趙德楊，周曉成，何 苗，天 嬌，李靜超，董金元，顏玉聰，歐陽(yáng)澍培，劉峰立，姚炳宇，王昱文，曾召君，陳曲菲，張曉明，楊 耀，羅志鑫

(1.四川省地震局，四川 成都 610041；2.中國(guó)地震局預(yù)測(cè)研究所 高壓物理與地震科技聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京 100036；3.新疆維吾爾自治區(qū)消防救援總隊(duì) 烏魯木齊市消防救援支隊(duì)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)大隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830009)

0 引言

斷裂帶的裂隙為地殼中流體的物質(zhì)運(yùn)移和能量交換提供了有利的通道和場(chǎng)所，同時(shí)流體在與巖石的作用下其物理和化學(xué)性質(zhì)的變化會(huì)引起斷裂帶斷層的活動(dòng)、性質(zhì)的改變(Kimuraetal，2012；Lietal，2021)。溫泉作為地下流體的一種，大多沿?cái)嗔褞д共汲雎?，攜帶大量來(lái)自地殼深部的地球化學(xué)信息(Tianetal，2018；Zhangetal，2021a；杜建國(guó)，2022)。因此，在斷裂帶上開(kāi)展溫泉的水文地球化學(xué)特征監(jiān)測(cè)與分析，能夠捕獲地殼深部更多的信息(Zhangetal，2017)，如離子成分變化與地震活動(dòng)的關(guān)系。

近年來(lái)，為了解地震活動(dòng)與溫泉水文地球化學(xué)特征之間的關(guān)系，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了一系列的研究(Martinellietal，1995；Favaraetal，2001；Duetal，2005；Zhouetal，2015；Zhangetal，2021b)。如Zhou等(2016)研究了2018年汶川8.0級(jí)地震斷裂帶土壤氣體的時(shí)空變化特征，發(fā)現(xiàn)He、H2、CO2、Rn和Hg的異?？赡芘c區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的變化和余震活動(dòng)有關(guān)；Quattrocchi等(2000)分析了意大利Bagni di Triponzo溫泉化學(xué)特征與1997—1998年地震活動(dòng)之間的關(guān)系；汪萬(wàn)紅等(2008)統(tǒng)計(jì)分析了1900—1997年的地震頻度與秦嶺北緣斷裂帶溫泉水深循環(huán)深度之間的關(guān)系，認(rèn)為各段地震活動(dòng)性的差異與溫泉水循環(huán)深度的差異有關(guān)；劉雷等(2012)對(duì)2010年玉樹(shù)7.1級(jí)地震發(fā)震斷層進(jìn)行了流體地球化學(xué)連續(xù)觀測(cè)，認(rèn)為斷層流體對(duì)地震斷層活動(dòng)性有較好地反映；Zeng等(2015)分析了2014年魯?shù)?.5級(jí)地震前水位、水溫及氡值異常變化。以上研究表明，斷裂帶溫泉水文地球化學(xué)特征研究，不僅可以了解區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力變化和斷層活動(dòng)性，還可以為地震研判提供一定的支撐。

大涼山斷裂帶是一條強(qiáng)震構(gòu)造帶(何宏林等，2008)，其活動(dòng)性在不斷增強(qiáng)(馮嘉輝等，2021)，未來(lái)有發(fā)生6～7級(jí)地震的可能性(Sunetal，2019；李姜一等，2020)。但目前關(guān)于該區(qū)的溫泉水文地球化學(xué)研究較少，如文龍等(2018)開(kāi)展大涼山斷裂帶中段氡氣測(cè)量，結(jié)合區(qū)內(nèi)的地震資料，并根據(jù)斷層氡氣異常平均值指出未來(lái)具有發(fā)生大于5.0級(jí)中強(qiáng)震的可能；盧麗等(2021a)對(duì)昭覺(jué)竹核溫泉進(jìn)行水文地球化學(xué)分析，認(rèn)為其地球化學(xué)特征受竹核斷裂控制，但以上研究并未開(kāi)展流體和斷裂耦合關(guān)系的討論。因此本文對(duì)大涼山斷裂帶10個(gè)溫泉的水文地球化學(xué)特征進(jìn)行分析，確定溫泉水的補(bǔ)給來(lái)源和高程，計(jì)算溫泉的熱儲(chǔ)溫度和循環(huán)深度，建立該區(qū)的溫泉水循環(huán)模型，進(jìn)而探討該區(qū)溫泉水文地球化學(xué)變化與地震活動(dòng)的關(guān)系，為該地區(qū)震情跟蹤、斷層活動(dòng)性、異常落實(shí)和地震研判提供可靠的背景數(shù)據(jù)支持。

