云南省香格里拉市下给和天生桥温泉水化学和逸出气CO2释放特征变化

2019-08-19李其林王云赵慈平周艺颖冉华

地震研究 2019年3期

关键词：温泉

李其林王云赵慈平周艺颖冉华

摘要：为探讨云南省香格里拉市下给和天生桥温泉水化学和逸出气CO2的变化特征与其周边断裂及2013年香格里拉MS59地震之间的关系，对比研究了1981，2004，2013，2016和2017年这2处温泉水化学分析测试数据，利用2004和2017年2处温泉的逸出气体组成和He，C同位素数据分析逸出气CO2释放情况和来源。结果表明：下给和天生桥温泉在香格里拉MS59地震前后Ca2+，Mg2+和游离态CO2含量有由低变高、再变低的变化。2处温泉逸出气体皆显示高含量的CO2释放，但2017年释放含量有所减少，且He，C同位素皆存在幔源入侵的特征。

关键词：温泉;水化学特征;逸出气CO2释放;He，C同位素;香格里拉MS59地震

中图分类号：P31412 文献标识码：A 文章编号：1000-0666（2019）03-0320-10

0 引言

流體是可以将地下深部信号带到地表的媒介，地下流体组分受地下应力和构造活动等控制，能够客观、灵敏地反映地壳的应力、应变状态及地震活动（杜建国，康春丽，2000;张炜斌等，2013;胡小静等，2018）。温泉主要是断裂及地热活动的产物，温泉流体携带了地球内部物理化学场的大量信息（周晓成，2011）。在大陆非火山活动区，现今仍在强烈活动的断裂带为地球深部物质向地表迁移提供了主要通道，因此活动断裂带附近的地热流体通常存在着不同程度的某些挥发性气体组分，如CO2或离子的地球化学异常。赵珂（2005）对云南深大断裂出露温泉CO2释放变化规律的研究，揭示了云南活动断裂带的活动强度呈北西强、南东弱的衰减趋势;周晓成（2011）发现在汶川MS80地震发生时，鲜水河断裂带、岷江断裂带和龙门山断裂带有大量富含He和CO2的上地幔流体加入断裂带地热流体中。汶川MS80地震前后，重庆北温泉水化学特征发生一系列变化，K+，Na+，Ca2+浓度减少，Mg2+浓度增大;Fe2+，Mn2+浓度在地震发生当日成倍增长，随后逐渐减小至背景值;SO2-4浓度增大后逐渐减少，F-浓度减小（肖琼等，2009）;在地震发生前30天，鲜水河断裂带的康定二道桥、龙头沟温泉逸出气CO2出现短临突跳异常（刘仕锦等，2006）。从以上研究可见，动态监测深大断裂周边温泉流体的水化学和温泉逸出气 CO2不仅可以指示断裂活动情况，与地震也有较好的响应关系。

滇西北地区香格里拉市的下给和天生桥温泉位于2013年香格里拉MS59 地震发震断层德钦—中甸断裂附近。滇西北三江断褶区温泉存在大量CO2释放（沈立成，2007），下给和天生桥温泉是大型热水钙华碳酸岩沉积物发育区，钙华沉积过程实际是CO2脱气的过程。目前在国内已有不少研究火山区温泉CO2气体释放及成因的成果（郭正府等，2014;张茂亮等，2011;成智慧等，2012），本文着重研究下给和天生桥温泉（非火山成因热泉）水化学和逸出气CO2随时间的变化规律及其来源，了解这2处温泉CO2释放的变化特征，并探讨其同周边断裂及2013年香格里拉MS59地震之间的关系。

