依兰—伊通断裂北段地下水化学特征*

石 伟，李永生，欧阳兆国，胡宝慧，高 峰

(黑龙江省地震局，黑龙江 哈尔滨 150090)

0 引言

地下水化学组分受地下应力和构造活动等的控制，能够灵敏、直观地反映地壳的应力、应变状态及地震活动(苏鹤军等，2010；杜建国等，2018；高小其等，2018；Zhou，2021)。含水层的受力状态发生改变以及深部流体混入等因素的影响，在地震孕育和发生过程中，均会引起观测井水化学组分发生变化，因此，研究地下水组分变化与地震的关系，在震前预测、震后趋势判断和流体异常核实中具有重要的意义(刘耀炜等，2009；付虹等，2014；孙小龙等，2016，2020；晏锐等，2018；Zhou，2020)。地下水组分及同位素组成的变化特征是识别地下水来源、追踪水化学演化的基本手段(杜建国，刘丛强，2003；周志华等，2014；刘轶男等，2017；钟骏等，2021；丁风和等，2021)，研究无震期间地震台站观测井及周边的地下水化学特征，取得观测点的地球化学背景数据，能够为流体前兆异常核实提供重要的依据。

依兰—伊通断裂北段是我国东北地区地震活动最活跃的地区之一，加强对该地区的流体地球化学监测，对判定该地区的地震活动形势具有重要意义。目前，在依兰—伊通断裂北段有4口国家流体台网观测井，分别为萝北井、鹤岗井、通河井和延寿井，只开展水物理观测，积累了一定的水温和水位资料。由于社会经济的发展，这些观测井均受到不同程度干扰，例如萝北井受降雨和农业灌溉影响、鹤岗井受周边企业用水影响、通河井受“农村饮水安全工程”打井抽水影响、延寿井受周边水库蓄水的影响，这些干扰已经严重影响到异常核实和震情跟踪工作，迫切需要引入地球化学观测来补齐短板，但目前对依兰—伊通断裂北段地震流体观测井地下水化学类型与成因尚没有系统研究。本文分析了这4个流体观测站及其附近地区水样的地球化学组分和同位素组成，总结该地区的地下水类型及成因等地球化学特征，以期为震情跟踪和流体异常核实提供基础资料及科学依据。

1 地震地质概况

郯庐断裂带是东亚大陆上的一条主干断裂带，全长约5 000 km，在中国境内长约2 400 km，受西太平洋板块俯冲影响，郯庐断裂带在辽宁沈阳以北分为两支，分别为NE向的依兰—伊通断裂和NEE向的敦化—密山断裂，这两条断裂构成了郯庐断裂带北段的主体部分。依兰—伊通断裂是东北地区规模最大的断裂，沿断裂分布有沈阳市、佳木斯市、鹤岗市等许多人口密集、经济发达的城市。依兰—伊通断裂北段指该断裂自南北河—勃利断裂以北区域，该区域自1973年有地震台网记录以来，地震活动以中小地震为主，未发生过5级以上地震。根据对历史地震的发掘和古地震的考察发现该断裂具备大地震的发震背景。1963年6月黑龙江省萝北县发生5.8级地震，是新中国成立以来依兰—伊通断裂北段发生的最大的浅源地震。距今1700年前，在依兰—伊通断裂北段通河县域内发生过1次7级以上的古地震事件(闵伟等，2011)，表明依兰—伊通断裂北段全新世以来局部地区有过强烈地震活动。

2 样品采集与测试

2021年8月23—26日，在依兰—伊通断裂北段的4个地震流体观测站及其附近地区共采集了19个水样，包括4个观测井水、12个周边民用井水、1个地表水、1个河水和1个水库水(图1)。每个采样点用两种规格容器采集水样，30 mL塑料瓶水样用于氧氧同位素分析，150 mL塑料瓶水样用于水化学组分测定。采集过程中首先用采样水将干净的聚乙烯瓶润洗2～3遍，然后注满整个瓶体，排除顶空，避免空气对水样的影响，并在现场测定水样的温度和总溶解固体(TDS)。

图1 依兰—伊通断裂北段采样点分布

3 水化学组分特征分析

3.1 水质类型及成因分析

依据舒卡列夫分类法将水样分为10种水化学类型，多数水样的水化学类型以HCO-Ca为主(表1、图2)。

表1 样品水化学分析结果

图2 研究区水样Piper图

通河地震台(THT)观测井水为泥岩裂隙水，井深为200 m，水质浑浊，TDS值为118 mg/L，水化学类型为HCO-Na，Na来自沉积岩中岩盐及其它钠盐的溶解。通河台的水位观测受到距台站100 m左右“农村饮水安全工程”新打水井(TH1)的影响，TH1井的水化类型与通河地震台井水一致，并且TDS值只相差2 mg/L，完全验证了TH1井对THT井的干扰。距离THT井200 m左右的岔林河水化学类型为HCO-Ca，与THT井水化类型不同，补给源主要是大气降水。

