秦嶺北緣斷裂帶溫泉水滲流特征與地震活動水平研究＊

史 杰,張 慧,2,蘇鶴軍,2,張蓮海

(1.中國地震局蘭州地震研究所,蘭州 730000;2.中國地震局地震預測研究所蘭州科技創新基地,蘭州 730000)

秦嶺北緣斷裂帶溫泉水滲流特征與地震活動水平研究＊

史 杰1,張 慧1,2,蘇鶴軍1,2,張蓮海1

(1.中國地震局蘭州地震研究所,蘭州 730000;2.中國地震局地震預測研究所蘭州科技創新基地,蘭州 730000)

前人對秦嶺北緣斷裂帶出露溫泉水的氫氧同位素、He同位素和 SiO2含量進行了計算,得到了溫泉水的熱儲溫度和循環深度。在此基礎上,運用溫度場作用下的熱水垂向運移數學模型演算了循環深度和斷層帶滲透性之間的關系。根據 1970～2008年的區域臺網資料,對斷裂帶進行了分段地震活動多參數組合方法分析,并結合歷史中強地震(公元前 781年～公元 2008年)的空間分布特點,分析總結了斷層帶不同區段滲透特征和地震活動的關系。最后對秦嶺北緣斷裂帶的滲透性成因進行了解釋。

秦嶺北緣斷裂帶;溫泉水;循環深度;滲流特征;地震活動

0 前言

秦嶺北緣斷裂帶是我國大陸內部一條近東西向的大型活動斷裂帶。該斷裂帶形成于加里東期,發育歷史悠久,晚更新世晚期以來有過多次強烈構造活動,是一條超殼深斷裂帶,同時又是一條強震構造帶(滕瑞增等,1994;劉百篪,周俊喜,1985;董治平等,1996)。從公元前 781年有地震記載至今,沿該斷裂帶共發生 5級以上中強地震30余次,包括公元 1556年陜西華縣 8.0級地震、公元 734年天水 7級地震(雷中生等,2007)和公元 143年甘谷西 7級地震等(袁道陽等,2007)。該斷裂切割深度大,為溫泉水的出露提供了良好的地質條件。沿斷裂帶走向分布的溫泉循環深度大,出露溫度普遍較高,攜帶了豐富的地殼深部信息,是研究深循環水與地震活動關系的天然實驗場。汪萬紅等(2008)研究了該斷裂帶泉水的氫氧同位素和氦同位素,對水的來源和水巖相互作用進行了分析;石雅镠(1988)利用 SiO2地熱溫標法進行了水循環深度的計算,結果表明:這些溫泉水均來源于大氣降水,泉水在循環過程中發生了高溫水巖相互作用,致使大部分出露溫泉中富集18O,特別是寶雞—潼關段溫泉 “氧漂移”現象比較明顯;氦同位素比值具有殼源特征,表明水在斷裂帶中循壞的深度較大。筆者依據上述研究成果,利用循環深度來定量描述流體在深部的運移特征,在此基礎上結合斷裂帶內地震活動水平差異,分析二者之間的關系。

1 秦嶺北緣活動斷裂簡述

秦嶺北緣斷裂帶西起青海貴德,往東南經尖扎、循化,過甘肅臨夏、漳縣、天水,經寶雞延至陜西潼關,綿延 800余千米,主要包括西秦嶺北緣斷裂帶、秦嶺北緣斷裂帶和華山山前斷裂。根據活動性質和時代,可將該斷裂帶劃分為貴德—臨夏段(F1)、和政—天水段(F2)和寶雞—潼關段(F3)(圖 1)。貴德—臨夏段的最新活動時代為晚更新世,性質為逆斷兼左旋走滑。和政—天水段以左旋走滑為主兼正斷特征,全新世以來活動強烈,自古近紀中晚期以來成為青藏高原早期的北東邊界,其新生代構造活動控制了兩側新生代盆地的沉積演化和構造變形(王志才等,2006)。寶雞—潼關段新生代以來一直做強烈垂直差異運動,主要表現為正斷特征,走滑不明顯,全新世以來差異運動顯著(張安良等,1992;韓恒悅等,2002)。康來迅(1990)在斷裂分段的基礎上,根據河流不同階地斷錯平均速率的差異認為晚更新世以來和政—天水段各分段的運動強度由西向東逐漸增大。袁道陽和楊明(1999)對該段各分段的累積滑動虧損率進行了計算,結果表明:斷裂帶從西向東累積滑動虧損率逐漸減小,反映了整個斷裂帶活動強度的差異性。