1 地质背景

本文研究区云南省香格里拉市（原中甸县）（图1虚线框内）地处滇藏地热带，在欧亚板块与印度洋板块交接处及其影响区内，是我国构造活动最强烈、最活跃的地带之一，且地热活动强烈。香格里拉地区温（热）泉分布广泛，且有大量的CO2泉出露。从区域上看，地热活动受区内较为发育的NW向构造（断裂）所控制（王宇，杨世瑜，2003），区内主要断裂有怒江断裂带（F1）、澜沧江断裂（F2）、金沙江断裂（F3）、德钦—中甸断裂（F4）、维西—乔后断裂（F5）和中甸—龙蟠—乔后断裂（F6）等。温（热）泉大都集中出露于主要活动断裂或分布于不同方向的活动断裂交汇处，下给和天生桥温泉主要沿德钦—中甸断裂出露（图1）。德钦—中甸断裂是川滇菱形块体西北边缘的一条重要的NW向走滑断裂，自NW向ES分为德钦—奔子栏段、奔子栏—中甸段和中甸—大具段。以奔子栏为界，德钦—奔子栏段为晚更新世活动断裂，奔子栏—中甸段为全新世活动断裂。该断裂水平滑动速率为17～20 mm/a，垂直滑动速率为06～07 mm/a（常祖峰等，2014）。历史上该断裂带中强震频发，曾发生过1933年小中甸63级地震、1961年中甸60级地震、1966年告湾64级地震、1966年中甸52级地震和2013年奔子栏59级地震（常祖峰，2015）。德钦—中甸断裂是2013年香格里拉MS59 地震的发震断裂带，主要是由于德钦—中甸断裂中段在近SN—NNE向拉张作用下正断层作用的结果（吴微微等，2015），这说明德钦—中甸断裂有可能是深部流体的上升通道。天生桥和下给温泉是典型的非火山成因的CO2温泉，温泉出露地层以灰岩为主，钙华十分发育，主要有钙华脊、钙华锥和钙华墙等多种形态。下给和天生桥温泉的性质及其所在区域特征为研究其CO2释放的变化特征与其周边断裂和地震的关系提供了有利的场所。

2 样品采集与分析测试

21 样品采集和数据收集

笔者于2017年对云南省香格里拉市下给和天生桥温泉进行了野外考察、水化学样品和温泉逸出气体样品采集工作（图1）。野外水体的电导率（Ec）、水温、pH值均使用WTW便携式多参数水质分析仪现场测定，测量精度分别为1 μs/cm，01℃和001。采集水样时均采用045 μm微孔滤膜先进行过滤，后置于经去离子水清洗3次、用温泉水润洗2次的500 mL的聚乙烯塑料瓶中，装满、密封并冷却，待阴离子及SiO2的分析测试。另取过滤后水样装于事先清洗、润洗过的250 mL聚乙烯取样瓶中，并加入优级纯硝酸溶液调节pH值小于1，待阳离子分析测试。气体样品是用自制的一套集排气、储气、水气分离和样品输出接口于一体的气体样品采集器进行采样，采样步骤详见冉华等（2006，2008）及赵慈平等（2017）研究。气体化学组分分析测试样品用500 mL铝塑气体样品袋进行装样，氦碳同位素组成分析气体样品用125 mL医用玻璃瓶进行装样。采集到的气体样品在完成采集后2～3周内送样进行测试。除自采集样品外，在经确认过采样泉点位置一致的前提下，另收集了前人有关下给和天生桥温泉研究的水化学和气体同位素测试数据（佟伟等，1981;沈立成，2007;郑玉慧，2015;王蒙蒙，2017）。

22 分析测试

常规阴阳离子水化学成分用瑞士Metrohm公司的883 Basic IC plus离子色谱仪测定，仪器动态范围：5个数量级，检出限：0001 mg / L。HCO-3和 CO2-3含量采用盐酸滴定法测定，SiO2含量由硅钼黄分光光度法测得，样品气体化学组分浓度分析仪器为Agilent 7890A气相色谱仪，分析精度（V/V）为He，Ne，H2：5×10-6;CH4：10×10-6;Ar，O2：005%;N2，CO2：05%。以上所有实验均在昆明防震减灾技术试验基地流体实验室完成，氦同位素和CO2碳同位素分析测试于中国科学院地质与地球物理研究所兰州油气资源研究中心分析测试部完成。氦同位素分析仪器为静态真空稀有气体质谱仪VG5400（英国VG公司出品），氦同位素值数据测试精度为2%。CO2碳同位素分析测试仪器为单分子化合物碳同位素在线分析系统，简称为“GC-IRMS”分析系统，碳同位素值数据测试精度为±05‰（V-PDB）。

3 结果与讨论

下给和天生桥温泉在1981，2004，2013，2016和2017年水化学分析测试结果及利用4种传统地热温标估算的热储温度见表1。2处温泉在2004和2017年的主要气体化学组成及氦、碳同位素特征见表2。

