漾濞6.4級地震前后大理地區(qū)溫泉水化學(xué)組分特征分析

李見，張翔，楊志堅，李朝明，段美芳

（云南省地震局，昆明 650224）

0 引言

流體在地球動力學(xué)過程中有不可或缺的作用，水文地球化學(xué)在地震監(jiān)測預(yù)測方面得到廣泛應(yīng)用，地震常伴有流體各組分地球化學(xué)異常變化，地下流體異常對地震孕震區(qū)及其外圍區(qū)域介質(zhì)的變化有較為靈敏的響應(yīng)，某些強(qiáng)震前會出現(xiàn)地下流體群體性異常變化[1-3]。2007年普洱地震震前后溫泉水中氟離子發(fā)生明顯變化[4]，2008年汶川大地震伴有地下水位和流體地球化學(xué)異?，F(xiàn)象[5]，2008年汶川8.0級地震前后的5月1日至7月4日，距震中約400 km的重慶北溫泉群所有溫泉的水溫下降了1℃左右，震后海拔較低泉點K+、Na+、Ca+濃度大幅降低[6]，2015年阿左旗5.8級地震，周圍區(qū)域的水化學(xué)組成變化較大，對地震響應(yīng)較為敏感[7]。

2021年5月21日21時48分37秒（北京時間），在云南省大理白族自治州漾濞縣（25.67°N，99.87°E）發(fā)生M6.4級地震，震源深度8 km。雷興林等[8]對漾濞地震特征和成因進(jìn)行研究，認(rèn)為漾濞地震受深部流體作用的影響明顯，漾濞地震后的流體特征需要進(jìn)一步研究。此次漾濞MS6.4地震發(fā)生于滇西北地區(qū)，該區(qū)域歷史上M≥6.0地震頻發(fā)，且大多數(shù)地震發(fā)生于主要斷裂及其附近區(qū)域，2013年3月以來，滇西北地區(qū)ML≥4.0地震顯著增強(qiáng)，且主要集中分布在維西—喬后斷裂、程海斷裂及其附近地區(qū)。劉自鳳等[9]研究了滇西北地區(qū)b值以及其應(yīng)力張量方差的空間掃描，顯示出程海斷裂、龍蟠—喬后斷裂和維西—喬后斷裂南段及鄰區(qū)低值變化特征相對顯著，認(rèn)為強(qiáng)震發(fā)生的可能性大?；趶?qiáng)震危險性的較大背景，從2019年開始，對大理地區(qū)主體斷裂（維西—喬后斷裂、程海斷裂、紅河斷裂等）附近6個溫泉每季度定期進(jìn)行采樣觀測，主要測定斷裂附近溫泉水體的水氡、水汞、水體主要陰離子、固體CO2、電導(dǎo)率、pH值、水溫等地球化學(xué)量；此次漾濞6.4級地震后，也及時對區(qū)域內(nèi)溫泉開展了現(xiàn)場采樣觀測。共獲得6個溫泉震前震后8組連續(xù)流動觀測數(shù)據(jù)。因此，本文通過分析漾濞6.4級地震前后大理地區(qū)溫泉水化學(xué)組分，分析該地區(qū)溫泉水文地球化學(xué)變化規(guī)律，探索溫泉水地球化學(xué)特征變化與漾濞地震的關(guān)系。研究成果不僅對認(rèn)識該區(qū)溫泉水地球化學(xué)特征及其演化有重要意義，而且對探索和改進(jìn)利用該區(qū)溫泉水化學(xué)組分進(jìn)行地震預(yù)測的方法也具有重要意義。