圖 1 秦嶺北緣斷裂帶構造略圖Fig.1 Structural sketch of the Northern Margin of Qinling Fault Zone

2 溫泉水循環深度與斷裂帶滲透性關系的計算

Caine等(1996)、Evans等(1997)、Gudmundsson(2000)提出了滲流性斷裂帶概念模型。他們認為,斷裂帶沿滲流構造垂直斷層走向可分為三個構造單元,即中心帶、破壞帶和原巖帶。斷裂滑動主要發生在中心帶,中心帶由一些富含粘土的斷層泥、次級角礫巖和碎裂巖組成,這些巖石成分的性質導致中心帶的滲透率較破壞帶小 4～6個數量級;破壞帶主要由次級構造網絡組成,包括小斷裂、紋理、裂隙、劈理、褶皺,這些小的次級構造組成導致該帶滲流很強;中心帶和破壞帶的外部包圍體就是原巖帶,雖然原巖帶未經過明顯變形,但其滲透率僅僅比破壞帶小 2～3個數量級。在比較不同斷層帶滲流性能時可用Fm=破壞帶寬度 /(中心帶寬度 +破壞帶寬度)來定量描述(Caineet al,1996)。由此可看出,破壞帶單元的規模是決定滲流性能大小的重要因素。

水的循環深度對研究斷層帶巖體的滲透性有重要的參考意義。流體在垂向運移時,地溫場受對流和傳導的雙重控制;流體以較快速度運移時運移區域和圍巖之間有溫度差異,兩者存在熱交換。一般可建立如下一維數學模型(Jaeger,Carslaw,1959;陳墨香等,1991):

式中r0為泉口出水半徑,ρ1、c1分別為熱水的密度和比熱,v為流體運移的速度,t為時間,TL、Tc分別為泉水實測溫度和高度為y的(距計算熱儲溫度值處指向地表)圍巖的溫度,a1為流體和圍巖的熱交換系數。

由式(1)可知,當a1逐漸增大時,井中水溫逐漸接近圍巖體r=r0處的溫度;而當a1=0時,即在水和巖石不發生熱交換的理想狀態下,熱水沒有散熱現象,圍巖溫度將不受影響,但在實際情況下熱水在向上運移過程中會有熱量傳遞給圍巖,出水溫度將低于熱儲層溫度。如果把圍巖溫度看作一個常量,設Tk=[(T0+Tb)/2],即Tc=Tk。當泉水出露時間很長,熱水溫度達到相對穩定狀態時,上式可以得到解析解

將Tk=(T0+Tb)/2代入(2)式并整理得

式(3)中T1為y處熱水的溫度,假設巖石的溫度為一個常量,那么可設熱水的溫度的垂向梯度為gw,則上式中T1-T0=gw·(H-y),Tb-T1=gw·y,Tb-T0=gw·H。在此尋求H和v的單調性(v是H的函數,即v=v(H))。比較不同的溫泉水的滲流性時,將條件假設為一致,并將y、r0、ρ1和c1看作常數。把上述 3個式子代入(3)式中并對方程兩邊取對數整理得

式中C=r0ρ1c1.

