基于Matlab的斷裂帶溫泉水地球化學特征及地震活動性研究①

伍劍波，張 慧，2，蘇鶴軍，2，李晨樺，2

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

0 引言

地下流體地球化學方法廣泛應用于地震領域，是研究斷裂帶特征以及活動性的一個重要手段。構造活動形成的裂隙為溫泉水循環提供了良好的地質通道，流體在上升過程中攜帶了大量的地質信息，對構造斷裂活動性研究有很重要的地質意義。大量的研究表明［1－4］，沿斷裂帶分布的溫泉水其水化特征變化與斷裂活動具有一定的關聯性。

隨著地震研究的深入和地下流體學科的發展，需要更多計算機軟件技術的支撐發展。在地震地下流體研究中，對野外勘查、實驗數據分析以及圖形的繪制，需要采用多種分析手段，由于采用的分析方法和手段不同，繪圖軟件就不同，所以研究人員需要掌握多種繪圖軟件。Matlab作為世界三大數學軟件之一，具有強大的計算和繪圖能力以及簡單的程序語言，在地震研究方面有重要運用［5］。為了解決地下流體分析軟件分散的局面，我們基于Matlab開發出了一種圖形用戶界面（GUI）軟件（圖1），該軟件綜合了大部分地球化學分析軟件的繪圖功能。本文主要探討該軟件水質分析功能，并以西秦嶺北緣斷裂帶溫泉水為分析對象進行分析。

圖1 基于Matlab的水質分析軟件界面Fig．1 The software interface of water quality analysis based on Matlab．

1 應用區域構造概況

西秦嶺北緣斷裂帶位于甘肅東南部。研究區范圍在北緯33．50°～35．58°，東經103．50°～106．50°（圖2）；地震數據來自國家地震科學數據共享中心，時間段為1970年1月1日－2012年12月31日；震級ML≥2。

甘東南區域的構造環境復雜，是中強震和強震發生的主要場所，區域內的斷裂構造特征嚴重受到區域構造的影響［6］。西秦嶺北緣斷裂帶為甘東南區域活動性較強的斷裂之一，晚第四紀以來，主要以左旋走滑為主，傾滑分量較小，斷裂新活動明顯［7］（圖2）。西秦嶺北緣斷裂帶分為六個次級斷裂，多為張扭性斷層，其派生的小斷層發育且相互交錯［8］。本文研究的街子溫泉位于天水斷裂，武山溫泉位于武山斷裂，而清水溫泉據推測可能位于NW向的通渭－清水隱伏斷裂帶上［9］，不屬于西秦嶺北緣主斷裂系。

2 斷裂帶溫泉水水質分析

溫泉受區域主要斷裂控制，其分布特征往往與地震帶分布一致，通常被認為是確定活動斷裂的一種標志［10］。本文把我們采集的溫泉水樣分析數據（數據III：2011年采集樣品），與前人（數據Ⅰ：石雅镠，1987年采集樣品［2］；數據Ⅱ：汪萬紅，2006年采集樣品［4］）進行對比研究（表1）。基于 MATLAB繪制矩形水化學圖、δD－δ18O關系圖、Na－K－Mg三角圖、以及溫泉水循環深度三維圖。

圖2 西秦嶺北緣斷裂帶及地震分布Fig．2 Distribution of the north margin fault belt of western Qinling and epicenters of erathquake．

表1 溫泉水樣分析數據（單位：mg／L）Table 1 Analysis data of the hot spring water

2．1 溫泉水水化學類型

矩形水化學類型圖［11］（圖3）對揭示水文地球化學規律起著舉足輕重的作用。由表1幾種主要陰陽離子的濃度數據以及圖3顯示結果，可推測武山和街子溫泉水的總礦化度小于清水溫泉。1987年和2011年的溫泉水化學組成總體上沒有發生明顯變化，為低礦化度、淡水。三個溫泉水陽離子含量均以Na＋為主，Ca2＋、Mg2＋較少。但是三者陰離子含量有明顯的區別，清水溫泉水陰離子以SO2－4為主，而街子和武山溫泉水中陰離子HCO－3含量最多、SO2－4次之。根據矩形圖分類方法，清水溫泉水化學類型為Na－SO4·Cl，屬于硫酸型水；街子、武山溫泉水化學類型為Na－HCO3·SO4·Cl，屬于碳酸型水。

