吳坤罡，2016)。

表1 研究區(qū)溫泉采樣點信息

2 樣品與分析方法

2015—2020年筆者對云南寧洱—通關(guān)火山區(qū)8個溫泉進行了10次調(diào)查，共計20個水樣，每個溫泉水樣采集4瓶，分別用于測定其主量元素、微量元素、氫氧同位素和二氧化硅含量，實驗室分析前進行過濾。QP、XS和EL溫泉是連續(xù)監(jiān)測點，2019年11月至今每隔三天進行一次采樣。野外采樣使用的容器是250 mL聚乙烯塑料瓶。采樣前，先將聚乙烯瓶放置在溫泉水中潤洗2～3次，排凈瓶內(nèi)空氣，再進行裝樣，目的是為了避免水樣組分受空氣污染。野外采樣時，現(xiàn)場測定溫泉水溫度、pH值、電導(dǎo)率，采樣后向用于測定微量元素的瓶樣品中滴入1.0 mL濃硝酸，并在室溫條件下保存。

3 結(jié)果

QP、WN和EL溫泉的氫氧同位素分布范圍見表2，分別是δD：-20.8‰～11.8‰；δ18O：-158.7‰～-83.4‰，主要分布在大氣降水線附近(圖2)。由于采樣問題，其余5個溫泉缺少氫氧同位素數(shù)據(jù)。溫泉水樣中的主量元素含量及微量元素分析結(jié)果見表3、4。由于采樣問題，XS溫泉缺少主量元素數(shù)據(jù)，水樣的SiO2含量為14.8～16.5 mg/L。研究區(qū)溫泉的水溫范圍是31.8℃～64.7℃，pH值范圍是6.67～8.10，平均值為7.28，電導(dǎo)率范圍為447～1770 μs/cm。總固體溶解度(Total Dissolved Solid，TDS)范圍是140.29～2 859.52 mg/L，其中MZ溫泉和DSJ屬于微咸水，QP、XL、NER、WN溫泉和EL屬于淡水。

表2 QP、WN和EL溫泉補給高程

圖2 溫泉水樣的δD-δ18O關(guān)系圖

本文采用舒卡列夫分類法(陰、陽離子的毫克當量百分比分別大于25%的離子參與命名)，將寧洱—通關(guān)火山區(qū)的溫泉劃分為6種水化學類型：Na·Ca-HCO3、Na·Cl-HCO3、Na-HCO3、Ca-HCO3、Na·Ca-SO4·HCO3、Na·Ca-Cl·SO4型。利用Origin軟件繪制了Piper三線圖(圖3)，研究各溫泉點的離子含量分布規(guī)律。QP的水化學類型是Na·Cl-HCO3和Na-HCO3型；XL和NER屬于Ca-HCO3型，EL的水化學類型是Na·Ca-HCO3型；MZ溫泉屬于Na-HCO3·Cl型；DSJ屬于Na·Ca-SO4·HCO3型。

圖3 溫泉水樣Piper三線圖

4 討論

4.1 補給來源

Craig(1961)系統(tǒng)研究了全球的大氣降水樣品、地表水樣品后提出了大氣降水的氫氧同位素含量滿足Craig方程：δD=8δ18O+10。δD-δ18O關(guān)系是一條直線，又稱為全球大氣降水線。圖2中數(shù)據(jù)點均落在全球大氣降水線附近，輕微偏離右下方及左上方，表明溫泉的補給來源是大氣降水。

影響大氣降水中的氫氧同位素組成的因素主要有兩方面，一是水汽來源和輸送過程，二是高程效應(yīng)(張貴玲等，2015；顏玉聰?shù)龋?022)。根據(jù)高程效應(yīng)，大氣降水入滲補給的地下水中δD和δ18O會隨著海拔高度的增高而降低，因此可以利用地下水中同位素含量的高程效應(yīng)計算溫泉水的補給高程(Clark，Royden，2000)，計算公式(王恒純，1991；張洪平等，1991)如下：

H=(δG-δP)/K+h

(1)

式中：H是計算結(jié)果即補給高程；δG是水樣的δD或δ18O含量(‰)；δP是水樣點附近大氣降水的δD或δ18O含量(‰)；K為δD或δ18O的正高程梯度；h為取樣點的高程。