延寿地震台(YHT)观测井水为砂砾岩裂隙水，井深为200 m，水质清澈，TDS值为32 mg/L，水化学类型为HCO-Na·Ca，Na来自沉积岩中岩盐及其它钠盐的溶解。延寿地震台附近的民用井(YS1、YS2)井深分别为72 m和78 m，相对较浅，水化学类型为HCO-Ca型，补给源主要是大气降雨。

3.2 水-岩化学平衡分析

Na-K-Mg三角图最早由Giggenbach(1988)提出，被用来评价水-岩平衡状态和区分不同类型的地下水。将研究区取样点的 Na、K、Mg 组成绘制于三角图中，大多数样品落在Mg端元附近(图3)，表明为浅层的地下水，主要受大气降水的补给，循环周期相对较快，水-岩之间尚未达到离子平衡状态，水-岩作用仍在进行。而通河台观测井水(THT)落在了部分平衡水的范围内，表明其地下水的补给来源中除了大气降水外，还存在较深层地下水的混入，水-岩反应相对较弱，水流系统较为稳定，不易受到外界干扰。

图3 研究区水样Na-K-Mg三角图

3.3 地下水热储温度及循环深度估算

热储温度是划分地下热水系统成因类型不可缺少的重要参数，地球化学温标是估算这一参数的有效方法。Na-K阳离子热储温度是利用地下水成分中阳离子比值与温度之间的关系建立的温标方法，全部阳离子温标法均为经验性的近似方法，阳离子温标建立在阳离子交换反应的基础上，反应平衡常数随温度的改变而改变(刘永涛，2009)。由于通河井位于部分平衡水区域，因此可以采用阳离子温标法来计算水的热储温度。据刘永涛(2009)给出的7个Na-K阳离子温标计算公式(表2)，分别求取通河台井水热储温度，可得平均温度为 170.7 ℃。

表2 通河井水阳离子温标计算结果

地下水的温度受其赋存与循环处的地温控制，根据地下水的温度可以大致推算出地下水的循环深度(王大纯等，1980)。当已知地下水水温、年平均气温、地温梯度和年常温带深度时，就能够推算出地下水的大致循环深度，即

(1)

通过查阅相关文献得到，通河地区年平均气温为 2.4 ℃(杨娟等，2017)，年常温带深度为20 m(周静等，2016)，地温梯度为4.0 ℃/100 m(刘玉，2014)，地下水水温取170.7 ℃，计算求得通河台观测井水最大循环深度为4 227 m。

4 同位素组成特征分析

地下水形成后，经过蒸发、径流和水-岩相互作用等环节不断发生循环和演化，氢氧同位素在此过程中会发生动力分馏，与高温岩石等其它物质发生交换和反应，从而造成地下水中的氢氧同位素组成与大气降水线发生一定的偏离，因此，氢氧同位素作为示踪剂，可以用来分析地下水补给后的循环和演化特征。在水循环过程中，由于同位素成分的动力学分馏作用，各地区的大气降水线均不相同。全球大气降水的氢氧同位素组成呈正相关关系(图4)：δD=8δO+10(Craig，1961)，中国东北地区大气降水线为：δD=7.2δO+2.39(李小飞等，2012)，GMWL表示全球大气降水线，LMWL表示中国东北地区大气降水线。从图4可见，研究区大气降水线斜率小于全球降水线斜率，这要归因于水汽运移和水循环中发生的同位素分馏。所采的水样均分布于当地大气降水线和全球大气降水线附近，表明水样的主要来源是大气降水。

为了比较与计算不同地区大气降水蒸发、凝结过程的不平衡差异，Dansgaard(1964)提出了氘盈余公式：=δD-8δO，较高的氘盈余意味着相对湿度较低的干旱气候地区水受蒸发的影响，或者雨水中具有内陆蒸发水(高宗军等，2017)。当-10‰<<10‰时，表示正常大气降水；当>10‰时，表示与现今不同气候条件下的降水或不同来源水混合；当<-10‰时，表示干热气候条件下的大气降水或蒸汽凝结水。研究区的水样属于同一气候环境，因此季节气候的影响可以忽略，所取水样的值为1.81‰～9.28‰，表明水样主要源于大气降水。

图4 研究区水样的氢氧同位素组成

5 结论

本文对依兰—伊通断裂北段地区4口地震监测井及其周边水样进行水化学离子浓度及氢氧同位素分析，得出以下结论：

(2)研究区所测水样主要来源于大气降水补给，氢氧同位素组成均分布于大气降水线附近，氘盈余也验证了这一点；通河台观测井水处于水-岩部分平衡状态，表明该井除大气降水补给外，还有较深层地下水的混入，其余水样均为浅层的地下水，主要为大气降水的补给。利用阳离子温标法，计算求得通河台井水的热储温度为170.7 ℃，其最大循环深度为4 227 m。

(3)依兰—伊通断裂北段地区目前只开展水物理观测，水化学观测尚处于空白，建议对上述台站增加连续的水化学组分观测项目，丰富地下流体监测信息，从而更好地进行该地区的震情跟踪和异常核实工作。