31 水化学特征

下给和天生桥温泉的水温近20年来趋于平稳，平均为63 ℃和56 ℃，属于中性偏弱酸性水，下给温泉平均pH值为67，天生桥温泉平均pH值为64，但在2013年8月突现低值，变为53。天生桥和下给温泉溶解性固体总量（TDS）分别平均为1 475 mg/L和1 386 mg/L。利用Piper三线图（图2）和主要离子Schoeller图（图3）分析2处温泉的水化学特征，其主要阴、阳离子组成十分相似，主要离子均为HCO-3，其次是Na+和 Ca2+;2处温泉常量元素的变化趋势整体基本一致。水化学类型可以在一定程度上反映地下水的成因，根据舒卡夫分类法得出下给和天生桥温泉的水化类型基本呈现为Na-HCO3型。下给和天生桥温泉的 HCO-3含量分别为 640～1 011 mg/L和 662～1 324 mg/L，HCO-3含量约占阴离子总数的914%～971%，Cl-和SO2-4含量远小于 HCO-3含量。通常高HCO-3含量反映了水-CO2-岩石之间在深部有着强烈作用。推测下给和天生桥温泉高含量HCO-3主要来源于地下热水在运移过程中对其围岩碳酸盐岩（泥灰岩）的溶解作用，在深循环过程中携带深部大量的CO2气体以及浅部冷水中混入的CO2气体。Na+是2处泉水中主要的阳离子，约占阳离子总数的416%～871%。下给和天生桥温泉的 Na+含量较高，且随着时间的推移，含量变化很小，其原因可能是围岩或第四系岩石土壤中含有的硅酸盐岩或芒硝等钠盐溶于地下热水中。

对比1981，2004，2013，2016和2017年下给和天生桥温泉水化学主要离子Schoeller图（图3）可以看出，2处温泉Ca2+离子浓度随时间的变化最明显，天生桥温泉在2004和2013年的Ca2+离子相比1981，2016和2017年有所突增，其它离子表现相对稳定。Ca2+含量上升到阳离子的355%～459%，水化类型变为Na-Ca-HCO3型。下给温泉Ca2+含量在2004和2013年也有所上升，与天生桥温泉显示相似的变化规律，另外下给温泉Mg2+含量在2013年有增加。下给和天生桥温泉是大型的热水钙化发育区，Ca2+含量是控制沉积钙华的主要性因素之一。Ca2+变化的原因与钙化沉积有一定关系，20世纪80 年代下给和天生桥温泉中的Ca2+更容易沉淀下去沉积钙华，使得地下水中 Ca2+含量变少。从下给和天生桥温泉研究区的地形地貌上看，过去均沉积有大量的钙华，而现在沉积钙华量有所减少，Ca2+含量变多（郑玉慧，2015）。然而2016和2017年下给和天生桥温泉Ca2+含量又呈现下降趋势，似乎有悖于以上说法。推测Ca2+含量的变化可能还与2013年8月31日香格里拉MS59 地震作用下来自碳酸盐岩含水层的地下水补给和水岩作用有关。Chen等（2015）发现2013年芦山MS70 地震后四川康定二道桥温泉的Ca2+和HCO-3离子含量发生变化，2014年鲁甸MS65 地震前后丽江温泉的Ca2+和Mg2+离子含量也发生了变化，与本文有一定相似性。

结合水化学资料，通过PHREEQC计算出水中游离的CO2含量（表1）。下给和天生桥温泉游离态CO2含量较20世纪80 年代都呈现较大幅度的增加，说明21世纪初以来2处温泉CO2释放作用有所加强。氦同位素特征显示两处温泉为研究区幔源物质释放量较高的泉点（李其林等，2018），这意味着高含量CO2的释放可能来源于地幔的脱气作用。特别值得注意的是，2013年8月天生桥温泉游离态CO2含量突增至6 600 mg/L，约是2004年的近20倍，2016年时降低至180 mg/L，该突增有可能是2013年香格里拉地震的临震异常，因为地震前的地壳应力场变化可能会引起深部酸性物质上涌，造成pH值下降，碳酸盐释放CO2混合深部CO2的释放，使得大量的游离CO2逸出。

32 热储温度

利用地热流体水化學数据估算热储温度-浅层地热场对了解深部地热活动及进一步认识岩石圈的物理性质有着重要的科学指示意义。张旗等（2014）研究发现地壳中岩浆囊的存在，会导致岩浆囊周围较高的地热异常的产生;赵慈平等（2006，2014）利用温泉热储温度场的空间分布，确定了腾冲火山区、宁洱—通关火山区壳内岩浆囊的现今分布范围。监测浅层流体的地热热储温度及其异常，可作为揭示中强地震活动的一种手段。王鹏等（2016）在西藏地热异常区研究中表明温泉密度和高温热储区与SN向的断裂带及地震活动性在空间上有较好的匹配关系;王云等（2018）研究青藏高原东南缘地热与地震活动发现腾冲火山区、通关—宁洱火山区、松潘—甘孜地块的香格里拉和康定地区，以及汶川地区浅层地热异常与地幔软流圈上涌有关;近年来的强震（MS≥60）震中绝大部分位于地热异常区之间的过渡区域或地热梯度带上。估算热储温度常用的传统地热温标有Na-K（Fournier，1979a;Giggenbach，1988）、K-Mg（Fournier，1979b;Giggenbach，1988）、Na-K-Ca（Fournier，Truesdell，1973）温标和硅温标（Fournier，Potter，1982）等。本文利用这4种传统地热温标计算了下给和天生桥温泉历年的热储温度（表1）。