2．2 氫氧同位素分析

最早由Craig［12］提出全球淡水中δD和δ18O具有線性相關性，并運用全球降水線定義了二者之間的關系：δD＝8δ18O＋10。Craig大氣降水線只適用全球范圍，由于氣候和地理參數的變化，局部區域大氣降水線的斜率和氘截距都與全球線不同。前人經過地區雨水線的建立，求得中國西北地區的大氣降水線［13］：δD＝7．38δ18O＋7．16。本文以西北地區的大氣降水線為標準，1987年與2006年的街子、武山、清水三個溫泉水的δD和δ18O線性相關性如圖4。

圖3 溫泉水矩形水化學圖Fig．3 Rectangle hydrochemical diagram of the hot spring waters．

圖4 西秦嶺北緣溫泉水δD～δ18 O關系圖Fig．4 The correlation diagram ofδDandδ18 O of hot spring water samples in the north margin of western Qinling fault zone．

首先，1987年和2006年表現出共同點：溫泉水的氫氧同位素組成均沿著西北地區大氣降水線附近分布，表明溫泉水補給來源為大氣降水；溫泉水18O總體上相對于降水線向右偏移，即正向氧漂移。由于三個溫泉圍巖的巖性主要為片麻巖、花崗巖，其中街子溫泉的圍巖還含有碳酸鹽巖，地下水與含硅酸鹽礦物或碳酸鹽礦物的巖石之間發生水—巖反應，進行氧同位素平衡交換［14］，即 Si18O2＋ 2H216O ＝Si16O2＋ 2H218O，或 CaC18O3＋H216O ＝ CaC16O3＋H218O，致使地下水18O含量變化。

其次，2006年與1987年相比有明顯的差異性：街子、武山、清水三個溫泉水2006年的δD、δ18O值比1987年更偏向負值一端，說明隨著時間的推移溫泉水發生了不同程度的氫、氧同位素虧損；2006年的斜率與西北地區大氣降水線有明顯的偏離。從溫泉水來源上分析，造成這種差異的原因可能是氣候年變化對大氣降水同位素組成的影響。

2．3 水—巖平衡狀態

Na－K－Mg三角圖解法［15］廣泛應用于評價地下熱水的水—巖平衡狀態和區分不同類型的水樣。由完全平衡線和部分平衡下限把整個三角圖分為完全平衡、部分平衡和未成熟水三個區。

由圖5可知，水—巖反應在1987與2011年之間有明顯的變化：2011年溫泉水樣比對應的1987年樣品更接近完全平衡線。由此推測隨著時間的推移溫泉水的成熟度越高。

三個溫泉均靠近Mg端元，其中武山（WS－Ⅰ、WS－Ⅲ）和街子（JZ－Ⅰ、JZ－Ⅲ）兩個溫泉的水樣接近完全平衡線，說明二者的水—巖反應幾乎達到完全平衡狀態，成熟度較高；而清水溫泉的水樣（QS－Ⅰ、QS－Ⅲ）明顯位于完全平衡線與部分平衡下限之間，屬于部分成熟的水，成熟度小于前兩者。鑒于3個溫泉水具有較高的成熟度，由圖中樣品落點可初步推測溫泉的熱儲溫度：武山為120～160℃、街子為140～180℃，清水為160～180℃。本文研究結果與石雅謬［2］利用SiO2地熱溫標計算得到的熱儲溫度（武山139℃、街子159℃、清水190℃）基本一致。

圖5 溫泉水Na－K－Mg三角圖Fig．5 The triangle diagram of Na－K－Mg of the hot spring water samples．

