2017年8月9日精河<em> M</em><sub>S</sub>6.6地震前乌苏泥火山群流体地球化学变化特征

引用本文

朱成英, 周晓成, 麻荣, 闫玮, 梁卉, 张涛, 高小其, 颜玉聪. 2017年8月9日精河 M_S6.6地震前乌苏泥火山群流体地球化学变化特征 [J]. 地震地质, 2019,41(4): 1060-1075.
ZHU Cheng-ying, ZHOU Xiao-cheng, MA Rong, YAN Wei, LIANG Hui, ZHANG Tao, GAO Xiao-qi, YAN Yu-cong. THE FLUID GEOCHEMICAL VARIATION CHARACTERISTICS OF THE WUSU MUD VOLCANOES BEFORE THE JINGHE EARTHQUAKE OF M_S6.6 ON AUGUST 9, 2017 [J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2019,41(4): 1060-1075. 复制到剪切板

DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2019.04.016
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2017年8月9日精河 M_S6.6地震前乌苏泥火山群流体地球化学变化特征

朱成英¹⁾, 周晓成^2,^*), 麻荣¹⁾, 闫玮¹⁾, 梁卉¹⁾, 张涛¹⁾, 高小其³⁾, 颜玉聪²⁾

1) 新疆维吾尔自治区地震局, 乌鲁木齐 830011

2) 中国地震局地震预测研究所, 北京 100036

3) 中国地震局地震地壳应力研究所, 北京 100085

*通讯作者: 周晓成, 男, 研究员, 主要研究方向为地震地球化学, 电话: 010-88015649, E-mail: zhouxiaocheng188@163.com。

〔作者简介〕朱成英, 女, 1976年生, 2001年于烟台师范学院(现鲁东大学)获化学专业理学学士学位, 高级工程师, 主要从事地震地下流体的研究工作, 电话: 0991-3847542, E-mail: zcylzh2004@126.com。

收稿日期: 2018-12-12

基金项目: 震情跟踪工作定向任务(2016020303)和援疆项目(2016IES010304, ZDJ2017-27)共同资助

摘要

乌苏泥火山群位于北天山构造带, 由于其处于构造活跃部位, 且与地下的连通性较好, 其活跃程度与地震活动存在明显的相关性。通过分析乌苏泥火山群历时超过7a的实时宏观监测资料和超过3a的地球化学监测资料, 认为在距乌苏泥火山群300km范围内 M_S5.0及以上的地震震例中, 2011年8月以来的13次地震中有9次地震前泥火山喷涌量的宏观监测数据出现明显的增大异常; 2015年7月以来的6次地震中有3次地震前泥火山的地球化学微观监测数据出现明显的异常变化; 异常出现的时间点至发震的间隔以中期(6~12个月)为主。 2017年8月9日精河 M_S6.6地震前, 乌苏泥火山群剧烈喷涌, 化学组分呈明显的高值异常。艾其沟1号和白杨沟1号泥火山在2017年1月的喷涌量显著增大, 艾其沟2号泥火山在震前1个月出现由休眠到活跃、泥浆喷涌量逐渐增大的现象。艾其沟1号泥火山的F^-、 SO42-, 白杨沟(1号及2号)泥火山的F^-、 CO32-、 SO42-、 Rn(气)、 CH₄、 Ar和N₂在震前均出现明显的高值变化; F^-、 CO32-、 SO42-、 Ar和N₂表现为短期异常, CH₄、 Rn(气)表现为中期异常。 Giggenbach三角图(Na-K-Mg)显示: 白杨沟泥火山的水-岩反应较弱, 受外界干扰小; 艾其沟泥火山水-岩反应仍在进行, 且受到了一定的外界干扰, 因此白杨沟泥火山化学组分的地震前兆异常比艾其沟泥火山更明显。利用阳离子(Na-K、 K-Mg和Na-K-Ca)地温计估算研究区的热储温度, 得到乌苏泥火山群的热储温度约70℃, 循环深度约3km。在地震孕育的过程中, 受挤压应力(由震源机制判断)作用的影响或地震孕育伴随的区域构造应力集中, 导致泥浆携带深部化学组分喷发至地表; 孕震区或附近的岩层发生形变, 液体循环深度增加, 同时加快水-岩反应的速率, 使得部分离子组分的浓度增加, 挤压作用使大量泥浆携带地球化学组分喷发至地表。因此, 在地震前泥火山的喷涌量和部分化学组分表现出明显的异常。

关键词: 精河 M_S6.6地震; 乌苏泥火山群; 响应特征; 化学组分

中图分类号:P315.72⁺4 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2019)04-1060-16

THE FLUID GEOCHEMICAL VARIATION CHARACTERISTICS OF THE WUSU MUD VOLCANOES BEFORE THE JINGHE EARTHQUAKE OF M_S6.6 ON AUGUST 9, 2017

ZHU Cheng-ying¹⁾, ZHOU Xiao-cheng²⁾, MA Rong¹⁾, YAN Wei¹⁾, LIANG Hui¹⁾, ZHANG Tao¹⁾, GAO Xiao-qi³⁾, YAN Yu-cong²⁾

1) Earthquake Agency of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Urumqi 830011, China

2) Institute of Earthquake Science, China Earthquake Administration, Beijing 100036, China

3) Institute of Crustal Dynamics, China Earthquake Administration, Beijing 100085, China

