新疆溫泉縣泥火山噴發(fā)水的化學(xué)特征研究

陳 志，李 營，汪成國，顏 龍

(1.中國地震局地震預(yù)測重點實驗室 中國地震局地震預(yù)測研究所，北京 100036;2.新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆烏魯木齊 830011)

泥火山為地殼中的泥漿、水、氣體及沉積角礫經(jīng)斷層等地層薄弱帶噴出地表后堆積而成的形似火山的沉積體，主要分布于地震活動帶，其所在斷層的活動是觸發(fā)泥火山活動的主要動力機制之一［1-4］。大量的觀測結(jié)果研究發(fā)現(xiàn)，泥火山在其周邊地區(qū)發(fā)生的中強地震前后常表現(xiàn)出明顯的物理、化學(xué)異?，F(xiàn)象［5-6］。這些異?，F(xiàn)象主要表現(xiàn)為三個方面:(1)停噴泥火山再次噴發(fā)。1948年土庫曼斯坦首都阿哈巴德7.3級地震后，極震區(qū)泥火山劇烈活動。1959年12月17日阿塞拜疆巴庫附近的泥火山噴發(fā)后不久，該區(qū)爆發(fā)了有感地震。烏克蘭盧科維查河畔萬諾弗蘭泥火山的每次噴發(fā)幾乎都與其半徑300 km范圍內(nèi)地震的發(fā)生有關(guān)［7］。(2)泥火山噴發(fā)規(guī)模增大。地震前，印度尼西亞瓜哇LUSI泥火山噴出泥漿的體積由0～120 000 m3/d急劇上升至160 000 m3/d［8］。(3)泥火山噴發(fā)流體地球化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。意大利東北部泥火山噴出礦化水中Rn222出現(xiàn)異常后的幾天到幾周內(nèi)均有地震發(fā)生［5］。在地震發(fā)生前幾天，意大利亞平寧山脈泥火山水中Cl-Sr比值出現(xiàn)明顯異常［9］。在地震前幾天，意大利西西里島地區(qū)的泥火山的H2和CH4濃度大幅度急劇上升［10］。在2000年10月至2001年7月期間的地震集中發(fā)生期前后，臺灣嘉義—臺南和新竹—廟栗地區(qū)泥火山的CO2/CH4均出現(xiàn)明顯異常［11］。臺灣Chung-Lun活動斷裂帶的泥火山氣體中的CO2/CH4和3He/4He(R/Ra)常在地震前出現(xiàn)明顯的異常變化［12-13］。新疆博樂市溫泉縣泥火山群為新疆地震局的地震觀測點，研究其噴發(fā)流體的物質(zhì)來源及其背景變化特征，必然有利于提高利用其流體地球化學(xué)指標(biāo)進行地震活動監(jiān)測的可靠性。

1 地質(zhì)概況

新疆博樂市位于天山地槽褶皺帶，該褶皺帶主要包括珍別套山褶皺帶和阿拉套山褶皺帶，分別形成于早古生代和晚古生代的海西構(gòu)造運動時期。該區(qū)出露地層主要為石炭系、古近—新近系及第四系地層。在區(qū)域構(gòu)造活動作用下，該區(qū)活動斷裂發(fā)育，并伴隨有巖漿侵入活動。庫松木楔克斷裂為該區(qū)的山前深大斷裂，近EW向展布，東西長約100 km，為壓扭性逆斷裂。該斷裂自晚近以來活動強烈，次級斷裂發(fā)育，為深部地下水循環(huán)和向上運移的重要通道［14］。新疆溫泉縣泥火山就位于庫松木楔克斷裂帶附近，距離溫泉縣城約60 km。在50 m范圍內(nèi)有近10個泥水噴發(fā)口，多呈圓形，直徑0.1～1 m，噴發(fā)口內(nèi)可見土黃色的泥水，個別噴發(fā)口可見冒泡痕跡(參見圖2)。距離泥火山約50 m處發(fā)育1處溫泉，名為明目泉。目前，溫泉縣泥火山為溫泉縣地震臺的重要監(jiān)測對象之一。

圖1 新疆溫泉縣泥火山及明目泉的分布

圖2 新疆溫泉縣泥火山

2 分析方法和測量結(jié)果

選定新疆溫泉縣的泥火山、明目泉及附近河水作為觀測點后，分別于2012年10月、2013年5月、2013年9月和2014年6月進行現(xiàn)場觀測和水樣采集。使用日本YF-160數(shù)字溫度計測定水溫，測量精度為0.1℃。使用美國奧立龍4-Star pH計測定pH值，測量精度為0.01 pH單位。水中離子組分測定使用中國地震局地震預(yù)測研究所地震流體研究室研制的離子色譜儀(Dionex ICS-900)，使用酸堿滴定方法測定HCO-3，陰陽離子的測量誤差小于5%;水樣的氫、氧同位素(δ18O和δD)測試在中國科學(xué)院蘭州地質(zhì)所完成，采用儀器為Picarro L1102液態(tài)水同位素分析儀，δ18O和δD使用V-SMOW作為標(biāo)準(zhǔn)，測試誤差分別為0.1‰和0.5‰。

