2012年6月30日新疆北天山泥火山及溫泉水化學(xué)特征

2012年6月30日新疆北天山泥火山及溫泉水化學(xué)特征

震前泥火山流體地球化學(xué)異常變化地震前后，區(qū)域結(jié)構(gòu)應(yīng)力場(chǎng)的變化改變了地下流的循環(huán)系統(tǒng)，導(dǎo)致液體流之間的混合或巖石之間的相互作用，導(dǎo)致地下流組成的異常變化[1.3]。根據(jù)Dobrovolsky等的研究,6.0級(jí)地震的應(yīng)變半徑可達(dá)380km。長(zhǎng)期的觀測(cè)資料表明,在中強(qiáng)地震發(fā)生前后和發(fā)生時(shí),震中區(qū)及其附近地區(qū)的地下水或溫泉往往會(huì)出現(xiàn)水化學(xué)異常,可作為地震活動(dòng)監(jiān)測(cè)的指示因子[5~8]。泥火山多分布于地震活動(dòng)帶,且和地震一樣都與地球內(nèi)部應(yīng)力作用直接相關(guān)。在區(qū)域地應(yīng)力作用下,封閉構(gòu)造中巖石的孔隙壓力達(dá)到一定值時(shí),泥火山噴發(fā),大量礦化水、泥、氣體順著斷裂涌出,地震的孕育和發(fā)生也是區(qū)域應(yīng)力變化的結(jié)果。因此,在地震發(fā)生前后和發(fā)生時(shí)震中及其附近地區(qū)的泥火山常出現(xiàn)流體地球化學(xué)異常變化[13~16]。2004年9月5日MS7.5日本伊半島地震引起震中距80km處的日本海溝泥火山噴發(fā)大量CH4。Martinelli等跟蹤研究意大利東北部泥火山噴溢礦化水中Rn222的變化發(fā)現(xiàn),在Rn222異常出現(xiàn)后的幾天到幾周內(nèi)均有地震發(fā)生。對(duì)意大利亞平寧山脈泥火山流體地球化學(xué)長(zhǎng)期觀測(cè)發(fā)現(xiàn),在地震發(fā)生的前幾天,該區(qū)泥火山噴出氣體中的Rn222和He增長(zhǎng)10倍,噴溢泥水中的Cl/Sr也大幅上升。地震前,印度尼西亞瓜哇LUSI泥火山,噴出泥漿的體積由0~120000m3/d急劇上升至160000m3/d,CO2濃度由9.9%上升至74.3%。新疆北天山的石河子至烏蘇一帶,是泥火山和溫泉集中分布的地區(qū),也是中強(qiáng)地震活動(dòng)頻發(fā)的地區(qū)。在20世紀(jì)90年代發(fā)生的地震前后,該區(qū)泥火山噴溢出大量高礦化度水、泥漿和氣體。2012年6月26~28日,我們對(duì)北天山地區(qū)的泥火山和溫泉進(jìn)行了野外考察及水樣采集。2012年6月30日5時(shí)7分發(fā)生了新源—和靜MS6.6地震,震后的7月1至3日,我們對(duì)相同采樣點(diǎn)進(jìn)行了野外考察及采樣,測(cè)定了各水樣的物理化學(xué)參數(shù),對(duì)比研究了地震前后泥火山和溫泉噴溢水中各水化學(xué)參數(shù)的變化特征。1泥火山、土地、干草原區(qū)新生代以來(lái),受印度板塊與歐亞板塊碰撞效應(yīng)的匯聚作用,天山地區(qū)山體強(qiáng)烈隆升,造就了現(xiàn)今的南、北天山和伊犁盆地、巴音布魯克盆地相間分布以及北天山的山前坳陷。北天山中段地處塔里木古板塊與哈薩克斯坦—準(zhǔn)噶爾古板塊之間,受到了新生代強(qiáng)烈的陸內(nèi)造山作用,發(fā)育了NWW和近EW的活動(dòng)斷裂和活動(dòng)褶皺(圖1)。北天山中段也是主要的陸內(nèi)地震帶之一,地震成片散布于逆斷裂-褶皺帶內(nèi)。1970年以來(lái),研究區(qū)內(nèi)共發(fā)生5.0級(jí)以上地震34次,其中1906年12月23日瑪納斯7.7級(jí)地震是記錄到的最大的地震。2012年6月30日新源—和靜MS6.6地震就發(fā)生在北天山中部巴音布魯克盆地附近(圖1)。本文觀測(cè)的泥火山和溫泉位于準(zhǔn)噶爾—北天山盆山過(guò)渡帶,過(guò)渡帶內(nèi)由南向北發(fā)育3排褶皺-逆斷裂帶,南面高山終年積雪,為溫泉水的補(bǔ)給區(qū),山間溝谷的NE或NS張性斷裂為地下水補(bǔ)給通道。