基于Matlab的断裂带温泉水地球化学特征及地震活动性研究①

伍剑波，张 慧，2，苏鹤军，2，李晨桦，2

（1．中国地震局兰州地震研究所，甘肃 兰州 730000；2．中国地震局地震预测研究所兰州科技创新基地，甘肃 兰州 730000）

0 引言

地下流体地球化学方法广泛应用于地震领域，是研究断裂带特征以及活动性的一个重要手段。构造活动形成的裂隙为温泉水循环提供了良好的地质通道，流体在上升过程中携带了大量的地质信息，对构造断裂活动性研究有很重要的地质意义。大量的研究表明［1－4］，沿断裂带分布的温泉水其水化特征变化与断裂活动具有一定的关联性。

随着地震研究的深入和地下流体学科的发展，需要更多计算机软件技术的支撑发展。在地震地下流体研究中，对野外勘查、实验数据分析以及图形的绘制，需要采用多种分析手段，由于采用的分析方法和手段不同，绘图软件就不同，所以研究人员需要掌握多种绘图软件。Matlab作为世界三大数学软件之一，具有强大的计算和绘图能力以及简单的程序语言，在地震研究方面有重要运用［5］。为了解决地下流体分析软件分散的局面，我们基于Matlab开发出了一种图形用户界面（GUI）软件（图1），该软件综合了大部分地球化学分析软件的绘图功能。本文主要探讨该软件水质分析功能，并以西秦岭北缘断裂带温泉水为分析对象进行分析。

图1 基于Matlab的水质分析软件界面Fig．1 The software interface of water quality analysis based on Matlab．

1 应用区域构造概况

西秦岭北缘断裂带位于甘肃东南部。研究区范围在北纬33．50°～35．58°，东经103．50°～106．50°（图2）；地震数据来自国家地震科学数据共享中心，时间段为1970年1月1日－2012年12月31日；震级ML≥2。

甘东南区域的构造环境复杂，是中强震和强震发生的主要场所，区域内的断裂构造特征严重受到区域构造的影响［6］。西秦岭北缘断裂带为甘东南区域活动性较强的断裂之一，晚第四纪以来，主要以左旋走滑为主，倾滑分量较小，断裂新活动明显［7］（图2）。西秦岭北缘断裂带分为六个次级断裂，多为张扭性断层，其派生的小断层发育且相互交错［8］。本文研究的街子温泉位于天水断裂，武山温泉位于武山断裂，而清水温泉据推测可能位于NW向的通渭－清水隐伏断裂带上［9］，不属于西秦岭北缘主断裂系。

2 断裂带温泉水水质分析

温泉受区域主要断裂控制，其分布特征往往与地震带分布一致，通常被认为是确定活动断裂的一种标志［10］。本文把我们采集的温泉水样分析数据（数据III：2011年采集样品），与前人（数据Ⅰ：石雅镠，1987年采集样品［2］；数据Ⅱ：汪万红，2006年采集样品［4］）进行对比研究（表1）。基于 MATLAB绘制矩形水化学图、δD－δ18O关系图、Na－K－Mg三角图、以及温泉水循环深度三维图。

图2 西秦岭北缘断裂带及地震分布Fig．2 Distribution of the north margin fault belt of western Qinling and epicenters of erathquake．

表1 温泉水样分析数据（单位：mg／L）Table 1 Analysis data of the hot spring water

2．1 温泉水水化学类型

矩形水化学类型图［11］（图3）对揭示水文地球化学规律起着举足轻重的作用。由表1几种主要阴阳离子的浓度数据以及图3显示结果，可推测武山和街子温泉水的总矿化度小于清水温泉。1987年和2011年的温泉水化学组成总体上没有发生明显变化，为低矿化度、淡水。三个温泉水阳离子含量均以Na＋为主，Ca2＋、Mg2＋较少。但是三者阴离子含量有明显的区别，清水温泉水阴离子以SO2－4为主，而街子和武山温泉水中阴离子HCO－3含量最多、SO2－4次之。根据矩形图分类方法，清水温泉水化学类型为Na－SO4·Cl，属于硫酸型水；街子、武山温泉水化学类型为Na－HCO3·SO4·Cl，属于碳酸型水。