1 地質(zhì)背景

從構(gòu)造上看，漾濞M6.4地震發(fā)生在川滇菱形塊體西側(cè)的印支塊體上，印支地塊自西向東分為三個次級構(gòu)造單元：臨滄花崗巖帶、瀾滄江斷裂帶和蘭坪—思茅盆地。蘭坪—思茅盆地內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，發(fā)育了早期的逆沖斷層、推覆構(gòu)造與晚期的走滑構(gòu)造斷層[10-11]。此次地震發(fā)生在蘭坪—思茅盆地內(nèi)，離東側(cè)維西—喬后—巍山斷裂約20 km（圖1）。維西—喬后—巍山斷裂帶，北起雪龍山東廘白濟(jì)汛一帶，經(jīng)維西、通甸、喬后，止于巍山盆地南端，走向北北西，傾向NE/NW，長約280 km。大致以玉獅場、平坡為界，可將斷裂分為北段、中段和南段3段，是一條走滑兼正斷的活動斷裂[12-13]。該區(qū)域是青藏高原物質(zhì)向東南側(cè)擠出的通道[14]，也是特提斯—喜馬拉雅構(gòu)造域東南部弧形構(gòu)造轉(zhuǎn)折處，處于川滇菱形塊體西南邊界紅河斷裂帶與近南北向麗江—大理斷裂系統(tǒng)的交匯區(qū)及應(yīng)力集中帶[15]。區(qū)域內(nèi)強(qiáng)震頻發(fā)，圖1b給出了1925年有儀器記錄以來的M≥6.0級地震M-T圖，包括漾濞M6.4級地震在內(nèi)，共發(fā)生了22次6級以上地震，占同時期云南地區(qū)地震的34%，最近的一次強(qiáng)震頻發(fā)時段是1996—2003年，期間發(fā)生1次麗江7.0級地震，4次M≥6.0級地震。漾濞M6.4級地震與上一次地震相隔12年。大理地區(qū)位于紅河斷裂帶北端，構(gòu)造上表現(xiàn)為一系列近SN向及NNE向的活動斷裂，如離此次漾濞地震約20 km的維西—喬后—巍山斷裂，中新世以來的斷陷盆地從南北兩個方向逐漸向NW走向的紅河斷裂交會，構(gòu)成斷裂東北側(cè)典型的滇西北伸展裂陷區(qū)[16]。

圖1 區(qū)域構(gòu)造與歷史地震震中分布Fig.1 Regional tectonics and epicenters distribution of the historical earthquakes

此次定期觀測的6個溫泉為：洱源縣牛街鄉(xiāng)練渡村溫泉（以下簡稱洱源溫泉），永勝縣片角鎮(zhèn)熱河村溫泉（以下簡稱永勝溫泉），彌渡縣彌城鎮(zhèn)高芹溫泉（以下簡稱高芹溫泉），彌渡縣彌城鎮(zhèn)白總旗溫泉（以下簡稱白總旗溫泉），云龍縣漕澗下澡堂溫泉（以下簡稱云龍溫泉），劍川縣老君山新和村溫泉（以下簡稱劍川溫泉），位置如圖2所示，除劍川溫泉離漾濞6.4級地震震中距為104 km，其余溫泉震中距都在100 km內(nèi)（表1）。洱源溫泉位于紅河斷裂和麗江—劍川斷裂交互處，該區(qū)內(nèi)構(gòu)造體系呈SN向展布，為地下熱水提供循環(huán)通道;洱源盆地基底有大面積的多期巖漿侵入玄武巖，為地下熱水提供熱源;基底上覆中、新生界碎屑巖和沖湖積黏土層組成良好隔熱保溫層，三者構(gòu)成良好的儲熱構(gòu)造[17]。彌渡高芹溫泉、白總旗溫泉近紅河斷裂南段，彌渡盆地及周邊山區(qū)的碳酸鹽巖破碎帶地區(qū)是該區(qū)域地下水的補(bǔ)給區(qū)，大氣降水沿巖溶裂隙及構(gòu)造裂隙向深部運(yùn)移獲得熱量形成深遠(yuǎn)高溫?zé)崴?，在盆地總體的由北至南的地下水流動方向上，運(yùn)移至溫泉出露區(qū)域，受致密巖體或者壓性斷裂帶阻攔，熱水沿構(gòu)造上升出露成泉[18]。云龍溫泉位于蘭坪—永平斷裂西側(cè)，該區(qū)位于怒江及瀾滄江沿岸地下熱水密集區(qū)，屬于中低溫水熱型地?zé)犷愋?，地殼地溫梯度?℃/100 m[19]。區(qū)域內(nèi)出露地層的巖性以紫紅色砂巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和泥巖為特征，統(tǒng)稱紅層[20]。劍川溫泉位于維西—喬后斷裂附近，出露于黃色砂巖的裂縫中，處于蘭坪—思茅盆地的邊緣[21]，位于我國著名的滇藏地?zé)釒?nèi)，地?zé)峄顒訌?qiáng)烈，構(gòu)造復(fù)雜，不同構(gòu)造體系的斷裂互相重合、交接、穿插，為地下熱水將深部熱量帶至地殼淺表、孕育高溫水熱系統(tǒng)、產(chǎn)生強(qiáng)烈水熱活動提供了重要的構(gòu)造條件[22]。永勝溫泉位于程?！e川斷裂紅巖坡段，程?！e川斷裂可分為八段，為最南段，區(qū)域內(nèi)活動斷裂發(fā)育，程海斷裂縱貫[23]。