依據(4)式可得到不同溫泉滲流速度v和滲流最大深度H的關系(圖 2)。由圖 2可以看出:溫泉水的滲流速度與其循環深度呈正相關的關系;在垂向上,深循環的溫泉水的滲透流速度較淺循環的溫泉水的滲流速度變化率高。也就是說循環深度大的溫泉水,在垂向上的滲流速度變化較大;對于單個溫泉來說,隨著深度的增加,滲流速度呈現指數降低。

圖 2 溫泉水循環深度(a)和滲流速度(b)曲線圖Fig.2 Circulation depth of hot spring water(a)and per meability diagram(b)

上述結果是依據選取的數學模型和限制條件得到的,反映了水的運移特性。沿秦嶺北緣斷裂帶出露的各溫泉的水因循環深度的不同,其滲流系數也有所不同:和政—天水段的水循環深度在整個斷裂帶上最淺,滲流性差;寶雞—潼關段水循環深度最深,滲流性好。

3 現今地震活動水平分析

通過對秦嶺北緣斷裂帶不同段落的多個地震活動參數的組合特征和歷史強震分析,可為我們判定斷層帶近期相對應力狀況和地震活動特征提供重要依據,也使我們能夠在不同構造應力和水、巖相互作用背景下進行斷裂帶溫泉水滲流特征與地震活動水平的對比研究。

3.1 最小完整性震級的確定

筆者根據 1970～2008年全國地震目錄,應用震級—頻度關系判定了斷裂帶不同段落的最小完整性震級(圖 3)。由圖 3可將貴德—臨夏段的最小完整性震級確定為Mmin=2.0,和政—天水段Mmin=2.1,寶雞—潼關段Mmin=1.9。

圖 3 不同統計單元最小完整性震級的確定(a)貴德—臨夏段;(b)和政—天水段;(c)寶雞—潼關段Fig.3 Diagrams illustrating the dete rmination of the min imal earthquake of completeness in varies statistical unit(a)Guide-Linxia segment;(b)Hezheng-Tianshui segment;(c)Baoji-Tongguan segment

3.2 多參數地震活動分析

利用多地震活動參數對斷層活動狀態進行分析是聞學澤等(1984,1986)、易桂喜等(2004,2006,2007)提出來的一種以b值為主、多參數組合值 、值、值、n值)對斷裂帶近期地震活動習性進行分析的有效方法。本文主要運用此方法進行分析和討論。

和分別為震級—頻度關系中的兩個系數的平均值,為無量綱參數,可由統計得到;代表斷裂帶單位面積的應變能年釋放率,可根據公式和 lgEi=4.8+1.5Ms,i得出。式中t和A分別為統計時間尺度(單位:年)和統計區域面積(單位:km2);n為斷裂帶單位面積地震年頻度,n=N/(t×A),其中N為各斷裂段地震個數。由于統計區域地震的時間和空間差異,為了便于比較不同斷裂段的值和n值,計算時進行了面積和時間的歸一處理。

對秦嶺北緣斷裂帶進行b值掃描計算,在斷層分段和最小完整性震級(ML≥Mmin)的基礎上以0.1°×0.1°劃分平面網格,根據地震分布,以每個節點為中心、10 km為半徑進行圓形區域掃描,得到b值分布圖像(圖 4)。同時根據斷層分段分別計算值、值 、值和n值,得到不同參數的空間分布(圖 4,表 1)。

圖 4 研究區多地震活動參數組合圖像Fig.4 Combination of seis mic parameters of varies segments in the study region

表 1 地震活動參數表Tab.1 Seismic parameters in different segments

從和計算結果可以看出,區域構造應力在貴德—臨夏段、和政—天水段上較為集中。并且,雖然貴德—臨夏段具有較大地震的期望值,但貴德—臨夏段的值和n值均明顯低于和政—天水段,表明和政—天水段的地震活動水平遠高于貴德—臨夏段;多地震活動參數表明,寶雞—潼關段和貴德—臨夏段地震活動強度基本相當,但寶雞—潼關段的n值略高于貴德—臨夏段,這表明雖然貴德—臨夏段處于較高的區域應力水平狀態,但其地震活動頻度卻不高。

