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滇西大理地區(qū)部分溫泉溶解CO2及碳同位素組成特征研究

2021-08-05 02:28張翔付虹羅睿潔李波字承柱
地震研究 2021年2期
關(guān)鍵詞:溫泉水同位素來源

張翔 付虹 羅睿潔 李波 字承柱

摘要:溫泉溶解CO2的來源成因研究,有利于判斷與甄別研究區(qū)溫泉溶解CO2異常信息。對(duì)2016年10月至2017年7月大理地區(qū)3個(gè)溫泉的水化學(xué)常量離子和δ13CHCO3-進(jìn)行了10次重復(fù)取樣觀測(cè),對(duì)3個(gè)溫泉的水文地球化學(xué)及CO2來源進(jìn)行分析。結(jié)果表明:3個(gè)溫泉均屬于HCO3·SO4-Na型水,地下水補(bǔ)給都來自于大氣降水,CO2主要來自于深部的地幔成因和變質(zhì)成因的CO2;2017年漾濞MS5.1地震發(fā)生前,3個(gè)溫泉的δ13CHCO3-值與HCO3-正相關(guān)關(guān)系發(fā)生改變,表明溫泉δ13CHCO3-值與地震有一定的相關(guān)性。

關(guān)鍵詞:溫泉;水化學(xué)常量離子;CO2和碳同位素組成;地震;大理

中圖分類號(hào):P314.12?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A?? 文章編號(hào):1000-0666(2021)02-0185-07

0 引言

流體在地球動(dòng)力學(xué)過程中有不可或缺的作用。有研究表明,高壓流體是構(gòu)造地震的活躍參與者,如Miller(2013)發(fā)現(xiàn)壓力過大的流體是慢滑地震和非火山地震的一種潛在成因機(jī)制?,F(xiàn)代火山和活斷裂帶深部脫氣釋放的氣體成分主要是CO2、水蒸氣,少量的N2、H2及稀有氣體等(沈立成等,2007;周曉成等,2016;李其林等,2019),與火山活動(dòng)、斷裂作用和地震有成因關(guān)系的溫泉,往往是地球脫氣作用的有利場(chǎng)所(戴金星等,1994)。一方面,CO2的釋放可能表明深部的高孔隙壓,斷裂帶破碎巖石中的高CO2分壓使正應(yīng)力減小,到一定程度時(shí),使斷層發(fā)生滑移(Irwin,Barnes,1980)。斷裂帶中高濃度的CO2流體形成Ca-Mg-HCO3型水,與斷層面圍巖發(fā)生蝕變反應(yīng)逐漸形成水力聯(lián)系網(wǎng),這將導(dǎo)致庫侖破壞應(yīng)力摩擦系數(shù)的降低,并且當(dāng)應(yīng)力不能累積時(shí),導(dǎo)致斷層蠕滑(Weinlich,2014)。因此,可以利用CO2釋放來識(shí)別潛在的地震區(qū)域。另一方面,因強(qiáng)震釋放的深部高壓CO2引起的流體壓力脈沖可以觸發(fā)強(qiáng)震的余震(Miller,Collettini,2004),如2015年尼泊爾MW7.8地震后的數(shù)月,觀測(cè)到了與熱液流體變化有關(guān)的CO2釋放??傊?,流體和地震的相互作用,表明地震動(dòng)態(tài)地影響著地殼的滲透性(Girault et al,2018)。

在一些強(qiáng)震發(fā)生前,地下流體CO2的釋放有明顯的前兆性異常變化(上官志冠等,1993)。據(jù)前人的研究,滇西地區(qū)溫泉溶解CO2總量在震前有一定反應(yīng)(上官志冠,1987;顏鹍等,1997;張啟明,2001),但是對(duì)震前CO2總量變化的成因機(jī)制研究較少。本文選取了滇西大理地區(qū)的3個(gè)溫泉CO2釋放點(diǎn),在2016年10月至2017年7月進(jìn)行了10次重復(fù)取樣觀測(cè),研究該地區(qū)的流體地球化學(xué)特征,并分析這3個(gè)溫泉的CO2來源,最后探討2017年3月漾濞MS5.1地震前的CO2釋放特征。

