内蒙古—辽宁交界地区地下水化学类型及其成因分析*

刘永梅，崔月菊，孙凤霞，仵柯田，姜 莉，刘改梅，陈立峰，杜建国

(1.内蒙古自治区地震局，内蒙古 呼和浩特 010010；2.中国地震局地震预测研究所 高压物理与地震科学联合实验室，中国地震局地震预测重点实验室，北京 100036；3.陕西国际商贸学院，陕西 西安 712046；4.内蒙古自治区巴彦淖尔市地震局，内蒙古 巴彦淖尔 015000)

0 引言

近年来，内蒙古—辽宁交界地区地震活动较为活跃，但目前内蒙古地区地震监测手段较单一，缺乏水文地球化学监测资料。本文通过分析内蒙古—辽宁交界地区地下水的离子浓度和氢氧稳定同位素组成，确定该地区水文地球化学背景和地下水来源，分析水岩平衡状态，为震情跟踪、异常核实及地震预测提供基础资料。

1 地震地质概况

内蒙古自治区境内属高原型地貌区。锡林浩特地区地处内蒙古北部高原区，赤峰地区地处大兴安岭南段山地、阴山山地丘陵区，通辽地区则地处西辽河平原。按地下水资源分区，锡林浩特地区及赤峰地区的克什克腾旗为内陆水系阴山北部高原地下水资源区，赤峰地区的宁城县和通辽地区为西辽河水系地下水资源区。锡林浩特及克什克腾地区的采样地点位于阿巴嘎玄武岩台地区和浑善达克沙地区NE向的得尔布干、伊列克得断裂(Duetal，2010；李英康等，2014)和EW向的西拉木伦河断裂附近(图1)。阿巴嘎玄武岩台地为玄武岩喷发形成，赋存玄武岩裂隙孔洞水。浑善达克沙地区含水层岩性为中粗砂、中细砂及粉细砂，易接受大气降水补给。赤峰市宁城县地区的采样地点位于大兴安岭南段山地丘陵区和阴山山地中嫩江—八里罕断裂南端与赤峰—开原断裂交汇处南侧，地形复杂，地貌类型多样(图1)。降水充沛，水系发育，多系长年流水，河谷宽阔，逆源侵蚀强烈，从而导致山体破碎。通辽地区采样地点位于西辽河平原区中赤峰—开原断裂、北票—朝阳断裂和锦州—阜新断裂附近(图1)。总地势西高东低，由西南向东北缓慢倾斜，海拔约为100～250 m，为第四纪砂黏土、黏砂土、砂、砂砾石组成的冲积平原。该区第四系松散堆积物厚度大，降水量较充沛，西部的西拉沐沦河，乌力吉沐沦河、霍林河等常年河流流经本区，地下水资源丰富(张宗祜，李烈荣，2005)。

图1 内蒙古—辽宁交界地区地震构造和采样点分布图

内蒙古—辽宁交界地区分布有多条深大断裂，如赤峰—开原断裂，西拉木伦断裂、嫩江—八里罕断裂等。赤峰—开原断裂横贯内蒙古和辽宁交界，由西至东分别与嫩江—八里罕断裂、北票—朝阳断裂、锦州—阜新断裂等一系列NE向断裂相交汇，形成了内蒙古—辽宁交界地区“枝干型”断裂系，为该地区历史及现代中强地震的发生提供了有利的地质构造条件(裴惠娟等，2015)。1990—2021年研究区周边发生3级以上地震485次，其中包括4次破坏性地震：1999年1月29日锡林浩特市MS5.2地震，2003年8月16日内蒙古—辽宁交界附近巴林左旗、阿鲁科尔沁旗地区MS5.9地震，2013年1月23日辽阳市灯塔市、沈阳市苏家屯区交界MS5.1地震，2013年4月22日内蒙古—辽宁交界科尔沁地区MS5.3地震。

2 样品采集与分析方法

2.1 样品采集

2017年5月22—29日，由中国地震局地震预测所、内蒙古自治区地震局和工作区地方地震局的同事组成的野外工作队在内蒙古—辽宁交界区的内蒙古境内进行了样品的采集工作，所采集水样来自位于断裂带附近的井、泉、河和水库共计25个(图1)，包括13个泉水样，8个井水样，2个河水样和2个水库水样。NS、RST、LST、KZHQ水样取自地震观测井，RS为宾馆用温泉井，是热泉水，其它均为民用井，详见表1。本文选取河水样品，是为了对比当地大气降水与地下水的同位素组成特征，探讨地下水的来源。采样区域划分为3个区域，其中，I区采集8个水样，II区采集2个水样，Ⅲ区采集15个水样(表1)。取样容器为250 mL的全新聚四氟乙烯瓶，取样时先将干净的瓶子用待采取样点水冲洗2～3次，再注满样品瓶，将瓶内的空气排净，避免空气对水样的影响。大多数样品采集自低温泉、井、河、水库，只有宁城县大城子地震台LST和BYNE为低温热水，克什克腾旗RST温泉为中温热水，宁城RS温泉为高温热水。

