仵柯田 崔月菊 孫鳳霞 杜建國(guó)

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

地下水化學(xué)變化能夠反映區(qū)域性地震、地?zé)岷蜆?gòu)造活動(dòng)。斷層是巖石圈流體流動(dòng)的重要通道，在地震期間起著重要作用(pik et al，2001；Du et al，2008)；而流體壓力的變化通過(guò)降低有效應(yīng)力可能引發(fā)地震(Mittempergher et al，2014)。研究表明，在地震前數(shù)小時(shí)或數(shù)月會(huì)出現(xiàn)流體異常，且與采樣點(diǎn)構(gòu)造位置密切相關(guān)，流體從地球內(nèi)向外溢出可引發(fā)或產(chǎn)生地震(Du et al，2008；Terakawa et al，2010；岳中琦，2013；杜建國(guó)等，2018)。例如，l968年1月中旬伯利茲谷5級(jí)震群前，溫泉水中及Na+濃度急劇下降(Favara et al，2001)；1999年9月21日中國(guó)臺(tái)灣集集地震前，溫泉水中的Cl-濃度成倍增加(Song et al，2005)；2007年云南普洱6.4級(jí)地震前后，溫泉水中F-濃度發(fā)生明顯變化(Du et al，2008)；2015年4月15日阿左旗MS5.8地震前后，呼魯斯太、迪延阿貴廟和八一井對(duì)地震響應(yīng)較為敏感(孫鳳霞等，2016)；汶川MS8.0地震前K+、Na+濃度顯著增高，表明由于構(gòu)造應(yīng)力導(dǎo)致深部水上涌(Chen et al，2014)；1965～1968年日本松代地震群后，水中某些溶解組分隨井深呈線性增長(zhǎng)(Okuyama et al，2016)。

鞍山-海城地區(qū)是地震的多發(fā)地帶，為遼寧地震活動(dòng)重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)，但是缺乏用于地震預(yù)測(cè)的高密度地下水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。因此，本文通過(guò)研究鞍山-海城地區(qū)地下水地球化學(xué)時(shí)空演化特征，分析研究區(qū)水化學(xué)類型及其成因，探討水化學(xué)變化與地震活動(dòng)的關(guān)系，為該地區(qū)震情跟蹤、異常落實(shí)和地震預(yù)測(cè)提供新資料。

1 地震地質(zhì)概況

鞍山地區(qū)大地構(gòu)造屬于陰山-天山EW向構(gòu)造帶的東端，位于華夏、新華夏構(gòu)造體系的遼東半島隆起帶與松遼平原沉降盆地的復(fù)合部位。研究區(qū)位于遼寧省南部，遼東半島北部，該區(qū)的基本構(gòu)造格架是在中生代燕山運(yùn)動(dòng)時(shí)期形成的，地處遼東臺(tái)隆、西連下遼河斷陷盆地，屬于遼東臺(tái)隆與遼河斷陷盆地的過(guò)渡區(qū)。海城地質(zhì)構(gòu)造屬于遼東地塊與下遼河斷陷，東側(cè)上升，西側(cè)階梯狀下降，區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，表現(xiàn)為明顯的間歇性抬升(雷清清等，2008)。岫巖地區(qū)處于中朝準(zhǔn)地臺(tái)東北部膠遼臺(tái)隆的營(yíng)口-寬甸臺(tái)拱上，該臺(tái)拱是一個(gè)長(zhǎng)期隆起區(qū)。海城-岫巖區(qū)域內(nèi)主要有走向NNE-NE、EW和NW-NWW的3組斷裂，EW向斷裂形成最早；NNE-NE斷裂為主要的構(gòu)造，將區(qū)域分割成若干長(zhǎng)條狀斷塊，并控制了現(xiàn)代地形、地貌的形成和發(fā)展；NW-NWW斷裂發(fā)育晚，穿切了原有的構(gòu)造，從而奠定了本區(qū)“NE向成條，NW向成塊”的構(gòu)造格架(鄧起東等，1976)。海城-岫巖地區(qū)均處于海城河斷裂附近。海城-岫巖地區(qū)及鄰區(qū)斷裂構(gòu)造比較發(fā)育，斷裂構(gòu)造規(guī)模較大，如走向NE的海城-營(yíng)口斷裂(蓋縣斷裂)和走向NW的海城河嶺斷裂(大洋河-康家?guī)X斷裂)等。

