水-巖反應(yīng)過(guò)程中離子濃度變化特征實(shí)驗(yàn)研究及其對(duì)地震異常成因的啟示*

邵俊杰，李 營(yíng)，孫鳳霞，陳 志，劉 雷，徐超文，胡 樂(lè)，路 暢，劉兆飛，趙元鑫

(中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所，北京 100036)

0 引言

地震的孕育和發(fā)生是一個(gè)復(fù)雜的物理-化學(xué)過(guò)程。在地震孕育過(guò)程中，巖層中應(yīng)力狀態(tài)的變化以及地?zé)岙惓Ｗ兓紩?huì)引起介質(zhì)體系的變化和水-巖體系平衡的破壞，導(dǎo)致巖層中化學(xué)組分發(fā)生遷移和各種化學(xué)過(guò)程產(chǎn)生變化(Griffin，2017；張煒等，1987；Perez，2008；Yasuhara，2006)。地震監(jiān)測(cè)和研究表明，大部分中強(qiáng)地震伴有地下流體化學(xué)組分的變化(杜建國(guó)等，2018)。大量地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，地下流體在大地震前會(huì)出現(xiàn)較多的短臨異常(劉耀煒等，2006；車用太等，2008；周曉成等，2012)。以往記載的歷史地震的各種地震前兆中，地下流體異常占一半以上(廖麗霞，廖春奇，2002)。

目前，有關(guān)地震水化學(xué)前兆形成機(jī)理的假說(shuō)與模型有：混合機(jī)理、膨脹擴(kuò)散機(jī)理、振動(dòng)機(jī)理、孔隙壓縮機(jī)理、壓溶機(jī)理、深部物質(zhì)上溢機(jī)理、多元綜合機(jī)理等(張國(guó)民等，2001；Skelton，2008；Ryabinin，2011；Zhou，2021)，水-巖反應(yīng)是影響地下流體異常的關(guān)鍵因素之一(王世芹等，2004；葉秀薇等，2004；林國(guó)元等；2015)，對(duì)地下流體的地球化學(xué)性質(zhì)有重要影響。因此，開展水-巖反應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)獲取地震前兆信息、確定地震引起的地下水化學(xué)組分異常具有重要作用(丁抗，1989)。一方面，學(xué)者們通過(guò)大量水-巖反應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究地下流體與巖石變化特征，探討地震水化異?，F(xiàn)象的形成機(jī)理，主要通過(guò)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究揭示巖石在流體的作用下力學(xué)性質(zhì)的改變，以及孔隙壓力的變化對(duì)巖石滲透率等物理性質(zhì)的影響，研究結(jié)果顯示在壓力作用下流體的加入使巖石的孔隙度、滲透率等物理性質(zhì)發(fā)生了更明顯的變化，對(duì)探討巖石物理性質(zhì)變化與地震關(guān)系具有重要意義(Rutqvist，2001；Feng，2004；車用太等，1995；梁祥濟(jì)等，1994；Yasuhara，2006；Elias，Hajash，1992；Zhou，2021)。另一方面，學(xué)者們也對(duì)水-巖反應(yīng)中流體的變化進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)壓力、溫度等環(huán)境因素與巖石物理化學(xué)性質(zhì)都會(huì)影響溶液的離子濃度，進(jìn)而形成不同的溶液類型與水化學(xué)異常，這對(duì)于探討地震水化學(xué)異常具有重要意義(Du，2021；Elsworth，Yasuhara，2006；Zhou，2020)。

1 實(shí)驗(yàn)樣品與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

灰?guī)r是地殼分布最廣的巖石之一，我國(guó)存在著大量的灰?guī)r含水層(趙祥龍，2021；許國(guó)勝等，2021；何偉等，2010)，花崗巖具有較強(qiáng)的孕震能力，而橄欖巖主要存在于上地幔。因此，本文選取灰?guī)r(DZC-1)、花崗巖(GZK-1)、橄欖巖(DMP19)作為實(shí)驗(yàn)樣品，了解不同巖性對(duì)水-巖反應(yīng)離子濃度的影響。

