云南宁洱—通关火山区温泉水文地球化学与地震短临前兆异常特征研究*

欧阳澍培，周晓成，何 苗，天 娇，李静超，董金元，李 营，颜玉聪，刘峰立，姚炳宇，王昱文，曾召君，陈曲菲，罗志鑫，吉庚凤

(1.中国地震局地震预测研究所 高压物理与地震科技联合实验室，北京 100036；2.新疆维吾尔自治区消防救援总队 乌鲁木齐市消防救援支队经济技术开发区大队，新疆 乌鲁木齐 830009)

0 引言

温泉是地下流体的一种，泉口的温度显著高于当地年平均气温，其元素含量和离子组分的变化特征可以反映地下水文循环的过程，为该地区断裂带及火山地热流体活动提供证据，为地震监测、预报和分析工作提供基础背景数据和有效的预测指标(Zhangetal，2015；Zhouetal，2017；Wangetal，2018；Shietal，2020)。

温泉水文地球化学特征的变化作为地震短临前兆异常监测的方法，目前得到了广泛的应用，近年来，我国学者对龙门山断裂带、鲜水河断裂带、岷江断裂带等地区的温泉流体地球化学的研究表明，中强地震后相关地区周围温泉出现了明显的水文地球化学异常，地热活动性的强弱与地震活动性密切相关(Duetal，2006；Shietal，2014；Tianetal，2021)。

云南宁洱—通关火山区地震频发，地热资源丰富，降雨量充沛，温泉分布广泛。研究表明：地震发生前后温泉的阴阳离子含量和部分微量元素会发生显著变化。综合研究区的地质演化历史、地球物理深部探测结果及地震活动的相关资料研究显示地下水的深循环与断裂构造、火山活动密切相关(潘明等，2015)。本文通过水文地球化学方法研究该火山区温泉水文地球化学与地震短临前兆异常特征，以期为地震前兆水化异常的判断提供理论依据，为该地区中强地震预报监测提供参考。

1 地热地质概况

研究区位于思茅盆地中央的云南宁洱—通关火山区，思茅盆地新生代以来出现了近NEE走向的隆起构造，东至阿墨江，西至澜沧江，北至墨江通关，南至景洪北，其中央是一条近南北走向的构造带，称为中轴构造带。中轴构造带沿着两条主要的断裂带——无量山断裂和把边江断裂展布，并被一系列NE走向的小型断裂错断，形成棋盘网格状构造(赵慈平等，2017；Zhangetal，2021)。

研究区的8个温泉均位于云南省普洱市宁洱县、墨江县(图1、表1)，该地区全年气候暖湿，日照充足，降水量丰富，分布有侏罗系—白垩系—古近系一套红色碎屑岩地层(王晓翠，2016)，思茅盆地位于欧亚板块和印度板块结合带(21°14′～24°45′N，100°83′～101°76′E)，以澜沧江断裂为界，可分为2个不同级的大地构造单元：西部属冈底斯—念青唐古拉褶皱系的东南端，以大型断裂带构造为主；东部属于唐古拉—昌都—兰坪—思茅褶皱系的南端，构造以盖层褶皱为主。区内分布有东部的阿墨江大断裂，中部沿澜沧江河谷延伸的澜沧江断裂及西部沿黑河、谦迈河延伸的黑河断裂，切割深度大，活动性强，与该地区地震频发密切相关(吴坤罡，2016)。

表1 研究区温泉采样点信息

2 样品与分析方法

2015—2020年笔者对云南宁洱—通关火山区8个温泉进行了10次调查，共计20个水样，每个温泉水样采集4瓶，分别用于测定其主量元素、微量元素、氢氧同位素和二氧化硅含量，实验室分析前进行过滤。QP、XS和EL温泉是连续监测点，2019年11月至今每隔三天进行一次采样。野外采样使用的容器是250 mL聚乙烯塑料瓶。采样前，先将聚乙烯瓶放置在温泉水中润洗2～3次，排净瓶内空气，再进行装样，目的是为了避免水样组分受空气污染。野外采样时，现场测定温泉水温度、pH值、电导率，采样后向用于测定微量元素的瓶样品中滴入1.0 mL浓硝酸，并在室温条件下保存。

