秦岭北缘断裂带温泉水循环深度与地震活动性的关系研究

  地壳中广泛存在着流体作用。在地震科学领域中, 地壳流体与地震活动的关系越来越受到国内外专家们的关注。地下流体与地震的关系有二个方面:一方面是地下流体对地震的被动效应, 即由于地震的孕育和发生引起地下流体在地壳中的分布、运移及其有关的作用, 表现为地下流体的地震前兆反映;另一方面是地下流体在震源过程中的能动作用,即由于地下流体的直接参与促使地震的孕育与发生。一些研究结果表明, 水在地震的孕育和发生过程中起着重要的作用。

 

  地下水的深循环对断裂强度和断裂应力状态有显著的影响。在水的作用下, 岩石的抗压抗剪强度和断裂摩擦力将大大降低。断裂带中地下水作用的深度不同, 断裂的强度和应力状态也将不同,这必然会影响地震的孕育和发生。本文利用热储温度结和当地地温梯度来计算温泉水的循环深度, 然后用温泉水的循环深度来判断断裂带中地下水作用的深度, 从温泉水深循环对断裂弱化的角度来研究地震活动性。

 

  1  区域地质概况

 

  秦岭北缘断裂带是我国西北地区一条大型近EW 向断裂带, 也是我国内陆一条主要的超壳断裂带。断裂带(广义)西起青海贵德, 往东南经尖扎、循化, 过甘肃临夏、漳县、天水, 经宝鸡延至陕西潼关,绵延800 余公里, 主要包括:①西秦岭北缘断裂带,西起青海贵德, 东端止于甘肃天水, 走向NWW , 倾向NE , 倾角50°～ 80°, 以左旋走滑运动为特征;②渭河盆地南缘的秦岭北缘断裂带(狭义), 西起宝鸡,经眉县汤峪、长安丰峪口至蓝田流峪口, 走向NW ,过户县转为EW , 断面总体上北倾, 倾角60°～ 80°;③华山山前断裂, 东起潼关, 经华县向西南延伸, 止于蓝田流峪口, 并与秦岭北麓断裂相接, 华县以西走向以NE 为主, 华县以东为近EW 向延伸。断面总体上向NW 或N 倾斜, 倾角62°～ 80°。秦岭北缘断裂带(广义)大致可分为三段:青海段(贵德-临夏);甘肃段(和政-天水);陕西段(宝鸡-潼关)。

 

  2  温泉的同位素地球化学特征

 

  2 .1  采样及分析方法

 

  在考察完秦岭北缘断裂带和周边其它断裂带上的出露温泉的基础上, 根据温泉出露的地质及地貌特征, 最后选取了12 个温(冷)泉做为研究重点。这些温(冷)泉都在秦岭北缘断裂带的主干断裂、隐伏断裂或周边其它断裂上出露。于2006 年9 、10 月份采集了温(冷)泉水点的水样和水溶气体样品, 其中水样12 个, 水溶气样12 个。中国科学院兰州分院分析测试中心地球化学分析测试部测定了δ18 O , δD值和气体成分氦同位素组成(表1)。氢氧同位素的分析方法:δD 为C r 还原法, δ18 O 为CO2 —H2O 平衡法;测试精度δD ≤5 ‰, δ18 O ≤1 ‰。气体He 同位素分析使用仪器为VG5400 稀有气体静态质谱计, 实验中用兰州市皋兰山顶的空气做标准样品。

 

  2 .2  氢氧同位素分析

 

  在稳定同位素地球化学研究中, 人们感兴趣的是物质同位素比值的微小变化, 而不是绝对值的大小。一般采用相对富集度δD 和δ18 O 值表示氢、氧同位素组成。δ值表示样品中两种同位素比值相对于某一标准的对应比值的相对千分差, 单位用(‰)表示。例如:

 

  δ18O(‰)=[ (18O/16 O)样品/(18O/16 O)标准-1]×1 000 VSMOW

 

  δD(‰)=[ (2H / 1 H)样品/(2 H / 1H)标准-1]×1 000 VSMOW

 

  VSMOW 是所使用标准的名称, 这里指维也纳平均海洋水标准, 它是国际原子能机构(IAEA)认证颁发的、国际通用的标准。实际应用中, δ值就是物质同位素组成的代名词。

 

  1961 年Graig 根据全球取样指出, 雨水中δD和δ18O 值之间存在着线性相关关系, 其一般形式为:δD =nδ18 O +a , 这条线简称为雨水线。1980年北大郑淑蕙根据北京、南京、广州、武汉、昆明、拉萨、乌鲁木齐等8 个地区雨雪样得出我国的雨水线方程为δD =7 .9δ18 O +8 .2。1986 年以来西北地区有8 处建立了地区雨水线, 求得西北地区雨水线为δD =7 .38δ18 O +7 .16 , 这与我国雨水线比较接近, 而斜率和截距均稍小, 正反映了西北地区更为干旱, 降水量偏小、空气干燥, 蒸发具有强烈不平衡性质。

