0 引言

温泉是出露于地表、由地球内部热能释放加热导致温度高于当地年平均温度的地下水(Griffin et al，2017)。活动断裂是地下流体良好的运移通道，研究活动断裂中温泉流体的地球化学特征变化可以较好地监测活动断裂带内部的活动状态(Favara et al，2001；Skelton et al，2014；仵柯田等，2019；盛艳蕊等，2020)。国外学者对圣安地列斯断裂(Kennedy et al，1997)、土耳其安纳托利亚断裂(Aydın et al，2015)、日本俯冲带(Sano et al，1998)和中欧等地区(Zhang et al，2017)温泉流体进行地球化学研究发现：离子(Na⁺、Cl^-和SO₄^2-等)浓度、气体(H₂、CH₄和CO₂等)浓度和同位素(³He/⁴He、δ¹³C_CO2等)含量在地震发生前后均出现大幅度变化。邢台地震发生后，我国开始了地震地球化学离子观测，发现了地震地球化学流体异常现象。近年来，国内学者对龙门山断裂带(Du et al，2006)、岷江断裂带(Shi et al，2014)、甘孜-玉树断裂带(刘雷等，2012)和理塘断裂带(Zhou et al，2017)温泉流体的地球化学研究表明，在中强地震之后，同样出现了明显的温泉流体地球化学异常变化。

岷江断裂带位于岷山隆起的西侧，其东侧为虎牙断裂带(张岳桥等，2010)。历史上，岷江断裂带曾在1933年、1938年和1960年分别发生了M_S7.5、M_S6.0和M_S6.8地震，第四纪活动强烈(Qian et al，2000)，对该区域进行温泉流体地球化学监测研究具有重要的价值。李宏业等(2003)对岷江断裂带温泉流体地球化学特征研究，发现含δ¹³C_CO2的CO₂流体主要来自于地壳浅部，温泉水补给来源主要为大气降水，但尚不清楚岷江断裂带流体地球化学变化的机理和流体运移模式。汶川地震发生后的2008年6月—2010年6月期间，周晓成(2011)对岷江断裂带附近的温泉进行了3次采样监测，发现温泉气体中有大量的幔源δ¹³C_CO2和³He/⁴He上涌。2017年岷江、虎牙和塔藏断裂交汇处发生九寨沟M_S7.0地震，笔者于该地震第二天到达现场，获取流体地球化学数据，发现该地震前后温泉流体地球化学特征同样出现了明显的变化。本文对岷江断裂带温泉流体的地球化学时空变化特征进行了研究，探讨了断裂带内深浅部流体耦合机理以及温泉流体地球化学特征变化与地震之间的关系，建立了岷江断裂带深浅部流体耦合模型，可为今后判断岷江断裂带未来中强地震的短临前兆流体异常变化提供帮助。

1 研究区域地质概况

研究区域距离玉树、汶川和九寨沟分别约为603km、153km和69km。岷江断裂带走向近SN，倾向NW，倾角60°~70°(张岳桥等，2010)，位于青藏高原断块区北界，由多条SN向断裂束组成，北延与东昆仑断裂带最东段的塔藏断裂相接，南延终止于镇江关、红土坡一带(张岳桥等，2012)。本文研究区域为岷江断裂带的主断裂，断裂东侧的摩天岭地块为古生代碳酸盐建造，西侧地表则广泛覆盖着三叠系西康群浅变质岩、板岩，为一套厚度巨大的复理石建造(周荣军等，2000)。历史上，岷江断裂带发生过1933年M_S7.5叠溪地震等多次M_S6.0以上的地震(Chen et al，1994；Qian et al，2000)，构造活动性较强，且岷江断裂带水文条件良好，发育卡卡沟、牟尼沟等多处温泉(赵琦，2002；曾超等，2011；Shi et al，2014)。笔者分别于2010年6月、2013年4月、2014年8月、2015年8月、2016年8月、2017年7月和2018年8月沿岷江断裂带内卡卡沟(103.7°E，33.0°N)、川盘桥(103.6°E，32.9°N)、松潘(103.6°E，32.6°N)和牟泥沟(103.5°E，32.7°N)温泉进行了7次水样和气样的采集，并于2018年8月对岷江断裂周边的岷江(103.8°E，32.7°N)、扎嘎瀑布(103.5°E，32.6°N)和黄龙温泉(103.6°E，32.8°N)进行了水样采集(图 1)。

