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 et al,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 et al,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。

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。

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)。

采集到的水样由应急管理部自然灾害研究院地球化学实验室分析测定。用滴定法测定HCO^-₃、CO^2-₃浓度,用DionexICS-900型离子色谱仪测定K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、SO^2-₄、NO^-₃和Cl^-浓度,测试结果的闭合度(ib)在±10%以内; 用LGR912-0008氢氧稳定同位素分析仪

图1 依兰—伊通断裂北段采样点分布
Fig.1 Sampling points in the north segment of the Yilan-Yitong Fault

测定氢氧同位素组成,δ¹⁸O和δD使用V-SMOW作为标准,δ¹⁸O和δD值的测试误差分别为±0.1‰和±0.5‰。

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=8δ¹⁸O+10(Craig,1961),中国东北地区大气降水线为:δD=7.2δ¹⁸O+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:d=δD-8δ¹⁸O,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‰<d<10‰时,表示正常大气降水; 当d>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d<-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d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
Fig.4 Composition of the isotopes of hydrogen and oxygen of the water samples in the study area

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:

(1)黑龙江省依兰—伊通断裂北段地区19个水样的离子组分以HCO^-₃和Ca²⁺为主,TDS值为32～568 mg/L,全部为低温淡水,水化学类型比较复杂,共有10种,多数水样的水化学类型以HCO₃-Ca为主。

(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。