Abstract

Mud volcano is a conical sedimentary body formed by high-pressure mud and gas-dominated fluid migrated to the surface through faults and other channels deep underground, which looks like a volcanic cone formed by magma-volcanism. As a product of crustal movement, mud volcano can bring a large amount of valuable information from deep to the surface when erupting. Therefore, mud volcano is called “god-given borehole” with a depth of 7~12km. Mud volcanoes are the result of upthrust of trapped gases released by the pressure in the stratum and also the channel for the upward migration of gases in the earth. The submarine mud volcano is one of the signs of hydrate and the living evidence of hydrate. The Wusu mud volcanoes are located in the northern Tianshan tectonic belt. Since the mud volcamoes locate in the active part of the tectonic belt and are well connected to the underground, their active degree has a good correlation with the seismicity. The earthquake cases studies based on the 7a long real-time macroscopic monitoring data and the more than 3a long geochemical monitoring data of the Wusu mud volcanoes show that in the earthquake cases of M_S≥5.0 within the range of 300km around the Wusu mud volcanoes, the abnormal mud gushing quantity obviously increased by macroscopic monitoring before 9 out of 13 earthquakes. The geochemical microcosmic monitoring data showed obvious abnormal changes before 3 out of 6 earthquakes. The anomalous duration from the emergence of the anomaly to the occurrence of the earthquake is mainly of the mid-term(6~12 months). Before the Jinghe M_S6.6 earthquake on August 9, 2017, the Wusu mud volcanoes spewed violently and the chemical components showed an obvious high value anomaly. In January 2017, there was a significant increase in the amount of mud spewing in Aiqigou No.1mud volcano and Baiyanggou No.1mud volcano, and one month before the earthquake, there was the phenomenon that mud gushing amount of Aiqigou No.2 mud volcano gradually increased and the volcano was from dormant to active. There were obvious high values appearing before the earthquake in F^-and SO42- in the Aiqigou No.1mud volcano and in F^-, CO32-, SO42-, Rn(gas), CH₄, Ar and N₂ in Baiyanggou(No.1 and 2)mud volcanoes. The values of F^-, CO32-, SO42-, Ar and N₂ showed short-term anomalies, while CH₄ and Rn(gas)showed medium term anomalies. Giggenbach triangular diagram (Na-K-Mg) indicates that the water-rock reaction of Baiyanggou mud volcanoes is complete and little disturbed by the outside. The water-rock reaction of the Aiqigou mud volcanoes is still ongoing, which can explain why the precursor anomaly of the chemical components of the Baiyanggou mud volcanoes is more obvious than that of the Aiqigou mud volcanoes. The geothermal reservoir temperature of the study area is estimated by using a cationic (Na-K, K-Mg, Na-K-Ca) geothermometer. The geothermal reservoir temperature of the Wusu mud volcanoes is about 70℃, and the circulation depth is about 3km. In the process of earthquake preparation, the mud carries deep chemical components to the ground surface due to the effect of compression stress(the result of focal mechanism)or the concentration of regional tectonic stress with earthquake preparation; Or the rock strata in or near the seismogenic area are deformed, the depth of liquid circulation will increase, and the water-rock reaction will be accelerated, which will increase the concentration of some ionic components, and the squeezing process will cause a large number of mud to gush out of the ground, carrying geochemical components. Therefore, the gushing quantity and some chemical components of the mud volcanoes were obviously abnormal before the earthquake.

Keyword: Jinghe M_S6.6 earthquake; Wusu mud volcanoes; response feature; chemical component

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0 引言

泥火山(Mud Volcano)并非火山, 其与地下的岩浆活动并无太大关系, 因其喷发形成的锥形堆积物在地貌外观上与火山相似, 且喷出物主要为泥浆, 故被称为泥火山(刘嘉麒, 2003; 范卫平等, 2007)。地球上大约存在900多座泥火山, 其中有220多座位于阿塞拜疆。世界上较为著名的泥火山分别坐落在美国的黄石公园、伊朗的马克兰和罗马尼亚的布扎等, 最大的泥火山位于阿塞拜疆的巴库。在中国, 泥火山主要集中分布于新疆维吾尔自治区和台湾省。此外, 在青海省柴达木盆地边缘的塔塔河上游地区、四川盆地内渠江一带以及江苏省南部等地也发育一些小型泥火山, 其喷发口直径一般较小(Milkov, 2000; 朱婷婷等, 2009; 万园等, 2011; 孟祥君等, 2012)。

国际上对泥火山与地震之间关系的研究表明, 地震提供的能量所产生的地壳应力可以分为静态应力和动态应力, 而动态应力通常被认为是泥火山喷发的主要触发机制。众所周知, 岩石的破坏由孔隙压力和环境应力组合而产生的有效应力所控制。实验结果表明, 孔隙压力在地震触发中起主要作用, 同震和震后的应力再分配对地下水循环有着巨大影响。泥火山是一种对应变场波动敏感的深层承压含水层构造, 对其开展监测有助于进一步了解正在进行的构造活动和发震过程。地震活动与泥火山活动的关系具有特殊性, 地震既可诱发泥火山的喷发, 也可引起其垂直运动。阿塞拜疆、意大利、罗马尼亚、日本、巴基斯坦、印度尼西亚等国家及安达曼群岛、中国台湾、美国加利福尼亚等地的专家对泥火山与地震的关系进行过相关的研究(Martubelli et al., 2005; Manga et al., 2009)。

新疆的泥火山主要分布在北天山地区, 均位于准噶尔盆地南缘山前坳陷带内、塔里木古板块与哈萨克斯坦— 准噶尔古板块之间, 受到了中新生代强烈的陆内造山作用的影响(李锰等, 1996; 王道, 2000; 高小其等, 2015b)。天山及邻区的GPS速率场观测结果表明, 天山地区(79° ~86° E)整体向NE推移, 平均速率约9.4mm/a, 这与塔里木盆地对天山的正向挤压所造成的运动方式一致; 天山地区的地壳缩短由南向北, 板块的推挤作用力随着天山从西到东逐渐远离板块边界并逐渐减弱(王晓强等, 2005, 2007)。新疆天山北麓的构造特征造就了该区内的一系列泥火山, 比较有名的有独山子泥火山、霍尔果斯泥火山、石河子紫泥泉泥火山、四棵树泥火山群和艾其沟泥火山等(图1)。这些泥火山出露的地层多为泥砂质岩石, 岩石中富含多层地下水, 且地下水具有层压高、矿化度高、天然气或石油含量高的特点。中新生代含泥砂质地层、封闭的背斜构造中异常高的层间压力以及构造顶端发育的张性断裂是天山泥火山活动的基本条件(王道, 2000)。

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	图 1 北天山泥火山与历史强震的空间分布空心圆表示1700— 2010年发生的M_S5.0及以上地震, 红色实心圆表示2011年至今发生的M_S5.0及以上地震Fig. 1 The spatial distribution of mud volcanoes and historical strong earthquakes in the North Tianshan.