3 结果

QP、WN和EL温泉的氢氧同位素分布范围见表2，分别是δD：-20.8‰～11.8‰；δ18O：-158.7‰～-83.4‰，主要分布在大气降水线附近(图2)。由于采样问题，其余5个温泉缺少氢氧同位素数据。温泉水样中的主量元素含量及微量元素分析结果见表3、4。由于采样问题，XS温泉缺少主量元素数据，水样的SiO2含量为14.8～16.5 mg/L。研究区温泉的水温范围是31.8℃～64.7℃，pH值范围是6.67～8.10，平均值为7.28，电导率范围为447～1770 μs/cm。总固体溶解度(Total Dissolved Solid，TDS)范围是140.29～2 859.52 mg/L，其中MZ温泉和DSJ属于微咸水，QP、XL、NER、WN温泉和EL属于淡水。

表2 QP、WN和EL温泉补给高程

图2 温泉水样的δD-δ18O关系图

本文采用舒卡列夫分类法(阴、阳离子的毫克当量百分比分别大于25%的离子参与命名)，将宁洱—通关火山区的温泉划分为6种水化学类型：Na·Ca-HCO3、Na·Cl-HCO3、Na-HCO3、Ca-HCO3、Na·Ca-SO4·HCO3、Na·Ca-Cl·SO4型。利用Origin软件绘制了Piper三线图(图3)，研究各温泉点的离子含量分布规律。QP的水化学类型是Na·Cl-HCO3和Na-HCO3型；XL和NER属于Ca-HCO3型，EL的水化学类型是Na·Ca-HCO3型；MZ温泉属于Na-HCO3·Cl型；DSJ属于Na·Ca-SO4·HCO3型。

图3 温泉水样Piper三线图

4 讨论

4.1 补给来源

Craig(1961)系统研究了全球的大气降水样品、地表水样品后提出了大气降水的氢氧同位素含量满足Craig方程：δD=8δ18O+10。δD-δ18O关系是一条直线，又称为全球大气降水线。图2中数据点均落在全球大气降水线附近，轻微偏离右下方及左上方，表明温泉的补给来源是大气降水。

影响大气降水中的氢氧同位素组成的因素主要有两方面，一是水汽来源和输送过程，二是高程效应(张贵玲等，2015；颜玉聪等，2022)。根据高程效应，大气降水入渗补给的地下水中δD和δ18O会随着海拔高度的增高而降低，因此可以利用地下水中同位素含量的高程效应计算温泉水的补给高程(Clark，Royden，2000)，计算公式(王恒纯，1991；张洪平等，1991)如下：

H=(δG-δP)/K+h

(1)

式中：H是计算结果即补给高程；δG是水样的δD或δ18O含量(‰)；δP是水样点附近大气降水的δD或δ18O含量(‰)；K为δD或δ18O的正高程梯度；h为取样点的高程。

我国西南地区的高程梯度是-2.5‰/100 m(汪集旸等，1993)，西部降水高程效应公式(Yuetal，1984)为：

δ18O=-0.0031H-6.2

(2)

δD=-0.026H-30.2

(3)

温泉水样补给高程计算结果见表2。QP、WN和EL补给高程平均值在1.7～2.2 km。

由Pang等(2017)提出的水-岩反应过程中氢氧同位素变化图解可知，大气降水进入了地下循环，然后上升至地表，与围岩发生了水-岩反应，产生了氧同位素漂移的现象。温泉水与围岩发生同位素平衡分馏反应，温泉水中的16O部分进入到了围岩，围岩的18O进入到水中。温泉水上升到地表后发生了蒸发作用，其变化趋势与地表蒸发过程的δD-δ18O变化曲线吻合。

4.2 水化学成分特征

4.2.1 主量元素

4.2.2 微量元素

微量元素的富集可以反映水-岩反应的程度，水-岩反应越强烈，部分微量元素越富集(Soto-Jiménez，Páez-Osuna，2001)。2015年5月至2019年11月，温泉水中Sr、B、Fe、Mn含量时间变化较大(表4)。研究区温泉水中Sr含量较高与围岩中含Ca2+的矿物的溶滤相关。Sr可以以独立矿物的形式分布在沉积岩中，也可以以类质同象形式存在于斜长石、钾长石、文石、硬石膏等矿物中(许佩瑶，丁志农，1997；牟保磊，1999)。DSJ温泉的Fe、Ni、Cu、Mo、Pb、Zn等过渡族金属元素的含量明显偏高，可能预示着地下水流经了金属矿床区。Fe、Mn元素还原条件下主要分布在橄榄石、辉石、角闪石等造岩矿物中。Fe在氧化条件下可转化为高价态的磁铁矿和赤铁矿等，因此，酸性、氧化的水-岩反应条件有利于Fe、Mn元素向温泉水中迁移富集(牟保磊，1999)。