2．2 氢氧同位素分析

最早由Craig［12］提出全球淡水中δD和δ18O具有线性相关性，并运用全球降水线定义了二者之间的关系：δD＝8δ18O＋10。Craig大气降水线只适用全球范围，由于气候和地理参数的变化，局部区域大气降水线的斜率和氘截距都与全球线不同。前人经过地区雨水线的建立，求得中国西北地区的大气降水线［13］：δD＝7．38δ18O＋7．16。本文以西北地区的大气降水线为标准，1987年与2006年的街子、武山、清水三个温泉水的δD和δ18O线性相关性如图4。

图3 温泉水矩形水化学图Fig．3 Rectangle hydrochemical diagram of the hot spring waters．

图4 西秦岭北缘温泉水δD～δ18 O关系图Fig．4 The correlation diagram ofδDandδ18 O of hot spring water samples in the north margin of western Qinling fault zone．

首先，1987年和2006年表现出共同点：温泉水的氢氧同位素组成均沿着西北地区大气降水线附近分布，表明温泉水补给来源为大气降水；温泉水18O总体上相对于降水线向右偏移，即正向氧漂移。由于三个温泉围岩的岩性主要为片麻岩、花岗岩，其中街子温泉的围岩还含有碳酸盐岩，地下水与含硅酸盐矿物或碳酸盐矿物的岩石之间发生水—岩反应，进行氧同位素平衡交换［14］，即 Si18O2＋ 2H216O ＝Si16O2＋ 2H218O，或 CaC18O3＋H216O ＝ CaC16O3＋H218O，致使地下水18O含量变化。

其次，2006年与1987年相比有明显的差异性：街子、武山、清水三个温泉水2006年的δD、δ18O值比1987年更偏向负值一端，说明随着时间的推移温泉水发生了不同程度的氢、氧同位素亏损；2006年的斜率与西北地区大气降水线有明显的偏离。从温泉水来源上分析，造成这种差异的原因可能是气候年变化对大气降水同位素组成的影响。

2．3 水—岩平衡状态

Na－K－Mg三角图解法［15］广泛应用于评价地下热水的水—岩平衡状态和区分不同类型的水样。由完全平衡线和部分平衡下限把整个三角图分为完全平衡、部分平衡和未成熟水三个区。

由图5可知，水—岩反应在1987与2011年之间有明显的变化：2011年温泉水样比对应的1987年样品更接近完全平衡线。由此推测随着时间的推移温泉水的成熟度越高。

三个温泉均靠近Mg端元，其中武山（WS－Ⅰ、WS－Ⅲ）和街子（JZ－Ⅰ、JZ－Ⅲ）两个温泉的水样接近完全平衡线，说明二者的水—岩反应几乎达到完全平衡状态，成熟度较高；而清水温泉的水样（QS－Ⅰ、QS－Ⅲ）明显位于完全平衡线与部分平衡下限之间，属于部分成熟的水，成熟度小于前两者。鉴于3个温泉水具有较高的成熟度，由图中样品落点可初步推测温泉的热储温度：武山为120～160℃、街子为140～180℃，清水为160～180℃。本文研究结果与石雅谬［2］利用SiO2地热温标计算得到的热储温度（武山139℃、街子159℃、清水190℃）基本一致。

图5 温泉水Na－K－Mg三角图Fig．5 The triangle diagram of Na－K－Mg of the hot spring water samples．