2．4 溫泉水循環深度特征

溫泉的熱源如果來源于地熱增溫熱，且熱儲溫度隨著循環深度的增加而升高，可用下式計算溫泉水循環深度：

式中D為循環深度（km）；g為地溫梯度（℃／km）；tR為熱儲溫度（℃）；tcold為當地最冷冷泉的溫度（℃）；h為常溫層厚度（km）。汪萬紅［4］運用式（1）計算了秦嶺北緣斷裂溫泉水循環深度（表2）。作者把表2數據和溫泉位置的經緯度導入水質分析界面（圖1），繪出三維的秦嶺北緣溫泉水循環界面（圖6）。圖中顯示了秦嶺北緣斷裂的溫泉水循環界面。秦嶺北緣的溫泉水循環深度陜西段最深；甘肅段循環深度最淺；而青海段與甘肅段相差不大。整個斷裂水循環界面以甘肅中段為界，呈西高東低，西秦嶺北緣斷裂的溫泉水循環深度比秦嶺北緣東段小。由表2和圖6可知清水溫泉的循環深度最深，武山和街子溫泉循環深度較淺一些。

圖6 秦嶺北緣斷裂帶的溫泉水地下循環界面Fig．6 The underground circulation interface of the hot spring waters in the north margin of Qinling fault zone．

表2 秦嶺北緣斷裂溫泉水循環深度［4］Table 2 The circulation depth of the hot spring water in the north margin of Qinling fault zone［4］

3 溫泉水地球化學特征與斷裂活動性的關系

本文研究的街子溫泉、武山溫泉分別位于西秦嶺北緣斷裂的天水斷裂段和武山斷裂段（圖2），而清水溫泉據推測可能位于北西向的通渭—清水隱伏斷裂帶上，不屬于西秦嶺北緣斷裂。根據歷史地震資料和相關文獻查閱結果［7－8］，天水斷裂段為734年天水7級地震的主要發震斷裂段；武山斷裂可能曾發生公元前47年隴西63/4級、128年甘谷61/2級和1765年甘谷—武山6 1/2級等地震；通渭—清水隱伏斷裂可能是1718年通渭7 1/2級地震的主要發震斷裂段。1970年到2012年研究區震中分布顯示武山段最高、天水段次之、而清水發震頻數最少（圖2）。因此從歷史地震和現代地震可初步推測：武山斷裂活動性最強、天水斷裂次之，通渭－清水隱伏斷裂活動性最弱。

上述溫泉水質分析得出清水溫泉的循環深度最大，街子溫泉次之，武山溫泉最小；而且清水溫泉的水化學組成特征也明顯不同于武山、街子溫泉。說明溫泉水深循環對斷裂及其圍巖有強烈的介質弱化作用，清水溫泉水地下循環過程中對圍巖的弱化作用最強，降低斷裂面的有效正壓力，導致孕震時期長，地震活動性低；相反，武山、街子溫泉水對圍巖的弱化作用較小些，有效應力和能量積累可能較清水快一些，孕震周期短，所以地震活動性高。

4 結論與討論

隨著流體學科研究的深入，Matlab的軟件技術支撐促進了研究方法的多樣化發展。矩形水質分類法、氫氧同位素分析、水－巖平衡以及循環深度特征分析在地學研究中有廣泛的應用，本文根據這些方法開發的分析軟件，在水質研究方面取得較好的應用效果。

通過不同年份的樣品對比得出，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類型水樣的水化學特征總體上表現一致，溫泉水質隨著時間推移變化幅度不大，而三個溫泉之間的水質特征有明顯區別。首先，溫泉水氫氧同位素特征表明三個溫泉水補給來源均為大氣降水，同位素交換作用導致18O正向漂移，氣候變化導致同位素組成的差異；其次，通過三個溫泉水對比分析得出，清水溫泉水化學特征與武山、街子溫泉也有明顯的區別：清水溫泉水化學類型為Na－SO4·Cl，為硫酸型水，水－巖反應達到部分平衡，街子、武山溫泉水化學類型為Na－HCO3·SO4·Cl，為碳酸型水，水－巖反應近似處于完全平衡狀態。

從文中分析可知，清水溫泉水循環深度最深，熱儲溫度最高，對圍巖弱化作用最強，其附近以及通渭—清水隱伏斷裂發震頻率較低；而武山溫泉水循環深度最淺，熱儲溫度最小，西秦嶺北緣斷裂武山段地震活動較為頻繁。溫泉水表現出的這種差異性是否與斷裂活動性大小有相關性，本文都只做了初步討論，需要后來者更深入的研究。

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