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地?zé)釡厝?/div>

秦嶺北緣斷裂帶溫泉水循環(huán)深度與地震活動性的關(guān)系研究

  地殼中廣泛存在著流體作用。在地震科學(xué)領(lǐng)域中, 地殼流體與地震活動的關(guān)系越來越受到國內(nèi)外專家們的關(guān)注。地下流體與地震的關(guān)系有二個方面:一方面是地下流體對地震的被動效應(yīng), 即由于地震的孕育和發(fā)生引起地下流體在地殼中的分布、運(yùn)移及其有關(guān)的作用, 表現(xiàn)為地下流體的地震前兆反映;另一方面是地下流體在震源過程中的能動作用,即由于地下流體的直接參與促使地震的孕育與發(fā)生。一些研究結(jié)果表明, 水在地震的孕育和發(fā)生過程中起著重要的作用。
 
  地下水的深循環(huán)對斷裂強(qiáng)度和斷裂應(yīng)力狀態(tài)有顯著的影響。在水的作用下, 巖石的抗壓抗剪強(qiáng)度和斷裂摩擦力將大大降低。斷裂帶中地下水作用的深度不同, 斷裂的強(qiáng)度和應(yīng)力狀態(tài)也將不同,這必然會影響地震的孕育和發(fā)生。本文利用熱儲溫度結(jié)和當(dāng)?shù)?a href="http://kaichele.cn/t/地溫梯度.html" >地溫梯度來計(jì)算溫泉水的循環(huán)深度, 然后用溫泉水的循環(huán)深度來判斷斷裂帶中地下水作用的深度, 從溫泉水深循環(huán)對斷裂弱化的角度來研究地震活動性。
 
  1  區(qū)域地質(zhì)概況
 
  秦嶺北緣斷裂帶是我國西北地區(qū)一條大型近EW 向斷裂帶, 也是我國內(nèi)陸一條主要的超殼斷裂帶。斷裂帶(廣義)西起青海貴德, 往東南經(jīng)尖扎、循化, 過甘肅臨夏、漳縣、天水, 經(jīng)寶雞延至陜西潼關(guān),綿延800 余公里, 主要包括:①西秦嶺北緣斷裂帶,西起青海貴德, 東端止于甘肅天水, 走向NWW , 傾向NE , 傾角50°～ 80°, 以左旋走滑運(yùn)動為特征;②渭河盆地南緣的秦嶺北緣斷裂帶(狹義), 西起寶雞,經(jīng)眉縣湯峪、長安豐峪口至藍(lán)田流峪口, 走向NW ,過戶縣轉(zhuǎn)為EW , 斷面總體上北傾, 傾角60°～ 80°;③華山山前斷裂, 東起潼關(guān), 經(jīng)華縣向西南延伸, 止于藍(lán)田流峪口, 并與秦嶺北麓斷裂相接, 華縣以西走向以NE 為主, 華縣以東為近EW 向延伸。斷面總體上向NW 或N 傾斜, 傾角62°～ 80°。秦嶺北緣斷裂帶(廣義)大致可分為三段:青海段(貴德-臨夏);甘肅段(和政-天水);陜西段(寶雞-潼關(guān))。
 
  2  溫泉的同位素地球化學(xué)特征
 
  2 .1  采樣及分析方法
 
  在考察完秦嶺北緣斷裂帶和周邊其它斷裂帶上的出露溫泉的基礎(chǔ)上, 根據(jù)溫泉出露的地質(zhì)及地貌特征, 最后選取了12 個溫(冷)泉做為研究重點(diǎn)。這些溫(冷)泉都在秦嶺北緣斷裂帶的主干斷裂、隱伏斷裂或周邊其它斷裂上出露。于2006 年9 、10 月份采集了溫(冷)泉水點(diǎn)的水樣和水溶氣體樣品, 其中水樣12 個, 水溶氣樣12 個。中國科學(xué)院蘭州分院分析測試中心地球化學(xué)分析測試部測定了δ18 O , δD值和氣體成分氦同位素組成(表1)。氫氧同位素的分析方法:δD 為C r 還原法, δ18 O 為CO2 —H2O 平衡法;測試精度δD ≤5 ‰, δ18 O ≤1 ‰。氣體He 同位素分析使用儀器為VG5400 稀有氣體靜態(tài)質(zhì)譜計(jì), 實(shí)驗(yàn)中用蘭州市皋蘭山頂?shù)目諝庾鰳?biāo)準(zhǔn)樣品。
 
  2 .2  氫氧同位素分析
 
  在穩(wěn)定同位素地球化學(xué)研究中, 人們感興趣的是物質(zhì)同位素比值的微小變化, 而不是絕對值的大小。一般采用相對富集度δD 和δ18 O 值表示氫、氧同位素組成。δ值表示樣品中兩種同位素比值相對于某一標(biāo)準(zhǔn)的對應(yīng)比值的相對千分差, 單位用(‰)表示。例如:
 
