2012年6月30日新疆北天山泥火山及温泉水化学特征

2012年6月30日新疆北天山泥火山及温泉水化学特征

震前泥火山流体地球化学异常变化地震前后，区域结构应力场的变化改变了地下流的循环系统，导致液体流之间的混合或岩石之间的相互作用，导致地下流组成的异常变化[1.3]。根据Dobrovolsky等的研究,6.0级地震的应变半径可达380km。长期的观测资料表明,在中强地震发生前后和发生时,震中区及其附近地区的地下水或温泉往往会出现水化学异常,可作为地震活动监测的指示因子[5~8]。泥火山多分布于地震活动带,且和地震一样都与地球内部应力作用直接相关。在区域地应力作用下,封闭构造中岩石的孔隙压力达到一定值时,泥火山喷发,大量矿化水、泥、气体顺着断裂涌出,地震的孕育和发生也是区域应力变化的结果。因此,在地震发生前后和发生时震中及其附近地区的泥火山常出现流体地球化学异常变化[13~16]。2004年9月5日MS7.5日本伊半岛地震引起震中距80km处的日本海沟泥火山喷发大量CH4。Martinelli等跟踪研究意大利东北部泥火山喷溢矿化水中Rn222的变化发现,在Rn222异常出现后的几天到几周内均有地震发生。对意大利亚平宁山脉泥火山流体地球化学长期观测发现,在地震发生的前几天,该区泥火山喷出气体中的Rn222和He增长10倍,喷溢泥水中的Cl/Sr也大幅上升。地震前,印度尼西亚瓜哇LUSI泥火山,喷出泥浆的体积由0~120000m3/d急剧上升至160000m3/d,CO2浓度由9.9%上升至74.3%。新疆北天山的石河子至乌苏一带,是泥火山和温泉集中分布的地区,也是中强地震活动频发的地区。在20世纪90年代发生的地震前后,该区泥火山喷溢出大量高矿化度水、泥浆和气体。2012年6月26~28日,我们对北天山地区的泥火山和温泉进行了野外考察及水样采集。2012年6月30日5时7分发生了新源—和静MS6.6地震,震后的7月1至3日,我们对相同采样点进行了野外考察及采样,测定了各水样的物理化学参数,对比研究了地震前后泥火山和温泉喷溢水中各水化学参数的变化特征。1泥火山、土地、干草原区新生代以来,受印度板块与欧亚板块碰撞效应的汇聚作用,天山地区山体强烈隆升,造就了现今的南、北天山和伊犁盆地、巴音布鲁克盆地相间分布以及北天山的山前坳陷。北天山中段地处塔里木古板块与哈萨克斯坦—准噶尔古板块之间,受到了新生代强烈的陆内造山作用,发育了NWW和近EW的活动断裂和活动褶皱(图1)。北天山中段也是主要的陆内地震带之一,地震成片散布于逆断裂-褶皱带内。1970年以来,研究区内共发生5.0级以上地震34次,其中1906年12月23日玛纳斯7.7级地震是记录到的最大的地震。2012年6月30日新源—和静MS6.6地震就发生在北天山中部巴音布鲁克盆地附近(图1)。本文观测的泥火山和温泉位于准噶尔—北天山盆山过渡带,过渡带内由南向北发育3排褶皱-逆断裂带,南面高山终年积雪,为温泉水的补给区,山间沟谷的NE或NS张性断裂为地下水补给通道。北天山盆山过渡带为干旱内陆盆地沉积,二叠世以海相浊积砂岩为主;三叠系岩性为湖相泥岩和砾岩;侏罗系为含煤层河湖相砂岩;第三系主要为河流相砂岩,岩石填隙物主要成分为方解石、石膏及盐岩等矿物;更新世以来砾岩、风积沙、盐碱质粘土广泛分布[29~32]。地层中富含多层地下水,且地下水层压高、矿化度高、石油天然气丰富等特点。泥火山均出露于背斜轴部的巨厚沉积粘土中,安集海泥火山位于霍尔果斯背斜轴部,有1处喷发口,泥水上漂浮着油花。独山子泥火山位于独山子背斜轴部,有5处喷发口,喷出泥浆呈银灰色,有浓的石油味。白杨沟泥火山有80多个喷出口,直径1~160cm,喷发泥浆、天然气和石油,有的火山口气泡排放率超60次/min。最大的泥火山锥是艾其沟的两座(AM01和AM02),AM02锥高达15m,火山口直径4.6m,喷发泥水稠度大。自1991—2010年,上述泥火山活动渐趋衰弱,气压降低、出气量减少、泥浆池干涸。呼图壁雀儿沟21号泉、沙湾25号泉及乌苏阿拉山温泉均为承压断层渗透泉,出露岩性主要为凝灰岩、凝灰质角砾岩及凝灰质砂岩。以上泥火山及温泉与新源—和静MS6.6地震的震中距为66~100km(图1)。