內(nèi)蒙古—遼寧交界地區(qū)地下水化學(xué)類型及其成因分析*

劉永梅，崔月菊，孫鳳霞，仵柯田，姜 莉，劉改梅，陳立峰，杜建國

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；2.中國地震局地震預(yù)測研究所 高壓物理與地震科學(xué)聯(lián)合實驗室，中國地震局地震預(yù)測重點實驗室，北京 100036；3.陜西國際商貿(mào)學(xué)院，陜西 西安 712046；4.內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市地震局，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000)

0 引言

近年來，內(nèi)蒙古—遼寧交界地區(qū)地震活動較為活躍，但目前內(nèi)蒙古地區(qū)地震監(jiān)測手段較單一，缺乏水文地球化學(xué)監(jiān)測資料。本文通過分析內(nèi)蒙古—遼寧交界地區(qū)地下水的離子濃度和氫氧穩(wěn)定同位素組成，確定該地區(qū)水文地球化學(xué)背景和地下水來源，分析水巖平衡狀態(tài)，為震情跟蹤、異常核實及地震預(yù)測提供基礎(chǔ)資料。

1 地震地質(zhì)概況

內(nèi)蒙古自治區(qū)境內(nèi)屬高原型地貌區(qū)。錫林浩特地區(qū)地處內(nèi)蒙古北部高原區(qū)，赤峰地區(qū)地處大興安嶺南段山地、陰山山地丘陵區(qū)，通遼地區(qū)則地處西遼河平原。按地下水資源分區(qū)，錫林浩特地區(qū)及赤峰地區(qū)的克什克騰旗為內(nèi)陸水系陰山北部高原地下水資源區(qū)，赤峰地區(qū)的寧城縣和通遼地區(qū)為西遼河水系地下水資源區(qū)。錫林浩特及克什克騰地區(qū)的采樣地點位于阿巴嘎玄武巖臺地區(qū)和渾善達(dá)克沙地區(qū)NE向的得爾布干、伊列克得斷裂(Duetal，2010；李英康等，2014)和EW向的西拉木倫河斷裂附近(圖1)。阿巴嘎玄武巖臺地為玄武巖噴發(fā)形成，賦存玄武巖裂隙孔洞水。渾善達(dá)克沙地區(qū)含水層巖性為中粗砂、中細(xì)砂及粉細(xì)砂，易接受大氣降水補(bǔ)給。赤峰市寧城縣地區(qū)的采樣地點位于大興安嶺南段山地丘陵區(qū)和陰山山地中嫩江—八里罕斷裂南端與赤峰—開原斷裂交匯處南側(cè)，地形復(fù)雜，地貌類型多樣(圖1)。降水充沛，水系發(fā)育，多系長年流水，河谷寬闊，逆源侵蝕強(qiáng)烈，從而導(dǎo)致山體破碎。通遼地區(qū)采樣地點位于西遼河平原區(qū)中赤峰—開原斷裂、北票—朝陽斷裂和錦州—阜新斷裂附近(圖1)?？偟貏菸鞲邧|低，由西南向東北緩慢傾斜，海拔約為100～250 m，為第四紀(jì)砂黏土、黏砂土、砂、砂礫石組成的沖積平原。該區(qū)第四系松散堆積物厚度大，降水量較充沛，西部的西拉沐淪河，烏力吉沐淪河、霍林河等常年河流流經(jīng)本區(qū)，地下水資源豐富(張宗祜，李烈榮，2005)。

圖1 內(nèi)蒙古—遼寧交界地區(qū)地震構(gòu)造和采樣點分布圖

內(nèi)蒙古—遼寧交界地區(qū)分布有多條深大斷裂，如赤峰—開原斷裂，西拉木倫斷裂、嫩江—八里罕斷裂等。赤峰—開原斷裂橫貫內(nèi)蒙古和遼寧交界，由西至東分別與嫩江—八里罕斷裂、北票—朝陽斷裂、錦州—阜新斷裂等一系列NE向斷裂相交匯，形成了內(nèi)蒙古—遼寧交界地區(qū)“枝干型”斷裂系，為該地區(qū)歷史及現(xiàn)代中強(qiáng)地震的發(fā)生提供了有利的地質(zhì)構(gòu)造條件(裴惠娟等，2015)。1990—2021年研究區(qū)周邊發(fā)生3級以上地震485次，其中包括4次破壞性地震：1999年1月29日錫林浩特市MS5.2地震，2003年8月16日內(nèi)蒙古—遼寧交界附近巴林左旗、阿魯科爾沁旗地區(qū)MS5.9地震，2013年1月23日遼陽市燈塔市、沈陽市蘇家屯區(qū)交界MS5.1地震，2013年4月22日內(nèi)蒙古—遼寧交界科爾沁地區(qū)MS5.3地震。