北天山盆山過(guò)渡帶為干旱內(nèi)陸盆地沉積,二疊世以海相濁積砂巖為主;三疊系巖性為湖相泥巖和礫巖;侏羅系為含煤層河湖相砂巖;第三系主要為河流相砂巖,巖石填隙物主要成分為方解石、石膏及鹽巖等礦物;更新世以來(lái)礫巖、風(fēng)積沙、鹽堿質(zhì)粘土廣泛分布[29~32]。地層中富含多層地下水,且地下水層壓高、礦化度高、石油天然氣豐富等特點(diǎn)。泥火山均出露于背斜軸部的巨厚沉積粘土中,安集海泥火山位于霍爾果斯背斜軸部,有1處噴發(fā)口,泥水上漂浮著油花。獨(dú)山子泥火山位于獨(dú)山子背斜軸部,有5處噴發(fā)口,噴出泥漿呈銀灰色,有濃的石油味。白楊溝泥火山有80多個(gè)噴出口,直徑1~160cm,噴發(fā)泥漿、天然氣和石油,有的火山口氣泡排放率超60次/min。最大的泥火山錐是艾其溝的兩座(AM01和AM02),AM02錐高達(dá)15m,火山口直徑4.6m,噴發(fā)泥水稠度大。自1991—2010年,上述泥火山活動(dòng)漸趨衰弱,氣壓降低、出氣量減少、泥漿池干涸。呼圖壁雀兒溝21號(hào)泉、沙灣25號(hào)泉及烏蘇阿拉山溫泉均為承壓斷層滲透泉,出露巖性主要為凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)角礫巖及凝灰質(zhì)砂巖。以上泥火山及溫泉與新源—和靜MS6.6地震的震中距為66~100km(圖1)。2水樣及測(cè)試方法分別于震前(6月26~27日)和震后(7月1~3日)對(duì)白楊溝、艾其溝、獨(dú)山子和安集海泥火山及呼圖壁21號(hào)泉、沙灣25號(hào)泉及阿拉山溫泉進(jìn)行了考察(圖1),現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量了泥火山和溫泉的水溫,采集了水樣。樣品從泥火山及溫泉的冒水口采集,容器為100ml的聚乙烯塑料瓶,采樣前用超純水清洗,每個(gè)樣品采集兩瓶。泥火山和溫泉水溫用YF-160數(shù)字溫度計(jì)測(cè)定,測(cè)量精度為0.1℃;電導(dǎo)率和pH值用美國(guó)奧立龍4-starpH計(jì)測(cè)定,測(cè)量精度分別為0.01μS/m和0.01pH單位。水中離子組分在中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所地震流體研究室完成,樣品用醫(yī)用離心機(jī)處理后,通過(guò)0.45μm的過(guò)濾膜過(guò)濾雜質(zhì),利用DionexICS-900離子色譜儀測(cè)定水中陰陽(yáng)離子濃度,精度為0.01ppm,水中HCO3-和CO32-離子濃度通過(guò)0.10mmol/l的鹽酸進(jìn)行酸堿滴定。3對(duì)結(jié)果的分析與討論3.1泥火山噴溢水與大氣降水的關(guān)系觀測(cè)的泥火山噴溢水屬于低溫、弱堿性咸水或鹽水。除了安集海泥火山水溫為30.8℃,其他泥火山水溫均低于30℃;pH為7.86~8.93;白楊溝泥火山的礦化度和電導(dǎo)率分別為3359.58~9444.69mg/l和0.78~1.82S/m,低于獨(dú)山子、安集海的礦化度(11767.98~14984.53mg/l)和電導(dǎo)率(1.85~2.57S/m)(表1)。泥火山陽(yáng)離子以Na+、Ca2+、Mg2+為主,陰離子以Cl-、SO42-為主,Mg2+濃度大于Ca2+,Na+和Cl-含量占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),為典型的Cl-Na型水(表1),且其Br-濃度較高(6.50~37.55mg/l),Na+/Cl-接近1(圖2)。同時(shí),泥火山噴溢水的δD(-57.1‰~-99.2‰)與該區(qū)大氣降水的δD一致,δ18O為-1.0‰~-5.7‰,高于大氣降水的δ18O(-10.6‰)。這說(shuō)明,泥火山噴溢水可能主要來(lái)源于儲(chǔ)存在背斜構(gòu)造中的大氣降水,這些大氣降水與該區(qū)干旱海相、河-湖相沉積砂巖、泥巖(含蒸發(fā)巖類,如巖鹽、石膏和碳酸鹽等)發(fā)生了漫長(zhǎng)而復(fù)雜的水-巖作用[29~32],形成了泥火山噴溢水的上述水化學(xué)特征。