1 地質(zhì)概況

大涼山斷裂帶位于青藏高原東南緣的川滇菱形塊體的東邊界，受印度板塊與歐亞板塊強(qiáng)烈的碰撞作用(吳中海等，2016；鄭文俊等，2019)，斷裂帶以NNW向的左旋走滑兼逆沖運(yùn)動(dòng)為主要特征(何宏林等，2008)。該斷裂帶是一條新生構(gòu)造帶，相較安寧河—?jiǎng)t木河斷裂帶，其幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜、斷裂帶短、連續(xù)性低、貫通性低。該斷裂帶北起四川石棉縣，向南經(jīng)越西縣、普雄縣、昭覺(jué)縣、布拖縣至云南巧家匯入小江斷裂帶，全長(zhǎng)約280 km，走向330°～360°，滑動(dòng)速率為3～4 mm/a(胡亞軒等，2020)，整體上為一條由7條次級(jí)斷層構(gòu)成的寬約15 km的構(gòu)造帶(高偉等，2016)如圖1所示。

F1：竹馬斷裂；F2：公益海斷裂；F3：越西斷裂；F4：普雄斷裂；

本文采樣點(diǎn)分布在大涼山地區(qū)，其位置及名稱分別見(jiàn)圖1、表1，該地區(qū)氣候主要有中亞熱氣候區(qū)和西昌巴塘亞熱氣候區(qū)等，年平均氣溫依次約為11.4 ℃～18.5 ℃，年平均降雨量為880～1 113 mm，主要河流有尼日河、甘洛河、普雄河和越西河等。研究區(qū)內(nèi)地層發(fā)育較全(表1)，包括了前寒武系至新生界所有地層，主要出露為古生代—中生代碳酸鹽巖，晚二疊世玄武巖沿南北向斷裂廣泛分布(趙高平，2016)。根據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心統(tǒng)計(jì)，在活動(dòng)性增強(qiáng)的大涼山斷裂帶上，1990—2021年共發(fā)生了4次ML5.0～6.0地震，14次ML4.0～5.0地震。宋方敏(2002)通過(guò)探槽共揭露出 4 次全新世以來(lái)的7 級(jí)以上古地震事件。

表1 大涼山斷裂帶溫泉點(diǎn)位置

2 采集與樣品分析方法

筆者于2010—2021年對(duì)大涼山斷裂帶10個(gè)溫泉點(diǎn)進(jìn)行采樣，共采集到15個(gè)溫泉水樣。采樣容器選用250 mL聚乙烯塑料瓶，取樣前用溫泉水沖洗避免水樣被污染，取樣時(shí)放入泉水中排盡空氣，取樣完成后用防水膠帶進(jìn)行再次密封。

3 溫泉分析結(jié)果

4 討論

4.1 溫泉水來(lái)源

Craig(1961)總結(jié)全球各個(gè)地區(qū)的大氣降水中的δD、δ18O值的變化關(guān)系，并提出全球大氣降水線方程(GMLW)：δD=8δ18O+10。Pang等(2017)給出了13條δD、δ18O關(guān)系線，詳細(xì)說(shuō)明了穩(wěn)定同位素在經(jīng)歷不同過(guò)程時(shí)的分餾和變化特征。由于δD和δ18O的分餾過(guò)程受溫度、緯度、高度、大陸、季節(jié)等影響，各區(qū)域的大氣降水方程差異較大(高宗軍等，2017)。本文研究區(qū)處于西南山區(qū)，所以選用中國(guó)大氣降水線方程和西南地區(qū)大氣降水線方程，分別為δD=7.74δ18O+6.48和δD=7.54δ18O+4.84(劉進(jìn)達(dá)等，1997)，繪制大涼山斷裂帶地區(qū)溫泉δD-δ18O關(guān)系圖。從圖2中可以看出，研究區(qū)溫泉采樣點(diǎn)均落在中國(guó)大氣降水線和西南地區(qū)大氣降水線附近，表明溫泉水來(lái)源為大氣降水。