近年来, 一些研究认为泥火山的活动与地震存在一定关系, 且在中强地震前泥火山的喷涌量将出现明显变化, 冒泡频率增加、气体流量增大, 喷出物样品中的Na⁺、 Cl^-、 HC $O_{3}^{-}$ 等离子、 N₂、 He、 CO₂和CH₄等气体的组分出现明显变化(王道, 2000; 高小其等, 2008, 2015a; 杜建国等, 2013; 陈志等, 2014; 王海涛等, 2014; 梁卉等, 2018)。通过分析乌苏泥火山群历时超过7a的宏观实时监控资料和历时超过3a的地球化学组分微观观测资料认为: 在距离乌苏泥火山群300km范围内的M_S5.0及以上的中强地震前, 该泥火山群均出现了短期(出现异常的时间点至发震的间隔不超过3个月)和中期(出现异常的时间点至发震的间隔为6~12个月)异常。如乌苏艾其沟和白杨沟泥火山在2011年10月16日精河M_S5.0地震、 2011年11月1日尼勒克M_S6.0地震、 2012年6月30日新源-和静M_S6.6地震、 2016年12月8日呼图壁M_S6.2地震和2017年8月9日精河M_S6.6地震等中、强地震前均出现喷涌量增大的现象, 其化学组分(Rn(气)、 F^-等)在2017年8月9日精河M_S6.6地震和2018年10月16日精河5.4级地震前出现明显的高值异常。

本文将以乌苏艾其沟和白杨沟泥火山为研究对象, 分析两者在精河M_S6.6地震前的响应特征, 并梳理其可靠的前兆异常。

1 乌苏泥火山群的地质背景资料

乌苏泥火山群现有2处比较大的泥火山, 分别为艾其沟和白杨沟泥火山。艾其沟泥火山位于北阿尔钦沟背斜轴部的断层线上, 为2个锥状“ 孪生” 泥火山, 坐落在河谷的沙石阶地上, 二者相距约10m, 形态完整, 锥形饱满(图2)。该泥火山自晚更新世后期开始喷发, 至今仍有活动, 为该区比较壮观的地质景观(戴金星等, 2012)。艾其沟泥火山高达15m, 火山口直径为4.6m(杜建国等, 2013), 近年来该泥火山持续喷涌。

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	图 2 新疆乌苏艾其沟 “ 孪生” 泥火山(a)、白杨沟泥火山(b)监控设施远景图Fig. 2 The monitoring facilities of Aiqigou “ twin” mud volcanoes(a)and Baiyanggou mud volcano(b)in Wusu, Xinjiang.

白杨沟泥火山是由80多个喷口组成的泥火山群, 也是目前亚洲最大的泥火山群, 位于距乌苏市43km的白杨沟镇, 属于天山北坡山前丘陵地带。泥火山喷口直径从几cm到1~2m不等, 喷出物有泥浆、天然气和石油, 有的喷口喷出气泡的速率超过60次/分(高小其等, 2009; 杜建国等, 2013)。

2011年8月, 新疆维吾尔自治区地震局在艾其沟、白杨沟架设了监控系统, 可24h实时监控泥火山的宏观活动特征(图2), 目前主要监控泥火山的喷涌量和喷出气泡数量等变化。为获得乌苏泥火山群不同活动时期喷出物的化学组分变化特征, 自2015年7月起, 在实现24h监控的基础上, 对乌苏艾其沟泥火山和白杨沟泥火山开展每月一次的喷出物取样和分析工作。

2 测试分析方法

2.1 水化学分析方法

在现场利用P2000测氡仪器观测泥火山的氡气逸出量。直接用聚乙烯塑料瓶采集泥火山喷出物, 并及时送到相关实验室进行溶解气、水氡和各种离子等组分的分析工作。由于喷出物中含有砾石、泥沙, 分析前需要对其进行沉淀和过滤。采用SP-3400气相色谱仪分析溶解气中He、 H₂、 Ar、 O₂、 N₂、 CH₄及CO₂的含量和气体总量; 采用FD-125氡钍分析仪分析水氡含量; 采用PHX选择电极法测量F^-含量; 使用DDS-11A电导分析仪测量电导率; 采用滴定法对C $O_{3}^{2 -}$ 、 HC $O_{3}^{-}$ 、 Cl^-、 S $O_{4}^{2 -}$ 、 Ca²⁺和Mg²⁺进行分析。

2.2 喷涌规模观测

在泥火山群(点)观测监控现场, 可通过专线方式监控泥火山活动, 由宽带网络将信息传送至远程监控中心, 并在乌苏市地震局对监控图像的实时记录进行存储备份; 监控中心随时可查看泥火山探头所辖范围内的所有泥火山的活动信息(高小其等, 2015b)。

3 精河M_S6.6地震前乌苏泥火山群流体地球化学特征

新疆的泥火山中目前用于震情观测的共有4座, 艾其沟和白杨沟各有2座。艾其沟泥火山为锥体大小相近的2座泥火山, 人们习惯称之为 “ 孪生” 泥火山; 在白杨沟80多个泥火山中选择较大的2口用于震情监控。