2 野外采样和处理方法

本研究对温泉水中常量元素的测定在中国地震局地震预测重点实验室完成，使用的仪器为Dionex ICS-900离子色谱仪和AS40自动进样器，检测限为0.01mg/L(Chen et al，2015)。测试的离子组分为阳离子为K⁺、Na⁺、Mg²⁺和Ca²⁺；阴离子F^-、Cl^-、Br^-、NO₃^-和SO₄^2-。通过标准滴定程序，对温泉水中的HCO₃^-和CO₃^2-使用ZDJ-3D型电位滴定仪测量。阴阳离子的测量误差均小于5%。根据下式计算离子平衡(ib)

$ i b[1 \%]=\frac{\sum \text { 阳离子 }-\sum \text { 阴离子 }}{\left(\sum \text { 阳离子 }+\sum \text { 阴离子 }\right) \times 0.5} \times 100 $

(1)

对微量元素的测定在核工业地质研究院测试中心分析完成，采用Element型电感耦合等离子体质谱仪ICP-MS(张彦辉等，2018)。氢氧同位素分析使用气体同位素质谱仪MAT253，样品的分析精度为δD < ±1‰和δ¹⁸O < ±0.2‰(刘汉彬等，2013)；使用电感耦合等离子体发射光谱仪Optima-5300 DV检测SiO₂；锶同位素分析使用Phonix型热电离质谱仪分析完成(汤书婷等，2015)；碳同位素分析使用Delta Plus XL质谱计分析完成，¹³C/¹²C的精度为0.2‰(李中平等，2007)；氦氖同位素分析使用Noblesse稀有气体同位素质谱仪(Cao et al，2018)。

2013年之前的气体样品在中国科学院地质与地球物理研究所石油资源研究重点实验室进行分析，使用仪器为Agilent 7890(Zhou et al，2017)；2013年之后的气体样品在中国地震局地震预测研究所分析完成。温泉气体中的N₂、H₂、CO₂、O₂、CH₄和Ar使用Agilent Macro 3000便携式气相色谱仪进行测量(Zhou et al，2017)。

3 温泉流体地球化学特征分析 3.1 常量元素、微量元素的地球化学特征

本文采用舒卡列夫分类法将7个采样点水化学类型划分为Ca-HCO₃、Mg-HCO₃、Ca · Mg-HCO₃、Mg · Ca-HCO₃四种(图 2)。已有研究结果表明Ca²⁺、Mg²⁺为主要阳离子，HCO₃^-为主要阴离子(党政等，2019)，本研究与前人研究结果一致(表 1、表 2)。岷江断裂带温泉水中常量元素和微量元素含量与围岩密切相关，因此判断岷江断裂带上的温泉水与河水主要与灰岩发生裂解反应，从而使其水化学类型均为重碳酸型。卡卡沟、川盘桥和牟尼沟温泉水的微量元素含量(图 3)与岷江断裂带温泉水相似，表明其来源一致。Pili等(2002)研究发现砂岩灰岩中主要富集碱土金属。研究区域的Mg²⁺、Ca²⁺、Sr²⁺和Ba²⁺含量较高，表明温泉水与岷江断裂带发育的砂岩、三叠系灰岩发生水岩反应，因此碱土金属含量高。

碳酸盐岩地层和碎屑岩地层对Sr²⁺的富集最有利，pH值在7.0~8.5之间的弱碱性水更容易富集Sr²⁺(刘庆宣等，2004)。岷江断裂带温泉水pH值分布范围为6.4~9.8，平均值为7.4，又由于含游离CO₂较多的水与含有Sr²⁺的地层发生作用有利于Sr²⁺的溶解，研究区游离CO₂含量较高，因此表明该区域容易富集Sr²⁺。

张春山等(2003)的研究表明，当深度、压力增加时，B在地下水中的溶解度会增高。岷江断裂带温泉水中的B浓度较高，为5.60mg/L，根据地球物理资料发现，岷江断裂带受巴颜喀啦地块推及作用形成，因此含有大量的B。同时，Ni、Ti、Fe、Cr等金属离子易富集在高压区(Pili et al，2002)，且石英中Sr²⁺、方解石中Ca²⁺和白云石中Mg²⁺的溶解会导致高岭石和氧化矿物中的Al、Fe、Ti等金属离子被动富集(Pili et al，2002；Uysal et al，2007)，致使岷江断裂带温泉水中的Al、Fe、Ti的含量较高。根据富集因子(EF)的大小可以定性地判断温泉水中微量元素来源，计算公式为

