趙德楊，周曉成，何 苗，天 嬌，李靜超，董金元，顏玉聰，歐陽澍培，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.中國地震局預(yù)測研究所 高壓物理與地震科技聯(lián)合實驗室，北京 100036；3.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(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)大隊，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)運移和能量交換提供了有利的通道和場所，同時流體在與巖石的作用下其物理和化學(xué)性質(zhì)的變化會引起斷裂帶斷層的活動、性質(zhì)的改變(Kimuraetal，2012；Lietal，2021)。溫泉作為地下流體的一種，大多沿斷裂帶展布出露，攜帶大量來自地殼深部的地球化學(xué)信息(Tianetal，2018；Zhangetal，2021a；杜建國，2022)。因此，在斷裂帶上開展溫泉的水文地球化學(xué)特征監(jiān)測與分析，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的關(guān)系。

近年來，為了解地震活動與溫泉水文地球化學(xué)特征之間的關(guān)系，國內(nèi)外學(xué)者開展了一系列的研究(Martinellietal，1995；Favaraetal，2001；Duetal，2005；Zhouetal，2015；Zhangetal，2021b)。如Zhou等(2016)研究了2018年汶川8.0級地震斷裂帶土壤氣體的時空變化特征，發(fā)現(xiàn)He、H2、CO2、Rn和Hg的異常可能與區(qū)域應(yīng)力場的變化和余震活動有關(guān)；Quattrocchi等(2000)分析了意大利Bagni di Triponzo溫泉化學(xué)特征與1997—1998年地震活動之間的關(guān)系；汪萬紅等(2008)統(tǒng)計分析了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)為各段地震活動性的差異與溫泉水循環(huán)深度的差異有關(guān)；劉雷等(2012)對2010年玉樹7.1級地震發(fā)震斷層進(jìn)行了流體地球化學(xué)連續(xù)觀測，認(rèn)為斷層流體對地震斷層活動性有較好地反映；Zeng等(2015)分析了2014年魯?shù)?.5級地震前水位、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)，其活動性在不斷增強(qiáng)(馮嘉輝等，2021)，未來有發(fā)生6～7級地震的可能性(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)開展大涼山斷裂帶中段氡氣測量，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具有發(fā)生大于5.0級中強(qiáng)震的可能；盧麗等(2021a)對昭覺竹核溫泉進(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，但以上研究并未開展流體和斷裂耦合關(guān)系的討論。因此本文對大涼山斷裂帶10個溫泉的水文地球化學(xué)特征進(jìn)行分析，確定溫泉水的補給來源和高程，計算溫泉的熱儲溫度和循環(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)變化與地震活動的關(guān)系，為該地區(qū)震情跟蹤、斷層活動性、異常落實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動為主要特征(何宏林等，2008)。該斷裂帶是一條新生構(gòu)造帶，相較安寧河—則木河斷裂帶，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、昭覺縣、布拖縣至云南巧家匯入小江斷裂帶，全長約280 km，走向330°～360°，滑動速率為3～4 mm/a(胡亞軒等，2020)，整體上為一條由7條次級斷層構(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；

本文采樣點分布在大涼山地區(qū)，其位置及名稱分別見圖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)中國地震臺網(wǎng)中心統(tǒng)計，在活動性增強(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)通過探槽共揭露出 4 次全新世以來的7 級以上古地震事件。

表1 大涼山斷裂帶溫泉點位置

2 采集與樣品分析方法

筆者于2010—2021年對大涼山斷裂帶10個溫泉點進(jìn)行采樣，共采集到15個溫泉水樣。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 溫泉水來源

Craig(1961)總結(jié)全球各個地區(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)說明了穩(wěn)定同位素在經(jīng)歷不同過程時的分餾和變化特征。由于δD和δ18O的分餾過程受溫度、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)溫泉采樣點均落在中國大氣降水線和西南地區(qū)大氣降水線附近，表明溫泉水來源為大氣降水。

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給高程(Pangetal，2017)。于津生(1997)總結(jié)了我國西部地區(qū)的δD值與高程H的關(guān)系為δD=-0.026H-30.2；周訓(xùn)(2010)得出中國地區(qū)δD值與高程H的關(guān)系為δD=-0.03H-27。計算結(jié)果見表3，從表中可以看出大涼山斷裂帶補給高程大致為2.1～2.5 km。

表3 大涼山斷裂帶溫泉補給高程

4.2 溫泉水中元素來源

圖3 溫泉水樣 Piper三線圖

(1)

(2)

(3)

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

(4)

CaAlSi2O8(鈣長石)+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)通常用來估算儲層的熱儲溫度。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，所以本文采用陽離子溫標(biāo)和無蒸汽損失的玉髓(Chalcedony)、SiO2溫標(biāo)計算研究區(qū)的熱儲溫度(表5)。從表4可以發(fā)現(xiàn)，Na-K溫標(biāo)計算的熱儲溫度最高，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Na-K-Ca溫標(biāo)和玉髓溫標(biāo)計算的溫度低于泉口的溫度，使用Na-K-Ca溫標(biāo)計算的BG熱儲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)的熱儲溫度評估。

