水-岩反应过程中离子浓度变化特征实验研究及其对地震异常成因的启示*

2022-06-22邵俊杰孙凤霞徐超文刘兆飞赵元鑫

地震研究 2022年2期

邵俊杰，李营，孙凤霞，陈志，刘雷，徐超文，胡乐，路畅，刘兆飞，赵元鑫

(中国地震局地震预测研究所，北京 100036)

0 引言

地震的孕育和发生是一个复杂的物理-化学过程。在地震孕育过程中，岩层中应力状态的变化以及地热异常变化都会引起介质体系的变化和水-岩体系平衡的破坏，导致岩层中化学组分发生迁移和各种化学过程产生变化(Griffin，2017；张炜等，1987；Perez，2008；Yasuhara，2006)。地震监测和研究表明，大部分中强地震伴有地下流体化学组分的变化(杜建国等，2018)。大量地震监测数据表明，地下流体在大地震前会出现较多的短临异常(刘耀炜等，2006；车用太等，2008；周晓成等，2012)。以往记载的历史地震的各种地震前兆中，地下流体异常占一半以上(廖丽霞，廖春奇，2002)。

目前，有关地震水化学前兆形成机理的假说与模型有：混合机理、膨胀扩散机理、振动机理、孔隙压缩机理、压溶机理、深部物质上溢机理、多元综合机理等(张国民等，2001；Skelton，2008；Ryabinin，2011；Zhou，2021)，水-岩反应是影响地下流体异常的关键因素之一(王世芹等，2004；叶秀薇等，2004；林国元等；2015)，对地下流体的地球化学性质有重要影响。因此，开展水-岩反应模拟实验，对获取地震前兆信息、确定地震引起的地下水化学组分异常具有重要作用(丁抗，1989)。一方面，学者们通过大量水-岩反应实验研究地下流体与岩石变化特征，探讨地震水化异常现象的形成机理，主要通过岩石力学实验研究揭示岩石在流体的作用下力学性质的改变，以及孔隙压力的变化对岩石渗透率等物理性质的影响，研究结果显示在压力作用下流体的加入使岩石的孔隙度、渗透率等物理性质发生了更明显的变化，对探讨岩石物理性质变化与地震关系具有重要意义(Rutqvist，2001；Feng，2004；车用太等，1995；梁祥济等，1994；Yasuhara，2006；Elias，Hajash，1992；Zhou，2021)。另一方面，学者们也对水-岩反应中流体的变化进行了研究，发现压力、温度等环境因素与岩石物理化学性质都会影响溶液的离子浓度，进而形成不同的溶液类型与水化学异常，这对于探讨地震水化学异常具有重要意义(Du，2021；Elsworth，Yasuhara，2006；Zhou，2020)。

1 实验样品与方法

1.1 实验样品

灰岩是地壳分布最广的岩石之一，我国存在着大量的灰岩含水层(赵祥龙，2021；许国胜等，2021；何伟等，2010)，花岗岩具有较强的孕震能力，而橄榄岩主要存在于上地幔。因此，本文选取灰岩(DZC-1)、花岗岩(GZK-1)、橄榄岩(DMP19)作为实验样品，了解不同岩性对水-岩反应离子浓度的影响。

DZC-1样品(图1a、b)岩石新鲜面为深灰色细层状，隐晶结构，条带状构造。岩石主要由方解石与少量石英砂屑组成，泥粉晶结构，加入盐酸剧烈起泡，较致密，岩石定名为泥晶灰岩。GZK-1样品(图1c、d)新鲜面呈灰白色，中细粒粒状结构、块状构造，矿物组成主要包括石英、长石和黑云母，其中长石以斜长石为主，含少量钾长石，定名为中细粒黑云母花岗闪长岩。DMP19样品(图1e、f)新鲜面呈暗灰绿色，矿物组合以橄榄石为主，其次为顽火辉石与透辉石，副矿物为菱铁矿，岩石结构为显晶粒状结构，橄榄石等矿物自形程度较好，块状构造，定名为二辉橄榄岩。

X射线衍射分析(XRD)实验在北京北达燕园微构分析测试中心有限公司的X射线衍射仪(D/max-rB)上进行，实验结果如图2所示。DZC-1样品灰岩主要由方解石(98%)与少量白云石(1%)与石英(1%)组成；GZK-1样品主要由石英(42%)、斜长石(14%)、微斜长石(9%)、云母(35%)等组成；DMP19样品橄榄岩主要由橄榄石(72%)、顽火辉石(19%)、透辉石(10%)以及少量菱铁矿(3%)组成。3种岩石样品受风化程度小，矿物粒度均匀，适合实验。