2水样及测试方法分别于震前(6月26~27日)和震后(7月1~3日)对白杨沟、艾其沟、独山子和安集海泥火山及呼图壁21号泉、沙湾25号泉及阿拉山温泉进行了考察(图1),现场测量了泥火山和温泉的水温,采集了水样。样品从泥火山及温泉的冒水口采集,容器为100ml的聚乙烯塑料瓶,采样前用超纯水清洗,每个样品采集两瓶。泥火山和温泉水温用YF-160数字温度计测定,测量精度为0.1℃;电导率和pH值用美国奥立龙4-starpH计测定,测量精度分别为0.01μS/m和0.01pH单位。水中离子组分在中国地震局地震预测研究所地震流体研究室完成,样品用医用离心机处理后,通过0.45μm的过滤膜过滤杂质,利用DionexICS-900离子色谱仪测定水中阴阳离子浓度,精度为0.01ppm,水中HCO3-和CO32-离子浓度通过0.10mmol/l的盐酸进行酸碱滴定。3对结果的分析与讨论3.1泥火山喷溢水与大气降水的关系观测的泥火山喷溢水属于低温、弱碱性咸水或盐水。除了安集海泥火山水温为30.8℃,其他泥火山水温均低于30℃;pH为7.86~8.93;白杨沟泥火山的矿化度和电导率分别为3359.58~9444.69mg/l和0.78~1.82S/m,低于独山子、安集海的矿化度(11767.98~14984.53mg/l)和电导率(1.85~2.57S/m)(表1)。泥火山阳离子以Na+、Ca2+、Mg2+为主,阴离子以Cl-、SO42-为主,Mg2+浓度大于Ca2+,Na+和Cl-含量占绝对优势,为典型的Cl-Na型水(表1),且其Br-浓度较高(6.50~37.55mg/l),Na+/Cl-接近1(图2)。同时,泥火山喷溢水的δD(-57.1‰~-99.2‰)与该区大气降水的δD一致,δ18O为-1.0‰~-5.7‰,高于大气降水的δ18O(-10.6‰)。这说明,泥火山喷溢水可能主要来源于储存在背斜构造中的大气降水,这些大气降水与该区干旱海相、河-湖相沉积砂岩、泥岩(含蒸发岩类,如岩盐、石膏和碳酸盐等)发生了漫长而复杂的水-岩作用[29~32],形成了泥火山喷溢水的上述水化学特征。水岩作用过程中的氧同位素交换导致了大气降水δ18O的升高,而当古大气降水经由泥火山上覆厚的粘土层喷发时,着附能力较强的Ca2+与土颗粒表面Na+间的交换吸附使得泥火山喷溢水中Mg2+浓度大于Ca2+。可能发生的主要化学反应如下:呼图壁21号泉、沙湾25号泉及阿拉山温泉的电导率范围为0.05~0.14S/m、矿化度为335.17~716.65mg/l,阳离子以Na+为主,阴离子以SO42-、Cl-为主,为中温、弱碱性SO4·Cl-Na型淡水(表1)。与泥火山相比,温泉水的F-浓度(8.37~12.10mg/l)和水温(36.0~49.5℃)较高,均有很浓的臭鸡蛋味,且除震后的沙湾25号泉和阿拉山温泉的SO42-浓度略低于白杨沟和艾其沟泥火山外,其他样品的SO42-浓度均高于泥火山。观测温泉出露于北天山山前断裂带,由地表水顺断裂带下渗、深循环、排泄而成,其上述水化学特征可能形成于地表水经断裂带深循环过程中与该区干旱海相、河-湖相沉积砂岩、泥岩(含蒸发岩类,如岩盐、石膏和碳酸盐等)发生的水岩作用,反应公式如上。但是,由于温泉为半封闭深循环体系,其水岩作用的时间及程度远不如泥火山,故其电导率、矿化度及主要离子组分的浓度均低于泥火山。温泉较高的F-浓度和水温证明了温泉的循环深度较大,而地表水沿断裂深循环过程中可能与该区侏罗系含煤层河-湖相沉积地层发生水岩作用,使得温泉水中的H2S气体和SO42-浓度增加。3.2安集海泥火山局部震前喷溢水化学参数变化长期的观测研究发现,北天山地区的泥火山对其周边地震响应灵敏,主要表现为同震或震前喷溢及水位变化。2012年6月26日至7月3日的观测资料表明,从2008年4月至2012年7月3日北天山地区的泥火山、温泉的水化学参数在2012年6月30日新源—和静MS6.6地震前后出现了明显的异常变化(图3)。安集海泥火山(图3b):与2012年6月27日采集的样品相比,2012年7月2日采集样品的各项水化学参数都有不同程度的上升,水温由22.4℃上升至30.8℃,增幅达38%,总矿化度由11766.79mg/l上升至13067.10mg/l。