 

  本文选取西北地区雨水线为大气降水背景值,研究区所取水样的氢氧同位素组成见图2 。一般认为岩浆水的氢、氧同位素组成为δ18O = 6 ‰～ 10 ‰,δD = -50 ‰ ～ -80 ‰, 变质水为δ18 O =5 ‰ ～25 ‰, δD = -70 ‰～ -20 ‰。该值大大高于研究区温泉水的同位素组成, 表明该区温泉水不是来源于岩浆水;而且图中显示温泉水同位素组成沿着西北地区大气降水线附近分布。在图上可以看出一些温泉点的δ18O 值相对于西北地区雨水线明显向右漂移(正偏), 这是由于温泉水与岩石发生了同位素交换作用, 岩石中由于氢的含量低, 水-岩反应的δD 变化不大, 而只表现为δ18O 的变异。水温愈高,δ18O 正偏愈大, 这一过程也称为氧漂移。综上所述表明研究区温泉水主要来源于大气降水。

  2 .3  温泉水溶解气3He/4He 比值分析

 

  地球上对于不同来源的氦, 3 He/4He 一般约为10-5 ～ 10 -8 。大量研究表明不同成因的氦具有明显不同的氦同位素组成, 大气氦、壳源氦和幔源氦的3 He/4He 表征值分别为1 .4 ×10-6 , 2 .0 ×10-8和1 .1 ×10-5 , 并常以R(样品的3 He/4 He 比值)与Ra(大气3 He/4 He 比值, 即1 .4 ×10-6)之比, 即R/Ra来表示氦同位素的特征[ 11] 。R/Ra <1 是壳源氦的特征, 而R/Ra >1 则说明有幔源氦的加入。

 

  大多数温泉水溶气的3He/4He 为(2 .84 ±0 .17)×10-8 ～ (3 .86 ±0 .13)×10-7 , 相应的R/Ra为0 .02 ～ 0 .28(均小于1), 具有明显的壳源成因, 这说明断裂为壳层断裂, 断裂较深, 也说明温泉水循环深度较深;而循化丁江冷泉水、蛤蟆冷泉水3 He/4 He为(1 .33 ±0 .05)×10-6 ～ (1 .42 ±0 .06)×10-6 , 相应的R/Ra 为0 .95 、1 .01(接近1), 具有明显的大气成因, 表明循环深度很浅, 可能是大气降水经过浅部循环就沿断裂溢出。

 

  3  温泉水循环深度计算方法及结果

 

  温泉水循环深度是根据温泉水热储温度和当地地温梯度计算的。SiO2 地热温标是最可靠的温标之一, 其适用范围为0 ～ 250 ℃。石雅镠等人用SiO2 地热温标计算得到的热储温度见表2[ 12] 。本文利用下式计算温泉水的循环深度:

 

  D =(tR -tcold)/ g +h (1)

 

  式中D 为循环深度(km);tR 为热储温度(℃);tcold为当地最冷冷泉的温度(℃);h 为常温层厚度

 

  (km);g 为地温梯度(℃ /km)。地温梯度是指在恒温带以下每增加1 000 m 深地温变化的情况。

 

  中国地温场的研究表明, 各地区地温梯度g 的变化很大。它主要取决于区域地质构造、地壳深部结构、岩浆作用及构造活动性。

 

  按照Muf f ler(1976)最早提出、并一直为地热界沿用的地热系统分类, 秦岭北缘断裂带出露的温泉属于中低温对流型地热系统。所谓“中低温对流型地热系统”是指那些温度低于150 ℃, 地下深处没有年轻岩浆活动作为附加热源, 在正常或偏高的区域热背景条件下, 出现在裂隙介质或断裂破碎带中的地下热水环流系统。由此可知研究区地温场受传导与对流双重因素的控制[ 14] 。在伴有对流作用下, 温度场比纯传导机制下的温度场为复杂, 故各段地温梯度g 的取值比较复杂。

 

  资料显示温泉点附近区域分布的大地热流测点较少, 导致研究区钻孔测温数据稀少, 这给地温梯度g 的计算工作带来了很大的困难。而一些研究结果表明, 温泉、高热流值及地热异常区与高地温梯度区是基本吻合的, 故作者认为可以用地热异常区的平均地温梯度来代表温泉附近区域的地温梯度。

 

  前人研究结果显示, 贵德地区平均地温梯度g是35 ℃/km ;甘肃东部的g 是35 ℃/km;西安地区的g 为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), 即可求出各温泉水的循环深度.