1 地質(zhì)背景

滇西地區(qū)地處岡瓦納大陸與揚(yáng)子陸塊的接合部位,經(jīng)歷了特提斯洋殼消減和印支期強(qiáng)烈的陸-陸碰撞形成造山帶。自新生代以來,該地區(qū)表現(xiàn)為大規(guī)模走滑、逆沖推覆、快速隆升。伴隨近EW向的擠壓縮短和逆沖推覆,哀牢山、蒼山等地的古老變質(zhì)巖被擠出隆升,這一時(shí)期總的構(gòu)造背景以擠壓為主,地殼在東西向上仍有加厚縮短的趨勢(shì)(曾普勝等,2002)。大理地區(qū)位于紅河斷裂帶北端,構(gòu)造上表現(xiàn)為一系列近SN 向及 NNE 向的活動(dòng)斷裂和中新世以來的斷陷盆地從南北兩個(gè)方向逐漸向 NW 走向的紅河斷裂交會(huì),構(gòu)成斷裂東北側(cè)典型的滇西北伸展裂陷區(qū)(向宏發(fā)等,2004)。

本文選取的3個(gè)溫泉為:下關(guān)塘子鋪溫泉(以下簡稱“下關(guān)溫泉”)、洱源興興澡堂溫泉(以下簡稱“洱源溫泉”)和彌渡石咀溫泉(以下簡稱“彌渡溫泉”),溫泉位置如圖1所示。下關(guān)溫泉位于紅河斷裂次級(jí)斷裂西洱河斷裂上,西洱河斷裂北盤為蒼山變質(zhì)巖含水層,南盤為含水性較差的中生代碎屑巖裂隙含水層。蒼山變質(zhì)巖裂隙水由高山向斷裂帶方向深部運(yùn)移獲得熱量,至西洱河斷裂帶時(shí),受巨厚碎屑巖阻擋,沿?cái)嗔褞仙懦龅乇恚缁蹘洠?009)。洱源溫泉位于洱源地?zé)釁^(qū)內(nèi),該區(qū)內(nèi)構(gòu)造體系呈SN向展布,為地下熱水提供循環(huán)通道;洱源盆地基底有大面積的多期巖漿侵入玄武巖,為地下熱水提供熱源;基底上覆中、新生界碎屑巖和沖湖積黏土層組成良好隔熱保溫層,三者構(gòu)成良好的儲(chǔ)熱構(gòu)造(楊惠,2015)。彌渡盆地及周邊山區(qū)的碳酸鹽巖破碎帶地區(qū)是該區(qū)域地下水的補(bǔ)給區(qū),大氣降水沿巖溶裂隙及構(gòu)造裂隙向深部運(yùn)移獲得熱量形成深遠(yuǎn)高溫?zé)崴?,在盆地總體的由北至南的地下水流動(dòng)方向上,運(yùn)移至溫泉出露區(qū)域,受致密巖體或者壓性斷裂帶阻攔,熱水沿構(gòu)造上升出露成泉(姚永仲,2010)。

2 水文地球化學(xué)特征分析

2.1 野外采樣和處理方法

利用沉淀法獲取3個(gè)溫泉水中溶解碳的δ13C值,具體步驟為:取50 mL溫泉水樣,加入過量飽和Ba(OH)2溶液,將BaCO3沉淀洗凈過濾、烘干,送中科院地球化學(xué)研究所環(huán)境地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試BaCO3沉淀的δ13C值,使用儀器為Themo Fish生產(chǎn)的MAT253同位素質(zhì)譜儀,精度≤0.1‰;用50 mL聚乙烯取樣瓶清洗干凈后取溫泉水樣,用Dionex ICS-900離子色譜儀測(cè)試常量元素,分辨率為0.2 nS/cm;用MAT253同位素質(zhì)譜儀測(cè)試氫氧同位素,精度分別為(δD±0.5)‰和(δ18O±0.2)‰。

2.2 常量離子特征

3個(gè)溫泉水常量離子組分測(cè)試結(jié)果(表1)表明,溫泉所含陰離子均以HCO3-占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),陽離子均以Na+占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),且富含K+和Ca2+,反映出這3個(gè)溫泉均受火成巖和碳酸鹽巖的共同影響。較高的HCO3-、Ca2+含量可能與大理地區(qū)廣泛分布的石炭-二疊系海相沉積灰?guī)r溶解有關(guān),較高的Na+、K+同該區(qū)的喜山期堿性巖漿巖有關(guān)。不同的是下關(guān)、洱源溫泉高SO2-4(324.3 mg/L)、低Cl-,說明這兩個(gè)溫泉水與溶蝕了沉積巖中的石膏及其他硫酸鹽礦物有關(guān);彌渡溫泉低SO2-4、高Cl-(141.8 mg/L),說明該泉水與深部巖漿巖關(guān)系密切。

