鞍山-海城地区地震地下水地球化学研究
2019-05-04仵柯田崔月菊孙凤霞杜建国
仵柯田 崔月菊 孙凤霞 杜建国
1)中国地震局地震预测研究所，中国地震局地震预测重点实验室，北京 100036 2)中国地质大学(北京)，地球科学与资源学院，北京 100083
0 引言
地下水化学变化能够反映区域性地震、地热和构造活动。断层是岩石圈流体流动的重要通道，在地震期间起着重要作用(pik et al，2001；Du et al，2008)；而流体压力的变化通过降低有效应力可能引发地震(Mittempergher et al，2014)。研究表明，在地震前数小时或数月会出现流体异常，且与采样点构造位置密切相关，流体从地球内向外溢出可引发或产生地震(Du et al，2008；Terakawa et al，2010；岳中琦，2013；杜建国等，2018)。例如，l968年1月中旬伯利兹谷5级震群前，温泉水中及Na+浓度急剧下降(Favara et al，2001)；1999年9月21日中国台湾集集地震前，温泉水中的Cl-浓度成倍增加(Song et al，2005)；2007年云南普洱6.4级地震前后，温泉水中F-浓度发生明显变化(Du et al，2008)；2015年4月15日阿左旗MS5.8地震前后，呼鲁斯太、迪延阿贵庙和八一井对地震响应较为敏感(孙凤霞等，2016)；汶川MS8.0地震前K+、Na+浓度显著增高，表明由于构造应力导致深部水上涌(Chen et al，2014)；1965～1968年日本松代地震群后，水中某些溶解组分随井深呈线性增长(Okuyama et al，2016)。
鞍山-海城地区是地震的多发地带，为辽宁地震活动重点监视区，但是缺乏用于地震预测的高密度地下水监测数据。因此，本文通过研究鞍山-海城地区地下水地球化学时空演化特征，分析研究区水化学类型及其成因，探讨水化学变化与地震活动的关系，为该地区震情跟踪、异常落实和地震预测提供新资料。
1 地震地质概况
鞍山地区大地构造属于阴山-天山EW向构造带的东端，位于华夏、新华夏构造体系的辽东半岛隆起带与松辽平原沉降盆地的复合部位。研究区位于辽宁省南部，辽东半岛北部，该区的基本构造格架是在中生代燕山运动时期形成的，地处辽东台隆、西连下辽河断陷盆地，属于辽东台隆与辽河断陷盆地的过渡区。海城地质构造属于辽东地块与下辽河断陷，东侧上升，西侧阶梯状下降，区内新构造运动强烈，表现为明显的间歇性抬升(雷清清等，2008)。岫岩地区处于中朝准地台东北部胶辽台隆的营口-宽甸台拱上，该台拱是一个长期隆起区。海城-岫岩区域内主要有走向NNE-NE、EW和NW-NWW的3组断裂，EW向断裂形成最早；NNE-NE断裂为主要的构造，将区域分割成若干长条状断块，并控制了现代地形、地貌的形成和发展；NW-NWW断裂发育晚，穿切了原有的构造，从而奠定了本区“NE向成条，NW向成块”的构造格架(邓起东等，1976)。海城-岫岩地区均处于海城河断裂附近。海城-岫岩地区及邻区断裂构造比较发育，断裂构造规模较大，如走向NE的海城-营口断裂(盖县断裂)和走向NW的海城河岭断裂(大洋河-康家岭断裂)等。
研究区广泛出露太古界和下元古界结晶基底，台拱上几乎没有盖层，仅在局部地方有中生代构造盆地型沉积。区内分布着太古界鞍山群和元古界辽河群，主要为区域变质岩和变质杂岩；早元古代为角闪岩相以及高绿片岩相的变质岩；古生界寒武纪、奥陶纪地层主要是石灰岩；白垩系岩性为火山岩、砾岩；新生界有第三系半固结地层，主要为砂岩；最上部为第四纪冲积层。区内大量出露的岩浆岩为四堡期、印支期和燕山期花岗岩、闪长玢岩(图1)。
辽宁省境内普遍存在深部流体供给，形成较好的地热资源，有31个地热田(点)已经得到不同程度的开发和利用(张戈等，2004)。经调查，1999～2000年共有热泉点53处，其中水温40～60℃的热泉点20处，水温25～40℃的19处。鞍山市地下热水资源比较丰富，地下热水出露11处，有热水井30口，最高水温97℃(张伟等，2001)。岫岩县内深部流体供给量较大，地下热水出露较多，已发现40～50℃的中温泉4处，24～38℃左右的低温泉3处，地下热水的出露主要与新华夏系断裂构造有关(王凤琴等，2018)。