2 樣品采集與分析方法

2.1 樣品采集

2017年5月22—29日，由中國地震局地震預(yù)測所、內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局和工作區(qū)地方地震局的同事組成的野外工作隊在內(nèi)蒙古—遼寧交界區(qū)的內(nèi)蒙古境內(nèi)進(jìn)行了樣品的采集工作，所采集水樣來自位于斷裂帶附近的井、泉、河和水庫共計25個(圖1)，包括13個泉水樣，8個井水樣，2個河水樣和2個水庫水樣。NS、RST、LST、KZHQ水樣取自地震觀測井，RS為賓館用溫泉井，是熱泉水，其它均為民用井，詳見表1。本文選取河水樣品，是為了對比當(dāng)?shù)卮髿饨邓c地下水的同位素組成特征，探討地下水的來源。采樣區(qū)域劃分為3個區(qū)域，其中，I區(qū)采集8個水樣，II區(qū)采集2個水樣，Ⅲ區(qū)采集15個水樣(表1)。取樣容器為250 mL的全新聚四氟乙烯瓶，取樣時先將干凈的瓶子用待采取樣點水沖洗2～3次，再注滿樣品瓶，將瓶內(nèi)的空氣排凈，避免空氣對水樣的影響。大多數(shù)樣品采集自低溫泉、井、河、水庫，只有寧城縣大城子地震臺LST和BYNE為低溫?zé)崴耸部蓑v旗RST溫泉為中溫?zé)崴?，寧城RS溫泉為高溫?zé)崴?/p>

2.2 分析方法

3 結(jié)果與討論

根據(jù)水化學(xué)分析結(jié)果，本文利用氫氧同位素組成討論地下水來源和匯水源區(qū)的高程，利用離子組成確定水化學(xué)類型，進(jìn)而探討不同類型地下水形成的地球化學(xué)機(jī)理及其與地震活動的關(guān)系。

3.1 地下水的來源

3.1.1 氫氧同位素組成特征

由于大氣降水、地表水和地下水聯(lián)系密切，將地表水和地下水的同位素組成與當(dāng)?shù)卮髿饨邓€進(jìn)行對比研究就顯得尤為重要。不僅可以利用水體中氫氧同位素組成特征來探討地下水來源、形成等問題，還可以判定地下水的補(bǔ)給來源、補(bǔ)給區(qū)的位置高度、流域水文循環(huán)及地表水與地下水相互轉(zhuǎn)化關(guān)系(李學(xué)禮等，2010)。

全球大氣降水(GMW)的氫氧同位素組成呈線性變化(Rozanskietal，1993)：δD=8.17δ18O+10.35。由于研究區(qū)沒有可用的降水同位素觀測數(shù)據(jù)，所以本文采用中國東北地區(qū)大氣降水線(李小飛等，2012)：δD=7.20δ18O-2.39代表研究區(qū)大氣降水(LMW)的氫氧同位素組成。所有樣品的氫氧同位素點分布在GMWL和KMWL附近，表明水的同位素組成受水-巖同位素交換反應(yīng)和深部流體的影響較小(圖2)。絕大部分樣品都在GMWL和LMWL交點(-13.13，-96.95)上方，研究區(qū)水樣擬合線為δD=6.4δ18O-10.1(R2=0.917，n=25)，其斜率明顯小于GMWL和LMWL，這歸因于水氣運移中水滴蒸發(fā)引起了同位素分餾，與干旱、半干旱大陸性季風(fēng)氣候，空氣干燥，蒸發(fā)作用強(qiáng)的地理和氣候特征環(huán)境的大氣降水的研究結(jié)果一致(郭少峰等，2015)。