通过分析历时超过7a的实时监控观测资料可知, 这几座泥火山冬季因被雪覆盖, 除发生剧烈喷涌活动外, 在其平静时段无法清楚地看到其活动情况, 在其它季节能实时观测到其平静或喷发状态。泥火山活动受降水、融雪的干扰较小, 其活动周期可分为休眠期和活跃期。休眠期的泥火山泥浆颜色为灰绿色, 液面有少量油花, 少有泥浆外溢, 鼓泡点位少, 每分钟鼓泡30~40个, 气泡直径约几cm。活跃期的泥火山在外观上较休眠期有较大区别: 白杨沟泥火山主要表现为鼓泡次数增加, 鼓泡点位增加, 泥浆颜色由灰绿色变为砖红色, 出现少量油花等; 艾其沟泥火山的活动增强主要表现在喷涌量持续增大, 鼓泡数量增加, 液面油花增多增厚, 油花颜色由棕褐色变为黑色, 泥浆向外溢流到锥体底部等。

3.1 泥火山的活动特征

2017年1月白杨沟2号泥火山出现喷涌量增大、鼓泡数量增多的现象, 由于冬季气温较低, 喷涌的泥浆冻结形成泥火山堆, 2月下旬泥火山活动逐渐趋于平稳, 2017年8月9日, 距白杨沟泥火山120km的精河发生M_S6.6地震(图3)。

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	图 3 2017年 1— 2月乌苏白杨沟2号泥火山实时监控图像Fig. 3 The real time monitoring images of Wusu Baiyanggou No.2 mud volcano in January and February, 2017.

艾其沟1、 2号泥火山虽处于相同位置, 泥火山锥体的规模也相当, 但两者对精河M_S6.6地震的响应时间和响应特征却并不相同。乌苏艾其沟1号泥火山显著的喷涌变化与白杨沟泥火山在时间上是同步的, 其2月4日的喷涌量巨大, 此次异常自观测以来首次出现, 在2月下旬该异常活动基本结束(图4)。在观测之初, 艾其沟2号泥火山口一直有泥浆涌出, 在2011年11月1日尼勒克M_S6.0地震前, 其喷涌量出现 “ 背景值— 上升— 转折— 下降— 发震— 背景值” 的变化, 并于2012年5月停止溢流, 在2012年6月30日新源-和静M_S6.6地震前同样出现液面上升— 下降的现象。截至目前, 艾其沟2号泥火山多数时间处于干涸状态, 偶尔也会有泥浆溢出, 持续的时间一般约7d。 2017年7月5日该泥火山出现泥浆外溢现象, 打破其休眠状态, 7月16日外溢泥浆量明显增加, 泥浆稠度逐渐增加, 并于8月7日堆积为泥火山堆, 8月9日精河M_S6.6地震发生, 震后该泥火山逐渐趋于平静(图5)。

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	图 4 2017年1— 2月乌苏艾其沟1号泥火山实时监控图像Fig. 4 The real time monitoring images of Wusu Aiqigou No.1 mud volcano in January and February, 2017.

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	图 5 2017年6— 8月乌苏艾其沟2号泥火山实时监控图像Fig. 5 The real time monitoring images of Wusu Aiqigou No.2 mud volcano in July and August, 2017.

3.2 泥火山喷出物的化学组分分析

一般认为, 泥火山的出现与油气藏有密切关系。乌苏泥火山群位于准噶尔盆地南缘, 相关研究表明, 乌苏白杨沟和艾其沟泥火山所排出的气体主要为烷烃类, 其中甲烷含量占87%以上, 氮气含量为1.43%~4.36%, 二氧化碳含量为0.1%~6.40%(戴金星等, 2012; 陈志等, 2015), 而对于泥火山喷出泥浆的成分分析相对较少。泥火山活跃期与平静期的气体组分和水化学含量有明显区别(高小其等, 2015a)。

3.2.1 气体组分变化

气体组分出现异常的种类比离子更多, 异常幅度也更明显。在7种气体组分中, Rn、 Ar和N₂在震前变化明显, CH₄稍弱。其中Rn为逸出氡气, Ar、 N₂和CH₄为溶解气体。

Rn(气): 艾其沟 “ 孪生” 泥火山和白杨沟2号泥火山的气氡逸出量变化不明显; 白杨沟1号泥火山自2017年1月25日起气氡逸出量上升, 出现高值, 3月6日达到最高值30.6Bq/L, 约为背景值的3.3倍。

Ar: 艾其沟泥火山的氩气含量在地震前后未出现明显变化; 白杨沟1号泥火山在2017年3月26日出现氩气含量的高值变化, 4月28日达到最高值1.58%, 约为背景值的3倍; 白杨沟2号泥火山于2017年3月28日出现氩气含量的高值变化, 6月22日达到最高值1.54%, 约为背景值的3.2倍。

N₂: 艾其沟泥火山自2017年3月28日起氮气含量升高, 并于5月22日达到最高值, 约为背景值的1.6倍; 白杨沟1号泥火山自2017年4月28日起氮气含量出现高值异常, 6月22日达到最高值81.9%, 约为背景值的2.6倍; 白杨沟2号泥火山于2017年3月28日出现氮气含量的高值变化, 6月22日达到最高值78%, 约为背景值的3.1倍。

CH₄: 艾其沟和白杨沟1号泥火山甲烷气体含量在地震前后变化不明显; 白杨沟2号泥火山自2017年1月初甲烷气体的测值升高, 1月25日出现最高值70.4%, 约为背景值1.5的倍。

艾其沟泥火山的气体组分在震前的异常不明显, 白杨沟1号泥火山的Rn、 Ar和N₂组分, 白杨沟2号泥火山的Ar、 N₂组分均表现出明显的震前异常。

3.2.2 离子组分变化

8种水化学组分中, 震前变化最明显的是F^-, 其次是C $O_{3}^{2 -}$ , 电导率、 HC $O_{3}^{-}$ 、 Cl^-变化较小, Ca²⁺、 Mg²⁺ 未出现明显变化。