水巖作用過(guò)程中的氧同位素交換導(dǎo)致了大氣降水δ18O的升高,而當(dāng)古大氣降水經(jīng)由泥火山上覆厚的粘土層噴發(fā)時(shí),著附能力較強(qiáng)的Ca2+與土顆粒表面Na+間的交換吸附使得泥火山噴溢水中Mg2+濃度大于Ca2+?？赡馨l(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)如下:呼圖壁21號(hào)泉、沙灣25號(hào)泉及阿拉山溫泉的電導(dǎo)率范圍為0.05~0.14S/m、礦化度為335.17~716.65mg/l,陽(yáng)離子以Na+為主,陰離子以SO42-、Cl-為主,為中溫、弱堿性SO4·Cl-Na型淡水(表1)。與泥火山相比,溫泉水的F-濃度(8.37~12.10mg/l)和水溫(36.0~49.5℃)較高,均有很濃的臭雞蛋味,且除震后的沙灣25號(hào)泉和阿拉山溫泉的SO42-濃度略低于白楊溝和艾其溝泥火山外,其他樣品的SO42-濃度均高于泥火山。觀測(cè)溫泉出露于北天山山前斷裂帶,由地表水順斷裂帶下滲、深循環(huán)、排泄而成,其上述水化學(xué)特征可能形成于地表水經(jīng)斷裂帶深循環(huán)過(guò)程中與該區(qū)干旱海相、河-湖相沉積砂巖、泥巖(含蒸發(fā)巖類,如巖鹽、石膏和碳酸鹽等)發(fā)生的水巖作用,反應(yīng)公式如上。但是,由于溫泉為半封閉深循環(huán)體系,其水巖作用的時(shí)間及程度遠(yuǎn)不如泥火山,故其電導(dǎo)率、礦化度及主要離子組分的濃度均低于泥火山。溫泉較高的F-濃度和水溫證明了溫泉的循環(huán)深度較大,而地表水沿?cái)嗔焉钛h(huán)過(guò)程中可能與該區(qū)侏羅系含煤層河-湖相沉積地層發(fā)生水巖作用,使得溫泉水中的H2S氣體和SO42-濃度增加。3.2安集海泥火山局部震前噴溢水化學(xué)參數(shù)變化長(zhǎng)期的觀測(cè)研究發(fā)現(xiàn),北天山地區(qū)的泥火山對(duì)其周邊地震響應(yīng)靈敏,主要表現(xiàn)為同震或震前噴溢及水位變化。2012年6月26日至7月3日的觀測(cè)資料表明,從2008年4月至2012年7月3日北天山地區(qū)的泥火山、溫泉的水化學(xué)參數(shù)在2012年6月30日新源—和靜MS6.6地震前后出現(xiàn)了明顯的異常變化(圖3)。安集海泥火山(圖3b):與2012年6月27日采集的樣品相比,2012年7月2日采集樣品的各項(xiàng)水化學(xué)參數(shù)都有不同程度的上升,水溫由22.4℃上升至30.8℃,增幅達(dá)38%,總礦化度由11766.79mg/l上升至13067.10mg/l。各離子組分上升幅度差別較大,上升幅度較大的主要是Na+、K+和Ca2+,分別上升23%、57%和81%。現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn),地震前,安集海泥火山泥水較清澈,無(wú)噴溢現(xiàn)象;震后出現(xiàn)噴溢,泥水明顯變混、變稠(圖4),這表明安集海泥火山出現(xiàn)了同震噴溢。泥火山往往處于構(gòu)造擠壓區(qū),且噴溢泥水常具多源性。泥火山同震噴發(fā)的機(jī)理有兩個(gè):①地震波通過(guò)巖石傳播時(shí),導(dǎo)致巖石動(dòng)力應(yīng)變,泥火山封閉流體壓力增大、滲透率增加、水壓屏障消除,使封閉體系中流體噴出;②地震發(fā)生時(shí),背斜構(gòu)造軸部張性裂隙的發(fā)育使超壓地層迅速減壓,誘發(fā)泥火山同震噴發(fā)。而安集海泥火山的震中距為98km,且震后其附近未見(jiàn)張性裂縫產(chǎn)生。因此,安集海泥火山的同震噴發(fā)應(yīng)該是2012年6月30日新源—和靜MS6.6地震發(fā)生時(shí)地震波引起局部應(yīng)力波動(dòng)所致,使來(lái)源更深、礦化度更高的地下水噴出地表,與原有泥火山水混合,造成泥火山的水溫、TDS及K+、Na+、Ca2+濃度大幅升高。