圖2 大涼山斷裂帶溫泉δD-δ18O關(guān)系圖

在地形起伏較大的地區(qū)，大氣降水中的δD和δ18O含量會(huì)隨高度的增加而下降，因此利用同位素的高程效應(yīng)可以估算溫泉水的補(bǔ)給高程(Pangetal，2017)。于津生(1997)總結(jié)了我國(guó)西部地區(qū)的δD值與高程H的關(guān)系為δD=-0.026H-30.2；周訓(xùn)(2010)得出中國(guó)地區(qū)δD值與高程H的關(guān)系為δD=-0.03H-27。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3，從表中可以看出大涼山斷裂帶補(bǔ)給高程大致為2.1～2.5 km。

表3 大涼山斷裂帶溫泉補(bǔ)給高程

4.2 溫泉水中元素來(lái)源

圖3 溫泉水樣 Piper三線圖

(1)

(2)

(3)

(Ca，Na)Al2Si3O8(倍長(zhǎng)石)+9H+→2Al3++Ca2++Na++3H4SiO4

(4)

CaAlSi2O8(鈣長(zhǎng)石)+8H+→2Al3++Ca2++2H4SiO4

(5)

(6)

(7)

(8)

4.3 溫泉水在斷裂內(nèi)部循環(huán)水巖反應(yīng)程度

地?zé)釡貥?biāo)通常用來(lái)估算儲(chǔ)層的熱儲(chǔ)溫度。經(jīng)典地?zé)釡貥?biāo)通常指SiO2地?zé)釡貥?biāo)和化學(xué)離子型溫標(biāo)(Fournier，1977；Fournier,Truesdell，1974；Giggenbach，1988)。研究區(qū)溫泉溫度均低于當(dāng)?shù)胤悬c(diǎn)，所以本文采用陽(yáng)離子溫標(biāo)和無(wú)蒸汽損失的玉髓(Chalcedony)、SiO2溫標(biāo)計(jì)算研究區(qū)的熱儲(chǔ)溫度(表5)。從表4可以發(fā)現(xiàn)，Na-K溫標(biāo)計(jì)算的熱儲(chǔ)溫度最高，為210.79 ℃～432.71 ℃，其它溫標(biāo)的結(jié)果較為接近，為21.99 ℃～93.85 ℃；其中AG、PX、CF和LTS通過(guò)Na-K-Ca溫標(biāo)和玉髓溫標(biāo)計(jì)算的溫度低于泉口的溫度，使用Na-K-Ca溫標(biāo)計(jì)算的BG熱儲(chǔ)溫度低于泉口的溫度。因此，K-Mg溫標(biāo)和Quartz溫標(biāo)可能更適合該研究區(qū)的熱儲(chǔ)溫度評(píng)估。

表4 大涼山斷裂帶溫泉的熱儲(chǔ)溫度

Na-K-Mg 三角圖解通常用來(lái)判斷熱水的水-巖平衡狀態(tài)、區(qū)分水樣類型、確定平衡溫度等(Giggenbach，1988)。將研究區(qū)Na+、K+、Mg2+濃度投到Na-K-Mg三角圖上(圖4)，可以看出全部15個(gè)水樣均落在Mg1/2一側(cè)，屬于未成熟水，反映了水巖反應(yīng)的平衡溫度偏低，說(shuō)明該區(qū)的地下熱水在上升的過(guò)程中可能接受大氣降水補(bǔ)給或低溫冷水的不同程度混入(胡波，2017)。因此在未達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，采用陽(yáng)離子溫標(biāo)計(jì)算熱儲(chǔ)溫度可能無(wú)法得到正確的結(jié)果(李修成等，2016)。溫度低于300 ℃時(shí)，SiO2相對(duì)于其它礦物穩(wěn)定性高，能很好地指示地下未成熟水的熱儲(chǔ)溫度(龐忠和等，1990)，因此SiO2溫標(biāo)計(jì)算的熱儲(chǔ)溫度(范圍為71.48 ℃～93.85℃)可能更符合實(shí)際。

