新疆溫泉縣泥火山噴發(fā)水的化學(xué)特征研究

陳 志，李 營(yíng)，汪成國(guó)，顏 龍

(1.中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)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(dòng)帶，其所在斷層的活動(dòng)是觸發(fā)泥火山活動(dòng)的主要?jiǎng)恿C(jī)制之一［1-4］。大量的觀測(cè)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(qiáng)地震前后常表現(xiàn)出明顯的物理、化學(xué)異常現(xiàn)象［5-6］。這些異常現(xiàn)象主要表現(xiàn)為三個(gè)方面:(1)停噴泥火山再次噴發(fā)。1948年土庫(kù)曼斯坦首都阿哈巴德7.3級(jí)地震后，極震區(qū)泥火山劇烈活動(dòng)。1959年12月17日阿塞拜疆巴庫(kù)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(wàn)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(tái)灣嘉義—臺(tái)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(tái)灣Chung-Lun活動(dòng)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(lè)市溫泉縣泥火山群為新疆地震局的地震觀測(cè)點(diǎn)，研究其噴發(fā)流體的物質(zhì)來(lái)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(jìn)行地震活動(dòng)監(jiān)測(cè)的可靠性。

1 地質(zhì)概況

新疆博樂(lè)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(yùn)動(dòng)時(shí)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(dòng)作用下，該區(qū)活動(dòng)斷裂發(fā)育，并伴隨有巖漿侵入活動(dòng)。庫(kù)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(zhǎng)約100 km，為壓扭性逆斷裂。該斷裂自晚近以來(lái)活動(dòng)強(qiáng)烈，次級(jí)斷裂發(fā)育，為深部地下水循環(huán)和向上運(yùn)移的重要通道［14］。新疆溫泉縣泥火山就位于庫(kù)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(gè)泥水噴發(fā)口，多呈圓形，直徑0.1～1 m，噴發(fā)口內(nèi)可見(jiàn)土黃色的泥水，個(gè)別噴發(fā)口可見(jiàn)冒泡痕跡(參見(jiàn)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(tái)的重要監(jiān)測(cè)對(duì)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(cè)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(cè)點(diǎn)后，分別于2012年10月、2013年5月、2013年9月和2014年6月進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和水樣采集。使用日本YF-160數(shù)字溫度計(jì)測(cè)定水溫，測(cè)量精度為0.1℃。使用美國(guó)奧立龍4-Star pH計(jì)測(cè)定pH值，測(cè)量精度為0.01 pH單位。水中離子組分測(cè)定使用中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)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(cè)定HCO-3，陰陽(yáng)離子的測(cè)量誤差小于5%;水樣的氫、氧同位素(δ18O和δD)測(cè)試在中國(guó)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(cè)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(jiàn)圖2)。該地區(qū)的河水主要接受山區(qū)雪融水的補(bǔ)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(lái)源于經(jīng)歷過(guò)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(jiàn)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(bǔ)給。而且，補(bǔ)給的大氣降水在順斷裂或裂隙深循環(huán)過(guò)程中，應(yīng)該與圍巖發(fā)生了較強(qiáng)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(qiáng)度主要受控于區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的變化，表現(xiàn)為周期活動(dòng)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(shí)間較長(zhǎng)，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(duì)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(shuō)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(duì)穩(wěn)定，可作為該區(qū)域地震地球化學(xué)監(jiān)測(cè)的對(duì)象。

通過(guò)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(lái)源于順斷裂或裂隙深循環(huán)并與圍巖發(fā)生過(guò)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(zhǎng)時(shí)間滯留過(guò)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(duì)穩(wěn)，可作為該區(qū)域地震地球化學(xué)監(jiān)測(cè)的對(duì)象。

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