獨(dú)山子、白楊溝和艾其溝AM02泥火山(圖3c、3e、3f):獨(dú)山子、白楊溝和艾其溝AM02泥火山在地震前后的變化相似。雖然,三泥火山在2012年6月27日和7月1日(2日)兩次水樣的水化參數(shù)之間變化較小,但相比于2008年4月,三泥火山的兩次水樣均有明顯變化:獨(dú)山子泥火山的K+分別下降10%和27%,Ca2+分別下降75%和76%,Mg2+分別下降46%和41%,水溫分別上升111%和81%,TDS分別上升15%和21%,電導(dǎo)率分別上升35%和39%,Na+分別上升23%和26%,Cl-分別上升32%和41%;白楊溝兩泥火山的K+分別下降36%和27%,Ca2+分別下降61%和62%,Mg2+分別下降45%和39%,水溫分別上升156%和154%,TDS分別上升21%和25%,電導(dǎo)率分別上升43%和56%,Na+分別上升18%和23%,Cl-分別上升27%和31%;艾其溝AM02泥火山的K+分別下降24%和22%,Mg2+均下降52%,T分別下降25%和10%,而Ca2+分別上升221%和223%,其他水化學(xué)參數(shù)小幅度上升。這說(shuō)明此三泥火山可能都出現(xiàn)了震前噴溢,噴溢發(fā)生在2008年4月和2012年6月27日之間。地震孕育常伴隨區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力的集中,使孕震區(qū)及其附近的巖層發(fā)生形變,導(dǎo)致封閉構(gòu)造中流體的孔隙壓力增大或孔隙塌陷,造成來(lái)自不同源區(qū)的流體的混合或噴發(fā),形成觀測(cè)區(qū)的流體地球化學(xué)異?，F(xiàn)象。因此,2012年6月30日新源—和靜MS6.6地震前,獨(dú)山子、白楊溝和艾其溝AM02泥火山出現(xiàn)的水化學(xué)參數(shù)的異常變化,應(yīng)該歸因于地震孕育時(shí)區(qū)域應(yīng)力的集中,促使與之前源區(qū)不同的泥水持續(xù)噴發(fā),導(dǎo)致泥火山泥水水化學(xué)參數(shù)的異常變化。沙灣25號(hào)泉和阿拉山溫泉(圖3a、3d):地震后,阿拉山溫泉的各項(xiàng)水化參數(shù)變化幅度均在5%以內(nèi)。沙灣25號(hào)泉的震中距為75km,與地震前6月26日采集的樣品相比,該溫泉7月3日采集樣品的TDS、EC、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、Br-、SO42-分別上升108%、131%、375%、93%、795%、127%、41%、15%、138%,而pH下降5%,T由49.5℃降至42.5℃。導(dǎo)致該溫泉上述水化學(xué)參數(shù)變化的機(jī)理類似于安集海泥火山,即2012年6月30日新源—和靜MS6.6地震發(fā)生時(shí),地震波通過(guò)巖石傳播,導(dǎo)致巖石動(dòng)力應(yīng)變,使巖石孔隙壓力增大、裂隙擴(kuò)大/產(chǎn)生、水巖作用增強(qiáng)、孔隙水排出,造成震后沙灣25號(hào)泉水化學(xué)參數(shù)的上述變化。而該溫泉水溫降幅達(dá)7℃,可能說(shuō)明地震波動(dòng)時(shí)混入的孔隙水主要為溫度較低的淺層高礦化度水。42年6月30日新源—結(jié)論(1)北天山地區(qū)的泥火山噴溢水屬于低溫、弱堿性咸水或鹽水,水化類型為Cl-Na,主要來(lái)源于經(jīng)歷了漫長(zhǎng)而復(fù)雜的水-巖作用的古大氣降水。呼圖壁21號(hào)泉、沙灣25號(hào)泉及阿拉山溫泉為中溫、弱堿性SO4·Cl-Na型淡水,形成于地表水沿深循環(huán)過(guò)程中的水巖作用。(2)北天山地區(qū)泥火山對(duì)2012年6月30日新源—和靜MS6.6地震有響應(yīng),獨(dú)山子、白楊溝及艾其溝泥火山為震前噴溢,時(shí)間介于2008年4月—2012年6月27日之間,安集海泥火山則為同震噴溢。(3)2012年6月30日新源—和靜MS6.6地震前后,北天山