F^-: 3座泥火山的F^-含量在2017年5月22日同步出现明显高值, 艾其沟泥火山的测值为2.4mg/L, 约为背景值的4倍; 白杨沟1号泥火山的测值为7.8mg/L, 约为背景值的4.6倍; 白杨沟2号泥火山的测值为12.3mg/L, 约为背景值的5.1倍。 6月22日后该项测值基本恢复。

C $O_{3}^{2 -}$ : 艾其沟泥火山的C $O_{3}^{2 -}$ 含量基本为0; 白杨沟1号泥火山的测值在2017年5月22日上升, 7月19日达到最高值482mg/L, 约为背景值的2.2倍; 白杨沟2号泥火山的测值也于5月22日上升, 7月19日达到最高值530.2mg/L, 约为背景值的1.9倍。

乌苏白杨沟泥火山、艾其沟泥火山喷溢水为低温弱碱性咸水或盐水, 主要来源于经历了漫长而复杂的水-岩作用的古大气降水。 F^-浓度增大说明地震孕育伴随区域构造应力的集中, 孕震区或附近的岩层发生形变, 液体循环深度增加, 同时也促进了水-岩反应的进行。随着深部pH值的增加, 碳酸盐或碳酸氢盐发生化学反应, 生成更多的C $O_{3}^{2 -}$ 。

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	图 6 泥火山气体组分曲线图Fig. 6 Diagram of gas composition from the Wusu mud volcanoes.

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	图 7 泥火山水化学组分曲线图Fig. 7 Diagram of chemical composition of water from the Wusu mud volcanoes.

4 泥火山水-岩反应与循环深度

4.1 水-岩反应程度

Giggenbach三角图(Na-K-Mg)由Giggenbach(1988)提出, 以表示水-岩反应的强弱程度。如图 8所示, 白杨沟泥火山溢出水样的水化学组分达到完全平衡状态, 说明水-岩反应较弱, 受到的外界干扰较少; 艾其沟泥火山溢出水样的水化学组分达到部分平衡状态, 说明水-岩反应仍在进行, 受到一定的外界干扰影响。这也说明了白杨沟泥火山的化学组分所表现出的地震前兆异常比艾其沟泥火山更明显的原因。

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	图 8 艾其沟、白杨沟泥火山溢出水样的水化学Giggenbach图Fig. 8 The Giggenbach diagram of hydrochemistry in the water samples from the Aiqigou and Baiyanggou mud volcanoes overflow.

4.2 循环深度

热储温度一般有阳离子(Na-K、 K-Mg和Na-K-Ca等)和SiO₂(石英温标和玉髓温标)2种计算方法。据图 8所示, 白杨沟泥火山和艾其沟泥火山的水-岩反应处于完全平衡和部分平衡的状态, 因此可以用阳离子地温计估算研究区的热储温度。

地下热水循环深度计算公式为

$Z = Z_{0} + (T - T_{0}) / T_{grad}$ (1)

其中, Z为循环深度(km); Z₀为恒温层深度(km), 在新疆北天山地区取0.01km; T为热储温度(℃); T₀为恒温层温度(℃), 取当地平均温度为12.5℃; T_grad是地温梯度(℃/km), 即恒温层以下深度每增加1km时地温的变化幅度, 取新疆北天山地区的平均值19℃/km(饶松等, 2013; 邹波, 2014)。计算结果表明, 白杨沟和艾其沟泥火山的热储温度分别为68.8℃和70.7℃, 循环深度分别为2.97km和3.07km(表1)。

表1 乌苏泥火山热储温度和循环深度统计表 Table1 Statistical table of the geothermal reservoir temperature and circulation depth of the Wusu mud volcanoes

名称	T /℃	Na /mg· L^-1	K /mg· L^-1	Mg /mg· L^-1	Ca /mg· L^-1	${T_{Na -}}_{K}$ /℃	T_K-Mg /℃	T_Na-K-Ca /℃	热储温度 /℃	循环深度 /km
白杨沟	19.6	2 150.25	11.89	67.33	46.01	32.4	49.3	124.8	68.8	2.97
艾其沟	21.4	3 832.32	6.39	25.73	4.8	-9.8	46.4	175.5	70.7	3.07

注 T为地表采样温度; T_Na-K=993/(log(Na/K)+0.993)-273.15; T_K-Mg=4i410/(log(Mg/K²)+14.00)-273.15; T_Na-K-Ca=1i647/(log(Na/K)+β (logCa^1/2/Na+2.06)+2.47)-273.15。

表1 乌苏泥火山热储温度和循环深度统计表 Table1 Statistical table of the geothermal reservoir temperature and circulation depth of the Wusu mud volcanoes

5 结论与讨论

乌苏艾其沟泥火山是典型的锥形泥火山(图9), 这类泥火山的活动比较剧烈, 且常伴有气体排出, 挤压泥角砾岩具有黏度低的特点, 因此该类泥火山可形成良好的陡峭地貌。通过增加孔隙液体压力或在泥火山喷发前对泥浆进行润湿2种液化方式可以促进泥火山的喷发, 而静态应力传递通常被视为潜在的触发因素, 动态应变很可能主导了泥火山的喷发。气体膨胀将导致泥浆的孔隙率大幅度增加, 密度降低, 由于密度变化影响了驱动压力梯度, 泥浆外流的速率可能比前文所推导的结果更高。泥火山喷发的同时常常伴有气体的逸出(主要是CH₄)。这些气态相起源且长期存在于泥浆储集层的深度或其下的区域, 由其组成的气泡在浮力作用下持续向上移动, 当压力超过阻碍管道的岩石强度时, 就会发生典型的以气体为主的喷发, 同时气体携带的泥浆也会喷至地表。实际上, 在许多情况下, 在喷发过程中所释放气体的量与泥浆相比可能是巨大的(Brown, 1990; Kopf, 2002; Martubelli et al., 2005; Davies et al., 2008; Kusumoto et al., 2015)。

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	图 9 锥形泥火山的基本结构和主要元素(改自Dimitrov, 2002)Fig. 9 The basic structure and main elements of a conical mud volcano(adapted from Dimitrov, 2002).