$ E F_{i}=\left(C_{i} /C_{R}\right)_{{w}} /\left(C_{i} /C_{R}\right)_{r} $

(2)

其中，C_R为选定的参比元素含量；C_i为样品中元素含量；w为水样中元素浓度；r为岩石中元素浓度。富集因子能够表示某种元素在某一地质体中富集的程度，当该值小于1时，则意味着元素分散。

将川西地区上三叠统微量元素平均值作为参考背景(刘金华等，2005)，选定地壳岩石微量元素Ni作参比元素，对微量元素数据进行归一化处理(表 3)。能够看出，研究区域内卡卡沟和牟尼沟温泉水中B、Sr、Ba元素的富集因子大于1，川盘桥、黄龙、扎嘎瀑布和岷江水的Sr和Ba富集因子大于1，而其他元素富集因子小于1，表明其他元素相对分散。由图 3可知，B、Sr和Ba的含量相对其他元素较高，且常量元素中富集Ca和Mg，均为碱土金属元素，因此，判断岷江断裂带温泉水主要来自于灰岩(Pili et al，2002)。

3.2 温泉水来源

岷江断裂带温泉水中δD和δ¹⁸O测值的分布范围分别为-13.20‰~-19.80‰和-95.6‰~-113.33‰。观察δD-δ¹⁸O关系图(图 4)，7个采样点主要分布在大气降水线两侧。卡卡沟、川盘桥、牟尼沟第5次采样出现了贫δ¹⁸O的现象，研究区域温泉水中存在大量逸出气CO₂(表 4)，这可能是由于水与CO₂同位素交换反应导致。研究区域温泉水中的δD和δ¹⁸O远低于当地大气降水，川盘桥温泉出现了明显的“氧漂移”现象，这可能是大气降水在补给岷山过程中，与研究区域发育的灰岩中的方解石进行了¹⁸O交换反应(CaCO₃+H₂O↔CaCO₃+H₂¹⁸O)(Giggenbach，1992)。根据氧同位素与补给高程之间的关系(柳鉴容等，2009)

$ \delta^{18} \mathrm{O}=-0.002 \mathrm{Alt}-6.327 $

(3)

得出补给高程为3.4~4.5km。

Na-K-Mg三角图解(Giggenbach，1988)(图 5)能够反应水化学的平衡状况和平衡温度。不同条件下所用的热储温标不同，常用的地球化学温标主要有石英、玉髓温标和离子温标，离子温标在水岩反应达到平衡状态时适用，而图 5显示研究区域温泉点均处于未成熟水区域，且研究表明温度小于110℃时，通常是玉髓控制着溶液中的SiO₂含量(郑西来等，1996)，计算公式为(Arnórsson，1983)

$ T=1112 /\left(4.91-\lg \left(\mathrm{C}_{\mathrm{SiO}_{2}}\right)-273.15\right. $

(4)

其中，C_SiO2代表水中SiO₂的质量浓度，计算结果见表 5。因此，岷江断裂带热储温度主要为26.00℃~52.22℃，循环深度主要为1.17~2.67km。

3.3 温泉气体He及CO₂来源 3.3.1 He来源

2010年6月—2018年8月，³He/⁴He变化范围为0.02Ra~0.68Ra，平均值为0.14Ra。为估算地幔衍生氦的比例，利用⁴He/²⁰Ne对空气混染程度进行约束(Duchkov et al，2010)。³He/⁴He与⁴He/²⁰Ne关系图(图 6)(Sano et al，1985)显示了每个气体样品的浓度，所有点均靠近地壳端元。计算得出的幔源He贡献率见表 4，其中，2010年6月—2018年8月川盘桥温泉幔源氦贡献率约为0.07%~5.67%，牟尼沟温泉的幔源氦贡献率约为0.30%~7.77%。由于2008年6月无⁴He/²⁰Ne数据，无法校正³He/⁴He值，但发现川盘桥和牟尼沟温泉中的³He/⁴He分别为1.68Ra和2.16Ra，均较高。周晓成等(2017)研究表明汶川地震后有大量的幔源物质上涌与地壳流体混合，而随着地震的减弱，地幔流体对温泉的³He/⁴He贡献逐渐减小。本研究发现2017年九寨沟M_S7.0地震之后³He/⁴He一直呈下降趋势。