  δ18O(‰)=[ (18O/16 O)樣品/(18O/16 O)標(biāo)準(zhǔn)-1]×1 000 VSMOW
 
  δD(‰)=[ (2H / 1 H)樣品/(2 H / 1H)標(biāo)準(zhǔn)-1]×1 000 VSMOW
 
  VSMOW 是所使用標(biāo)準(zhǔn)的名稱, 這里指維也納平均海洋水標(biāo)準(zhǔn), 它是國際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)認(rèn)證頒發(fā)的、國際通用的標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際應(yīng)用中, δ值就是物質(zhì)同位素組成的代名詞。
 
  1961 年Graig 根據(jù)全球取樣指出, 雨水中δD和δ18O 值之間存在著線性相關(guān)關(guān)系, 其一般形式為:δD =nδ18 O +a , 這條線簡稱為雨水線。1980年北大鄭淑蕙根據(jù)北京、南京、廣州、武漢、昆明、拉薩、烏魯木齊等8 個地區(qū)雨雪樣得出我國的雨水線方程為δD =7 .9δ18 O +8 .2。1986 年以來西北地區(qū)有8 處建立了地區(qū)雨水線, 求得西北地區(qū)雨水線為δD =7 .38δ18 O +7 .16 , 這與我國雨水線比較接近, 而斜率和截距均稍小, 正反映了西北地區(qū)更為干旱, 降水量偏小、空氣干燥, 蒸發(fā)具有強(qiáng)烈不平衡性質(zhì)。
 
  本文選取西北地區(qū)雨水線為大氣降水背景值,研究區(qū)所取水樣的氫氧同位素組成見圖2 。一般認(rèn)為巖漿水的氫、氧同位素組成為δ18O = 6 ‰～ 10 ‰,δD = -50 ‰ ～ -80 ‰, 變質(zhì)水為δ18 O =5 ‰ ～25 ‰, δD = -70 ‰～ -20 ‰。該值大大高于研究區(qū)溫泉水的同位素組成, 表明該區(qū)溫泉水不是來源于巖漿水;而且圖中顯示溫泉水同位素組成沿著西北地區(qū)大氣降水線附近分布。在圖上可以看出一些溫泉點(diǎn)的δ18O 值相對于西北地區(qū)雨水線明顯向右漂移(正偏), 這是由于溫泉水與巖石發(fā)生了同位素交換作用, 巖石中由于氫的含量低, 水-巖反應(yīng)的δD 變化不大, 而只表現(xiàn)為δ18O 的變異。水溫愈高,δ18O 正偏愈大, 這一過程也稱為氧漂移。綜上所述表明研究區(qū)溫泉水主要來源于大氣降水。
  2 .3  溫泉水溶解氣3He/4He 比值分析
 
  地球上對于不同來源的氦, 3 He/4He 一般約為10-5 ～ 10 -8 。大量研究表明不同成因的氦具有明顯不同的氦同位素組成, 大氣氦、殼源氦和幔源氦的3 He/4He 表征值分別為1 .4 ×10-6 , 2 .0 ×10-8和1 .1 ×10-5 , 并常以R(樣品的3 He/4 He 比值)與Ra(大氣3 He/4 He 比值, 即1 .4 ×10-6)之比, 即R/Ra來表示氦同位素的特征[ 11] 。R/Ra <1 是殼源氦的特征, 而R/Ra >1 則說明有幔源氦的加入。
 
  大多數(shù)溫泉水溶氣的3He/4He 為(2 .84 ±0 .17)×10-8 ～ (3 .86 ±0 .13)×10-7 , 相應(yīng)的R/Ra為0 .02 ～ 0 .28(均小于1), 具有明顯的殼源成因, 這說明斷裂為殼層斷裂, 斷裂較深, 也說明溫泉水循環(huán)深度較深;而循化丁江冷泉水、蛤蟆冷泉水3 He/4 He為(1 .33 ±0 .05)×10-6 ～ (1 .42 ±0 .06)×10-6 , 相應(yīng)的R/Ra 為0 .95 、1 .01(接近1), 具有明顯的大氣成因, 表明循環(huán)深度很淺, 可能是大氣降水經(jīng)過淺部循環(huán)就沿?cái)嗔岩绯觥?/div>
 