Piper圖解和Na-K-Mg三角圖解常被用來評(píng)價(jià)水—巖化學(xué)平衡狀態(tài)、區(qū)分不同類型水樣以及判斷地下水循環(huán)深度(胡小靜等,2020)。從Piper圖可見(圖2a),下關(guān)溫泉、洱源溫泉屬于HCO3·SO4-Na型水,彌渡溫泉屬于HCO3·Cl-Na型水,從樣品的Na-K-Mg平衡圖解(圖2b)可見,洱源溫泉水屬于部分成熟水,表明該溫泉熱水循環(huán)較深、循環(huán)時(shí)間長,同圍巖水巖作用較充分;下關(guān)和彌渡溫泉水屬未成熟水,屬于淺層水區(qū)域。

2.3 氫氧同位素特征

3個(gè)溫泉水的氫氧同位素分析結(jié)果見表1。1991年地礦部水文所得出的西南地區(qū)降水線方程為(姚永仲,2010):

δ2H=7.96δ18O+9.52(1)

根據(jù)據(jù)式(1)及表1數(shù)據(jù)繪出的δ18O-δ2H關(guān)系如圖3所示。從圖3可見,3個(gè)溫泉的氫氧同位素?cái)?shù)據(jù)都落在大氣降水線附近,說明溫泉地下水補(bǔ)給來源是大氣降水,并且下關(guān)和彌渡溫泉與大氣降水線略有偏移,說明溫泉熱水的補(bǔ)給區(qū)到排泄區(qū)有一定距離。

2.4 碳同位素特征

溫泉水中的δ13C值獲取過程可表述為(上官志冠,1987):

CaCO3+CO2+H2OCa[HCO-3]2

[HCO3-]2+2Ba(OH)2=2BaCO3↓+2H2O(2)

上述反應(yīng)的最終產(chǎn)物為BaCO3,其δ13C值可認(rèn)為是溫泉溶解碳的δ13C值(δ13Ctot),3個(gè)溫泉的δ13CHCO3-分析結(jié)果及HCO3-含量變化見表2。

3 CO2來源分析

3.1 計(jì)算方法

本文參考Chiodini等(1999)計(jì)算意大利非火山區(qū)地下水CO2來源的過程和Lewicki等(2013)計(jì)算美國非火山區(qū)地下水CO2來源的過程,根據(jù)3個(gè)溫泉的地球化學(xué)特征,運(yùn)用碳同位素質(zhì)量平衡方法定量計(jì)算溫泉水中不同來源CO2的含量。首先,利用PHREEQC軟件及溫泉樣品的各項(xiàng)離子含量,計(jì)算得出溫泉水中的總C含量[Ctot](表1)。[Ctot]是含水層碳酸鹽礦物溶解于水的C含量[Ccarb]與來自于非含水層碳酸鹽溶解的C含量[Cext]的總和,即:

[Ctot]=[Ccarb]+[Cext](3)

式中:[Cext]包括來自于溶解于大氣降水的生物成因碳和地球深部的碳,如變質(zhì)成因碳和幔源碳。假設(shè)溫泉水中的Ca2+、Mg2+、SO42-均來自于Ca、Mg碳酸鹽和硫酸鹽的溶解,并且沒有發(fā)生CO2脫氣作用,[Ccarb]可由式(4)計(jì)算得出:

[Ccarb]=[Ca]+[Mg]-[SO4](4)

利用式(4)計(jì)算得到的[Ccarb]和測(cè)試得到的[Ctot]可以計(jì)算出各個(gè)溫泉樣品中的[Cext]。式(3)的碳同位素質(zhì)量平衡方程可表述為:

[Ctot]·δ13Ctot=[Ccarb]·δ13Ccarb+[Cext]·δ13Cext(5)

由式(5)整理得到:

δ13Cext=δ13Ctot-δ13Ccarb[Ccarb]/[Ctot][Ctot]/[Cext](6)

根據(jù)上官志冠(1987)的研究,大理地區(qū)灰?guī)r的δ13C=0.5‰,即該地區(qū)δ13Ccarb值為0.5‰。將表1中的Ctot、表2中的δ13Ctot、式(4)計(jì)算得到的[Ccarb]、式(1)計(jì)算得到的[Cext]帶入式(6),計(jì)算得出δ13Cext。利用δ13Cext-[Cext]圖可以估算出溫泉水樣中深部碳的混入量及其δ13C值,進(jìn)而判斷其來源。