鞍山-海城地区是地震多发区，特别是与海城市接壤的偏岭地区，地震较为频繁。研究区地震活动十分密集，且明显具有成带成群分布的特点，前震序列呈现出明显的密集-平静特征。例如，1975年2月4日海城曾发生7.3级地震；1988年偏岭出现震群；1999年11月29日，在岫岩偏岭和海城孤山发生5.6级地震，近几年地震活动有增强的趋势(王凤琴等，2018)。
图 1 研究区地震地质简图
2 样品采集与分析方法
2014年7～12月在辽宁鞍山-海城地区采集了6次温泉、涌泉和井水样品，每月一次。其中鞍山共有7个采样点，包括西鞍山井(XAS)、鞍山金堡纺织井(JBFZ)、汤岗子温泉(TGZ-R)、大龙岭(DLL)、摩云山村井(MYS-1)、摩云山村大口井(MYS-2)、千山温泉(QS-R)；海城地区有6个采样点，包括海城1(HC1)、海城2(HC2)、海城3(HC3)、海城4(HC4)、海城5(HC5)、东四方台(DSFT-R)。现场使用250mL聚乙烯塑料瓶盛装水样品，取样时将瓶内的空气排净，避免空气对水样的影响，测定的温度、pH值、电导率等参数见表1。
3 测量结果
4 讨论
4.1 地下水的物质来源
4.1.1 氢氧同位素组成特征
图 2 不同类型水的氢氧同位素组成
大气降水是自然界水循环过程的一个重要环节。根据前人研究总结，大气降水氢氧同位素组成受海洋-陆地效应、高程效应、纬度效应、季节效应和温度效应等因素控制(王凤生，1995；李广等，2016;高宗军等，2017)。在水循环过程中，由于同位素成分的动力学分馏作用，全球降水中氢和氧稳定同位素存在线性关系：δD=8δ18O+10(Craig，1961)；中国大气降水线为：δD=7.9δ18O+8.2(郑淑蕙等，1983)；中国东部季风区大气降水线为：δD=7.46δ18O+0.9(柳鉴容等，2009)；中国东北地区大气降水线为：δD=7.20δ18O-2.39(李小飞等，2012)。研究区大气降水线斜率小于全球降水线，归因于水汽运移和水循环中发生的同位素分馏(图2)。大部分样品分布在全国大气降水线与中国东北大气降水线之间，大龙岭(DLL)、海城3(HC3)和千山温泉(QS-R)出现了较明显的正向漂移。地下热水的δD相对稳定，通常与补给水源区的大气降水一致，而δ18O值则有所不同，深层地下热水的δ18O值常会向右偏离当地大气降水线(高清武等，1999；高志友等，2004；Du et al，2005)。δ18O值升高的原因可归纳为：①地热水在深循环过程中与富集18O的围岩发生氧同位素的交换(Okada et al，2000；Favara et al，2001；Bahati et al，2005)；②地热水在深循环过程中混入富集18O的深部热水(Pang et al，2006)。为了量化与比较不同地区大气降水蒸发、凝结过程的不平衡差异，Dansgaard(1964)定义了氘盈余d=δD-8δ18O，较高的氘盈余可以指示相对湿度较低的干旱气候地区水受蒸发的影响，或者雨水中具有内陆蒸发水(高宗军等，2017)。当-10‰
4.1.2 水化学类型的形成
图 3 Piper三线图(据Pipper(1944))实心圆圈代表井水；实心三角代表温泉水；正方形代表涌泉水
4.1.3 地下水的循环
图 4 水样主要离子毫克当量关系
4.2 水化学变化与地震的关系
图 5 离子变化特征(a)采样期间不同月份离子浓度大于20%的异常测项和异常测点个数；(b)采样期间异常测项和异常点离子浓度比；(c)2014年1月1日～2015年7月1日ML≥2.5地震
5 结论
(1)研究区地下水化学类型复杂，主要有8种水化学类型：海城3、海城4、大龙岭、摩云山村井为Ca-HCO3型；西鞍山井为Ca·Mg-HCO3型；海城1为Ca-HCO3·Cl型；鞍山金堡纺织井水为Ca·Na-Cl·SO4型；海城2和摩云山村水井水的化学类型为Ca-HCO3·SO4型；海城5水的化学类型为Ca-SO4·HCO3型；汤岗子温泉、东四方台温泉水的化学类型为Na-HCO3·SO4型；千山温泉为Na-SO4·HCO3型。