  3  溫泉水循環(huán)深度計(jì)算方法及結(jié)果
 
  溫泉水循環(huán)深度是根據(jù)溫泉水熱儲溫度和當(dāng)?shù)?a href="http://kaichele.cn/t/地溫梯度.html" >地溫梯度計(jì)算的。SiO2 地?zé)釡貥?biāo)是最可靠的溫標(biāo)之一, 其適用范圍為0 ～ 250 ℃。石雅镠等人用SiO2 地?zé)釡貥?biāo)計(jì)算得到的熱儲溫度見表2[ 12] 。本文利用下式計(jì)算溫泉水的循環(huán)深度:
 
  D =(tR -tcold)/ g +h (1)
 
  式中D 為循環(huán)深度(km);tR 為熱儲溫度(℃);tcold為當(dāng)?shù)刈罾淅淙臏囟?℃);h 為常溫層厚度
 
  (km);g 為地溫梯度(℃ /km)。地溫梯度是指在恒溫帶以下每增加1 000 m 深地溫變化的情況。
 
  中國地溫場的研究表明, 各地區(qū)地溫梯度g 的變化很大。它主要取決于區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、地殼深部結(jié)構(gòu)、巖漿作用及構(gòu)造活動性。
 
  按照Muf f ler(1976)最早提出、并一直為地?zé)?/a>界沿用的地?zé)嵯到y(tǒng)分類, 秦嶺北緣斷裂帶出露的溫泉屬于中低溫對流型地?zé)嵯到y(tǒng)。所謂“中低溫對流型地?zé)?/a>系統(tǒng)”是指那些溫度低于150 ℃, 地下深處沒有年輕巖漿活動作為附加熱源, 在正?；蚱叩膮^(qū)域熱背景條件下, 出現(xiàn)在裂隙介質(zhì)或斷裂破碎帶中的地下熱水環(huán)流系統(tǒng)。由此可知研究區(qū)地溫場受傳導(dǎo)與對流雙重因素的控制[ 14] 。在伴有對流作用下, 溫度場比純傳導(dǎo)機(jī)制下的溫度場為復(fù)雜, 故各段地溫梯度g 的取值比較復(fù)雜。
 
  資料顯示溫泉點(diǎn)附近區(qū)域分布的大地熱流測點(diǎn)較少, 導(dǎo)致研究區(qū)鉆孔測溫?cái)?shù)據(jù)稀少, 這給地溫梯度g 的計(jì)算工作帶來了很大的困難。而一些研究結(jié)果表明, 溫泉、高熱流值及地?zé)?/a>異常區(qū)與高地溫梯度區(qū)是基本吻合的, 故作者認(rèn)為可以用地?zé)?/a>異常區(qū)的平均地溫梯度來代表溫泉附近區(qū)域的地溫梯度。
  前人研究結(jié)果顯示, 貴德地區(qū)平均地溫梯度g是35 ℃/km ;甘肅東部的g 是35 ℃/km;西安地區(qū)的g 為32 ℃/km[ 16] 。本文取t cold =10 ℃, h =0 .02 km 。把g 、t cold 、h 和t R(表2)代入式(1), 即可求出各溫泉水的循環(huán)深度.
 
  陜西段溫泉水循環(huán)深度為5 .11～ 5 .61 km , 平均深度為5 .36 km ;青海段溫泉水循環(huán)深度為4 .79 km ;甘肅段溫泉水循環(huán)深度為3 .71～ 4 .28 km , 平均為3 .99 km 。陜西段溫泉水平均循環(huán)深度分別比青海段和甘肅段深0 .57 km 和1 .37km 。
 
  4  地震活動性
 
  秦嶺北緣斷裂帶沿走向上各段活動強(qiáng)度不同。
 
  4 .1  中小地震活動性(ML <5 .0)
 
  統(tǒng)計(jì)了1987 -1997 年ML <5 .0 級分段的地震頻度, 分別為:陜西段124 次, 甘肅段281次, 青海段28 次。各段ML <5 .0 級地震活動性有明顯的差異, 其中甘肅段活動最頻繁, 其次分別為陜西段, 青海段。
 
  4 .2  中強(qiáng)地震活動性(ML ≥5 .0)
 
  公元1900 -1997 年各段ML ≥5 .0 級地震頻度分別為:陜西段0 次, 甘肅段5 次, 青海段1 次(圖5):各段最大震級分別為:甘肅段6 .7 級, 青海段5 .4級。甘肅段中強(qiáng)地震活動最頻繁, 青海段次之。
 
  5  溫泉水循環(huán)深度與地震活動性的關(guān)系
 
  由以上溫泉水循環(huán)深度和地震活動性可以看出:在溫泉水循環(huán)深度較深的陜西段中小地震頻度較高;而對于溫泉水循環(huán)深度較淺的甘肅段、青海段, 中強(qiáng)地震頻度較高(在甘肅段, 近百年來共發(fā)生5 次ML ≥5 級地震, 震級也較大, 最大為6 .7 級)。
 