3.3.2 CO₂来源

2017年6月测得卡卡沟、川盘桥和牟尼沟温泉水中的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比率分别为0.70862、0.70872和0.70870，利用研究区域温泉水中⁸⁷Sr/⁸⁶Sr与³He/⁴He作图(图 7)，发现川盘桥和牟尼沟温泉水主要来自于地壳，卡卡沟温泉、川盘桥温泉和牟尼沟温泉⁸⁷Sr/⁸⁶Sr主要分布在0.70800左右，推测锶主要来自于岷江断裂带发育的碳酸盐岩(Négrel，2006)。

岷江断裂带温泉水中逸出气体的CO₂/³He比率范围为0.66×10¹¹~100×10¹¹(表 6)，均大于洋中脊玄武岩(2×10⁹)(Marty et al，1987)，δ¹³C_CO2主要分布在0±3‰。温泉逸出气中的CO₂主要来源有地幔、有机质和灰岩，为确定研究区域温泉气中CO₂的来源，绘制³He/⁴He(R/Ra)-δ¹³C_CO2关系图，见图 8。其中，所有的采样点均靠近石灰石(L)端元，计算地幔脱气(M)中碳的相对贡献(Sano et al，1995)，发现石灰石(L)(Chiodini et al，2004)贡献量为75.00%~99.47%(表 6)，表明大量的CO₂主要来自灰岩裂解。

3.4 温泉流体地球化学变化与地震

根据岷江断裂带温泉水中常量元素含量随时间的变化得到图 9，由于常量元素中阴离子HCO₃^-和阳离子Ca²⁺、Mg²⁺极不稳定，易产生沉淀，因此选用Na⁺、Cl^-和SO₄^2-作为参考，并取X + 2σ(X ：平均值；2σ：2倍方差)作为离子变化异常界。从图 9中可以看出，九寨沟地震前卡卡沟和川盘桥温泉中Cl^-和SO₄^2-以及牟尼沟温泉中SO₄^2-均呈现了增加的现象。

由于研究区域温泉水循环深度为1.17~2.67km，地震的发生对温泉水中的离子浓度变化影响较小，且汶川地震、玉树地震和芦山地震距离采样点较远，导致图 9中未发现地震引起的岷江断裂带周围温泉水离子发生明显的变化，未能观测到震前的异常响应。九寨沟地震与卡卡沟、川盘桥和牟尼沟温泉的震中距分别约为29km、43km和68km，且该地震发生在巴颜喀拉块体边缘，因此，该地震虽然未发生在岷江断裂带上，但是对岷江断裂带有一定的触发作用，使不同层位的含水层破碎，地表水等其他不同来源的水体混合造成了离子浓度的变化。由图 9发现，九寨沟地震前卡卡沟和川盘桥温泉水中Cl^-和SO₄^2-以及牟尼沟温泉水中SO₄^2-都出现了不同程度的上升变化，且川盘桥温泉点的Cl^-浓度升高至异常界之上，认为是九寨沟地震触发作用导致。九寨沟地震发生后岷江断裂带温泉水中的常量元素发生大幅度的下降，查阅资料发现九寨沟地震之后研究区域有大量的降雨(党政等，2019)，分析原因为九寨沟地震的影响致使裂隙导通，地表水进入温泉循环路径中，震后降雨量增加稀释了温泉水，从而使浓度大幅度降低。

温泉逸出气体及同位素主要成分(CO₂、N₂、CH₄、O₂、³He/⁴He)见表 4，由于对研究区域的气体监测点密度小，九寨沟地震前He、³He/⁴He无明显异常，而2015年H₂出现异常高值，H₂的异常与断裂活动密切相关，岷江断裂持续运动可能使断裂带内裂隙在连通与闭合间转换，导致H₂浓度变化显著。He是铀-钍系等放射性元素α衰变的产物(杨晓芳等，2013)，研究区域温泉水中的铀为0.010~0.850mg/L、钍为0.002~0.009mg/L，含量极低，导致He浓度较低，且研究区域逸出气含有大量CO₂，会对He有一定的稀释作用。周晓成(2011)研究发现，汶川地震发生后岷江断裂带有大量幔源物质上涌，而九寨沟地震前后却无明显³He/⁴He变化。岷江断裂带处于松潘-甘孜褶皱带、摩天岭地块与龙门山逆冲推覆构造带接合处(陈浩等，2014)，表明岷江断裂带与龙门山断裂带联系较大，导致汶川地震对岷江断裂带的影响较为明显，因此汶川地震对岷江断裂带的影响比九寨沟地震对该断裂带的影响大，也可能是本次研究对该区域的监测密度不够，未监测到地震带来的大量幔源物质，今后还需继续监测。