圖4 溫泉水樣 Na-K-Mg 三角圖

雖然SiO2溫標(biāo)適用于范圍為0～250 ℃的溫泉點(diǎn)，然而原始熱水中Si溶解度會(huì)隨溫度降低而降低，導(dǎo)致硅礦物沉淀或形成硅化。從圖5可知，水樣都未達(dá)到平衡狀態(tài)，所以在冷熱水混合后上升過(guò)程中可能會(huì)有部分SiO2從地?zé)崴形龀龆档推浜浚率估肧iO2溫標(biāo)計(jì)算的溫度較冷、熱水混合時(shí)的溫度偏低。因此，本文采用硅-焓模型圖解法(Fournier，Tnresdell，1974)對(duì)深部熱水及淺部冷水的混合進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過(guò)消除冷水混入的影響計(jì)算冷水混入比例和深部熱儲(chǔ)溫度。

對(duì)于地?zé)崴疅o(wú)蒸汽和熱量損失時(shí)，使用硅-焓模型求解熱儲(chǔ)溫度和冷熱水混合比例，如圖5所示：①將研究區(qū)內(nèi)地下冷水溫度和SiO2含量投到硅-焓圖中(D點(diǎn))，D點(diǎn)的值選取昭覺(jué)地區(qū)冷水樣品值(表5)；②將各個(gè)地?zé)崴畼悠返臏囟群?SiO2含量投到硅焓圖中；③過(guò)D點(diǎn)和各溫泉點(diǎn)作直線與石英溶解度曲線分別相交于A、B、C、E、G點(diǎn)，則這些點(diǎn)對(duì)應(yīng)值即是地?zé)崴臒犰屎蚐iO2含量；④地?zé)崴谢旌锨暗臒崴壤蓤D6中D點(diǎn)與采樣點(diǎn)距離與DA線段(DB、DC、DE、DG線段)距離比值確定；⑤若考慮最大蒸汽損失時(shí)，D點(diǎn)與采樣點(diǎn)(只有LYB)的延長(zhǎng)線交100 ℃垂線點(diǎn)，再由此點(diǎn)作焓值坐標(biāo)軸的平行線交最大蒸汽損失線于F點(diǎn)(熱水端元的沸騰開(kāi)始時(shí)的焓值)。過(guò)F點(diǎn)作焓值坐標(biāo)軸的垂線與石英溶解度曲線交于H點(diǎn)，H點(diǎn)的橫坐標(biāo)即為其焓值。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6，研究區(qū)熱儲(chǔ)溫度為105.9 ℃～203 ℃，冷水混入比例為63.26%～86.39%；其中ZJ01點(diǎn)熱儲(chǔ)溫度為150.64 ℃，與盧麗等(2021b)的研究結(jié)果接近。

圖5 地?zé)崴?焓圖解

大氣降水下滲到深處的過(guò)程中，由于溫度梯度隨深度增加，當(dāng)熱水溫度增高到熱儲(chǔ)溫度的深度時(shí)，此深度稱為地下熱水的循環(huán)深度(潘明等，2015)，其計(jì)算公式為：

H=100×(t-t0)/q+h

(10)

式中：H為地?zé)崴h(huán)深度；q為地溫梯度；t為熱水熱儲(chǔ)溫度；t0為當(dāng)?shù)仄骄鶜鉁?；h為常溫帶深度。

根據(jù)前人研究結(jié)果，本文研究區(qū)的地溫梯度取4.75 ℃/100 m(姜光政等，2016；李錄娟，2011)，常溫帶深度取20 m，各溫泉點(diǎn)的熱儲(chǔ)溫度和循環(huán)深度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 硅-焓模型下溫泉水樣的熱儲(chǔ)溫度和循環(huán)深度