表1 溫泉基本信息表Table 1 Basic information sheet of hot spring

圖2 溫泉取樣點分布圖Fig.2 Distribution map of hot spring sampling points

2 水化學(xué)組分特征分析

對6個溫泉點分別于2020年5、7、9、11月，2021年3、5、8、11月共8次觀測采樣，獲得溫泉水氡、水汞、固體CO2、陰離子、pH、電導(dǎo)率的連續(xù)8次觀測數(shù)據(jù)，以及溫泉陽離子數(shù)據(jù)（無連續(xù)數(shù)據(jù)）。水氡、水汞分別采用RAD7測氡儀和RA-915W測汞儀野外現(xiàn)場測定，其余取樣實驗室測定；溫泉固體CO2利用沉淀法獲取，取50 mL溫泉水樣，加入過量飽和Ba（OH）2溶液，將Ba CO3沉淀洗凈過濾、烘干，計算固體CO2值；用intergration離子色譜儀測定常量元素，儀器RSD%在5%以內(nèi)，電導(dǎo)率為0.1 nS/cm，HCO3-用滴定法測定。數(shù)據(jù)見表2、表3。

表2 溫泉采樣時間、水化學(xué)數(shù)據(jù)Table 2 Sampling time and water chemistry data of hot spring

表3 溫泉水樣主要陰陽離子組分（2021年8月）Table 3 Main anion and cation components of hot spring water samples（August 2021)

（接表2）

Piper圖解和Na-K-Mg三角圖解常被用來評價水—巖化學(xué)平衡狀態(tài)、區(qū)分不同類型水樣以及判斷地下水循環(huán)深度[24]。從Piper圖可見（圖3），洱源溫泉屬于HCO3·SO4-Na型水，白總旗溫泉屬于HCO3·Cl-Na型水，高芹、劍川、永勝、云龍溫泉均屬于HCO3-Na型水。6個溫泉水常量離子組分測試結(jié)果（表2、表3）顯示，6個溫泉所含陰離子均以HCO3-占絕對優(yōu)勢，陽離子均以Na+占絕對優(yōu)勢，這可能和鈉的強(qiáng)溶解性和強(qiáng)遷移性有關(guān)。洱源，高芹，白總旗，劍川溫泉Na+占陽離子組分60%左右，且富含K+和Ca2+，反映出這4個溫泉可能受到巖漿巖和碳酸鹽巖的共同影響，大理地區(qū)廣泛分布石炭—二疊系海相沉積灰?guī)r，較高的HCO3－、Ca2+含量可能與灰?guī)r的溶解有關(guān)，該區(qū)同時分布喜山期堿性巖漿巖，這或許導(dǎo)致了較高的Na+、K+；不同的是云龍和永勝溫泉主體為Na+，但K+，Ca2+，Mg2+等陽離子基本很少，這可能和離子交換作用有關(guān)，K+，Ca2+，Mg2+吸附能力強(qiáng)于Na+，圍巖中的鈉離子置換鈣鎂離子。從樣品的Na-K-Mg平衡圖解（圖4）可見，永勝溫泉水屬于部分成熟水，表明其發(fā)生部分水巖反應(yīng)，溫泉水與圍巖的反應(yīng)達(dá)到部分平衡狀態(tài)；其余溫泉為未成熟水，且靠近Mg1/2端，表明其水巖反應(yīng)較強(qiáng)，屬于淺層水區(qū)域。6個溫泉的pH為6.64～7.54之間，中性；電導(dǎo)率為0.22～1.34之間，6個溫泉pH和電導(dǎo)率多次測值變化不大，數(shù)據(jù)較穩(wěn)定。