白杨沟1号、艾其沟1号2座泥火山于震前7个月出现喷涌量增大的宏观异常, 但未出现显著的短临异常; 艾其沟2号泥火山在震前1个月出现 “ 干涸— 喷发— 喷涌量增加” 的短期异常, 并伴有油花增多和气泡逸出增加的宏观异常现象。乌苏泥火山群在震前表现出中期— 短期的变化过程, 同样说明地震孕育的过程中伴随着应力调整。精河M_S6.6地震前乌苏泥火山群喷涌剧烈, 前兆异常形态特征及象限性分布与主震的震源机制有一定关系。在挤压区, 垂直形变呈上升状态, 水位亦上升; 在膨胀区, 垂直形变和水位均为下降状态(薛艳等, 2004)。乌苏泥火山群在精河M_S6.6地震前出现的异常现象主要为剧烈喷涌, 这可能是由于该地震为逆断型 $^{}$ , 受区域应力增强的影响所致。从精河M_S6.6地震主震的震源机制解来看, 乌苏泥火山群处于四象限中的挤压区, 由此可解释在地震孕育过程中, 与精河地震震中相距120km的乌苏泥火山群出现的显著喷涌现象。

泥火山喷出物的气体组分(CH₄、 Rn、 Ar和N₂)和离子组分(F^-、 C $O_{3}^{2 -}$ 和S $O_{4}^{2 -}$ )等微观组分在精河M_S6.6地震前均出现明显异常, 说明在地震孕育过程中, 受挤压应力(震源机制结果)作用的影响, 泥浆携带深部化学组分喷至地表, 使其化学组分出现明显震兆异常; 或者地震孕育伴随区域应力构造的集中, 孕震区或附近的岩层发生形变, 液体循环深度增加, 同时也促进了水-岩反应, 使得部分离子组分的浓度增加。

通过对乌苏泥火山群在精河M_S6.6地震前后流体地球化学特征的分析可知: 泥火山的喷涌量存在中期到短临的前兆异常; F^-、 C $O_{3}^{2 -}$ 、 S $O_{4}^{2 -}$ 、 Ar和N₂可作为天山中段中强地震的短期前兆指标, CH₄、 Rn可作为中期指标。通过Giggenbach图可知, 白杨沟泥火山处于完全平衡状态, 受外界影响较小; 乌苏泥火山群的热储温度约70℃, 循环深度约3km。在后续工作中, 应加强艾其沟泥火山的宏观监测和白杨沟泥火山微观组分的分析, 特别是气体组分的分析和研究。目前受观测条件所限, 月尺度的采样频率无法真实地反映微观组分的变化过程。

致谢中国地震局地震预测研究所李营研究员对本研究提供了建议和帮助; 审稿专家对本文提出了宝贵的意见。在此一并表示感谢!

参考文献

文献列表

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2015

0.0

... 陈志等, 2015), 而对于泥火山喷出泥浆的成分分析相对较少 ...

2014

0.0

... 陈志等, 2014 ...

2012

0.0

... 该泥火山自晚更新世后期开始喷发, 至今仍有活动, 为该区比较壮观的地质景观(戴金星等, 2012) ...

... 40%(戴金星等, 2012 ...

2013

0.0

... 杜建国等, 2013 ...

... 6m(杜建国等, 2013), 近年来该泥火山持续喷涌 ...

... 杜建国等, 2013) ...

2007

0.0

... 范卫平等, 2007) ...

2015

0.0

高小其, 梁卉, 王海涛, 等. 2015a. 北天山地区泥火山的地球化学成因[J]. 地震地质, 37(4): 1215—1224. doi: 10.3969/j. issn. 0253-4967. 2015. 04. 021.

GAO

Xiao-qi

, LIANG

Hui

, WANG

Hai-tao

, et al. 2015a. Origin of the mud volcano in northern Tianshan constrained by geochemical investigation[J]. Seismology and Geology, 37(4): 1215—1224(in Chinese).

Mud volcano is a kind of structural geological phenomena under certain hydrogeological environment and can bring plenty of valuable information to the ground when it erupts, therefore, many researchers call it as "Heaven granted well" whose depth can be up to 12km. Mud volcanoes in Xinjiang are distributed in the central-west region of North Tianshan, and five of them are representative, namely, Horgus, Dushanzi, Wenquan, Poplar valley, and Sailetike. We tested the gas, fluid and solid components of these mud volcanoes through investigations and studies of topography and geomorphology, geological and hydrogeological conditions, and mud debris characteristics, and preliminary obtained the origin of these mud volcanoes based on geochemical features. Finally, the paper describes briefly that the continuous enchancement of regional crustal tectonic stress can not only give rise to the seismogenesis and earthquake occurrence, but also break the original cycle of mud volcano to bring about significant activity, therefore, the two have a certain homology relationship.