4.4 與地震活動(dòng)性的關(guān)系

為進(jìn)一步了解斷裂帶、水文地球化學(xué)和地震活動(dòng)性之間的關(guān)系，本文選取2008年至2022年3月研究區(qū)ML≥1.5地震，將大涼山斷裂帶地下水樣采集點(diǎn)與地震空間分布繪制于圖6a，水溫、TDS和循環(huán)深度繪制于圖6b。從圖6b中可以看出，除了斷裂帶北端MH溫泉水溫較低外，其它9個(gè)溫泉水溫均分布在40～50 ℃。GT、CF和LTS溫泉TDS相對(duì)較高，而循環(huán)深度較深的溫泉點(diǎn)是LYB、ZJ和GT，這在一定程度上說(shuō)明TDS不僅和循環(huán)深度有關(guān)，還和地下水的循環(huán)速度、圍巖性質(zhì)、熱水溫度等因素有關(guān)(張煒斌，2013)。

從圖6a可以看出，研究區(qū)內(nèi)多以ML≤3.0地震為主，且地震的活動(dòng)性分布具有叢集特征，即溫泉LYB、PX、ZJ、CF、GT溫泉附近中小地震活躍，特別是在循環(huán)深度較深的LYB、ZJ、GT附近(圖中藍(lán)色虛線圈內(nèi))。大涼山斷裂伸展至基底深部，控制了斷裂東側(cè)中生代晚期以來(lái)的長(zhǎng)期隆升區(qū)和西側(cè)西昌中新生代盆地的東界，主導(dǎo)了本區(qū)強(qiáng)烈的地震活動(dòng)(Wangetal，2008b；周榮軍等，2003)；地震活動(dòng)使得斷裂帶巖石破碎程度變高，斷層的滑動(dòng)更明顯，斷裂的開(kāi)啟閉合頻繁(李姜一等，2020)。因此該區(qū)地下水存在良好的循環(huán)、運(yùn)移通道，同時(shí)在循環(huán)和運(yùn)移過(guò)程中與圍巖發(fā)生水-巖反應(yīng)，與深部熱水進(jìn)行交換，形成循環(huán)深度相對(duì)較高的中低溫溫泉。已有研究表明，一方面深部活動(dòng)斷層系統(tǒng)中流體孔隙壓力較大，驅(qū)使流體流動(dòng)，降低斷裂面的有效正壓力，從而起到弱化斷層強(qiáng)度和控制地震活動(dòng)的作用(Sibsonetal，1988；Snelletal，2020)，另一方面斷裂帶深部熱儲(chǔ)溫度較高，水-巖反應(yīng)將導(dǎo)致礦物蝕變、分解出摩擦系數(shù)低的黏土礦物，改變斷層的壓力與活動(dòng)(段慶寶等，2015；Dorseyetal，2021)。因此深循環(huán)的地下水對(duì)斷層圍巖起到一定程度弱化的作用。溫泉LYB、ZJ和GT循環(huán)深度較深，表明地下水作用深度越深，斷層受到的弱化作用明顯，斷裂的強(qiáng)度越小。因此在這3個(gè)區(qū)域應(yīng)力不會(huì)長(zhǎng)期積累，斷裂在較小的構(gòu)造應(yīng)力下就會(huì)錯(cuò)動(dòng)，剪切力易于釋放，所以其地震活動(dòng)性常常表現(xiàn)為中小地震頻發(fā)。綜上所述，斷裂帶的裂隙為流體運(yùn)移聚集提供通道和場(chǎng)所，流體與巖石發(fā)生物理化學(xué)效應(yīng)改變斷層的狀態(tài)，進(jìn)而影響區(qū)域地震活動(dòng)性，并呈現(xiàn)出循環(huán)越深，地震活動(dòng)性越強(qiáng)的特征。

圖6 大涼山斷裂帶溫泉水樣采集點(diǎn)與ML≥1.5地震空間分布圖(a)和水溫、TDS、循環(huán)深度關(guān)系圖(b)