圖3 溫泉水的Piper圖解Fig.3 Piper diagram of hot spring water

圖4 溫泉水的Na-K-Mg圖解Fig.4 Na-K-Mg ternary diagram of hot spring water

3 各化學(xué)組分時空分布特征

3.1 各化學(xué)化學(xué)組分空間分布特征

根據(jù)不同的溫泉各組分空間分布圖（圖5）可以看出：K+、Ca2+、Mg2+、Na+、Cl-、SO42-、HCO3-、溫泉水溫（T）存在差異。區(qū)域內(nèi)溫泉都為中高溫溫泉（40℃～70℃），高溫溫泉（60℃～80℃）有洱源溫泉，白總旗溫泉和云龍溫泉，中溫溫泉有劍川溫泉，高芹溫泉，永勝溫泉，這和前人研究基本吻合[25]。洱源溫泉的陰陽離子含量、水溫（T）和固體CO2含量均最高，SO42-，HCO3-，Ca2+，Na+濃度分別達(dá)147.1 mg/L、627.5 mg/L、76.5 mg/L、219.3 mg/L、水溫74.0℃，固體CO2值最高達(dá)到262 mg/L。大理地區(qū)廣泛分布石炭—二疊系海相沉積灰?guī)r，同時洱源地區(qū)溫泉的CO2更多來源以地幔來源和變質(zhì)成因混合的深部來源CO2[24]，極高的HCO3-和固體CO2值可能受碳酸鹽礦物溶解和深部來源共同影響。洱源盆地基底有大面積的多期巖漿侵入玄武巖，洱源溫泉可能同時受到巖漿巖和碳酸鹽巖的共同影響，且溫泉水溶蝕了沉積巖中的石膏或者其他硫酸鹽礦物；大面積的多期巖漿侵入玄武巖，以及上覆的中、新生界碎屑巖和沖湖積黏土層良好的儲熱構(gòu)造，可能是導(dǎo)致洱源溫泉水溫較高的主要原因。云龍和永勝溫泉各水化學(xué)組分均含量較低（圖5），較低的K+、Ca2+、Mg2+含量，可能和離子交換作用有關(guān)，即圍巖中的鈉離子置換鈣鎂離子；彌渡白總旗溫泉和高芹溫泉HCO3-含量（413.3 mg/L）和固體CO2含量較高，彌渡盆地及周邊山區(qū)的碳酸鹽巖破碎帶地區(qū)是該區(qū)域地下水的補(bǔ)給區(qū)[18]，這或許導(dǎo)致相對較高的HCO3-和固體CO2含量。各溫泉水氡，水汞差異性較大，位于蘭坪—永平斷裂西側(cè)的云龍溫泉的水氡含量最高，最高達(dá)到283 Bq/L，漾濞地震震中東南側(cè)紅河斷裂，程?！e川斷裂附近的洱源、白總旗、高芹、永勝溫泉水氡含量較低，基本在20 Bq/L以下。彌渡高芹溫泉水汞含量最高，最高達(dá)462.2 ng/L，但彌渡地區(qū)的白總旗溫泉和高芹溫泉同處紅河斷裂附近，其水汞含量相對較低，僅為15 ng/L左右，顯示出不同斷裂帶及同一斷裂帶上不同區(qū)位的溫泉水汞，水氡背景值各不相同，具有一定的區(qū)域性。