研究區(qū)廣泛出露太古界和下元古界結(jié)晶基底，臺(tái)拱上幾乎沒(méi)有蓋層，僅在局部地方有中生代構(gòu)造盆地型沉積。區(qū)內(nèi)分布著太古界鞍山群和元古界遼河群，主要為區(qū)域變質(zhì)巖和變質(zhì)雜巖；早元古代為角閃巖相以及高綠片巖相的變質(zhì)巖；古生界寒武紀(jì)、奧陶紀(jì)地層主要是石灰?guī)r；白堊系巖性為火山巖、礫巖；新生界有第三系半固結(jié)地層，主要為砂巖；最上部為第四紀(jì)沖積層。區(qū)內(nèi)大量出露的巖漿巖為四堡期、印支期和燕山期花崗巖、閃長(zhǎng)玢巖(圖1)。

遼寧省境內(nèi)普遍存在深部流體供給，形成較好的地?zé)豳Y源，有31個(gè)地?zé)崽?點(diǎn))已經(jīng)得到不同程度的開(kāi)發(fā)和利用(張戈等，2004)。經(jīng)調(diào)查，1999～2000年共有熱泉點(diǎn)53處，其中水溫40～60℃的熱泉點(diǎn)20處，水溫25～40℃的19處。鞍山市地下熱水資源比較豐富，地下熱水出露11處，有熱水井30口，最高水溫97℃(張偉等，2001)。岫巖縣內(nèi)深部流體供給量較大，地下熱水出露較多，已發(fā)現(xiàn)40～50℃的中溫泉4處，24～38℃左右的低溫泉3處，地下熱水的出露主要與新華夏系斷裂構(gòu)造有關(guān)(王鳳琴等，2018)。

鞍山-海城地區(qū)是地震多發(fā)區(qū)，特別是與海城市接壤的偏嶺地區(qū)，地震較為頻繁。研究區(qū)地震活動(dòng)十分密集，且明顯具有成帶成群分布的特點(diǎn)，前震序列呈現(xiàn)出明顯的密集-平靜特征。例如，1975年2月4日海城曾發(fā)生7.3級(jí)地震；1988年偏嶺出現(xiàn)震群；1999年11月29日，在岫巖偏嶺和海城孤山發(fā)生5.6級(jí)地震，近幾年地震活動(dòng)有增強(qiáng)的趨勢(shì)(王鳳琴等，2018)。

圖 1 研究區(qū)地震地質(zhì)簡(jiǎn)圖

2 樣品采集與分析方法

2014年7～12月在遼寧鞍山-海城地區(qū)采集了6次溫泉、涌泉和井水樣品，每月一次。其中鞍山共有7個(gè)采樣點(diǎn)，包括西鞍山井(XAS)、鞍山金堡紡織井(JBFZ)、湯崗子溫泉(TGZ-R)、大龍嶺(DLL)、摩云山村井(MYS-1)、摩云山村大口井(MYS-2)、千山溫泉(QS-R)；海城地區(qū)有6個(gè)采樣點(diǎn)，包括海城1(HC1)、海城2(HC2)、海城3(HC3)、海城4(HC4)、海城5(HC5)、東四方臺(tái)(DSFT-R)。現(xiàn)場(chǎng)使用250mL聚乙烯塑料瓶盛裝水樣品，取樣時(shí)將瓶?jī)?nèi)的空氣排凈，避免空氣對(duì)水樣的影響，測(cè)定的溫度、pH值、電導(dǎo)率等參數(shù)見(jiàn)表1。