根据水样的阳离子含量数据可得到Na-K-Mg的平衡图解，以检验研究热水和矿物的平衡状态和阳离子地热温标方法的可靠性。通过图4的Na+和K+以及Mg2+含量的分析数据可以看出，下给和天生桥温泉水样点均落在未成熟水的范围内，且非常靠近Mg端元，热水中的钠、钾矿物均未达到饱和状态，反映了水样不能达到平衡。水-岩反应的平衡温度偏低的状况，同时说明了原本达到溶解平衡的热水在由热水向地表上升的过程中受到浅层冷水的强烈稀释作用，从而使热水中元素的含量变低（Giggenbach，1988）。可见阳离子型地温计不适用于计算下给和天生桥温泉的热储温度。利用硅-焓模型可以确定热水中混入的冷水份额，求算方法主要根据地下热水SiO2的初始含量和初焓与泉水SiO2含量和终焓存在的对应关系，详见佟伟等（1981）和Liu等（2012）研究。表1显示2处温泉在不同年份受到混合的冷水份额均变化不大，下给和天生桥温泉水样冷水混入比平均在75%～81%和59%～65%，说明水样由热水向地表上升的过程中的确受到浅层冷水的稀释作用，与Na-K-Mg三角图反映一致。

笔者曾用多种地热温标对滇西北地区温泉的热储温度进行估算，研究结果发现利用石英温标在估算时具有一定的可靠性（李其林等，2019）。因此我们利用石英温标估算了2处温泉在不同年份的热储温度。石英温标是利用SiO2的溶解度是温度的函数这一原理来估算热储温度的，计算结果详见表1，计算公式如下：

通常石英温标计算的温度仅能反映最上层地壳不超过5 km的热储温度，对比下给和天生桥温泉1981，2004，2013，2016和2017年的热储温度变化情况，发现2处温泉的热储温度在2004和2013年略微下降，总体上无太大波动。下给和天生桥温泉的平均热储温度为132 ℃和89℃，下给温泉的热储温度高于天生桥温泉。下给温泉属于中温地热系统，天生桥温泉属于低温地热系统。通过地下热水循环公式计算2处温泉的循环深度（汪万红等，2008）为：

式中：D为循环深度（m）;T热储为热储温度（℃），本文取下给和天生桥温泉的平均热储温度为132 ℃和89 ℃;T冷水为地表冷水温度，本文取香格里拉地区冷水温度（11 ℃）（李其林等，2019）;h为常温层厚度，平均为20 m;Δt 为地温梯度（℃/100 m），根据云南岩石圈的地温研究（周真恒，向才英，1997），取平均值23 ℃/100 m。

计算得出下给和天生桥温泉的循环深度分别为5 280 m和3 411 m，与郑玉慧（2015）计算得到的2处温泉的循环深度为5 132 m和3 085 m相似。根据深部地球物理资料，四川黑水—金川—道孚—雅江—稻城一带深部70 km处存在一个明显低速体，可能是深部地幔软流圈上涌区，这为形成上层地壳水热活动或地热提供了有力的深部热动力背景。川西康定地区温泉气体的3He/4He最高达335～533 RA（RA为大气3He/4He，即14×10-6）（Zhou et al，2017）。下给和天生桥温泉恰位于该低速体的南端即其边缘地带，推测研究区浅层地热场的主要能量源可能有地幔热源的贡献。2处温泉存在幔源氦的侵入特征，幔源氦释放百分比分别为76%和50%（李其林等，2018）。下给温泉的幔源释放量略大于天生桥温泉，这可能是2处温泉热储温度和循环深度差异的内在原因。

33 温泉逸出CO2释放特征及其来源

温泉逸出气CO2浓度测试结果显示（表2），2处温泉气体成分均以CO2 为主，释放百分含量均大于80%。2017年本研究组通过积气计时法（张茂亮等，2011）获得了下给和天生桥温泉逸出气体通量，将逸出气体通量乘以CO2 百分含量可计算出2处温泉的逸出CO2流量分别为423，1 323 mL/min，温泉CO2释放都较为突出，其中天生桥温泉的CO2释放量比下给温泉高出许多。研究CO2的释放百分含量变化趋势可知，下给温泉2017年CO2的释放百分含量由2004年的949%下降为845%。天生桥温泉与之情况类似，2017年CO2的释放百分含量为882%，低于2004年的987%。在火山区、活动断裂带的温泉逸出气体往往表现出较高的CO2含量（Alessandro et al，1997;Du et al，2005）。断层CO2气体的释放强度一定程度反映了断裂带深部应力场的强弱，并可间接反映该地区断裂带的活动强度（国家地震局地壳研究所，云南省地震局，1990）。下给和天生桥温泉CO2释放量较高，但2017年释放量有所减少，可能与德钦—中甸断裂现今的活动性有关，需加强后续CO2释放强度的跟踪监测。