我國西南地區(qū)的高程梯度是-2.5‰/100 m(汪集旸等，1993)，西部降水高程效應(yīng)公式(Yuetal，1984)為：

δ18O=-0.0031H-6.2

(2)

δD=-0.026H-30.2

(3)

溫泉水樣補給高程計算結(jié)果見表2。QP、WN和EL補給高程平均值在1.7～2.2 km。

由Pang等(2017)提出的水-巖反應(yīng)過程中氫氧同位素變化圖解可知，大氣降水進入了地下循環(huán)，然后上升至地表，與圍巖發(fā)生了水-巖反應(yīng)，產(chǎn)生了氧同位素漂移的現(xiàn)象。溫泉水與圍巖發(fā)生同位素平衡分餾反應(yīng)，溫泉水中的16O部分進入到了圍巖，圍巖的18O進入到水中。溫泉水上升到地表后發(fā)生了蒸發(fā)作用，其變化趨勢與地表蒸發(fā)過程的δD-δ18O變化曲線吻合。

4.2 水化學成分特征

4.2.1 主量元素

4.2.2 微量元素

微量元素的富集可以反映水-巖反應(yīng)的程度，水-巖反應(yīng)越強烈，部分微量元素越富集(Soto-Jiménez，Páez-Osuna，2001)。2015年5月至2019年11月，溫泉水中Sr、B、Fe、Mn含量時間變化較大(表4)。研究區(qū)溫泉水中Sr含量較高與圍巖中含Ca2+的礦物的溶濾相關(guān)。Sr可以以獨立礦物的形式分布在沉積巖中，也可以以類質(zhì)同象形式存在于斜長石、鉀長石、文石、硬石膏等礦物中(許佩瑤，丁志農(nóng)，1997；牟保磊，1999)。DSJ溫泉的Fe、Ni、Cu、Mo、Pb、Zn等過渡族金屬元素的含量明顯偏高，可能預(yù)示著地下水流經(jīng)了金屬礦床區(qū)。Fe、Mn元素還原條件下主要分布在橄欖石、輝石、角閃石等造巖礦物中。Fe在氧化條件下可轉(zhuǎn)化為高價態(tài)的磁鐵礦和赤鐵礦等，因此，酸性、氧化的水-巖反應(yīng)條件有利于Fe、Mn元素向溫泉水中遷移富集(牟保磊，1999)。

圖4 研究區(qū)溫泉微量元素分布圖

4.2.3 水-巖反應(yīng)

水文地球化學研究過程中，一般使用Na-K-Mg三角圖來描述水巖反應(yīng)程度。地熱水與圍巖發(fā)生離子交換反應(yīng)達到平衡狀態(tài)就是平衡水，未達到平衡則為未成熟水，部分離子反應(yīng)已達平衡狀態(tài)即部分平衡水。將溫泉水樣的Na+、K+、Mg2+含量進行計算處理，如c(Na+)/1000， c(K+)/100 ，c(Mg2+)1/2，再計算出3個端元的百分比投點到Na-K-Mg三角圖上，結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，QP、XL、DSJ、WN和EL溫泉的數(shù)據(jù)點分布在未成熟水區(qū)域，并且集中在Mg1/2端元一側(cè)。因此推測，寧洱—通關(guān)火山區(qū)溫泉水在上升過程中與圍巖發(fā)生水-巖反應(yīng)不充分，泉水深部上涌，水溫、水壓和氣體含量快速下降，改變了水-巖反應(yīng)達到平衡的條件，幾個出露點泉水總體來說礦化度較小，淋濾作用帶入了部分圍巖成分，但是與圍巖沒有充分發(fā)生離子交換反應(yīng)，水-巖反應(yīng)程度較低。

圖5 溫泉水樣Na-K-Mg三角圖

4.3 熱儲溫度與循環(huán)深度

熱儲溫度可以用來研究溫泉的成因和地下水循環(huán)的受熱、冷卻過程。以水化學離子含量和溫泉水樣中的SiO2含量為參數(shù)來估算地熱儲溫度是目前比較常用、便捷的方法。目前最常用的計算方法有兩種：一種是陽離子溫標法，如Na-K-Ca溫標法、Na-K溫標法；另一種是SiO2溫標法。天然水中溶解的SiO2一般不受其它金屬離子濃度的影響，Si元素的總濃度是溫度的函數(shù)，隨著水溫的下降，SiO2的溶解度緩慢降低(王皓柴蕊，2009)。SiO2溫標適用范圍是0～250 ℃，研究區(qū)QP、XL、DSJ、WN和EL溫泉的水樣都是未成熟水，水溫均低于100 ℃，因此本文采用SiO2溫標法計算，公式如下(Fournier，1977)：

