新疆温泉县泥火山喷发水的化学特征研究

陈 志，李 营，汪成国，颜 龙

(1.中国地震局地震预测重点实验室 中国地震局地震预测研究所，北京 100036;2.新疆维吾尔自治区地震局，新疆乌鲁木齐 830011)

泥火山为地壳中的泥浆、水、气体及沉积角砾经断层等地层薄弱带喷出地表后堆积而成的形似火山的沉积体，主要分布于地震活动带，其所在断层的活动是触发泥火山活动的主要动力机制之一［1-4］。大量的观测结果研究发现，泥火山在其周边地区发生的中强地震前后常表现出明显的物理、化学异常现象［5-6］。这些异常现象主要表现为三个方面:(1)停喷泥火山再次喷发。1948年土库曼斯坦首都阿哈巴德7.3级地震后，极震区泥火山剧烈活动。1959年12月17日阿塞拜疆巴库附近的泥火山喷发后不久，该区爆发了有感地震。乌克兰卢科维查河畔万诺弗兰泥火山的每次喷发几乎都与其半径300 km范围内地震的发生有关［7］。(2)泥火山喷发规模增大。地震前，印度尼西亚瓜哇LUSI泥火山喷出泥浆的体积由0～120 000 m3/d急剧上升至160 000 m3/d［8］。(3)泥火山喷发流体地球化学性质发生变化。意大利东北部泥火山喷出矿化水中Rn222出现异常后的几天到几周内均有地震发生［5］。在地震发生前几天，意大利亚平宁山脉泥火山水中Cl-Sr比值出现明显异常［9］。在地震前几天，意大利西西里岛地区的泥火山的H2和CH4浓度大幅度急剧上升［10］。在2000年10月至2001年7月期间的地震集中发生期前后，台湾嘉义—台南和新竹—庙栗地区泥火山的CO2/CH4均出现明显异常［11］。台湾Chung-Lun活动断裂带的泥火山气体中的CO2/CH4和3He/4He(R/Ra)常在地震前出现明显的异常变化［12-13］。新疆博乐市温泉县泥火山群为新疆地震局的地震观测点，研究其喷发流体的物质来源及其背景变化特征，必然有利于提高利用其流体地球化学指标进行地震活动监测的可靠性。

1 地质概况

新疆博乐市位于天山地槽褶皱带，该褶皱带主要包括珍别套山褶皱带和阿拉套山褶皱带，分别形成于早古生代和晚古生代的海西构造运动时期。该区出露地层主要为石炭系、古近—新近系及第四系地层。在区域构造活动作用下，该区活动断裂发育，并伴随有岩浆侵入活动。库松木楔克断裂为该区的山前深大断裂，近EW向展布，东西长约100 km，为压扭性逆断裂。该断裂自晚近以来活动强烈，次级断裂发育，为深部地下水循环和向上运移的重要通道［14］。新疆温泉县泥火山就位于库松木楔克断裂带附近，距离温泉县城约60 km。在50 m范围内有近10个泥水喷发口，多呈圆形，直径0.1～1 m，喷发口内可见土黄色的泥水，个别喷发口可见冒泡痕迹(参见图2)。距离泥火山约50 m处发育1处温泉，名为明目泉。目前，温泉县泥火山为温泉县地震台的重要监测对象之一。

图1 新疆温泉县泥火山及明目泉的分布

图2 新疆温泉县泥火山

2 分析方法和测量结果

选定新疆温泉县的泥火山、明目泉及附近河水作为观测点后，分别于2012年10月、2013年5月、2013年9月和2014年6月进行现场观测和水样采集。使用日本YF-160数字温度计测定水温，测量精度为0.1℃。使用美国奥立龙4-Star pH计测定pH值，测量精度为0.01 pH单位。水中离子组分测定使用中国地震局地震预测研究所地震流体研究室研制的离子色谱仪(Dionex ICS-900)，使用酸碱滴定方法测定HCO-3，阴阳离子的测量误差小于5%;水样的氢、氧同位素(δ18O和δD)测试在中国科学院兰州地质所完成，采用仪器为Picarro L1102液态水同位素分析仪，δ18O和δD使用V-SMOW作为标准，测试误差分别为0.1‰和0.5‰。