2.2 分析方法

3 结果与讨论

根据水化学分析结果，本文利用氢氧同位素组成讨论地下水来源和汇水源区的高程，利用离子组成确定水化学类型，进而探讨不同类型地下水形成的地球化学机理及其与地震活动的关系。

3.1 地下水的来源

3.1.1 氢氧同位素组成特征

由于大气降水、地表水和地下水联系密切，将地表水和地下水的同位素组成与当地大气降水线进行对比研究就显得尤为重要。不仅可以利用水体中氢氧同位素组成特征来探讨地下水来源、形成等问题，还可以判定地下水的补给来源、补给区的位置高度、流域水文循环及地表水与地下水相互转化关系(李学礼等，2010)。

全球大气降水(GMW)的氢氧同位素组成呈线性变化(Rozanskietal，1993)：δD=8.17δ18O+10.35。由于研究区没有可用的降水同位素观测数据，所以本文采用中国东北地区大气降水线(李小飞等，2012)：δD=7.20δ18O-2.39代表研究区大气降水(LMW)的氢氧同位素组成。所有样品的氢氧同位素点分布在GMWL和KMWL附近，表明水的同位素组成受水-岩同位素交换反应和深部流体的影响较小(图2)。绝大部分样品都在GMWL和LMWL交点(-13.13，-96.95)上方，研究区水样拟合线为δD=6.4δ18O-10.1(R2=0.917，n=25)，其斜率明显小于GMWL和LMWL，这归因于水气运移中水滴蒸发引起了同位素分馏，与干旱、半干旱大陆性季风气候，空气干燥，蒸发作用强的地理和气候特征环境的大气降水的研究结果一致(郭少峰等，2015)。

25个水样点多为地下水天然出露裂隙水，Ⅰ区水样的氢氧同位素组成比Ⅲ区水样的同位素组成偏轻，反映了从北部高原区到西辽河平原区受降雨过程中的蒸发作用和地下水补给的变化，同时表明该地区水循环深度较浅、循环速度快，与现代循环水的关系密切。MHQ、RST和YCYC水样的氢氧同位素组成偏轻，可能反映了补给的大气降水以冬季降雪融化为主。AES水样采样区地表为第四纪中粗粒砂，四周平坦开阔，泉水中有气泡上涌，俗称天然啤酒泉，泉流量小。水和大量CO2气体进行同位素交换，使得δ18O值降低，同时干旱区蒸发浓缩作用导致δD值的上升。

研究区季节性温差较大，西部和东部海拔高差约1 000 m，δD和δ18O值空间变化与地势变化相对应。Ⅰ区和Ⅱ区水样的δD值为-106.7‰～-70.3‰，δ18O值为-15.6‰～-10.8‰，明显富集轻的氢氧同位素；Ⅲ区水样的δD值为-73.6‰～-57.3‰，δ18O值为-10.0‰～-7.5‰，比较富集重的氢氧同位素(图2)。这反映了大气降水的纬度效应引起的同位素分离作用，随着纬度升高，年平均气温降低，降水的重同位素逐渐贫化。大气降水稳定同位素的组成存在季节变化和高程分馏效应，海拔高度(气温)与大气降水的同位素组成成反比，即高程增加100 m，δ18O值降低0.15‰～0.50‰，δD值降低1.2‰～4‰。氧同位素组成向右偏离LMWL主要是由水-岩同位素交换反应引起和深部流体混入造成的。西辽河水系中RS、LST水样与同水系其它水样相比较贫重同位素，可归因于汇水域地势高引起的同位素分离。

图2 内蒙古—辽宁交界地区地下水的氢氧同位素组成(据崔月菊等，2022)

3.1.2 补给区高程

利用当地大气降水同位素高程效应，可估算地下水补给区的高程。柳春晖(2006)统计回归得出了大气降水的δ18O值与海拔高程关系式为：

(1)