1. Key Laboratory of Crustal Dynamics, Institute of Crustal Dynamics, China Earthquake Administration, Beijing 100085, China; 2. Earthquake Administration of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Urumqi 830011, China

泥火山是特定地质构造及水文地质环境下的一种构造流体地质现象, 泥火山喷发时可以将大量有价值的信息带到地表, 因此, 不少科学家将泥火山称为深度可达12km的 “天赐钻井”。在对新疆北天山地区分布的众多泥火山进行地形地貌、地质-水文地质条件、泥火山堆积物特征调查研究的基础上, 系统分析了温泉、乌苏、艾其沟、独山子、沙湾-霍尔果斯各泥火山喷出物的流体地球化学组成(固体、气体、离子、同位素等), 初步得到了基于地球化学成分特点的泥火山成因; 区域地壳构造应力的不断增强既可以导致地震的孕育和发生, 也可以使泥火山打破原有周期而出现显著活动, 可见二者具有一定的同源关系。

... 高小其等, 2008, 2015a ...

... 泥火山活跃期与平静期的气体组分和水化学含量有明显区别(高小其等, 2015a) ...

2008

0.0

高小其, 王海涛, 高国英, 等. 2008. 霍尔果斯泥火山活动与新疆地区中强以上地震活动关系的初步研究[J]. 地震地质, 30(2): 464—472.

GAO

Xiao-qi

, WANG

Hai-tao

, GAO

Guo-ying

, et al. 2008. Preliminary research on the relation between activities of Horgos mud volcanoes and mid-strong earthquakes in Xinjiang[J]. Seismology and Geology, 30(2): 464—472(in Chinese).

Based on the observation of Horgos mud volcanoes from 1991 to 2006,the article points out the relation between activities of those mud volcanoes and mid-strong earthquakes in Xinjiang,which can be used to predict occurrence time and magnitude of future earthquake to a certain extent,and advises extending the mud volcano observation for more meaningful data.Finally,the article lists three possible reasons why the activities of those mud volcanoes have a good correlation to mid-strong earthquakes.The first re

基于1991—2006年间对新疆霍尔果斯泥火山的系统观测,初步发现了泥火山活动与新疆地区中强以上地震的活动具有较好的对应关系,且对预测未来地震的发震时间及震级都有一定的指导意义,如能对泥火山的动态进行长期监测,会得到更加有研究意义的资料;并认为泥火山具有一定的映震性能的原因可能与该泥火山处于中强以上地震活动的近震源区、构造上处于霍尔果斯背斜轴部及泥火山物质来自地层相对深处等有关

... 高小其等, 2008, 2015a ...

2009

0.0

... 泥火山喷口直径从几cm到1~2m不等, 喷出物有泥浆、天然气和石油, 有的喷口喷出气泡的速率超过60次/分(高小其等, 2009 ...

2015

0.0

... 高小其等, 2015b) ...

... 监控中心随时可查看泥火山探头所辖范围内的所有泥火山的活动信息(高小其等, 2015b) ...

1996

0.0

... 准噶尔古板块之间, 受到了中新生代强烈的陆内造山作用的影响(李锰等, 1996 ...

2018

0.0

... 梁卉等, 2018) ...

2003

0.0

... 0 引言泥火山(Mud Volcano)并非火山, 其与地下的岩浆活动并无太大关系, 因其喷发形成的锥形堆积物在地貌外观上与火山相似, 且喷出物主要为泥浆, 故被称为泥火山(刘嘉麒, 2003 ...

2012

0.0

... 孟祥君等, 2012) ...

2013

0.0

饶松, 胡圣标, 朱传庆, 等. 2013. 准噶尔盆地大地热流特征与岩石圈热结构[J]. 地球物理学报, 56(8): 2760—2770.

RAO

Song

, HU

Sheng-biao

, ZHU

Chuan-qing

, et al. 2013. The characteristics of heat flow and lithospheric thermal structure in Junggar Basin, northwest China[J]. Chinese Journal of Geophysics, 56(8): 2760—2770(in Chinese).

The characteristics of present-day heat flow and lithospheric thermal structure, which are the comprehensive reflections of lithospheric tectono-thermal evolution and constraints of thermal history reconstruction, are very important for basin dynamics research and hydrocarbon resource assessment in sedimentary basins. We report 11 newly measured high-quality terrestrial heat flow data based on systematical well-logging temperature data in 102 new boreholes, oil-testing temperature data in over 400 new boreholes and detailed thermal conductivity testing using optical scanning method of 187 representative samples in 15 wells. The results show that the present-day geothermal gradient varies from 11. 6 to 27. 6 degrees C/km with a mean of 21. 3 +/- 13. 7 degrees C/km, while the heat flow ranges from 23. 4 to 56. 1 mW/m(2) with an average of 42. 5 +/- 7. 4 mW/m(2). The Junggar basin appears to be a cool basin in terms of its thermal regime. As the same as geothermal gradient, the distribution pattern of heat flow is controlled by basement structure and shows the following characteristics. (1) Relatively high heat flow values over 45 mW/m(2) are confined to the Eastern Uplift and the Luliang Uplift. (2) The Wulungu Depression, Central Depression and Western Uplift are characterized by low heat flow values about 40 similar to 43 mW/m(2). (3) The lowest heat flow (33. 9 mW/m(2)) occurs in the Southern Depression. The terrestrial heat flow consists of crust heat flow varying from 18. 8 to 26. 0 mW/m(2) and mantle heat flow varying from 16. 5 to 23. 7 mW/m(2). The Junggar basin is typical of 'cold crust and cold mantle' thermal structure, with the ratio of crust heat flow and mantle heat flow ranging from 0. 79 to 1. 58. The mantle heat flow values are consistent with the fluctuation of Moho surface, that is, uplift zone has higher mantle heat flow than the sag zone.