圖5 溫泉各組分的空間分布圖Fig.5 Spatial distribution of components in hot springs

3.2 水化學(xué)組分時間變化

以漾濞6.4級地震前2021年3月采集的水樣為第一批水樣，計算6個溫泉后續(xù)各批水樣水化學(xué)參數(shù)相對于各自的第1批水樣各參數(shù)的變化率并作圖（圖6）。地震前后各化學(xué)參數(shù)的變化率分析發(fā)現(xiàn)，漾濞地震后各斷裂帶溫泉水的化學(xué)參數(shù)出現(xiàn)了不同程度的變化。陰離子主要表現(xiàn)在Cl-、SO42-出現(xiàn)不同程度的變化，除云龍溫泉的Cl-、SO42-變化幅度為正，明顯上升，其余溫泉均表現(xiàn)出震后下降趨勢，且變化幅度較大，如劍川溫泉Cl-下降幅度最大，相對震前采集的水樣，下降幅度分別達(dá)到99%、63%、98%；永勝溫泉SO42-相對第一批水樣，其下降幅度達(dá)到98%。水氡，水汞相對震前水樣，部分溫泉為上升趨勢，除高芹水氡外，變化幅度不大，基本在20%以內(nèi)；其余大部分溫泉變化幅度為負(fù)，表現(xiàn)為顯著下降趨勢，如高芹溫泉水汞在震前達(dá)到高值，后持續(xù)下降，下降幅度約40%。

圖6 溫泉各組分濃度的相對變化率Fig.6 The relative change rate of the concentration of each component in the hot spring

根據(jù)漾濞地震前后大理地區(qū)各溫泉水化學(xué)參數(shù)隨時間變化圖（圖7）分析顯示。位于紅河斷裂附近的彌渡高芹，白總旗溫泉、維西—喬后斷裂附近的劍川溫泉、程?！e川斷裂附近的永勝溫泉的Cl-濃度存在同步變化趨勢，均在漾濞地震前出現(xiàn)明顯上升，后迅速下降發(fā)生地震，地震后降至上升前水平，劍川，白總旗溫泉變化最為顯著，如劍川溫泉Cl-從震前的4.6 mg/L降至0.05 mg/L（圖7a，7b）。永勝溫泉SO42-在漾濞地震前升至較高值后突然下降，由2021年3月23.8 mg/L下降至5月19日0.4 mg//L，下降幅度達(dá)到98%（圖7c），洱源溫泉具有季節(jié)性變化趨勢，漾濞地震前打破季節(jié)性趨勢，其余溫泉SO42-變化不明顯，彌渡高芹溫泉受季節(jié)性變化影響，長期趨勢穩(wěn)定。高芹溫泉水汞反應(yīng)較為靈敏，震前明顯升高，后持續(xù)下降發(fā)生地震，由震前462 ng/L下降295 ng/L；云龍溫泉水汞存在相同趨勢，但對比上一年度變化，可能和季節(jié)性有關(guān)。永勝水氡從2020年7月開始持續(xù)一年多下降，漾濞地震發(fā)生時處于較低值。6個溫泉的固體CO2表現(xiàn)出一定季節(jié)性變規(guī)律，變化不明顯。

圖7 溫泉各化學(xué)組分濃度時間變化圖Fig.7 Time variation of chemical components in hot springs

4 溫泉水的地球化學(xué)變化與漾濞6.4級地震的關(guān)系

根據(jù)前文分析顯示，漾濞6.4級地震前后區(qū)域內(nèi)溫泉水的化學(xué)參數(shù)主要表現(xiàn)在Cl-和SO42-濃度以及溫泉水氡、水汞含量出現(xiàn)不同程度的變化，Cl-和SO42-變化最為顯著，如劍川溫泉Cl-，永勝溫泉SO42-，相對震前采集的水樣，下降幅度都達(dá)到98%以上，溫泉的水溫和固體CO2變化不明顯?？傮w顯示出漾濞6.4級地震前大多數(shù)溫泉Cl-、SO42-、水氡、水汞濃度震前出現(xiàn)明顯上升，震后各組分含量顯著下降。許多學(xué)者對地下水前兆異常的機(jī)制進(jìn)行了研究，提出了許多解釋地下水前兆異常機(jī)制的模型[[27-30]，其中含水層破裂/流體混合模型（AB/FM模型）認(rèn)為隔離含水層之間的水文屏障的前兆破裂，從而使不同含水不層發(fā)生混合，而這種前兆破裂是由地震前與應(yīng)力積累相關(guān)的地殼膨脹引起的。大理地區(qū)6個溫泉的水化學(xué)變化現(xiàn)象可以用AB/FM模型模型機(jī)制解釋。