溫泉縣泥火山、明目泉及河水流體的化學(xué)參數(shù)列出可供以后參考。溫泉縣泥火山的水溫和TDS(溶解總固體)分別為2.2℃～9.2℃和2 096.5 mg/L～2 220.4 mg/L，陽離子 Na+、Ca2+和 Mg2+的濃度分別為 568.3～587.8 mg/L、14.0～14.9 mg/L 和 0.0 mg/L～0.1 mg/L，陰離子 F-、CL-、SO2-4和 HCO-3的濃度分別為54.4～59.1 mg/L、38.0～40.7 mg/L、384.2～396.5 mg/L 和1 022.6～ 1 158.6 mg/L，δ18O和 δD 值分別為-9.51‰～ -9.10‰和 -74.29‰～ -61.47‰。

明目泉的水溫為40.0℃、TDS 為449.2 mg/L，陽離子 Na和 Mg的濃度分別為，137.8 mg/L、5.8 mg/L 和 0.2 mg/L，陰離子 F-、CL-、SO24-和 HCO3-的濃度分別為 2.2 mg/L、12.8 mg/L、122.2 mg/L 和164.9 mg/L。河水的 TDS 為 235.4 mg/L，陽離子 Na+、Ca2+和 Mg2+的濃度分別為 5.1 mg/L、11.1 mg/L 和4.9 mg/L，陰離子 F-、CL-、SO24-和HCO3-的濃度分別為 0.1 mg/L、1.5 mg/L、35.7 mg/L 和142.4 mg/L。+、Ca2+2+

3 討論和結(jié)論

根據(jù)舒卡列夫分類方法，溫泉縣泥火山噴發(fā)水與明目泉泉水具有相同的水化學(xué)類型，為Na-HCO3SO4，而其附近河水的水化學(xué)類型為(Ca-HCO3)(參見圖2)。該地區(qū)的河水主要接受山區(qū)雪融水的補給，所以水中各離子濃度及TDS均較低。溫泉水及泥火山噴發(fā)水主要來源于經(jīng)歷過深循環(huán)的大氣降水［15-16］。野外考察發(fā)現(xiàn)，溫泉縣泥火山噴發(fā)水和明目泉泉水均出自于花崗斑巖地層中。另外，溫泉縣泥火山噴發(fā)水的δ18O-δD值位于大氣降水線(δD=8δ18O+10)附近，且小幅度偏離大氣降水線(參見圖3)。這表明，溫泉水及泥火山噴發(fā)水主要接受大氣降水的補給。而且，補給的大氣降水在順斷裂或裂隙深循環(huán)過程中，應(yīng)該與圍巖發(fā)生了較強的水巖作用(反應(yīng)式如方式(1))，從而導(dǎo)致采集的泥火山噴發(fā)水及溫泉水中的Na+和HCO3-濃度較高，水化學(xué)類型(Na-HCO3SO4)不同于河水的水化學(xué)類型(Ca-HCO3)，且其各離子組分及礦化度均高于河水。

圖3 溫泉縣泥火山、明目泉及河水的化學(xué)類型

圖4 溫泉縣泥火山的δ18O和δD

溫泉縣泥火山噴發(fā)水體的水溫(2.2℃～9.2℃)明顯低于明目泉的水溫(40℃)，然而泥火山噴發(fā)水的各離子濃度及TDS 均較高，其水中 TDS、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、F-、Cl-、SO24-、HCO3-和 CO23-分別為明目泉水的4.9倍、4.3倍、2.6倍、4.8 倍、27.4 倍、3.2 倍、3.2 倍和 7.0 倍。泥火山的噴發(fā)強度主要受控于區(qū)域應(yīng)力場的變化，表現(xiàn)為周期活動性特征［6］。所以，泥火山噴發(fā)水體的流速通常較小，其水體在斷裂或裂隙中的滯留時間較長，與圍巖之間的水巖作用更充分，使更多的元素溶解到水中。因而，溫泉縣泥火山噴發(fā)水的各離子濃度及TDS均明顯高于明目泉。另外，對比溫泉縣泥火山4次重復(fù)采集水樣各離子濃度的變化情況發(fā)現(xiàn)，4次水樣的各離子濃度的變化幅度很小，均在5%以內(nèi)。這說明溫泉縣泥火山噴發(fā)水體的化學(xué)組分受環(huán)境的影響較小，背景值相對穩(wěn)定，可作為該區(qū)域地震地球化學(xué)監(jiān)測的對象。

通過本研究，得到以下結(jié)論:(1)溫泉縣泥火山及明目泉水體的化學(xué)類型均為Na-HCO3SO4，主要來源于順斷裂或裂隙深循環(huán)并與圍巖發(fā)生過水巖作用的大氣降水;(2)泥火山噴發(fā)水的各離子濃度及TDS均較高，可能是其水體在斷裂或裂隙中長時間滯留過程中與圍巖間充分的水巖作用所致;(3)溫泉縣泥火山噴發(fā)水體的化學(xué)組分受環(huán)境的影響較小，背景值相對穩(wěn)，可作為該區(qū)域地震地球化學(xué)監(jiān)測的對象。

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