(4)

溫泉為大氣降水入滲補給通過地下熱循環(huán)升溫后回流至地表形成的，因此熱水循環(huán)深度計算公式(李學倫，1997)為：

(5)

式中：H為循環(huán)深度；T和T0分別表示地熱水的熱儲溫度和當?shù)仄骄鶜鉁?；h是常溫層的深度；g是研究區(qū)域的地溫梯度(2.9 ℃/100m)。

思茅盆地的年平均氣溫T0取20.1 ℃，h取25 m，計算結(jié)果見表5。結(jié)果表明，寧洱—通關(guān)火山區(qū)3個溫泉的SiO2含量相近，WN、EL、QP溫泉的循環(huán)深度平均值是2.22 km，循環(huán)深度較深。采用Na-K-Mg溫標法估算水樣QP1911T01的熱儲溫度是95.0℃，遠高于SiO2溫標法的計算結(jié)果。

表5 溫泉熱儲溫度和循環(huán)深度

地下熱水的熱源主要有4種：地熱增溫、巖漿殘余熱、構(gòu)造活動熱和放射性衰變熱(張珂，馬浩明，2002)。研究區(qū)有顯著的地熱場異常，至今仍可能有巖漿活動。寧洱附近可能存在源自地幔的淺層巖漿囊，成為主要地下熱水熱源(趙慈平等，2014)。根據(jù)巖漿熱源的水文地球化學判據(jù)來分析寧洱—通關(guān)火山區(qū)地熱水是否有巖漿熱源。若地熱區(qū)同時出現(xiàn)3種類型的地熱水：①酸性的SO4型或SO4-Cl型或Cl-SO4型地熱水；②中性的Na-Cl型或Na-Cl·HCO3型地熱水；③弱堿性的Na-Cl·HCO3型或Na-HCO3型地熱水，表明該地熱區(qū)有巖漿熱源；反之，則為非巖漿熱源(郭清海，2020)。研究區(qū)的溫泉水化學類型符合以上條件，說明巖漿熱源是該區(qū)地下熱水的主要熱源之一，另一個主要熱源則是地熱增溫。巖漿熱源型的溫地熱水與非巖漿熱源型的地熱水，其水文地球化學過程差別很大，根本原因是巖漿熱源釋放出的SO2等酸性氣體將強力溶蝕圍巖，同時熱儲內(nèi)區(qū)的水巖相互作用的溫度遠高于非巖漿熱源型地熱系統(tǒng)的反應(yīng)溫度，酸性熱泉的大量出現(xiàn)是絕大多數(shù)巖漿熱源型溫泉的獨特水文地球化學標識(郭清海，2020)。地下水通過帶走圍巖的熱量而升溫，表現(xiàn)為地表熱流值的負異常；水在汽化過程中，也可通過向圍巖釋放熱量而降溫，表現(xiàn)為地表熱流值的正異常(龐忠和，1987)。研究區(qū)3個泉口水溫相較熱儲溫度的溫差變化較小，因此推斷出地下熱水在深部循環(huán)上升回流過程中，較少受到淺層冷熱水混和作用所帶來的影響(王云等，2018)。

4.4 溫泉水文地球化學變化與地震的關(guān)系

表6 2020年云南綠春ML4.4、 2021年雙柏MS5.2地震前后水化異常時間及異常幅度

根據(jù)對溫泉水化指標的影響程度劃分區(qū)域地震的震級、震中距，如圖6所示，圖中黑色線代表距離監(jiān)測點50 km范圍內(nèi)ML1.0～5.0地震，紅色線代表距離監(jiān)測點50～300 km范圍內(nèi)MS≥5.0地震。對震中距50 km以內(nèi)的ML1.0～5.0地震、震中距50～300 km的MS≥5.0地震觀測結(jié)果表明水化異?，F(xiàn)象具有如下變化規(guī)律：溫泉點距離震中愈近，異?，F(xiàn)象出現(xiàn)時間愈早；震級愈高，異常現(xiàn)象出現(xiàn)時間愈早，與Li等(2021)研究結(jié)果一致。

