依蘭—伊通斷裂北段地下水化學特征*

石 偉，李永生，歐陽兆國，胡寶慧，高 峰

(黑龍江省地震局，黑龍江 哈爾濱 150090)

0 引言

地下水化學組分受地下應力和構造活動等的控制，能夠靈敏、直觀地反映地殼的應力、應變狀態及地震活動(蘇鶴軍等，2010；杜建國等，2018；高小其等，2018；Zhou，2021)。含水層的受力狀態發生改變以及深部流體混入等因素的影響，在地震孕育和發生過程中，均會引起觀測井水化學組分發生變化，因此，研究地下水組分變化與地震的關系，在震前預測、震后趨勢判斷和流體異常核實中具有重要的意義(劉耀煒等，2009；付虹等，2014；孫小龍等，2016，2020；晏銳等，2018；Zhou，2020)。地下水組分及同位素組成的變化特征是識別地下水來源、追蹤水化學演化的基本手段(杜建國，劉叢強，2003；周志華等，2014；劉軼男等，2017；鐘駿等，2021；丁風和等，2021)，研究無震期間地震臺站觀測井及周邊的地下水化學特征，取得觀測點的地球化學背景數據，能夠為流體前兆異常核實提供重要的依據。

依蘭—伊通斷裂北段是我國東北地區地震活動最活躍的地區之一，加強對該地區的流體地球化學監測，對判定該地區的地震活動形勢具有重要意義。目前，在依蘭—伊通斷裂北段有4口國家流體臺網觀測井，分別為蘿北井、鶴崗井、通河井和延壽井，只開展水物理觀測，積累了一定的水溫和水位資料。由于社會經濟的發展，這些觀測井均受到不同程度干擾，例如蘿北井受降雨和農業灌溉影響、鶴崗井受周邊企業用水影響、通河井受“農村飲水安全工程”打井抽水影響、延壽井受周邊水庫蓄水的影響，這些干擾已經嚴重影響到異常核實和震情跟蹤工作，迫切需要引入地球化學觀測來補齊短板，但目前對依蘭—伊通斷裂北段地震流體觀測井地下水化學類型與成因尚沒有系統研究。本文分析了這4個流體觀測站及其附近地區水樣的地球化學組分和同位素組成，總結該地區的地下水類型及成因等地球化學特征，以期為震情跟蹤和流體異常核實提供基礎資料及科學依據。

1 地震地質概況

郯廬斷裂帶是東亞大陸上的一條主干斷裂帶，全長約5 000 km，在中國境內長約2 400 km，受西太平洋板塊俯沖影響，郯廬斷裂帶在遼寧沈陽以北分為兩支，分別為NE向的依蘭—伊通斷裂和NEE向的敦化—密山斷裂，這兩條斷裂構成了郯廬斷裂帶北段的主體部分。依蘭—伊通斷裂是東北地區規模最大的斷裂，沿斷裂分布有沈陽市、佳木斯市、鶴崗市等許多人口密集、經濟發達的城市。依蘭—伊通斷裂北段指該斷裂自南北河—勃利斷裂以北區域，該區域自1973年有地震臺網記錄以來，地震活動以中小地震為主，未發生過5級以上地震。根據對歷史地震的發掘和古地震的考察發現該斷裂具備大地震的發震背景。1963年6月黑龍江省蘿北縣發生5.8級地震，是新中國成立以來依蘭—伊通斷裂北段發生的最大的淺源地震。距今1700年前，在依蘭—伊通斷裂北段通河縣域內發生過1次7級以上的古地震事件(閔偉等，2011)，表明依蘭—伊通斷裂北段全新世以來局部地區有過強烈地震活動。

2 樣品采集與測試

2021年8月23—26日，在依蘭—伊通斷裂北段的4個地震流體觀測站及其附近地區共采集了19個水樣，包括4個觀測井水、12個周邊民用井水、1個地表水、1個河水和1個水庫水(圖1)。每個采樣點用兩種規格容器采集水樣，30 mL塑料瓶水樣用于氧氧同位素分析，150 mL塑料瓶水樣用于水化學組分測定。采集過程中首先用采樣水將干凈的聚乙烯瓶潤洗2～3遍，然后注滿整個瓶體，排除頂空，避免空氣對水樣的影響，并在現場測定水樣的溫度和總溶解固體(TDS)。

圖1 依蘭—伊通斷裂北段采樣點分布

3 水化學組分特征分析

3.1 水質類型及成因分析

依據舒卡列夫分類法將水樣分為10種水化學類型，多數水樣的水化學類型以HCO-Ca為主(表1、圖2)。

表1 樣品水化學分析結果

圖2 研究區水樣Piper圖

通河地震臺(THT)觀測井水為泥巖裂隙水，井深為200 m，水質渾濁，TDS值為118 mg/L，水化學類型為HCO-Na，Na來自沉積巖中巖鹽及其它鈉鹽的溶解。通河臺的水位觀測受到距臺站100 m左右“農村飲水安全工程”新打水井(TH1)的影響，TH1井的水化類型與通河地震臺井水一致，并且TDS值只相差2 mg/L，完全驗證了TH1井對THT井的干擾。距離THT井200 m左右的岔林河水化學類型為HCO-Ca，與THT井水化類型不同，補給源主要是大氣降水。