  但我們也發(fā)現(xiàn)在溫泉水循環(huán)深度較淺的甘肅段, 中小地震頻度超過了溫泉水循環(huán)深度較深的陜西段。
 
  這是為什么呢? 首先, 這與我國南北地震帶正好穿過該段有重要的關(guān)系;其次, 甘肅段復(fù)雜的構(gòu)造環(huán)境也與之有密切的聯(lián)系, 若干條近東西走向的構(gòu)造在天水地震區(qū)東西兩側(cè)呈X 狀延伸, 天水地震區(qū)就是X 形的交叉部位, 是個咽喉地帶[ 17] 。故作者認(rèn)為上述原因造成了甘肅段中小地震頻度高的結(jié)果。
 
  我們將從地下熱水對斷裂弱化的角度來討論溫泉水循環(huán)深度與地震活動性之間的這種變化規(guī)律。
 
  據(jù)構(gòu)造物理實(shí)驗(yàn)研究, 在水的作用下, 沿?cái)嗔衙娴膸r石產(chǎn)生泥化、水化和溶蝕等作用, 巖石的抗壓強(qiáng)度將降低20﹪ ～ 80﹪ , 斷裂摩擦力將降低30﹪ ～ 90﹪;濕的花崗巖斷裂發(fā)生滑動所需的剪切力顯著低于干斷裂。另外, 深部流體的孔隙壓力較大, 可使斷裂面的有效正壓力降低[ 18] 。斷裂帶中地下水作用的深度越深, 水對斷裂及其圍巖的弱化作用程度也就越高, 斷裂的強(qiáng)度就越低, 從而影響斷裂的應(yīng)力狀態(tài)和地震活動性。
 
  陜西段溫泉水循環(huán)深度最深, 表明地下水作用深度大;水對斷裂的弱化程度最高, 斷裂強(qiáng)度小;在該部位應(yīng)力不會積累很大, 只要在較小的構(gòu)造應(yīng)力作用下斷裂就會發(fā)生錯動, 斷裂上的剪切應(yīng)力易于釋放, 因此其地震活動性表現(xiàn)為中小地震頻度高的特點(diǎn)。相反, 甘肅段溫泉水循環(huán)深度和青海段溫泉水循環(huán)深度較淺, 因此在甘肅段和青海段, 地下流體與斷裂之間的相互作用不如陜西段強(qiáng)烈, 地下流體對斷裂的弱化程度相對較低, 斷裂強(qiáng)度相對較大;在這些部位可積累較大的應(yīng)力, 斷裂不易錯動, 表現(xiàn)為中強(qiáng)地震頻度高、震級也較大(青海段最大5 .4級, 甘肅段為6 .7 級)的特點(diǎn)。
 
  6  結(jié)論與討論
 
  (1)研究區(qū)溫泉水氫氧同位素及3 He/4He 表明, 秦嶺北緣斷裂帶上的溫泉水主要為大氣降水成因, 循環(huán)深度較深并且經(jīng)歷了高溫水巖交換作用。
 
  (2)秦嶺北緣斷裂帶溫泉水循環(huán)深度變化范圍為3 .71 ～ 5 .61 km 。各段溫泉水循環(huán)深度有明顯的差異, 其中陜西段最深(平均5 .36 km), 其次為青海段(4 .79 km)、甘肅段(平均3 .99 km)。
 
  (3)各段地震活動性有明顯差異, 陜西段表現(xiàn)為中小地震頻度較高;甘肅段和青海段表現(xiàn)為中強(qiáng)地震頻度較高, 震級也較大(青海段最大5 .4 級, 甘肅段為6 .7 級)。從地下熱水對斷裂有強(qiáng)烈弱化的角度分析, 這與各段溫泉水循環(huán)深度不同有關(guān)。
 
  (4)在溫泉水循環(huán)深度較深的陜西段, 水對斷裂的弱化程度高, 斷裂強(qiáng)度小, 所以在該區(qū)域應(yīng)力不會積累很大, 只要在較小的構(gòu)造應(yīng)力作用下, 斷裂就會發(fā)生錯動, 剪切應(yīng)力主要通過中小地震釋放, 故孕育強(qiáng)震的可能性較小。而在溫泉水循環(huán)深度較淺的甘肅段、青海段, 水對斷裂的弱化程度低, 其斷裂強(qiáng)度大;斷裂不易錯動, 剪切應(yīng)力以中小地震釋放的較少, 在這些部位可積累較大的應(yīng)力, 因而可能是孕育強(qiáng)震的危險(xiǎn)區(qū)?？紤]到甘肅段復(fù)雜的構(gòu)造環(huán)境以及南北地震帶正好從該段穿過的因素, 作者認(rèn)為甘肅段可能是強(qiáng)震的最危險(xiǎn)區(qū)。