表4 大涼山斷裂帶溫泉的熱儲溫度

Na-K-Mg 三角圖解通常用來判斷熱水的水-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，說明該區(qū)的地下熱水在上升的過程中可能接受大氣降水補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，采用陽離子溫標(biāo)計算熱儲溫度可能無法得到正確的結(jié)果(李修成等，2016)。溫度低于300 ℃時，SiO2相對于其它礦物穩(wěn)定性高，能很好地指示地下未成熟水的熱儲溫度(龐忠和等，1990)，因此SiO2溫標(biāo)計算的熱儲溫度(范圍為71.48 ℃～93.85℃)可能更符合實際。

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，然而原始熱水中Si溶解度會隨溫度降低而降低，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程中可能會有部分SiO2從地?zé)崴形龀龆档推浜?，致使利用SiO2溫標(biāo)計算的溫度較冷、熱水混合時的溫度偏低。因此，本文采用硅-焓模型圖解法(Fournier，Tnresdell，1974)對深部熱水及淺部冷水的混合進(jìn)行評價，通過消除冷水混入的影響計算冷水混入比例和深部熱儲溫度。

對于地?zé)崴疅o蒸汽和熱量損失時，使用硅-焓模型求解熱儲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)，D點的值選取昭覺地區(qū)冷水樣品值(表5)；②將各個地?zé)崴畼悠返臏囟群?SiO2含量投到硅焓圖中；③過D點和各溫泉點作直線與石英溶解度曲線分別相交于A、B、C、E、G點，則這些點對應(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點與采樣點距離與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，D點與采樣點(只有LYB)的延長線交100 ℃垂線點，再由此點作焓值坐標(biāo)軸的平行線交最大蒸汽損失線于F點(熱水端元的沸騰開始時的焓值)。過F點作焓值坐標(biāo)軸的垂線與石英溶解度曲線交于H點，H點的橫坐標(biāo)即為其焓值。計算結(jié)果見表6，研究區(qū)熱儲溫度為105.9 ℃～203 ℃，冷水混入比例為63.26%～86.39%；其中ZJ01點熱儲溫度為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程中，由于溫度梯度隨深度增加，當(dāng)熱水溫度增高到熱儲溫度的深度時，此深度稱為地下熱水的循環(huán)深度(潘明等，2015)，其計算公式為：

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，各溫泉點的熱儲溫度和循環(huán)深度計算結(jié)果見表5。

表5 硅-焓模型下溫泉水樣的熱儲溫度和循環(huán)深度

4.4 與地震活動性的關(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個溫泉水溫均分布在40～50 ℃。GT、CF和LTS溫泉TDS相對較高，而循環(huán)深度較深的溫泉點是LYB、ZJ和GT，這在一定程度上說明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)中生代晚期以來的長期隆升區(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(Wangetal，2008b；周榮軍等，2003)；地震活動使得斷裂帶巖石破碎程度變高，斷層的滑動更明顯，斷裂的開啟閉合頻繁(李姜一等，2020)。因此該區(qū)地下水存在良好的循環(huán)、運移通道，同時在循環(huán)和運移過程中與圍巖發(fā)生水-巖反應(yīng)，與深部熱水進(jìn)行交換，形成循環(huán)深度相對較高的中低溫溫泉。已有研究表明，一方面深部活動斷層系統(tǒng)中流體孔隙壓力較大，驅(qū)使流體流動，降低斷裂面的有效正壓力，從而起到弱化斷層強(qiáng)度和控制地震活動的作用(Sibsonetal，1988；Snelletal，2020)，另一方面斷裂帶深部熱儲溫度較高，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(段慶寶等，2015；Dorseyetal，2021)。因此深循環(huán)的地下水對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個區(qū)域應(yīng)力不會長期積累，斷裂在較小的構(gòu)造應(yīng)力下就會錯動，剪切力易于釋放，所以其地震活動性常常表現(xiàn)為中小地震頻發(fā)。綜上所述，斷裂帶的裂隙為流體運移聚集提供通道和場所，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)域地震活動性，并呈現(xiàn)出循環(huán)越深，地震活動性越強(qiáng)的特征。

圖6 大涼山斷裂帶溫泉水樣采集點與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)為昭覺地區(qū)巖漿活動強(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)運移模型(圖7)。溫泉的補給區(qū)來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)等地匯聚以補給地下水；然后地下水沿斷裂帶的裂隙和破碎帶循環(huán)至深部，在深度約為1.9～3.9 km處被來自深部的熱源加熱至105.9 ℃～203 ℃，同時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)運移示意圖

5 結(jié)論

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

(1)大涼山斷裂帶溫泉水主要來源于大氣降水，補給高程為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，說明該區(qū)的地下熱水在上升的過程中可能接受大氣降水補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、地震活動性越強(qiáng)的特征。

(4)研究區(qū)溫泉水文地球化學(xué)運移模型表明，地下水沿斷裂的裂隙和破碎帶入滲，在深部被加溫，同時發(fā)生水-巖反應(yīng)，形成高溫?zé)醿λ?；高溫水在水頭壓力差作用下上升循環(huán)，上升過程混入淺層冷水，在地形較低的山谷或者河谷處出露地表。