3.2 分析結(jié)果

用式(4)計(jì)算[Ccarb]時(shí),得出下關(guān)和洱源溫泉[Ccarb]值為負(fù)值,彌渡溫泉[Ccarb]值為正值,下關(guān)和洱源溫泉的[Cext]>[Ctot],說明這兩個(gè)溫泉水在涌出地表前發(fā)生了方解石沉淀和CO2脫氣作用,導(dǎo)致[Ctot]略微減少,因此計(jì)算出的溫泉水溶解碳含量須視為最小估計(jì)值(Chiodini et al,1999)。假設(shè)下關(guān)和洱源溫泉的[Cext]=[Ctot],用表2中δ13Ctot的均值計(jì)算得到這3個(gè)溫泉的δ13Cext值,并將δ13Cext值和[Cext]投到δ13Cext-[Cext]圖中(圖4)。圖4中的3條理論曲線分別代表在初始溶解碳濃度為1 mmol/L、δ13C值為-17‰的大氣滲入水中逐漸加入來自于幔源的CO2(虛線,δ13C=-6‰),上古生界碳酸鹽巖的碳(實(shí)線,δ13C=3‰,代表變質(zhì)成因碳源)和深部碳(短劃線,δ13C=-8‰)的演化過程。

從圖4可以看出,3個(gè)溫泉樣品均落入地幔碳與碳酸鹽巖碳之間,說明3個(gè)溫泉來自于非碳酸鹽巖溶解碳,主要包含下滲大氣降水溶解碳[Cinf]、地幔來源碳和變質(zhì)成因碳,即:

[Cext]=[Cinf]+[Cdeep](7)

下關(guān)和洱源溫泉靠近地幔端,說明其深部碳

以地幔來源碳為主;彌渡溫泉介于地幔來源碳和變質(zhì)成因碳之間。假設(shè)下滲大氣降水溶解碳[Cinf]值為一常量,如圖4中的1 mmol/L,可以計(jì)算出[Cdeep]。由[Ccarb]、[Cdeep]及[Ctot]計(jì)算得到下關(guān)溫泉大約6%的碳來自下滲大氣降水中的生物成因碳,13%的碳來自于含水層碳酸鹽礦物溶解產(chǎn)生的碳,其余81%來自于深部成因的碳。洱源溫泉大約3%的碳來自下滲大氣降水中的生物成因碳,4%的碳來自于碳酸鹽礦物溶解產(chǎn)生的碳,其余93%來自于深部成因的碳。彌渡溫泉大約10%的碳來自下滲大氣降水中的生物成因碳,14%的碳來自于碳酸鹽礦物溶解產(chǎn)生的碳,其余75%來自于深部成因的碳。需要說明的是,下關(guān)和洱源溫泉地下水在流出地表之前可能發(fā)生了碳酸鹽沉積和脫CO2作用,會(huì)使[Ctot]偏低,[Ccarb]減少。這樣導(dǎo)致下關(guān)溫泉來自碳酸鹽巖溶解的碳偏低,深部來源的碳偏高。但3個(gè)溫泉CO2來源均以地幔來源和變質(zhì)成因混合的深部來源CO2為主,生物成因和碳酸鹽礦物溶解產(chǎn)生的CO2相對(duì)較少。

4 溫泉CO2釋放與地震的關(guān)系

利用表2的數(shù)據(jù)繪制了3個(gè)溫泉的δ13CHCO-3值、HCO-3濃度隨時(shí)間變化的關(guān)系圖(圖5)。Chiodini等(Chiodini et al,1999)在研究意大利非火山區(qū)地下水時(shí)發(fā)現(xiàn),隨地下水中碳含量增加,其δ13C 值出現(xiàn)由“輕”向 “重”的變化趨勢(shì),這可能是由于溫泉水中CO2來源以δ13C值相對(duì)較高的深部碳為主,深部碳越多,表現(xiàn)出的δ13C 值越高。在本文研究中,大理地區(qū)溫泉的HCO-3濃度與δ13CHCO-3值變化似乎也具有一定的同步性,3個(gè)溫泉均不同程度呈現(xiàn)出Chiodini等(1999)描述的變化特點(diǎn)。

2017年3月27日漾濞發(fā)生MS5.1地震,震中距離3個(gè)溫泉均小于100 km。漾濞MS5.1地震發(fā)生前,3個(gè)溫泉的HCO-3濃度與δ13CHCO-3在局部打破了正相關(guān)關(guān)系,如2016年11月至震前1個(gè)月下關(guān)溫泉δ13C值上升;2016年12月至2017年1月洱源溫泉δ13C值下降;自2017年2月開始彌渡溫泉δ13C值上升。HCO3-濃度與δ13CHCO3-相關(guān)關(guān)系的打破可能暗示地震前區(qū)域應(yīng)力的變化,區(qū)域應(yīng)力變化不僅可以影響不同來源CO2的產(chǎn)生,也影響破裂帶滲透率變化,進(jìn)而影響不同來源CO2的擴(kuò)散運(yùn)移。