温泉县泥火山、明目泉及河水流体的化学参数列出可供以后参考。温泉县泥火山的水温和TDS(溶解总固体)分别为2.2℃～9.2℃和2 096.5 mg/L～2 220.4 mg/L，阳离子 Na+、Ca2+和 Mg2+的浓度分别为 568.3～587.8 mg/L、14.0～14.9 mg/L 和 0.0 mg/L～0.1 mg/L，阴离子 F-、CL-、SO2-4和 HCO-3的浓度分别为54.4～59.1 mg/L、38.0～40.7 mg/L、384.2～396.5 mg/L 和1 022.6～ 1 158.6 mg/L，δ18O和 δD 值分别为-9.51‰～ -9.10‰和 -74.29‰～ -61.47‰。

明目泉的水温为40.0℃、TDS 为449.2 mg/L，阳离子 Na和 Mg的浓度分别为，137.8 mg/L、5.8 mg/L 和 0.2 mg/L，阴离子 F-、CL-、SO24-和 HCO3-的浓度分别为 2.2 mg/L、12.8 mg/L、122.2 mg/L 和164.9 mg/L。河水的 TDS 为 235.4 mg/L，阳离子 Na+、Ca2+和 Mg2+的浓度分别为 5.1 mg/L、11.1 mg/L 和4.9 mg/L，阴离子 F-、CL-、SO24-和HCO3-的浓度分别为 0.1 mg/L、1.5 mg/L、35.7 mg/L 和142.4 mg/L。+、Ca2+2+

3 讨论和结论

根据舒卡列夫分类方法，温泉县泥火山喷发水与明目泉泉水具有相同的水化学类型，为Na-HCO3SO4，而其附近河水的水化学类型为(Ca-HCO3)(参见图2)。该地区的河水主要接受山区雪融水的补给，所以水中各离子浓度及TDS均较低。温泉水及泥火山喷发水主要来源于经历过深循环的大气降水［15-16］。野外考察发现，温泉县泥火山喷发水和明目泉泉水均出自于花岗斑岩地层中。另外，温泉县泥火山喷发水的δ18O-δD值位于大气降水线(δD=8δ18O+10)附近，且小幅度偏离大气降水线(参见图3)。这表明，温泉水及泥火山喷发水主要接受大气降水的补给。而且，补给的大气降水在顺断裂或裂隙深循环过程中，应该与围岩发生了较强的水岩作用(反应式如方式(1))，从而导致采集的泥火山喷发水及温泉水中的Na+和HCO3-浓度较高，水化学类型(Na-HCO3SO4)不同于河水的水化学类型(Ca-HCO3)，且其各离子组分及矿化度均高于河水。

图3 温泉县泥火山、明目泉及河水的化学类型

图4 温泉县泥火山的δ18O和δD

温泉县泥火山喷发水体的水温(2.2℃～9.2℃)明显低于明目泉的水温(40℃)，然而泥火山喷发水的各离子浓度及TDS 均较高，其水中 TDS、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、F-、Cl-、SO24-、HCO3-和 CO23-分别为明目泉水的4.9倍、4.3倍、2.6倍、4.8 倍、27.4 倍、3.2 倍、3.2 倍和 7.0 倍。泥火山的喷发强度主要受控于区域应力场的变化，表现为周期活动性特征［6］。所以，泥火山喷发水体的流速通常较小，其水体在断裂或裂隙中的滞留时间较长，与围岩之间的水岩作用更充分，使更多的元素溶解到水中。因而，温泉县泥火山喷发水的各离子浓度及TDS均明显高于明目泉。另外，对比温泉县泥火山4次重复采集水样各离子浓度的变化情况发现，4次水样的各离子浓度的变化幅度很小，均在5%以内。这说明温泉县泥火山喷发水体的化学组分受环境的影响较小，背景值相对稳定，可作为该区域地震地球化学监测的对象。

通过本研究，得到以下结论:(1)温泉县泥火山及明目泉水体的化学类型均为Na-HCO3SO4，主要来源于顺断裂或裂隙深循环并与围岩发生过水岩作用的大气降水;(2)泥火山喷发水的各离子浓度及TDS均较高，可能是其水体在断裂或裂隙中长时间滞留过程中与围岩间充分的水岩作用所致;(3)温泉县泥火山喷发水体的化学组分受环境的影响较小，背景值相对稳，可作为该区域地震地球化学监测的对象。

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