Hu Sheng-Biao 1 ;Wang Ji-Yang 1 ;Rao Song 1,2 ;Tang Xiao-Yin 1,2 ;Li Wei-Wei 1,2 ;Zhu Chuan-Qing 3 ;

沉积盆地现今大地热流和岩石圈热结构特征是岩石圈构造-热演化过程的综合反映和盆地热史恢复的约束条件,对盆地动力学研究和油气资源评价具有重要意义.作者系统分析了准噶尔盆地2000年以来新增的102口钻孔的系统测井温度和400余口钻孔的试油温度资料,采用光学扫描法测试了15口钻孔共187块代表性岩石热导率,首次建立了准噶尔盆地岩石热导率柱,新增了11个高质量的(A类)大地热流数据,分析了准噶尔盆地大地热流分布特征,并揭示了其岩石圈热结构.研究表明,准噶尔盆地现今地温梯度介于 11.6~27.6℃/km,平均21.3±3.7℃/km,大地热流介于23.4~56.1 mW/m 2 ,平均42.5±7.4 mW/m 2 ,表现为低地温梯度、低大地热流的"冷"盆特征.准噶尔盆地大地热流与地温梯度分布规律基本一致,主要受控于基底的构造形态,东部隆起最高,陆梁隆起次之,乌伦古坳陷、中央坳陷和西部隆起较低,北天山山前坳陷最低.准噶尔盆地地壳热流介于18.8~26.0 mW/m 2 ,地幔热流介于16.5~23.7 mW/m 2 ,壳幔热流比值介于0.79~1.58,属于典型的"冷壳冷幔"型热结构.准噶尔盆地地幔热流值与莫霍面起伏一致,隆起区地幔热流高,坳陷区地幔热流低.

... T_grad是地温梯度(℃/km), 即恒温层以下深度每增加1km时地温的变化幅度, 取新疆北天山地区的平均值19℃/km(饶松等, 2013 ...

2011

0.0

万园, 许建东, 于红梅, 等. 2011. 缅甸兰里岛泥火山灾害与成因机制探讨[J]. 地震地质, 33(2): 452—461. doi: 10.3969/j. issn. 0253-4967. 2011. 02. 018.

WAN

Yuan

, XU

Jian-dong

, YU

Hong-mei

, et al. 2011. Mudvolcano disaster and genetic mechanism in Ramree Island [J]. Seismology and Geology, 33(2): 452—461(in Chinese).

This paper mainly discusses the mud volcano disaster and its genetic mechanism in Ramree Island.Combined with the geological background of Ramree Island and the present situation of the mud volcano,grading analysis and micro-morphology analysis have been made by taking samples from three sampling sites of the northeast,the middle and the western part of Ramree Island.The finding is that the particle sizes of samples between 1～100μm show a unimodel normal distribution,with similar grain size mid-value,concentrated size distribution,poor sorting,and quite positive skewness in grading symmetry; The samples' matrix are mainly argillaceous,containing a lot of argillaceous clasts,tiny crystal clasts and a few pores,and having a little strongly altered plagioclase phenocryst and pyroxene phenocryst,from which,we can judge that the sampling sites have the same provenance.Thus,it can be deduced that there is a uniform argillaceous layer as the unified provenance of the Ramree Island mud volcano.

Institute of Geology,China Earthquake Administration,Beijing 100029,Chian

文中主要探讨缅甸兰里岛泥火山灾害与成因机制,结合兰里岛地质背景以及泥火山活动现状,对在兰里岛东北部、中部以及西部所取3个泥火山采样点的样品进行粒度分析以及显微形貌分析,发现样品粒度在1～100μm之间,均呈单峰正态分布,粒径中值相近,粒度分布集中,分选较差,粒度对称程度呈很正偏态; 样品基质以泥质为主含有大量泥质碎屑、细小晶体碎屑以及少量气孔,并含有少量蚀变强烈的斜长石晶屑和辉石晶屑,可判定样品点物源相同。据此推断兰里岛普遍存在均匀泥质层作为泥火山喷发的统一物源。

... 万园等, 2011 ...

2000

0.0

... 王道, 2000 ...

... 中新生代含泥砂质地层、封闭的背斜构造中异常高的层间压力以及构造顶端发育的张性断裂是天山泥火山活动的基本条件(王道, 2000) ...

... 近年来, 一些研究认为泥火山的活动与地震存在一定关系, 且在中强地震前泥火山的喷涌量将出现明显变化, 冒泡频率增加、气体流量增大, 喷出物样品中的Na⁺、 Cl^-、 HC O3-等离子、 N₂、 He、 CO₂和CH₄等气体的组分出现明显变化(王道, 2000 ...

2014

0.0

... 王海涛等, 2014 ...

2007

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... 天山地区的地壳缩短由南向北, 板块的推挤作用力随着天山从西到东逐渐远离板块边界并逐渐减弱(王晓强等, 2005, 2007) ...

2005

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... 天山地区的地壳缩短由南向北, 板块的推挤作用力随着天山从西到东逐渐远离板块边界并逐渐减弱(王晓强等, 2005, 2007) ...

2004

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... 在膨胀区, 垂直形变和水位均为下降状态(薛艳等, 2004) ...

2009

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... 朱婷婷等, 2009 ...

2014

0.0

... 邹波, 2014) ...

1990

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... 实际上, 在许多情况下, 在喷发过程中所释放气体的量与泥浆相比可能是巨大的(Brown, 1990 ...

2008

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... Davies et al ...

2002

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1988

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... 1 水-岩反应程度Giggenbach三角图(Na-K-Mg)由Giggenbach(1988)提出, 以表示水-岩反应的强弱程度 ...

2002

0.0

... Kopf, 2002 ...

2015

0.0

... Kusumoto et al ...

2009

0.0

... Manga et al ...

2005

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... 阿塞拜疆、意大利、罗马尼亚、日本、巴基斯坦、印度尼西亚等国家及安达曼群岛、中国台湾、美国加利福尼亚等地的专家对泥火山与地震的关系进行过相关的研究(Martubelli et al ...

... Martubelli et al ...

2000

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... 此外, 在青海省柴达木盆地边缘的塔塔河上游地区、四川盆地内渠江一带以及江苏省南部等地也发育一些小型泥火山, 其喷发口直径一般较小(Milkov, 2000 ...