結合地震分布(圖 3b)和參數計算結果,筆者認為,處于高應力狀態的和政—天水段地震活動水平頻度和強度顯著高于其它兩段;貴德—臨夏段雖然同樣處于高應力狀態,地震活動水平卻不高;寶雞—潼關段處于相對低應力水平狀態,主要以中小地震活動為主。

3.3 歷史中強震分析

由公元前 781年～公元 1969年M≥5.0歷史地震表明,秦嶺北緣斷裂帶各段近 2800年來中強地震分布具有很強的差異性(顧功敘,1983)。由圖5可知,貴德—臨夏段沒有中強地震記錄,該段附近僅有的兩次 5級地震也是發生在鄰近的拉脊山斷裂帶上。和政—天水段共發生 19次M≥5.0地震,其中 5.0～5.9級 11次,6.0～6.9級 6次,7.0～7.9級 2次,最近一次地震為 1936年甘肅省康樂縣 63/4級地震。據歷史記載,1718年曾在通渭南發生過 7.5級強震(顧功敘,1983),過去近 300年的時間內寶雞—潼關段共發生 13次中強地震,其中 5.0～5.9級 8次,6.0～6.9級 3次,7.0～7.9級 1次,最晚一次為 1607年發生在西安的 5.0級地震,最大的一次是 1556年發生在陜西華縣的8.0級強震。

圖 5 秦嶺北緣斷裂帶不同斷層段歷史中強地震頻次圖Fig.5 Frequency map of historicalmoderate-and strong-earthquakes in varies segments of the NorthernMargin Fault Zone ofQinling

歷史地震活動表明,和政—天水段的地震活動性明顯強于寶雞—潼關段,目前和政—天水段上還未發現有 8級地震的確鑿證據;寶雞—潼關段現今地震活動水平不高,主要以中小地震活動為主,同時該段中強地震也較為豐富;貴德—臨夏段則沒有中強地震記錄。

4 溫泉水滲流特征與地震活動水平的對比關系

(1)筆者對泉水的循環深度和滲流的關系進行分析后發現,滲流速度與循環深度呈正相關變化;深循環的水滲流速度的變化率較淺循環的水大。和政—天水段是秦嶺北緣斷裂帶水循環深度最淺的區段,滲流性差,在整個循環過程中速度變化較小;寶雞—潼關段循環深度較深,滲流性相對較強,滲流速度變化較為顯著。斷裂帶滲流性在空間上的變化體現了導水介質的差異性,這可能與斷裂各滲透單元的組成規模不同有直接關系;這種差異會導致不同程度的水、巖相互作用,從而使斷裂帶巖石的弱化作用有所不同(林元武,1993)。

(2)對于斷裂帶應力集中水平,貴德—臨夏段與和政—天水段高于寶雞—潼關段;歷史及現今地震活動水平表明和政—天水段最強,其余兩段相對較弱:和政—天水段保持較高的地震活動水平,寶雞—潼關段表現為較強歷史地震活動之后的小震活動,貴德—臨夏段則表現為中小地震持續活動狀態。這種地震活動格局可能與斷裂帶的不同介質性質和活動模式有一定關系(許紹燮,1993;陳順云等,2005)。

(3)隨著斷裂帶滲透性的不同,斷裂帶的地震活動水平也不同。和政—天水段是秦嶺北緣斷裂帶溫泉水滲流最差的區段,其地震活動水平卻相對較高,主要表現為高應力下的高頻度和高強度的活動狀態。寶雞—潼關段滲流性相對較好,可能是豐富的歷史地震活動使斷層介質變得比較破碎,從而為流體滲流提供了很好的條件;而現今地震活動水平表現為低應力下的穩定的中小地震活動狀態,可能與 1556年 8.0級地震能量釋放有一定的關系。貴德—臨夏段斷裂帶滲透性與地震活動水平之間的對應關系卻不明顯,原因是貴德—臨夏段全新世以來并不活動,是否還能用歷史地震和多地震活動參數來解釋,需要進一步探討。