DZC-1樣品(圖1a、b)巖石新鮮面為深灰色細(xì)層狀，隱晶結(jié)構(gòu)，條帶狀構(gòu)造。巖石主要由方解石與少量石英砂屑組成，泥粉晶結(jié)構(gòu)，加入鹽酸劇烈起泡，較致密，巖石定名為泥晶灰?guī)r。GZK-1樣品(圖1c、d)新鮮面呈灰白色，中細(xì)粒粒狀結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造，礦物組成主要包括石英、長(zhǎng)石和黑云母，其中長(zhǎng)石以斜長(zhǎng)石為主，含少量鉀長(zhǎng)石，定名為中細(xì)粒黑云母花崗閃長(zhǎng)巖。DMP19樣品(圖1e、f)新鮮面呈暗灰綠色，礦物組合以橄欖石為主，其次為頑火輝石與透輝石，副礦物為菱鐵礦，巖石結(jié)構(gòu)為顯晶粒狀結(jié)構(gòu)，橄欖石等礦物自形程度較好，塊狀構(gòu)造，定名為二輝橄欖巖。

X射線衍射分析(XRD)實(shí)驗(yàn)在北京北達(dá)燕園微構(gòu)分析測(cè)試中心有限公司的X射線衍射儀(D/max-rB)上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。DZC-1樣品灰?guī)r主要由方解石(98%)與少量白云石(1%)與石英(1%)組成；GZK-1樣品主要由石英(42%)、斜長(zhǎng)石(14%)、微斜長(zhǎng)石(9%)、云母(35%)等組成；DMP19樣品橄欖巖主要由橄欖石(72%)、頑火輝石(19%)、透輝石(10%)以及少量菱鐵礦(3%)組成。3種巖石樣品受風(fēng)化程度小，礦物粒度均勻，適合實(shí)驗(yàn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)主要研究巖性、時(shí)間、溫度、粒度4種因素對(duì)水-巖反應(yīng)離子濃度的影響。首先將巖石樣品清洗干凈，分別粉碎至<80目、80～120目及>120目3種粒度，水巖質(zhì)量比為3∶4，稱量15 g巖石樣品粉末與12 mL超純水放入反應(yīng)釜中，實(shí)驗(yàn)所用反應(yīng)釜如圖3所示，分別加熱至100 ℃、150 ℃和200 ℃，反應(yīng)時(shí)間為24 h、72 h、120 h、168 h。反應(yīng)結(jié)束后，取出反應(yīng)溶液，用0.45 μm濾膜進(jìn)行過(guò)濾，置入無(wú)污染聚乙烯瓶中，對(duì)水中主要離子組分進(jìn)行分析。水熱反應(yīng)釜內(nèi)部壓力依據(jù)克勞修斯-克拉貝龍方程計(jì)算，壓力在150 ℃時(shí)約為0.5 MPa，在200 ℃時(shí)約為1.6 MPa。水樣的水化學(xué)組分在中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，使用儀器為Dionex ICS-900離子色譜儀及AS40自動(dòng)進(jìn)樣器，檢測(cè)限為0.01 mg/L、測(cè)量誤差<5%。

圖1 3種巖石樣品的鏡下照片

為確定各巖石樣品粒度與面積的關(guān)系，對(duì)巖石3種粒度進(jìn)行粒度分析，測(cè)試單位為中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所理化分析中心，分析儀器為英國(guó)馬爾文儀器有限公司Mastersizer 2000型激光粒度散射儀，粒度測(cè)量范圍為0.02～2 000 μm。分析結(jié)果見表1，實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)分為(3，2)與(4，3)，兩項(xiàng)數(shù)據(jù)的定義如下：

(1)

(2)

兩種計(jì)算方法的優(yōu)點(diǎn)是公式中不包含顆粒的數(shù)量，因此可以在未知顆粒數(shù)量的情況下計(jì)算粒徑平均值。

圖2 3種巖石樣品X射線粉晶衍射圖譜

表1 巖石樣品粒度分析結(jié)果表

圖3 水熱反應(yīng)釜設(shè)備圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后共獲得108組離子濃度的數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，不同條件下，水中離子濃度呈現(xiàn)不同程度的變化。

2.1 離子濃度隨時(shí)間的變化

圖4 灰?guī)r中離子濃度與反應(yīng)時(shí)間關(guān)系

2.2 離子濃度隨粒度的變化

圖5 橄欖巖中離子濃度與反應(yīng)時(shí)間關(guān)系圖

圖6 花崗巖中離子濃度與反應(yīng)時(shí)間關(guān)系圖

圖7 灰?guī)r中離子濃度與粒度關(guān)系圖

2.3 離子濃度隨溫度的變化

2.4 各因素對(duì)離子濃度影響比較

通過(guò)控制變量方法討論離子濃度變化，忽略了多變量對(duì)離子濃度的綜合影響。如圖4所示，Na在粒度<80目的條件下隨時(shí)間變化范圍較小，當(dāng)提高溫度或減小粒度時(shí)發(fā)生明顯變化，因此討論控制離子濃度變化的主要因素，需綜合分析多變量影響，總結(jié)各因素對(duì)離子濃度變化的影響。