式中：H为同位素渗入高度；δS为水样点的δ18O值；δP为大气降水的δ18O值；h为水样点高程；k为同位素高度梯度。若k取值-0.58‰/100 m(柳春晖，2006)，δP取值为-6.63‰(GNIP)，利用测得的δ18O值就可以计算得到采样点地下水补给区的高程(表2)。采样点的高程和补给区的高程差内陆水系约为10 m，西辽河水系约为5 m，与实际地形相符。因此，内陆水系水样可能受阿巴嘎玄武岩台地和大兴安岭隆起平均海拔约为1 155 m、1 250 m山区和丘陵区的大气降水补给影响(王瑞久，1985；马致远等，2008)。西辽河水系山区为地下水补给区，河谷洼地、西辽河平原为地下水补给径流区。

表2 内蒙古—辽宁交界地区地下水采样点补给高程Tab.2 Calculated elevation of the groundwater rechargeareas of the sampling points in the border area betweenInner Mongolia and Liaoning

3.2 水化学类型及成因

3.2.1 水化学类型

根据舒卡列夫分类方法，研究区25个水样可分为12种水化学类型(表1)。I区地形复杂，有7种水化学类型，分别为Ca·Na-HCO3、Na·Mg-HCO3、Na-HCO3、Ca-HCO3、Ca-HCO3·SO4、Na·Ca·Mg-HCO3及Na-HCO3·Cl型；II区LST和RS水样分别为Na-SO4·HCO3、Na-SO4型；III区水化学类型种类相对简单，有7种水化学类型，分别为Ca-HCO3、Ca-HCO3·SO4、Ca·Mg-HCO3、Ca·Na-SO4·HCO3、Ca·Na-HCO3·SO4、Ca·Na-HCO3和Na-HCO3·SO4型。

3.2.2 离子来源

图3 Cl--Na+离子浓度图解(据崔月菊等，2022)

II区山区基岩裂隙发育，入渗条件好，易接受大气降水补给，在山间盆地、河谷洼地中多分布有厚度不等的第四系松散砂砾石层，河谷中富含孔隙潜水。LST、RS水样均为观测井水样，采样点位于阴山山脉嫩江—八里罕断裂南段，赤峰—开原断裂附近，高程分别为593 m、683 m，pH值为8.42、8.45，水温为21.9℃、89.3℃，TDS偏高，分别为627.78 mg/L、894.31 mg/L，随着矿化度的增加，Na+含量也增加。LST水样来自大城子地震台观测井，冬天不结冰，全年出水。RS水样采自热水镇一家宾馆使用的温泉井水，山沟走向NW325°。两口井周边地质背景均为中侏罗统-下白垩统花岗岩、混合岩冲积物，且井西侧附近为风化的花岗岩山包。两个水样水化学类型分别为Na-SO4、Na-SO4·HCO3型，是由花岗岩或片麻岩区循环经历了长期水岩相互作用(张炜斌，2013)，以及深部热流体混入形成的特殊水类型。

3.2.3 水化学特征与地震活动

4 结论

本文对内蒙古—辽宁交界地区泉、井、河、水库的25个水样的成因及水文地球化学特征进行分析，研究地下水的物质来源，并讨论了其与地震活动的关系，主要得出以下结论：

(1)内蒙古—辽宁交界地区地貌特征变化大，25个水样可归为12种水化学类型，地下冷水或地表水水化学类型相对复杂，地下热水水化学类型与硫酸盐有关。

(2)氢氧同位素组成表明研究区地下水主要来源于大气降水，并具有明显的高程(温度)分馏效应。研究区中内陆水系地下水主要来源为周围1 100～1 400 m高山的大气降水，而西辽河水系地下水主要来源为周围600 m左右高山的大气降水。

(3)低温水样属于低矿化度的重碳酸型，水-岩反应程度弱，离子主要来源于岩石溶解和海盐。低温热水、中温热水及高温热水的TDS较高，水化学类型为硫酸型和重碳酸型，离子来源于岩石溶解和深部流体；富Cl-、Na+的地下水深部流体贡献较明显(如RST水样)，而海盐源的贡献相对非常小。

(5)在地震活动性较强的地段，地下水化学成分受深部流体的影响较大。

内蒙古巴彦淖尔市地震局李继成、通辽市地震局李洪伟、赤峰市地震局梁耀先、锡林浩特市地震局陈素英和孟猛以及有关旗地震局领导和同事，辽宁省地震局王海燕等在野外考察采样期间给予大力帮助，实验人员及时分析样品，在此表示衷心感谢。