1.2 实验方法

实验主要研究岩性、时间、温度、粒度4种因素对水-岩反应离子浓度的影响。首先将岩石样品清洗干净，分别粉碎至<80目、80～120目及>120目3种粒度，水岩质量比为3∶4，称量15 g岩石样品粉末与12 mL超纯水放入反应釜中，实验所用反应釜如图3所示，分别加热至100 ℃、150 ℃和200 ℃，反应时间为24 h、72 h、120 h、168 h。反应结束后，取出反应溶液，用0.45 μm滤膜进行过滤，置入无污染聚乙烯瓶中，对水中主要离子组分进行分析。水热反应釜内部压力依据克劳修斯-克拉贝龙方程计算，压力在150 ℃时约为0.5 MPa，在200 ℃时约为1.6 MPa。水样的水化学组分在中国地震局地震预测重点实验室测定，使用仪器为Dionex ICS-900离子色谱仪及AS40自动进样器，检测限为0.01 mg/L、测量误差<5%。

图1 3种岩石样品的镜下照片

为确定各岩石样品粒度与面积的关系，对岩石3种粒度进行粒度分析，测试单位为中国科学院地理科学与资源研究所理化分析中心，分析仪器为英国马尔文仪器有限公司Mastersizer 2000型激光粒度散射仪，粒度测量范围为0.02～2 000 μm。分析结果见表1，实验得到的数据分为(3，2)与(4，3)，两项数据的定义如下：

(1)

(2)

两种计算方法的优点是公式中不包含颗粒的数量，因此可以在未知颗粒数量的情况下计算粒径平均值。

图2 3种岩石样品X射线粉晶衍射图谱

表1 岩石样品粒度分析结果表

图3 水热反应釜设备图

2 实验结果及讨论

实验结束后共获得108组离子浓度的数据，结果表明，不同条件下，水中离子浓度呈现不同程度的变化。

2.1 离子浓度随时间的变化

图4 灰岩中离子浓度与反应时间关系

2.2 离子浓度随粒度的变化

图5 橄榄岩中离子浓度与反应时间关系图

图6 花岗岩中离子浓度与反应时间关系图

图7 灰岩中离子浓度与粒度关系图

2.3 离子浓度随温度的变化

2.4 各因素对离子浓度影响比较

通过控制变量方法讨论离子浓度变化，忽略了多变量对离子浓度的综合影响。如图4所示，Na在粒度<80目的条件下随时间变化范围较小，当提高温度或减小粒度时发生明显变化，因此讨论控制离子浓度变化的主要因素，需综合分析多变量影响，总结各因素对离子浓度变化的影响。

本文选择(4，3)数据作为粒径的平均值，能更好地反映颗粒质量对系统的影响。水-岩反应总接触面积可表示为：

(3)

式中：为水岩反应总接触面积；为岩石质量；为岩石的平均粒径。计算得到样品粒度与表面积的关系，见表2。

变量投影重要性(variable importance in projection，VIP)是指自变量在解释因变量时作用的重要性，其定义为：

(4)

图8 灰岩中离子浓度随温度变化关系图

表2 样品粒度对应的颗粒半径以及总表面积

自变量的≥1，说明自变量在解释因变量时有更加重要的作用；05≤<1，自变量解释作用的重要性还不很明确，需要增加样本或根据别的条件进行判断；<0.5，则自变量对因变量的解释基本没有意义。因此，值可以被用来筛选出对模型贡献较大的变量，通常总是选择≥1 的自变量建立统计回归模型(Chong，Jun，2005)。

不同离子的偏最小二乘法回归模型为：

=++

(5)

式中：代表不同离子浓度；代表温度；代表时间；代表水-岩反应的接触面积，、、代表不同系数。统计得到所有离子标准化系数如式(6)～(9)所示。

图9 灰岩(a)、橄榄岩(b)、花岗岩(c)

Na=0420 6+0141 1+0598 9

(6)

K=0275 4+0157 8+0450 7

(7)

Cl=-0008 3+0078+0592 1

(8)

(9)

式中：代表不同离子浓度；代表温度，单位为℃；代表时间，单位为h；代表水-岩反应的接触面积，单位为m。对于Ca、Mg来说，离子浓度变化较为复杂，无法给出统一的模型。

地震引起的地热异常在深处温度较高，介于100 ℃～300 ℃，但地表观测到的温度变化较小，变化幅度在1 ℃内，因此地震导致的地热异常，并不是离子浓度变化的主要原因(Gherardi，Pierotti，2019；卢国平等，2020；张国红，刘福生，2010)。Na、K、Cl浓度的时间系数均小于接触面积系数，且在变量重要性分析中不影响离子浓度，因此认为离子浓度主要与接触面积有关。Wells等(1994)和龙锋等(2006)通过统计地震震级与震源破裂面积得出二者之间的经验公式为：

=4.134+0.954lg

(10)

式中：为震级；为破裂面积，单位为km。

由式(10)推算，当发生1级地震时，震源破裂面积仍可达到500 m，当发生更大震级的地震时，将产生更大的破裂面积，因此地震导致的水-岩反应接触面积的数量级将远大于温度与时间。实验结果结合实际情况表明，地震导致水化学异常中，水-岩反应的接触面积是控制离子浓度变化的主要原因。