3 測(cè)量結(jié)果

4 討論

4.1 地下水的物質(zhì)來(lái)源

4.1.1 氫氧同位素組成特征

圖 2 不同類型水的氫氧同位素組成

大氣降水是自然界水循環(huán)過(guò)程的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。根據(jù)前人研究總結(jié)，大氣降水氫氧同位素組成受海洋-陸地效應(yīng)、高程效應(yīng)、緯度效應(yīng)、季節(jié)效應(yīng)和溫度效應(yīng)等因素控制(王鳳生，1995；李廣等，2016;高宗軍等，2017)。在水循環(huán)過(guò)程中，由于同位素成分的動(dòng)力學(xué)分餾作用，全球降水中氫和氧穩(wěn)定同位素存在線性關(guān)系：δD=8δ18O+10(Craig，1961)；中國(guó)大氣降水線為：δD=7.9δ18O+8.2(鄭淑蕙等，1983)；中國(guó)東部季風(fēng)區(qū)大氣降水線為：δD=7.46δ18O+0.9(柳鑒容等，2009)；中國(guó)東北地區(qū)大氣降水線為：δD=7.20δ18O-2.39(李小飛等，2012)。研究區(qū)大氣降水線斜率小于全球降水線，歸因于水汽運(yùn)移和水循環(huán)中發(fā)生的同位素分餾(圖2)。大部分樣品分布在全國(guó)大氣降水線與中國(guó)東北大氣降水線之間，大龍嶺(DLL)、海城3(HC3)和千山溫泉(QS-R)出現(xiàn)了較明顯的正向漂移。地下熱水的δD相對(duì)穩(wěn)定，通常與補(bǔ)給水源區(qū)的大氣降水一致，而δ18O值則有所不同，深層地下熱水的δ18O值常會(huì)向右偏離當(dāng)?shù)卮髿饨邓€(高清武等，1999；高志友等，2004；Du et al，2005)。δ18O值升高的原因可歸納為：①地?zé)崴谏钛h(huán)過(guò)程中與富集18O的圍巖發(fā)生氧同位素的交換(Okada et al，2000；Favara et al，2001；Bahati et al，2005)；②地?zé)崴谏钛h(huán)過(guò)程中混入富集18O的深部熱水(Pang et al，2006)。為了量化與比較不同地區(qū)大氣降水蒸發(fā)、凝結(jié)過(guò)程的不平衡差異，Dansgaard(1964)定義了氘盈余d=δD-8δ18O，較高的氘盈余可以指示相對(duì)濕度較低的干旱氣候地區(qū)水受蒸發(fā)的影響，或者雨水中具有內(nèi)陸蒸發(fā)水(高宗軍等，2017)。當(dāng)-10‰10‰ 時(shí)，表示與現(xiàn)今不同氣候條件下的降水或不同來(lái)源水混合；而當(dāng)d<-10‰時(shí)，表示干熱氣候條件下的大氣降水或蒸汽凝結(jié)水。研究區(qū)屬于同一氣候環(huán)境，因此同一季節(jié)氣候的影響可以忽略，水樣的d值介于1.5‰～11.4‰之間，表明水主要源于大氣降水。海城2(HC2)和海城4(HC4)的d值略高于10‰，分別為11.1‰和11.4‰，表明可能受循環(huán)路徑中其它因素的影響。大龍嶺(DLL)和海城3(HC3)偏離東北地區(qū)大氣降水線，較富集18O，表明地下水可能受水巖反應(yīng)或深部流體的影響。溫泉水樣和涌泉水樣位于井水樣點(diǎn)的左下方，相對(duì)富集輕同位素，應(yīng)該是深部來(lái)源水蒸氣凝結(jié)水補(bǔ)給造成的。

4.1.2 水化學(xué)類型的形成

圖 3 Piper三線圖(據(jù)Pipper(1944))實(shí)心圓圈代表井水；實(shí)心三角代表溫泉水；正方形代表涌泉水

4.1.3 地下水的循環(huán)

圖 4 水樣主要離子毫克當(dāng)量關(guān)系

4.2 水化學(xué)變化與地震的關(guān)系

圖 5 離子變化特征(a)采樣期間不同月份離子濃度大于20%的異常測(cè)項(xiàng)和異常測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)；(b)采樣期間異常測(cè)項(xiàng)和異常點(diǎn)離子濃度比；(c)2014年1月1日～2015年7月1日ML≥2.5地震

5 結(jié)論

(1)研究區(qū)地下水化學(xué)類型復(fù)雜，主要有8種水化學(xué)類型：海城3、海城4、大龍嶺、摩云山村井為Ca-HCO3型；西鞍山井為Ca·Mg-HCO3型；海城1為Ca-HCO3·Cl型；鞍山金堡紡織井水為Ca·Na-Cl·SO4型；海城2和摩云山村水井水的化學(xué)類型為Ca-HCO3·SO4型；海城5水的化學(xué)類型為Ca-SO4·HCO3型；湯崗子溫泉、東四方臺(tái)溫泉水的化學(xué)類型為Na-HCO3·SO4型；千山溫泉為Na-SO4·HCO3型。