2．4 温泉水循环深度特征

温泉的热源如果来源于地热增温热，且热储温度随着循环深度的增加而升高，可用下式计算温泉水循环深度：

式中D为循环深度（km）；g为地温梯度（℃／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）。汪万红［4］运用式（1）计算了秦岭北缘断裂温泉水循环深度（表2）。作者把表2数据和温泉位置的经纬度导入水质分析界面（图1），绘出三维的秦岭北缘温泉水循环界面（图6）。图中显示了秦岭北缘断裂的温泉水循环界面。秦岭北缘的温泉水循环深度陕西段最深；甘肃段循环深度最浅；而青海段与甘肃段相差不大。整个断裂水循环界面以甘肃中段为界，呈西高东低，西秦岭北缘断裂的温泉水循环深度比秦岭北缘东段小。由表2和图6可知清水温泉的循环深度最深，武山和街子温泉循环深度较浅一些。

图6 秦岭北缘断裂带的温泉水地下循环界面Fig．6 The underground circulation interface of the hot spring waters in the north margin of Qinling fault zone．

表2 秦岭北缘断裂温泉水循环深度［4］Table 2 The circulation depth of the hot spring water in the north margin of Qinling fault zone［4］

3 温泉水地球化学特征与断裂活动性的关系

本文研究的街子温泉、武山温泉分别位于西秦岭北缘断裂的天水断裂段和武山断裂段（图2），而清水温泉据推测可能位于北西向的通渭—清水隐伏断裂带上，不属于西秦岭北缘断裂。根据历史地震资料和相关文献查阅结果［7－8］，天水断裂段为734年天水7级地震的主要发震断裂段；武山断裂可能曾发生公元前47年陇西63/4级、128年甘谷61/2级和1765年甘谷—武山6 1/2级等地震；通渭—清水隐伏断裂可能是1718年通渭7 1/2级地震的主要发震断裂段。1970年到2012年研究区震中分布显示武山段最高、天水段次之、而清水发震频数最少（图2）。因此从历史地震和现代地震可初步推测：武山断裂活动性最强、天水断裂次之，通渭－清水隐伏断裂活动性最弱。

上述温泉水质分析得出清水温泉的循环深度最大，街子温泉次之，武山温泉最小；而且清水温泉的水化学组成特征也明显不同于武山、街子温泉。说明温泉水深循环对断裂及其围岩有强烈的介质弱化作用，清水温泉水地下循环过程中对围岩的弱化作用最强，降低断裂面的有效正压力，导致孕震时期长，地震活动性低；相反，武山、街子温泉水对围岩的弱化作用较小些，有效应力和能量积累可能较清水快一些，孕震周期短，所以地震活动性高。

4 结论与讨论

随着流体学科研究的深入，Matlab的软件技术支撑促进了研究方法的多样化发展。矩形水质分类法、氢氧同位素分析、水－岩平衡以及循环深度特征分析在地学研究中有广泛的应用，本文根据这些方法开发的分析软件，在水质研究方面取得较好的应用效果。

通过不同年份的样品对比得出，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类型水样的水化学特征总体上表现一致，温泉水质随着时间推移变化幅度不大，而三个温泉之间的水质特征有明显区别。首先，温泉水氢氧同位素特征表明三个温泉水补给来源均为大气降水，同位素交换作用导致18O正向漂移，气候变化导致同位素组成的差异；其次，通过三个温泉水对比分析得出，清水温泉水化学特征与武山、街子温泉也有明显的区别：清水温泉水化学类型为Na－SO4·Cl，为硫酸型水，水－岩反应达到部分平衡，街子、武山温泉水化学类型为Na－HCO3·SO4·Cl，为碳酸型水，水－岩反应近似处于完全平衡状态。

从文中分析可知，清水温泉水循环深度最深，热储温度最高，对围岩弱化作用最强，其附近以及通渭—清水隐伏断裂发震频率较低；而武山温泉水循环深度最浅，热储温度最小，西秦岭北缘断裂武山段地震活动较为频繁。温泉水表现出的这种差异性是否与断裂活动性大小有相关性，本文都只做了初步讨论，需要后来者更深入的研究。

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