25個水樣點多為地下水天然出露裂隙水，Ⅰ區(qū)水樣的氫氧同位素組成比Ⅲ區(qū)水樣的同位素組成偏輕，反映了從北部高原區(qū)到西遼河平原區(qū)受降雨過程中的蒸發(fā)作用和地下水補(bǔ)給的變化，同時表明該地區(qū)水循環(huán)深度較淺、循環(huán)速度快，與現(xiàn)代循環(huán)水的關(guān)系密切。MHQ、RST和YCYC水樣的氫氧同位素組成偏輕，可能反映了補(bǔ)給的大氣降水以冬季降雪融化為主。AES水樣采樣區(qū)地表為第四紀(jì)中粗粒砂，四周平坦開闊，泉水中有氣泡上涌，俗稱天然啤酒泉，泉流量小。水和大量CO2氣體進(jìn)行同位素交換，使得δ18O值降低，同時干旱區(qū)蒸發(fā)濃縮作用導(dǎo)致δD值的上升。

研究區(qū)季節(jié)性溫差較大，西部和東部海拔高差約1 000 m，δD和δ18O值空間變化與地勢變化相對應(yīng)。Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)水樣的δD值為-106.7‰～-70.3‰，δ18O值為-15.6‰～-10.8‰，明顯富集輕的氫氧同位素；Ⅲ區(qū)水樣的δD值為-73.6‰～-57.3‰，δ18O值為-10.0‰～-7.5‰，比較富集重的氫氧同位素(圖2)。這反映了大氣降水的緯度效應(yīng)引起的同位素分離作用，隨著緯度升高，年平均氣溫降低，降水的重同位素逐漸貧化。大氣降水穩(wěn)定同位素的組成存在季節(jié)變化和高程分餾效應(yīng)，海拔高度(氣溫)與大氣降水的同位素組成成反比，即高程增加100 m，δ18O值降低0.15‰～0.50‰，δD值降低1.2‰～4‰。氧同位素組成向右偏離LMWL主要是由水-巖同位素交換反應(yīng)引起和深部流體混入造成的。西遼河水系中RS、LST水樣與同水系其它水樣相比較貧重同位素，可歸因于匯水域地勢高引起的同位素分離。

圖2 內(nèi)蒙古—遼寧交界地區(qū)地下水的氫氧同位素組成(據(jù)崔月菊等，2022)

3.1.2 補(bǔ)給區(qū)高程

利用當(dāng)?shù)卮髿饨邓凰馗叱绦?yīng)，可估算地下水補(bǔ)給區(qū)的高程。柳春暉(2006)統(tǒng)計回歸得出了大氣降水的δ18O值與海拔高程關(guān)系式為：

(1)

式中：H為同位素滲入高度；δS為水樣點的δ18O值；δP為大氣降水的δ18O值；h為水樣點高程；k為同位素高度梯度。若k取值-0.58‰/100 m(柳春暉，2006)，δP取值為-6.63‰(GNIP)，利用測得的δ18O值就可以計算得到采樣點地下水補(bǔ)給區(qū)的高程(表2)。采樣點的高程和補(bǔ)給區(qū)的高程差內(nèi)陸水系約為10 m，西遼河水系約為5 m，與實際地形相符。因此，內(nèi)陸水系水樣可能受阿巴嘎玄武巖臺地和大興安嶺隆起平均海拔約為1 155 m、1 250 m山區(qū)和丘陵區(qū)的大氣降水補(bǔ)給影響(王瑞久，1985；馬致遠(yuǎn)等，2008)。西遼河水系山區(qū)為地下水補(bǔ)給區(qū)，河谷洼地、西遼河平原為地下水補(bǔ)給徑流區(qū)。

表2 內(nèi)蒙古—遼寧交界地區(qū)地下水采樣點補(bǔ)給高程Tab.2 Calculated elevation of the groundwater rechargeareas of the sampling points in the border area betweenInner Mongolia and Liaoning