3.5 温泉流体地球化学模型

巴颜喀啦块体东部位于我国南北地震带中部。龙门山断裂带、岷江断裂带和甘孜-玉树断裂带均为受到强烈的现今地壳变形影响而形成的一系列大型活动带(孔令昌等，2012；陈长云等，2013)。结合上述研究结果与已有的地质资料建立模型(图 10)。

如模型所示，岷江断裂带周围的温泉主要来自于3436~4506m大气降水补给。岷江断裂带为温泉水提供良好的运移通道，使温泉水沿断裂面向下运移，在运移过程中与研究区域富集的灰岩发生了水岩反应，产生少量的微量元素和较多的常量元素。部分温泉水向下运移至地壳下1.17~2.67km处，经地温加热向上补给岷江断裂带周围的温泉。研究区域构造活动强烈，300km范围内的中强地震孕育、发生过程中，可能会触发断裂带内部含水层破碎，不同裂隙间的导通致使流体混合，深部流体混入从而导致岷江断裂带周围温泉水中的离子浓度发生变化，如九寨沟地震的发生导致岷江断裂带周围温泉水中的离子浓度产生变化。由于岷江断裂带向下延伸至30km处的滑脱面(邓起东等，1994；任俊杰等，2017)，阻碍了部分幔源物质的上涌，因此研究区域温泉水中的幔源He贡献率较低。

已有研究发现，汶川地震和九寨沟地震的发生增加了东昆仑断裂、岷江断裂的库伦应力的积累(Shan et al，2009；汪建军等，2017)。同时，岷江断裂带温泉水中含有大量的逸出气CO₂，CO₂逸出气及地震带来的深部构造带高压流体会对断层产生“润滑”作用，说明岷江断裂带温泉流体地球化学连续监测对该地区及其周围未来中强地震短临流体异常判断具有一定意义。

4 结论

通过对2010年6月—2018年8月岷江断裂带及其临近区域温泉流体地球化学数据的收集、汇总，对该区域水化学特征及水文地球化学场进行对比研究，得出以下结论：

(1) 研究区域的水均为中性弱碱性水，且温泉水化学类型差异较小，根据化学组合特征将温泉水分为Ca-HCO₃、Mg-HCO₃、Ca · Mg-HCO₃、Mg · Ca-HCO₃四种类型。通过δ¹⁸ O、δD和SiO₂值判断出岷江断裂带周围的温泉水均源于大气降水，热储温度为26.00~52.22℃，循环深度为1.17~2.67km，微量元素含量较低，由此判断岷江断裂带温泉水均为水岩反应程度不高的未成熟水。岷江断裂带温泉水中的⁸⁶Sr/⁸⁷Sr范围为0.70862~0.70872，判断其主要来自于碳酸盐类矿物。δ¹³C_CO2范围为-7.50‰~-0.12‰，表明岷江断裂带内温泉水逸出气中的CO₂主要来自地壳中的灰岩。

(2) 2017年8月8日发生M_S7.0九寨沟地震，地震发生前后，温泉水文地球化学特征有明显变化，主要表现为地震前卡卡沟和川盘桥温泉中Cl^-和SO₄^2-以及牟尼沟温泉中SO₄^2-增加，地震后卡卡沟、川盘桥和牟尼沟温泉水中Cl^-和SO₄^2-离子下降。但³He/⁴He比率变化范围为0.02 Ra~0.68Ra，无明显幔源He的增加，分析原因可能为岷江断裂带向下延伸受控于30km的滑脱面阻碍了部分幔源物质上涌。

(3) 结合已有地球物理资料和研究区域温泉流体地球化学特征，绘制岷江断裂带温泉流体运移模型，根据模型发现，3436~4506m的岷山上的大气降水补给岷江断裂带周围的卡卡沟、川盘桥、松潘和牟尼沟温泉，并沿岷江断裂带和裂隙向下运移至地壳下0.82~2.67km，运移过程中与岷江断裂带围岩发生一定的水岩反应，产生大量的常量元素、微量元素和CO₂等气体。而岷江断裂带周围温泉所处区域构造活动强烈，因此，300m范围内的中强地震孕育、发生过程中，可能会触发断裂带内部构造发生改变，引起含水层破碎，不同裂隙间导通致使流体混合，不同来源的流体混入，从而导致岷江断裂带周围温泉水离子浓度发生变化。

致谢: 感谢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李立武、李中平和核工业地质研究院测试中心刘汉彬、刘牧、刘小桐在测量分析时的帮助，感谢审稿专家的悉心指导。