各离子组分上升幅度差别较大,上升幅度较大的主要是Na+、K+和Ca2+,分别上升23%、57%和81%。现场观测发现,地震前,安集海泥火山泥水较清澈,无喷溢现象;震后出现喷溢,泥水明显变混、变稠(图4),这表明安集海泥火山出现了同震喷溢。泥火山往往处于构造挤压区,且喷溢泥水常具多源性。泥火山同震喷发的机理有两个:①地震波通过岩石传播时,导致岩石动力应变,泥火山封闭流体压力增大、渗透率增加、水压屏障消除,使封闭体系中流体喷出;②地震发生时,背斜构造轴部张性裂隙的发育使超压地层迅速减压,诱发泥火山同震喷发。而安集海泥火山的震中距为98km,且震后其附近未见张性裂缝产生。因此,安集海泥火山的同震喷发应该是2012年6月30日新源—和静MS6.6地震发生时地震波引起局部应力波动所致,使来源更深、矿化度更高的地下水喷出地表,与原有泥火山水混合,造成泥火山的水温、TDS及K+、Na+、Ca2+浓度大幅升高。独山子、白杨沟和艾其沟AM02泥火山(图3c、3e、3f):独山子、白杨沟和艾其沟AM02泥火山在地震前后的变化相似。虽然,三泥火山在2012年6月27日和7月1日(2日)两次水样的水化参数之间变化较小,但相比于2008年4月,三泥火山的两次水样均有明显变化:独山子泥火山的K+分别下降10%和27%,Ca2+分别下降75%和76%,Mg2+分别下降46%和41%,水温分别上升111%和81%,TDS分别上升15%和21%,电导率分别上升35%和39%,Na+分别上升23%和26%,Cl-分别上升32%和41%;白杨沟两泥火山的K+分别下降36%和27%,Ca2+分别下降61%和62%,Mg2+分别下降45%和39%,水温分别上升156%和154%,TDS分别上升21%和25%,电导率分别上升43%和56%,Na+分别上升18%和23%,Cl-分别上升27%和31%;艾其沟AM02泥火山的K+分别下降24%和22%,Mg2+均下降52%,T分别下降25%和10%,而Ca2+分别上升221%和223%,其他水化学参数小幅度上升。这说明此三泥火山可能都出现了震前喷溢,喷溢发生在2008年4月和2012年6月27日之间。地震孕育常伴随区域构造应力的集中,使孕震区及其附近的岩层发生形变,导致封闭构造中流体的孔隙压力增大或孔隙塌陷,造成来自不同源区的流体的混合或喷发,形成观测区的流体地球化学异常现象。因此,2012年6月30日新源—和静MS6.6地震前,独山子、白杨沟和艾其沟AM02泥火山出现的水化学参数的异常变化,应该归因于地震孕育时区域应力的集中,促使与之前源区不同的泥水持续喷发,导致泥火山泥水水化学参数的异常变化。沙湾25号泉和阿拉山温泉(图3a、3d):地震后,阿拉山温泉的各项水化参数变化幅度均在5%以内。沙湾25号泉的震中距为75km,与地震前6月26日采集的样品相比,该温泉7月3日采集样品的TDS、EC、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、Br-、SO42-分别上升108%、131%、375%、93%、795%、127%、41%、15%、138%,而pH下降5%,T由49.5℃降至42.5℃。导致该温泉上述水化学参数变化的机理类似于安集海泥火山,即2012年6月30日新源—和静MS6.6地震发生时,地震波通过岩石传播,导致岩石动力应变,使岩石孔隙压力增大、裂隙扩大/产生、水岩作用增强、孔隙水排出,造成震后沙湾25号泉水化学参数的上述变化。而该温泉水温降幅达7℃,可能说明地震波动时混入的孔隙水主要为温度较低的浅层高矿化度水。42年6月30日新源—结论(1)北天山地区的泥火山喷溢水属于低温、弱碱性咸水或盐水,水化类型为Cl-Na,主要来源于经历了漫长而复杂的水-岩作用的古大气降水。呼图壁21号泉、沙湾25号泉及阿拉山温泉为中温、弱碱性SO4·Cl-Na型淡水,形成于地表水沿深循环过程中的水岩作用。(2)北天山地区泥火山对2012年6月30日新源—和静MS6.6地震有响应,独山子、白杨沟及艾其沟泥火山为震前喷溢,时间介于2008年4月—2012年6月27日之间,安集海泥火山则为同震喷溢。(3)2012年6月30日新源—和静MS6.6地震前后,北天山