图4 研究区温泉微量元素分布图

4.2.3 水-岩反应

水文地球化学研究过程中，一般使用Na-K-Mg三角图来描述水岩反应程度。地热水与围岩发生离子交换反应达到平衡状态就是平衡水，未达到平衡则为未成熟水，部分离子反应已达平衡状态即部分平衡水。将温泉水样的Na+、K+、Mg2+含量进行计算处理，如c(Na+)/1000， c(K+)/100 ，c(Mg2+)1/2，再计算出3个端元的百分比投点到Na-K-Mg三角图上，结果如图5所示。从图中可以看出，QP、XL、DSJ、WN和EL温泉的数据点分布在未成熟水区域，并且集中在Mg1/2端元一侧。因此推测，宁洱—通关火山区温泉水在上升过程中与围岩发生水-岩反应不充分，泉水深部上涌，水温、水压和气体含量快速下降，改变了水-岩反应达到平衡的条件，几个出露点泉水总体来说矿化度较小，淋滤作用带入了部分围岩成分，但是与围岩没有充分发生离子交换反应，水-岩反应程度较低。

图5 温泉水样Na-K-Mg三角图

4.3 热储温度与循环深度

热储温度可以用来研究温泉的成因和地下水循环的受热、冷却过程。以水化学离子含量和温泉水样中的SiO2含量为参数来估算地热储温度是目前比较常用、便捷的方法。目前最常用的计算方法有两种：一种是阳离子温标法，如Na-K-Ca温标法、Na-K温标法；另一种是SiO2温标法。天然水中溶解的SiO2一般不受其它金属离子浓度的影响，Si元素的总浓度是温度的函数，随着水温的下降，SiO2的溶解度缓慢降低(王皓柴蕊，2009)。SiO2温标适用范围是0～250 ℃，研究区QP、XL、DSJ、WN和EL温泉的水样都是未成熟水，水温均低于100 ℃，因此本文采用SiO2温标法计算，公式如下(Fournier，1977)：

(4)

温泉为大气降水入渗补给通过地下热循环升温后回流至地表形成的，因此热水循环深度计算公式(李学伦，1997)为：

(5)

式中：H为循环深度；T和T0分别表示地热水的热储温度和当地平均气温；h是常温层的深度；g是研究区域的地温梯度(2.9 ℃/100m)。

思茅盆地的年平均气温T0取20.1 ℃，h取25 m，计算结果见表5。结果表明，宁洱—通关火山区3个温泉的SiO2含量相近，WN、EL、QP温泉的循环深度平均值是2.22 km，循环深度较深。采用Na-K-Mg温标法估算水样QP1911T01的热储温度是95.0℃，远高于SiO2温标法的计算结果。

表5 温泉热储温度和循环深度

地下热水的热源主要有4种：地热增温、岩浆残余热、构造活动热和放射性衰变热(张珂，马浩明，2002)。研究区有显著的地热场异常，至今仍可能有岩浆活动。宁洱附近可能存在源自地幔的浅层岩浆囊，成为主要地下热水热源(赵慈平等，2014)。根据岩浆热源的水文地球化学判据来分析宁洱—通关火山区地热水是否有岩浆热源。若地热区同时出现3种类型的地热水：①酸性的SO4型或SO4-Cl型或Cl-SO4型地热水；②中性的Na-Cl型或Na-Cl·HCO3型地热水；③弱碱性的Na-Cl·HCO3型或Na-HCO3型地热水，表明该地热区有岩浆热源；反之，则为非岩浆热源(郭清海，2020)。研究区的温泉水化学类型符合以上条件，说明岩浆热源是该区地下热水的主要热源之一，另一个主要热源则是地热增温。岩浆热源型的温地热水与非岩浆热源型的地热水，其水文地球化学过程差别很大，根本原因是岩浆热源释放出的SO2等酸性气体将强力溶蚀围岩，同时热储内区的水岩相互作用的温度远高于非岩浆热源型地热系统的反应温度，酸性热泉的大量出现是绝大多数岩浆热源型温泉的独特水文地球化学标识(郭清海，2020)。地下水通过带走围岩的热量而升温，表现为地表热流值的负异常；水在汽化过程中，也可通过向围岩释放热量而降温，表现为地表热流值的正异常(庞忠和，1987)。研究区3个泉口水温相较热储温度的温差变化较小，因此推断出地下热水在深部循环上升回流过程中，较少受到浅层冷热水混和作用所带来的影响(王云等，2018)。