 

  陕西段温泉水循环深度为5 .11～ 5 .61 km , 平均深度为5 .36 km ;青海段温泉水循环深度为4 .79 km ;甘肃段温泉水循环深度为3 .71～ 4 .28 km , 平均为3 .99 km 。陕西段温泉水平均循环深度分别比青海段和甘肃段深0 .57 km 和1 .37km 。

 

  4  地震活动性

 

  秦岭北缘断裂带沿走向上各段活动强度不同。

 

  4 .1  中小地震活动性(ML <5 .0)

 

  统计了1987 -1997 年ML <5 .0 级分段的地震频度, 分别为:陕西段124 次, 甘肃段281次, 青海段28 次。各段ML <5 .0 级地震活动性有明显的差异, 其中甘肃段活动最频繁, 其次分别为陕西段, 青海段。

 

  4 .2  中强地震活动性(ML ≥5 .0)

 

  公元1900 -1997 年各段ML ≥5 .0 级地震频度分别为:陕西段0 次, 甘肃段5 次, 青海段1 次(图5):各段最大震级分别为:甘肃段6 .7 级, 青海段5 .4级。甘肃段中强地震活动最频繁, 青海段次之。

 

  5  温泉水循环深度与地震活动性的关系

 

  由以上温泉水循环深度和地震活动性可以看出:在温泉水循环深度较深的陕西段中小地震频度较高;而对于温泉水循环深度较浅的甘肃段、青海段, 中强地震频度较高(在甘肃段, 近百年来共发生5 次ML ≥5 级地震, 震级也较大, 最大为6 .7 级)。

 

  但我们也发现在温泉水循环深度较浅的甘肃段, 中小地震频度超过了温泉水循环深度较深的陕西段。

 

  这是为什么呢? 首先, 这与我国南北地震带正好穿过该段有重要的关系;其次, 甘肃段复杂的构造环境也与之有密切的联系, 若干条近东西走向的构造在天水地震区东西两侧呈X 状延伸, 天水地震区就是X 形的交叉部位, 是个咽喉地带[ 17] 。故作者认为上述原因造成了甘肃段中小地震频度高的结果。

 

  我们将从地下热水对断裂弱化的角度来讨论温泉水循环深度与地震活动性之间的这种变化规律。

 

  据构造物理实验研究, 在水的作用下, 沿断裂面的岩石产生泥化、水化和溶蚀等作用, 岩石的抗压强度将降低20﹪ ～ 80﹪ , 断裂摩擦力将降低30﹪ ～ 90﹪;湿的花岗岩断裂发生滑动所需的剪切力显著低于干断裂。另外, 深部流体的孔隙压力较大, 可使断裂面的有效正压力降低[ 18] 。断裂带中地下水作用的深度越深, 水对断裂及其围岩的弱化作用程度也就越高, 断裂的强度就越低, 从而影响断裂的应力状态和地震活动性。

 

  陕西段温泉水循环深度最深, 表明地下水作用深度大;水对断裂的弱化程度最高, 断裂强度小;在该部位应力不会积累很大, 只要在较小的构造应力作用下断裂就会发生错动, 断裂上的剪切应力易于释放, 因此其地震活动性表现为中小地震频度高的特点。相反, 甘肃段温泉水循环深度和青海段温泉水循环深度较浅, 因此在甘肃段和青海段, 地下流体与断裂之间的相互作用不如陕西段强烈, 地下流体对断裂的弱化程度相对较低, 断裂强度相对较大;在这些部位可积累较大的应力, 断裂不易错动, 表现为中强地震频度高、震级也较大(青海段最大5 .4级, 甘肃段为6 .7 级)的特点。

 

  6  结论与讨论

 

  (1)研究区温泉水氢氧同位素及3 He/4He 表明, 秦岭北缘断裂带上的温泉水主要为大气降水成因, 循环深度较深并且经历了高温水岩交换作用。

 

  (2)秦岭北缘断裂带温泉水循环深度变化范围为3 .71 ～ 5 .61 km 。各段温泉水循环深度有明显的差异, 其中陕西段最深(平均5 .36 km), 其次为青海段(4 .79 km)、甘肃段(平均3 .99 km)。

 

  (3)各段地震活动性有明显差异, 陕西段表现为中小地震频度较高;甘肃段和青海段表现为中强地震频度较高, 震级也较大(青海段最大5 .4 级, 甘肃段为6 .7 级)。从地下热水对断裂有强烈弱化的角度分析, 这与各段温泉水循环深度不同有关。

 

  (4)在温泉水循环深度较深的陕西段, 水对断裂的弱化程度高, 断裂强度小, 所以在该区域应力不会积累很大, 只要在较小的构造应力作用下, 断裂就会发生错动, 剪切应力主要通过中小地震释放, 故孕育强震的可能性较小。而在温泉水循环深度较浅的甘肃段、青海段, 水对断裂的弱化程度低, 其断裂强度大;断裂不易错动, 剪切应力以中小地震释放的较少, 在这些部位可积累较大的应力, 因而可能是孕育强震的危险区。考虑到甘肃段复杂的构造环境以及南北地震带正好从该段穿过的因素, 作者认为甘肃段可能是强震的最危险区。