3.2 水化學(xué)類型及成因

3.2.1 水化學(xué)類型

根據(jù)舒卡列夫分類方法，研究區(qū)25個水樣可分為12種水化學(xué)類型(表1)。I區(qū)地形復(fù)雜，有7種水化學(xué)類型，分別為Ca·Na-HCO3、Na·Mg-HCO3、Na-HCO3、Ca-HCO3、Ca-HCO3·SO4、Na·Ca·Mg-HCO3及Na-HCO3·Cl型；II區(qū)LST和RS水樣分別為Na-SO4·HCO3、Na-SO4型；III區(qū)水化學(xué)類型種類相對簡單，有7種水化學(xué)類型，分別為Ca-HCO3、Ca-HCO3·SO4、Ca·Mg-HCO3、Ca·Na-SO4·HCO3、Ca·Na-HCO3·SO4、Ca·Na-HCO3和Na-HCO3·SO4型。

3.2.2 離子來源

圖3 Cl--Na+離子濃度圖解(據(jù)崔月菊等，2022)

II區(qū)山區(qū)基巖裂隙發(fā)育，入滲條件好，易接受大氣降水補(bǔ)給，在山間盆地、河谷洼地中多分布有厚度不等的第四系松散砂礫石層，河谷中富含孔隙潛水。LST、RS水樣均為觀測井水樣，采樣點位于陰山山脈嫩江—八里罕斷裂南段，赤峰—開原斷裂附近，高程分別為593 m、683 m，pH值為8.42、8.45，水溫為21.9℃、89.3℃，TDS偏高，分別為627.78 mg/L、894.31 mg/L，隨著礦化度的增加，Na+含量也增加。LST水樣來自大城子地震臺觀測井，冬天不結(jié)冰，全年出水。RS水樣采自熱水鎮(zhèn)一家賓館使用的溫泉井水，山溝走向NW325°。兩口井周邊地質(zhì)背景均為中侏羅統(tǒng)-下白堊統(tǒng)花崗巖、混合巖沖積物，且井西側(cè)附近為風(fēng)化的花崗巖山包。兩個水樣水化學(xué)類型分別為Na-SO4、Na-SO4·HCO3型，是由花崗巖或片麻巖區(qū)循環(huán)經(jīng)歷了長期水巖相互作用(張煒斌，2013)，以及深部熱流體混入形成的特殊水類型。

3.2.3 水化學(xué)特征與地震活動

4 結(jié)論

本文對內(nèi)蒙古—遼寧交界地區(qū)泉、井、河、水庫的25個水樣的成因及水文地球化學(xué)特征進(jìn)行分析，研究地下水的物質(zhì)來源，并討論了其與地震活動的關(guān)系，主要得出以下結(jié)論：

(1)內(nèi)蒙古—遼寧交界地區(qū)地貌特征變化大，25個水樣可歸為12種水化學(xué)類型，地下冷水或地表水水化學(xué)類型相對復(fù)雜，地下熱水水化學(xué)類型與硫酸鹽有關(guān)。

(2)氫氧同位素組成表明研究區(qū)地下水主要來源于大氣降水，并具有明顯的高程(溫度)分餾效應(yīng)。研究區(qū)中內(nèi)陸水系地下水主要來源為周圍1 100～1 400 m高山的大氣降水，而西遼河水系地下水主要來源為周圍600 m左右高山的大氣降水。

(3)低溫水樣屬于低礦化度的重碳酸型，水-巖反應(yīng)程度弱，離子主要來源于巖石溶解和海鹽。低溫?zé)崴?、中溫?zé)崴案邷責(zé)崴腡DS較高，水化學(xué)類型為硫酸型和重碳酸型，離子來源于巖石溶解和深部流體；富Cl-、Na+的地下水深部流體貢獻(xiàn)較明顯(如RST水樣)，而海鹽源的貢獻(xiàn)相對非常小。

(5)在地震活動性較強(qiáng)的地段，地下水化學(xué)成分受深部流體的影響較大。

內(nèi)蒙古巴彥淖爾市地震局李繼成、通遼市地震局李洪偉、赤峰市地震局梁耀先、錫林浩特市地震局陳素英和孟猛以及有關(guān)旗地震局領(lǐng)導(dǎo)和同事，遼寧省地震局王海燕等在野外考察采樣期間給予大力幫助，實驗人員及時分析樣品，在此表示衷心感謝。