研究區(qū)溫泉補給主要來自大氣降水，水-巖反應(yīng)程度低，但該地區(qū)氦同位素很高(Zhangetal，2021)，預(yù)示深部上升的流體增加，所以震前離子濃度的升高可能與流體混和有關(guān)。綠春地區(qū)主要受阿墨江斷裂和李仙江斷裂控制。阿墨江斷裂是多期次活動的壓扭性逆沖推覆構(gòu)造，NW向展布(方維萱等，2002)；李仙江斷裂是多期次活動的逆沖推覆構(gòu)造，發(fā)育次級裂隙和牽引褶皺(圖1)。2020年云南綠春ML4.4地震發(fā)生前，地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場發(fā)生變化，影響了斷裂體系及周圍的溫泉，殘存的裂隙水混合進入地下水循環(huán)中，因此離子濃度發(fā)生了改變。

另外，地下流體的靜水壓力釋放，也會改變斷裂所受的構(gòu)造應(yīng)力，這是地震發(fā)生的重要原因之一(田雷等，2018)。地下水循環(huán)深度愈深，溫泉水溫愈高，其對斷裂面以及圍巖的作用愈強，因此斷裂積累的應(yīng)力強度相應(yīng)愈低，只要較小的外部應(yīng)力作用就會發(fā)生錯動，斷裂的能量易于釋放，其地震活動性表現(xiàn)出中小地震(ML<5.0)頻發(fā)的特點(圖7)。溫泉流體地下循環(huán)深度愈淺，溫泉水溫愈低，對于斷裂的弱化程度較小，斷裂不易錯動從而可能在這些部位積累較大的應(yīng)力，而一旦釋放能量，該地的地震活動性將表現(xiàn)為發(fā)生中強地震(ML≥5.0)的風險性提高。地下熱水的循環(huán)深度與中小地震(ML<5.0)的震源深度有密切的關(guān)系，目前對此方面的研究尚不充分(車用太，魚金子，2014)。

F1：把邊江斷裂帶；F2：無量山斷裂帶；F3：瀾滄江斷裂帶；

5 結(jié)論

本文研究了云南寧洱—通關(guān)火山區(qū)的溫泉水樣，分別進行了主量元素、微量元素和氫氧同位素分析，并討論了溫泉水文地球化學變化與地震的關(guān)系，得出如下主要結(jié)論：

(1)研究區(qū)溫泉的補給來源主要是大氣降水，補給高程為2.0～2.7 km。

(2)寧洱—通關(guān)火山區(qū)的溫泉共有6種水化學類型：Na·Ca-HCO3、Na·Cl-HCO3、Na-HCO3、Ca-HCO3、Na·Ca-SO4·HCO3和Na·Ca-Cl·SO4型。

(3)寧洱—通關(guān)火山區(qū)的溫泉與圍巖沒有充分發(fā)生離子交換反應(yīng)，水-巖反應(yīng)程度較低。

(4)SiO2溫標法計算結(jié)果表明寧洱—通關(guān)火山區(qū)溫泉的循環(huán)深度在1.2 km，循環(huán)深度較淺，溫泉水熱源是巖漿殘余熱和地熱增溫，地熱水在上升回流過程中緩慢冷卻，較少或未受到淺層冷水混合的影響。

(6)地震引發(fā)了區(qū)域斷裂錯動，巖層滲透率提高，上下含水層的水短時間內(nèi)加速循環(huán)和成分交換，原有的水-巖反應(yīng)平衡狀態(tài)改變，相應(yīng)離子濃度發(fā)生變化。

(7)研究區(qū)的地下水循環(huán)過程受熱增溫，出露溫泉水溫較高，水對斷裂帶以及圍巖的作用較強，斷裂積累的應(yīng)力強度較低，只需較小的外部應(yīng)力作用就會發(fā)生錯動，斷裂的能量易于釋放，因此地震活動性表現(xiàn)出中小地震(ML<5.0)頻發(fā)的特點。