4.4 温泉水文地球化学变化与地震的关系

表6 2020年云南绿春ML4.4、 2021年双柏MS5.2地震前后水化异常时间及异常幅度

根据对温泉水化指标的影响程度划分区域地震的震级、震中距，如图6所示，图中黑色线代表距离监测点50 km范围内ML1.0～5.0地震，红色线代表距离监测点50～300 km范围内MS≥5.0地震。对震中距50 km以内的ML1.0～5.0地震、震中距50～300 km的MS≥5.0地震观测结果表明水化异常现象具有如下变化规律：温泉点距离震中愈近，异常现象出现时间愈早；震级愈高，异常现象出现时间愈早，与Li等(2021)研究结果一致。

研究区温泉补给主要来自大气降水，水-岩反应程度低，但该地区氦同位素很高(Zhangetal，2021)，预示深部上升的流体增加，所以震前离子浓度的升高可能与流体混和有关。绿春地区主要受阿墨江断裂和李仙江断裂控制。阿墨江断裂是多期次活动的压扭性逆冲推覆构造，NW向展布(方维萱等，2002)；李仙江断裂是多期次活动的逆冲推覆构造，发育次级裂隙和牵引褶皱(图1)。2020年云南绿春ML4.4地震发生前，地区构造应力场发生变化，影响了断裂体系及周围的温泉，残存的裂隙水混合进入地下水循环中，因此离子浓度发生了改变。

另外，地下流体的静水压力释放，也会改变断裂所受的构造应力，这是地震发生的重要原因之一(田雷等，2018)。地下水循环深度愈深，温泉水温愈高，其对断裂面以及围岩的作用愈强，因此断裂积累的应力强度相应愈低，只要较小的外部应力作用就会发生错动，断裂的能量易于释放，其地震活动性表现出中小地震(ML<5.0)频发的特点(图7)。温泉流体地下循环深度愈浅，温泉水温愈低，对于断裂的弱化程度较小，断裂不易错动从而可能在这些部位积累较大的应力，而一旦释放能量，该地的地震活动性将表现为发生中强地震(ML≥5.0)的风险性提高。地下热水的循环深度与中小地震(ML<5.0)的震源深度有密切的关系，目前对此方面的研究尚不充分(车用太，鱼金子，2014)。

F1：把边江断裂带；F2：无量山断裂带；F3：澜沧江断裂带；

5 结论

本文研究了云南宁洱—通关火山区的温泉水样，分别进行了主量元素、微量元素和氢氧同位素分析，并讨论了温泉水文地球化学变化与地震的关系，得出如下主要结论：

(1)研究区温泉的补给来源主要是大气降水，补给高程为2.0～2.7 km。

(2)宁洱—通关火山区的温泉共有6种水化学类型：Na·Ca-HCO3、Na·Cl-HCO3、Na-HCO3、Ca-HCO3、Na·Ca-SO4·HCO3和Na·Ca-Cl·SO4型。

(3)宁洱—通关火山区的温泉与围岩没有充分发生离子交换反应，水-岩反应程度较低。

(4)SiO2温标法计算结果表明宁洱—通关火山区温泉的循环深度在1.2 km，循环深度较浅，温泉水热源是岩浆残余热和地热增温，地热水在上升回流过程中缓慢冷却，较少或未受到浅层冷水混合的影响。

(6)地震引发了区域断裂错动，岩层渗透率提高，上下含水层的水短时间内加速循环和成分交换，原有的水-岩反应平衡状态改变，相应离子浓度发生变化。

(7)研究区的地下水循环过程受热增温，出露温泉水温较高，水对断裂带以及围岩的作用较强，断裂积累的应力强度较低，只需较小的外部应力作用就会发生错动，断裂的能量易于释放，因此地震活动性表现出中小地震(ML<5.0)频发的特点。