为进一步了解下给和天生桥温泉逸出气CO2的释放特征需追溯其来源。来源不同的CO2有着不同的同位素特征，例如地幔成因的CO2∶ δ13C=-4‰～-8‰，石灰岩热变质成因的CO2∶ δ13C=±2‰（Marty，2001）。天生桥和下给温泉样品的δ13CCO2在2004年分别为-321‰，-424‰，在2017年变为-258‰，-194‰。由于不同来源的δ13CCO2存在交叉关系，单独利用δ13CCO2值判断2处温泉逸出气CO2的来源是不全面的，我们利用3He/4He与δ13CCO2的关系图（图5）（Mao et al，2013）进行分析。从图5可以发现，下给和天生桥温泉CO2气体都并非是单一来源，均落在壳幔混合CO2的区域，2处温泉的CO2气体主要来源于无机碳酸盐岩的变质作用和地幔碳释放的混合。相比之下2017年的CO2气体似乎更偏向于石灰岩变质成因的方向。

3He/4He是判识幔源气体最佳的地球化学示踪剂（Hilton et al，1993）。氦同位素特征通常用R（样品的3He/4He）与RA（大气3He/4He，即14×10-6）之比R/RA表示。下給气体样品2004，2017年的R/RA分别为112和074;天生桥气体样品2004，2017年的R/RA分别为099和056。

大量研究表明，震前由于深源流体的大量上侵，表征深源成分的参量3He/4He会大幅度上升，而地震发生后，随着时间的推移，幔源流体释放强度逐渐减弱，3He/4He会显示下降趋势并逐渐恢复到背景值。但由于2004年3He/4He（沈立成，2007）缺少4He/20Ne的数据，无法排除大气氦的干扰，将其和2017年3He/4He数据直接比较不够准确。2013年香格里拉59级地震发生后是否也使得3He/4He下降，目前下给和天生桥温泉3He/4He和幔源物质上侵作用（幔源氦释放量）是否已回到正常背景值需要进一步的跟踪监测。利用4He/20Ne的数据可对2017年下给和天生桥温泉的3He/4He 数据进行大气污染校正后计算得到幔源氦释放百分比分别为76%和50%（Duchkov et al，2010），这说明了2处温泉现今存在幔源氦的侵入作用。

常祖峰（2015）认为香格里拉59级地震后，在金沙江断裂和德钦—中甸—大具断裂的交汇区仍有发生更大地震的可能性。德钦—中甸断裂是川滇菱形块体西北边缘的一条重要的活动断裂，可以作为深源流体天然的上升通道。深源流体活动对地震发生有着重要影响（Zhao et al，2002;Lei，Zhao，2009）。以水和气体为代表的深源流体活动与地壳内的大地震有着非常密切的关系，深源流体活动的地表观测可能是寻找流体源兆的重要突破口。下给和天生桥温泉是研究区典型CO2释放强度较强且存在幔源物质入侵特征的泉点，因此密切关注下给和天生桥温泉的逸出气体氦碳同位素特征有利于进一步判断德钦—中甸一带未来地震活动性。

4 结论

下给和天生桥温泉位于2013年香格里拉MS59 地震发震断裂带德钦—中甸断裂附近，是研究区CO2释放强度较强且存在幔源物质入侵特征的泉点。2处温泉流体水化学和逸出气CO2的来源和变化特征显示：2013年8月香格里拉MS59地震前后Ca2+，Mg2+和游离态CO2含量有由低变高、再变低的变化特征。该水化学特征变化对分析此次地震临震水化学异常具有一定的参考价值。下给和天生桥温泉的热储温度平均为132 ℃和89 ℃，循环深度分别为5 132和3 085 m，均具有高低差异，与其幔源物质释放强度大小有关。2017年2处温泉CO2释放含量比2004年有所减少，He，C同位素显示下给和天生桥温泉存在幔源入侵的特征。现有的He，C同位素观测数据不足以判断2013年香格里拉MS59地震后深源流体上侵作用是否已减弱。为进一步了解德钦—中甸断裂活动性及德钦—中甸一带未来的强震危险性，今后需加强该区深源流体的跟踪监测。

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