依蘭—伊通斷裂北段地下水化學(xué)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(xué)組分受地下應(yīng)力和構(gòu)造活動等的控制，能夠靈敏、直觀地反映地殼的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)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(tài)發(fā)生改變以及深部流體混入等因素的影響，在地震孕育和發(fā)生過程中，均會引起觀測井水化學(xué)組分發(fā)生變化，因此，研究地下水組分變化與地震的關(guān)系，在震前預(yù)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(xué)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(fēng)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(xué)特征，取得觀測點的地球化學(xué)背景數(shù)據(jù)，能夠為流體前兆異常核實提供重要的依據(jù)。

依蘭—伊通斷裂北段是我國東北地區(qū)地震活動最活躍的地區(qū)之一，加強對該地區(qū)的流體地球化學(xué)監(jiān)測，對判定該地區(qū)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(wǎng)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(jīng)濟的發(fā)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(nóng)業(yè)灌溉影響、鶴崗井受周邊企業(yè)用水影響、通河井受“農(nóng)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(jīng)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(xué)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(xué)類型與成因尚沒有系統(tǒng)研究。本文分析了這4個流體觀測站及其附近地區(qū)水樣的地球化學(xué)組分和同位素組成，總結(jié)該地區(qū)的地下水類型及成因等地球化學(xué)特征，以期為震情跟蹤和流體異常核實提供基礎(chǔ)資料及科學(xué)依據(jù)。

1 地震地質(zhì)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(nèi)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(gòu)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(qū)規(guī)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(jīng)濟發(fā)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(qū)域，該區(qū)域自1973年有地震臺網(wǎng)記錄以來，地震活動以中小地震為主，未發(fā)生過5級以上地震。根據(jù)對歷史地震的發(fā)掘和古地震的考察發(fā)現(xiàn)該斷裂具備大地震的發(fā)震背景。1963年6月黑龍江省蘿北縣發(fā)生5.8級地震，是新中國成立以來依蘭—伊通斷裂北段發(fā)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(nèi)發(fā)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(qū)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(qū)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(guī)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(xué)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(xiàn)場測定水樣的溫度和總?cè)芙夤腆w(TDS)。

圖1 依蘭—伊通斷裂北段采樣點分布

3 水化學(xué)組分特征分析

3.1 水質(zhì)類型及成因分析

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

表1 樣品水化學(xué)分析結(jié)果

圖2 研究區(qū)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(zhì)渾濁，TDS值為118 mg/L，水化學(xué)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(nóng)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(xué)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(zhì)清澈，TDS值為32 mg/L，水化學(xué)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(xué)類型為HCO-Ca型，補給源主要是大氣降雨。

3.2 水-巖化學(xué)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(tài)和區(qū)分不同類型的地下水。將研究區(qū)取樣點的 Na、K、Mg 組成繪制于三角圖中，大多數(shù)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(huán)周期相對較快，水-巖之間尚未達到離子平衡狀態(tài)，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(nèi)，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(yīng)相對較弱，水流系統(tǒng)較為穩(wěn)定，不易受到外界干擾。

圖3 研究區(qū)水樣Na-K-Mg三角圖

3.3 地下水熱儲溫度及循環(huán)深度估算

熱儲溫度是劃分地下熱水系統(tǒng)成因類型不可缺少的重要參數(shù)，地球化學(xué)溫標是估算這一參數(shù)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(guān)系建立的溫標方法，全部陽離子溫標法均為經(jīng)驗性的近似方法，陽離子溫標建立在陽離子交換反應(yīng)的基礎(chǔ)上，反應(yīng)平衡常數(shù)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(qū)域，因此可以采用陽離子溫標法來計算水的熱儲溫度。據(jù)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(jié)果

地下水的溫度受其賦存與循環(huán)處的地溫控制，根據(jù)地下水的溫度可以大致推算出地下水的循環(huán)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(huán)深度，即

(1)

通過查閱相關(guān)文獻得到，通河地區(qū)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(huán)深度為4 227 m。

4 同位素組成特征分析

地下水形成后，經(jīng)過蒸發(fā)、徑流和水-巖相互作用等環(huán)節(jié)不斷發(fā)生循環(huán)和演化，氫氧同位素在此過程中會發(fā)生動力分餾，與高溫巖石等其它物質(zhì)發(fā)生交換和反應(yīng)，從而造成地下水中的氫氧同位素組成與大氣降水線發(fā)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(huán)和演化特征。在水循環(huán)過程中，由于同位素成分的動力學(xué)分餾作用，各地區(qū)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(guān)關(guān)系(圖4)：δD=8δO+10(Craig，1961)，中國東北地區(qū)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(qū)大氣降水線。從圖4可見，研究區(qū)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(huán)中發(fā)生的同位素分餾。所采的水樣均分布于當?shù)卮髿饨邓€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(qū)大氣降水蒸發(fā)、凝結(jié)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(qū)水受蒸發(fā)的影響，或者雨水中具有內(nèi)陸蒸發(fā)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(xiàn)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(jié)水。研究區(qū)的水樣屬于同一氣候環(huán)境，因此季節(jié)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(qū)水樣的氫氧同位素組成

5 結(jié)論

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

(2)研究區(qū)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(tài)，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(huán)深度為4 227 m。

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