5 結(jié)論

本文通過研究大理地區(qū)下關(guān)、洱源、彌渡3個(gè)溫泉的常量元素地球化學(xué)特征、氫氧同位素地球化學(xué)特征和碳同位素地球化學(xué)特征,得出以下主要結(jié)論:

(1)溫泉水的常量離子分析表明3個(gè)溫泉均屬于HCO3·SO4-Na型水,氫氧同位素在大氣降水線附近,說明3個(gè)溫泉水的補(bǔ)給源主要為大氣降水,經(jīng)過下滲循環(huán),攜帶了深部物質(zhì)與熱量沿?cái)嗔焉仙雎丁?/p>

(2)下關(guān)溫泉的δ13CHCO3-值為-6.915‰~-4.162‰(均值為-5.044‰),洱源溫泉的δ13CHCO3-值為-6.318‰~-4.510‰(均值為-5.024‰),彌渡溫泉的δ13CHCO3-值為-4.086‰~-1.055‰(均值-2.960‰);CO2的來源分析表明,下關(guān)、洱源和彌渡溫泉的CO2主要為深部成因,既有變質(zhì)成因的碳,也有地幔成因的碳。

(3)2017年漾濞MS5.1地震前,3個(gè)溫泉的HCO3-濃度與δ13CHCO3-在局部打破了正相關(guān)關(guān)系,可能暗示地震前區(qū)域應(yīng)力的變化。但在本次取樣時(shí)間段本區(qū)域內(nèi)僅發(fā)生過1次漾濞MS5.1地震,該區(qū)CO2釋放與地震活動(dòng)的關(guān)系還需進(jìn)一步研究。

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Characteristics of the Carbon Isotope of the Dissolved CO2 in Hot Springsin Dali Region,West Yunnan Province

ZHANG Xiang,F(xiàn)U Hong,LUO Ruijie,LI Bo,ZI Chengzhu

(Yunnan Earthquake Agency,Kunming 650224,Yunnan,China)

Abstract

Finding the source of the dissolved CO2 in hot springs in the study area will facilitate judging and assessing the anomalous information about the dissolved CO2.From October 2016 to July 2017,10 repeated sampling observations were made on hydrochemical ions and δ13CHCO3- in three hot springs:Xiaguan,Eryuan and Midu in Dali region,West Yunnan Province.The results showed that the three hot springs water belonged to HCO3·SO4-Na type.The analysis of Hydrogen-oxygen isotope indicated that the groundwater recharge of the three hot springs was derived from atmospheric precipitation.The analysis of carbon isotope showed that the CO2 in the three hot springs was mainly derived from the deep mantle and metamorphism.Before the Yangbi 5.1-magnitude earthquake in 2007,which was located within 100 km from these three hot springs,the positive correlation between the background values of δ13CHCO3- and HCO3- in the three hot springs were observed broken,which indicated that the δ13CHCO3- value had a certain correlation with the Yangbi earthquake.

Keywords:hot spring;hydrochemical ions;CO2 and carbon isotope;earthquake;Dali region

收稿日期:2019-07-02.

基金項(xiàng)目:國家自然基金(UI602223)和中國地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司震情跟蹤課題任務(wù)(2017010310)聯(lián)合資助.

第一作者簡介:張翔(1989-),工程師,主要從事地下流體與地震預(yù)報(bào)研究.E-mail:768310869@qq.com.

通訊作者簡介:付虹(1963-),研究員,主要從事地震綜合預(yù)測(cè)研究.E-mail:ynfuhong@qq.com.

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含西藏溫泉水的修護(hù)霜對(duì)敏感性皮膚輔助治療作用的臨床觀察
溫泉水輸送管道設(shè)計(jì)工程實(shí)例分析
元素含量及穩(wěn)定同位素比值用于網(wǎng)銷帶魚產(chǎn)地溯源
喝溫泉水不如喝直飲水
2017第四屆全國穩(wěn)定同位素制備與應(yīng)用技術(shù)交流會(huì)
2016年生物高考有關(guān)同位素標(biāo)記法的實(shí)驗(yàn)考查
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畫中有話
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