本文選擇(4，3)數(shù)據(jù)作為粒徑的平均值，能更好地反映顆粒質(zhì)量對(duì)系統(tǒng)的影響。水-巖反應(yīng)總接觸面積可表示為：

(3)

式中：為水巖反應(yīng)總接觸面積；為巖石質(zhì)量；為巖石的平均粒徑。計(jì)算得到樣品粒度與表面積的關(guān)系，見表2。

變量投影重要性(variable importance in projection，VIP)是指自變量在解釋因變量時(shí)作用的重要性，其定義為：

(4)

圖8 灰?guī)r中離子濃度隨溫度變化關(guān)系圖

表2 樣品粒度對(duì)應(yīng)的顆粒半徑以及總表面積

自變量的≥1，說(shuō)明自變量在解釋因變量時(shí)有更加重要的作用；05≤<1，自變量解釋作用的重要性還不很明確，需要增加樣本或根據(jù)別的條件進(jìn)行判斷；<0.5，則自變量對(duì)因變量的解釋基本沒(méi)有意義。因此，值可以被用來(lái)篩選出對(duì)模型貢獻(xiàn)較大的變量，通?？偸沁x擇≥1 的自變量建立統(tǒng)計(jì)回歸模型(Chong，Jun，2005)。

不同離子的偏最小二乘法回歸模型為：

=++

(5)

式中：代表不同離子濃度；代表溫度；代表時(shí)間；代表水-巖反應(yīng)的接觸面積，、、代表不同系數(shù)。統(tǒng)計(jì)得到所有離子標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)如式(6)～(9)所示。

圖9 灰?guī)r(a)、橄欖巖(b)、花崗巖(c)

Na=0420 6+0141 1+0598 9

(6)

K=0275 4+0157 8+0450 7

(7)

Cl=-0008 3+0078+0592 1

(8)

(9)

式中：代表不同離子濃度；代表溫度，單位為℃；代表時(shí)間，單位為h；代表水-巖反應(yīng)的接觸面積，單位為m。對(duì)于Ca、Mg來(lái)說(shuō)，離子濃度變化較為復(fù)雜，無(wú)法給出統(tǒng)一的模型。

地震引起的地?zé)岙惓Ｔ谏钐帨囟容^高，介于100 ℃～300 ℃，但地表觀測(cè)到的溫度變化較小，變化幅度在1 ℃內(nèi)，因此地震導(dǎo)致的地?zé)岙惓?，并不是離子濃度變化的主要原因(Gherardi，Pierotti，2019；盧國(guó)平等，2020；張國(guó)紅，劉福生，2010)。Na、K、Cl濃度的時(shí)間系數(shù)均小于接觸面積系數(shù)，且在變量重要性分析中不影響離子濃度，因此認(rèn)為離子濃度主要與接觸面積有關(guān)。Wells等(1994)和龍鋒等(2006)通過(guò)統(tǒng)計(jì)地震震級(jí)與震源破裂面積得出二者之間的經(jīng)驗(yàn)公式為：

=4.134+0.954lg

(10)

式中：為震級(jí)；為破裂面積，單位為km。

由式(10)推算，當(dāng)發(fā)生1級(jí)地震時(shí)，震源破裂面積仍可達(dá)到500 m，當(dāng)發(fā)生更大震級(jí)的地震時(shí)，將產(chǎn)生更大的破裂面積，因此地震導(dǎo)致的水-巖反應(yīng)接觸面積的數(shù)量級(jí)將遠(yuǎn)大于溫度與時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)合實(shí)際情況表明，地震導(dǎo)致水化學(xué)異常中，水-巖反應(yīng)的接觸面積是控制離子濃度變化的主要原因。

2.5 地震水化學(xué)異常指標(biāo)響應(yīng)靈敏性差異

3 結(jié)論

(2)巖性主要影響水-巖反應(yīng)溶液離子類型，巖性是控制 Ca、Mg濃度變化的主要因素。

(3)偏最小二乘法分析結(jié)果顯示，水-巖反應(yīng)接觸面積的變化是控制離子濃度的主要因素，這表明在脆性含水層中，響應(yīng)地應(yīng)力的微破裂引起的水-巖相互作用可能是地震水化學(xué)異常成因機(jī)制之一。