前人研究滇西北地區(qū)b值和應(yīng)力張量方差的空間掃描結(jié)果顯示程海斷裂、龍蟠—喬后斷裂和維西—喬后斷裂南段及鄰區(qū)低值變化特征相對顯著，這可能是區(qū)域應(yīng)力水平增強(qiáng)的表現(xiàn)[9]，此次研究Cl-和SO42-震前升高，震后劇烈下降的劍川，永勝，白總旗，高芹等溫泉剛好在這些斷裂附近。劍川溫泉位于維西—喬后斷裂附近，永勝溫泉位于程海—賓川斷裂紅巖坡段，白總旗和高芹溫泉近紅河斷裂南段。既區(qū)域應(yīng)力積累增加，孕震區(qū)的巖石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)經(jīng)歷巖石的彈性壓縮、原生裂隙的閉合、新微裂隙的產(chǎn)生、裂隙的彌散發(fā)展、裂隙的集結(jié)到巖石的宏觀破裂的演化過程[26]，演化過程中深部流體擴(kuò)散上升、不同層位水體的混合以及孔隙流體的受擠壓流體巖石間的相互作用導(dǎo)致地下流體水化組分的異常變化[27-30]。洱源溫泉屬于HCO3·SO4-Na型水，白總旗溫泉屬于HCO3·Cl-Na型水，高芹、劍川、永勝、云龍溫泉均屬于HCO3-Na型水，雖然這些溫泉有一定含量的Cl-和SO42-，卻不是溫泉的主量化學(xué)元素，而SO42-及Cl-除少量的地表來源外，主要為中、深部來源[7]，這些溫泉水較高的Cl-、SO42-濃度可能主要來源于深部高Cl-、SO42-濃度水的混入，地震孕育過程中，區(qū)域壓應(yīng)力增強(qiáng)導(dǎo)致高Cl-、SO42-濃度的深部水供給量的增加所致，地震后，隨著區(qū)域應(yīng)力的調(diào)整，深部供給的流體量減少，各溫泉的離子濃度下降。

5 結(jié)論

（1）大理地區(qū)主要活動斷裂附近6個溫泉主要為中高溫溫泉，洱源溫泉溫度最高，約74.5℃。溫泉水的常量離子分析表明，陽離子主要以Na+為主，Ca2+、Mg2+含量不高且差異較大，位于程?！e川斷裂的永勝溫泉和蘭坪—永平斷裂附近的云龍溫泉Ca2+、Mg2+含量極少，陰離子以HCO3-為主，較高的HCO3-和固體CO2含量可能受大理地區(qū)廣泛分布的石炭—二疊系海相沉積灰?guī)r影響。洱源溫泉屬于HCO3·SO4-Na型水，白總旗溫泉屬于HCO3·Cl-Na型水，高芹、劍川、永勝、漕澗溫泉均屬于HCO3-Na型水。永勝溫泉水屬于部分成熟水，其余溫泉為未成熟水。區(qū)域內(nèi)溫泉有較高水氡水汞背景值，不同斷裂帶及同一斷裂帶上不同區(qū)位的溫泉水汞，水氡背景值各不相同，具有一定的區(qū)域性。

（2）漾濞6.4級地震前后大理地區(qū)主要斷裂附近溫泉水的Cl-、SO42-、水汞、水氡含量有明顯變化，白總旗溫泉Cl-，永勝、洱源溫泉SO42-以及高芹溫泉水汞含量在漾濞6.4級地震前明顯上升，震后含量顯著下降；可能是震前區(qū)域擠壓應(yīng)力增強(qiáng)過程高Cl-和SO42-，水體的混入，震后區(qū)域應(yīng)力的調(diào)整，中深部流體量補(bǔ)給量減少，各化學(xué)組分多數(shù)含量下降；溫泉水溫和固體CO2含量變化不明顯。