延壽地震臺(YHT)觀測井水為砂礫巖裂隙水，井深為200 m，水質清澈，TDS值為32 mg/L，水化學類型為HCO-Na·Ca，Na來自沉積巖中巖鹽及其它鈉鹽的溶解。延壽地震臺附近的民用井(YS1、YS2)井深分別為72 m和78 m，相對較淺，水化學類型為HCO-Ca型，補給源主要是大氣降雨。

3.2 水-巖化學平衡分析

Na-K-Mg三角圖最早由Giggenbach(1988)提出，被用來評價水-巖平衡狀態和區分不同類型的地下水。將研究區取樣點的 Na、K、Mg 組成繪制于三角圖中，大多數樣品落在Mg端元附近(圖3)，表明為淺層的地下水，主要受大氣降水的補給，循環周期相對較快，水-巖之間尚未達到離子平衡狀態，水-巖作用仍在進行。而通河臺觀測井水(THT)落在了部分平衡水的范圍內，表明其地下水的補給來源中除了大氣降水外，還存在較深層地下水的混入，水-巖反應相對較弱，水流系統較為穩定，不易受到外界干擾。

圖3 研究區水樣Na-K-Mg三角圖

3.3 地下水熱儲溫度及循環深度估算

熱儲溫度是劃分地下熱水系統成因類型不可缺少的重要參數，地球化學溫標是估算這一參數的有效方法。Na-K陽離子熱儲溫度是利用地下水成分中陽離子比值與溫度之間的關系建立的溫標方法，全部陽離子溫標法均為經驗性的近似方法，陽離子溫標建立在陽離子交換反應的基礎上，反應平衡常數隨溫度的改變而改變(劉永濤，2009)。由于通河井位于部分平衡水區域，因此可以采用陽離子溫標法來計算水的熱儲溫度。據劉永濤(2009)給出的7個Na-K陽離子溫標計算公式(表2)，分別求取通河臺井水熱儲溫度，可得平均溫度為 170.7 ℃。

表2 通河井水陽離子溫標計算結果

地下水的溫度受其賦存與循環處的地溫控制，根據地下水的溫度可以大致推算出地下水的循環深度(王大純等，1980)。當已知地下水水溫、年平均氣溫、地溫梯度和年常溫帶深度時，就能夠推算出地下水的大致循環深度，即

(1)

通過查閱相關文獻得到，通河地區年平均氣溫為 2.4 ℃(楊娟等，2017)，年常溫帶深度為20 m(周靜等，2016)，地溫梯度為4.0 ℃/100 m(劉玉，2014)，地下水水溫取170.7 ℃，計算求得通河臺觀測井水最大循環深度為4 227 m。

4 同位素組成特征分析

地下水形成后，經過蒸發、徑流和水-巖相互作用等環節不斷發生循環和演化，氫氧同位素在此過程中會發生動力分餾，與高溫巖石等其它物質發生交換和反應，從而造成地下水中的氫氧同位素組成與大氣降水線發生一定的偏離，因此，氫氧同位素作為示蹤劑，可以用來分析地下水補給后的循環和演化特征。在水循環過程中，由于同位素成分的動力學分餾作用，各地區的大氣降水線均不相同。全球大氣降水的氫氧同位素組成呈正相關關系(圖4)：δD=8δO+10(Craig，1961)，中國東北地區大氣降水線為：δD=7.2δO+2.39(李小飛等，2012)，GMWL表示全球大氣降水線，LMWL表示中國東北地區大氣降水線。從圖4可見，研究區大氣降水線斜率小于全球降水線斜率，這要歸因于水汽運移和水循環中發生的同位素分餾。所采的水樣均分布于當地大氣降水線和全球大氣降水線附近，表明水樣的主要來源是大氣降水。

為了比較與計算不同地區大氣降水蒸發、凝結過程的不平衡差異，Dansgaard(1964)提出了氘盈余公式：=δD-8δO，較高的氘盈余意味著相對濕度較低的干旱氣候地區水受蒸發的影響，或者雨水中具有內陸蒸發水(高宗軍等，2017)。當-10‰<<10‰時，表示正常大氣降水；當>10‰時，表示與現今不同氣候條件下的降水或不同來源水混合；當<-10‰時，表示干熱氣候條件下的大氣降水或蒸汽凝結水。研究區的水樣屬于同一氣候環境，因此季節氣候的影響可以忽略，所取水樣的值為1.81‰～9.28‰，表明水樣主要源于大氣降水。

圖4 研究區水樣的氫氧同位素組成

5 結論

本文對依蘭—伊通斷裂北段地區4口地震監測井及其周邊水樣進行水化學離子濃度及氫氧同位素分析，得出以下結論：

(2)研究區所測水樣主要來源于大氣降水補給，氫氧同位素組成均分布于大氣降水線附近，氘盈余也驗證了這一點；通河臺觀測井水處于水-巖部分平衡狀態，表明該井除大氣降水補給外，還有較深層地下水的混入，其余水樣均為淺層的地下水，主要為大氣降水的補給。利用陽離子溫標法，計算求得通河臺井水的熱儲溫度為170.7 ℃，其最大循環深度為4 227 m。

(3)依蘭—伊通斷裂北段地區目前只開展水物理觀測，水化學觀測尚處于空白，建議對上述臺站增加連續的水化學組分觀測項目，豐富地下流體監測信息，從而更好地進行該地區的震情跟蹤和異常核實工作。