曾聯波等(2008)的實驗結果認為,構造應力導致的巖石變形,不僅提供了流體流動的通道,而且還改變了巖石的滲透性能;高壓流體的存在,使得低滲透裂隙的形成更加容易,斷裂帶內流體滲流受到應力作用控制,同時流體的作用還可以改變巖石裂隙的發育。筆者根據b值分析結果認為秦嶺北緣斷裂帶不同的滲流特征應該是區域應力差異作用的結果,并且這種不同的滲流特征會對介質的裂隙產生不同程度的作用,從而起到使斷層弱化的作用。秦嶺北緣斷裂帶地震活動水平則是中段高而其余兩段低,這可能反映了不同斷裂帶的滲透性和構造應力水平的共同作用結果。該帶溫泉水滲流性、斷裂帶區域應力和地震活動水平具有明顯的差異性和規律性。

5 討論

Caine等(1996)、Gudmundsson(2000)提出用Fm值來定量描述斷層的滲透性,其值是根據大量野外調查和巖石滲透率實驗數據計算出來的。如果要利用溫泉水循環深度估算滲透性,并推算Fm值,這是一個值得深入探討的問題。Fm值不僅與圍巖的性質和斷裂帶構造情況等因素有關,而且與流體運移和應力之間的耦合作用也有一定關系。要定量研究斷層帶滲流性需要做大量的野外地質調查和詳細的實驗研究。本文用來演算滲流深度和溫泉水滲透性關系的一維數學模型是基于溫度場作用下的。流體在巖石介質中的滲流是非常復雜的過程,其滲流特性不僅受到溫度場、應力場的控制,還受到巖石本身的物理性質和化學性質等因素的影響,要得到更加準確可靠的計算結果還有待大量的關于斷層地下流體動力學、巖石學等方面的研究。由于數據有限,筆者沒有將滲流特征參數計算出來,但通過不同溫泉水滲流特征的差異和地震活動性的研究已經得到了定性的分析結果。

在撰寫論文時,筆者得到了中國地震局蘭州地震研究所董治平研究員和曹玲玲副研究員的熱心指導,在此深表感謝!

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Correlation between the Permeability Characteristics of Hot Spring Water and Seismicity in the Northern Margin Fault Zone of Qinling

SH I Jie1,ZHANG Hui1,2,SU He-jun1,2,ZHANG L ian-hai1
(1.Lanzhou Institute of Seismology,China Earthquake Administration,Lanzhou730000,Gansu,China)
(2.Lanzhou Base,Institute of Earthquake Prediction,China Earthquake Administration,Lanzhou730000,Gansu,China)

O n the basis of the heat reservoir temperature and the circulation depth of the hot springs evaluated by the predecessor's through hydrogen and oxygen stable isotopic composition,helium isotopic composition and silicon dioxide content of the water of the hot springs in the Northern Margin Fault Zone of Qinling,and using a mathematical model of vertical liquid movement affected by the geothermal field,We deduce a relation bet Ween permeability of the Fault Zone and circulation depth of the hot spring water.We apply the multiple seismic-parameters to analyzing the seismicity of Qinling Fault according to seismic data of regional network from1970to2008,and analyze the distribution of historical moderate-strong earthquakes from 781BC to2008AD.And We research the correlation bet Ween the permeability and seismicity of different segments in the Fault Zone.Finally,We exp lain the permeability conditions of the Northern Margin Fault Zone of Qinling.

Northern Margin Fault Zone of Qinling;hot spring water;circulation depth;permeability feature;seismicity

P315.7

A

1000-0666(2010)03-0273-07

2010-03-03.

地震科學聯合基金(106108)、甘肅省自然科學基金(3ZS051-A25-006)和中國地震局地震預測研究所基本科研業務基金(2009-A027)聯合資助 .