4.5 活動(dòng)斷裂帶內(nèi)流體循環(huán)模型

大涼山斷裂帶是一條切入地幔的深大斷裂，斷裂帶內(nèi)裂隙發(fā)育，為地下水的入滲與深部地?zé)崃黧w的上涌提供了良好的場(chǎng)所和通道。四川地區(qū)隆起山地地?zé)崃严端臒嵩礊閹r漿熱、放射性物質(zhì)衰變熱和斷層的摩擦熱(羅敏等，2016)。盧麗等(2021)認(rèn)為昭覺(jué)地區(qū)巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，其溫泉熱源為二疊系峨眉山玄武巖。因此，大涼山斷裂帶源自地幔柱的峨眉山玄武巖可為該區(qū)提供主要熱源。深部地球物理研究表明，大涼山地塊中、下地殼近SN向分布的連續(xù)低速層被認(rèn)為是深部的液相熱物質(zhì)(Dahuetal，2018；Duetal，2019)。

結(jié)合本文的研究成果建立研究區(qū)的溫泉水文地球化學(xué)運(yùn)移模型(圖7)。溫泉的補(bǔ)給區(qū)來(lái)自大涼山斷裂帶附近海拔2.1～2.5 km的高山帶，以大氣降水的形式在河流階地和山區(qū)等地匯聚以補(bǔ)給地下水；然后地下水沿?cái)嗔褞У牧严逗推扑閹аh(huán)至深部，在深度約為1.9～3.9 km處被來(lái)自深部的熱源加熱至105.9 ℃～203 ℃，同時(shí)與玄武巖等深部的巖石發(fā)生水-巖反應(yīng)，生成攜帶含有深部信息(常量元素、微量元素和氣體等)的熱水；熱水在水頭壓力差的作用下，沿著斷裂帶的導(dǎo)水通道向上循環(huán)，在上升過(guò)程中與淺層的冷水發(fā)生不同程度的混合，最后在地形較低的山谷或者河谷處出露地表。地震孕育等構(gòu)造作用會(huì)改變斷裂帶的應(yīng)力狀態(tài)，打破原有的流體-斷層的平衡關(guān)系(段慶寶等，2015)，導(dǎo)致流體壓力、運(yùn)移路徑和水-巖反應(yīng)程度等改變(Fairley，2009；Lietal，2017)，進(jìn)而改變溫泉的水文地球化學(xué)特征。

圖7 大涼山斷裂帶溫泉水文地球化學(xué)運(yùn)移示意圖

5 結(jié)論

本文對(duì)大涼山斷裂帶(川滇菱形塊體東邊界)10個(gè)溫泉開(kāi)展了離子組分、同位素分析和熱儲(chǔ)溫度計(jì)算，并討論溫泉循環(huán)深度和地震活動(dòng)性之間的關(guān)系，得到以下結(jié)論：

(1)大涼山斷裂帶溫泉水主要來(lái)源于大氣降水，補(bǔ)給高程為2.1～2.5 km。溫泉水化類型主要有6種：HCO3-Ca·Mg、SO4·HCO3-Ca·Mg、HCO3-Ca、HCO3-Na·Ca、HCO3-Na和SO4·HCO3-Ca型，主要源自碳酸鹽礦物和硅酸鹽礦物的水-巖反應(yīng)作用。

(2)溫泉水均為未成熟水，說(shuō)明該區(qū)的地下熱水在上升的過(guò)程中可能接受大氣降水補(bǔ)給或低溫冷水的不同程度混入。硅-焓模型圖解該區(qū)的熱儲(chǔ)溫度為105.9 ℃～203 ℃，冷水混入比例約為68%～86%，其循環(huán)深度為1.9～3.9 km。

(3)溫泉水文地球化學(xué)特征和地震空間分布均受到地質(zhì)構(gòu)造條件的制約，且研究區(qū)溫泉具有循環(huán)越深、地震活動(dòng)性越強(qiáng)的特征。

(4)研究區(qū)溫泉水文地球化學(xué)運(yùn)移模型表明，地下水沿?cái)嗔训牧严逗推扑閹霛B，在深部被加溫，同時(shí)發(fā)生水-巖反應(yīng)，形成高溫?zé)醿?chǔ)水；高溫水在水頭壓力差作用下上升循環(huán)，上升過(guò)程混入淺層冷水，在地形較低的山谷或者河谷處出露地表。