2019年门源流体观测井静水位异常客观性的地球化学方法论证

1 研究背景 大量研究表明,通过捕捉震前显著异常变化,并分析其可能成因,对震情趋势判定具有重要意义.在地下流体监测中,地球化学方法的引入有助于判定异常是否为前兆异常.利用常、微量元素的组成变化、同位素的变化分析地下水的水质类型、循环深度、水岩反应程度以及物质来源,已经逐步被应用到地震前兆异常判定中(刘耀炜等,2009).其中,氢氧同位素变化在判定异常可靠性方面具有较大的应用价值,在地震孕育过程中,由于应力—应变的增强,使得地下水与岩石在高温、高压条件下发生同位素交换反应,同位素交换平衡向地下水δ18O值增大的方向移动.     

九江地震台观测井水氢氧同位素特征及意义

在地震地下流体观测研究中,基于氢氧同位素示踪技术研究地下水补给源及循环过程是常用的技术方法之一。本文给出了九江地震台2号观测井水、大气降水、周边水库水及高山泉水等样品的氢氧同位素测定结果,表明地下水δ~(18)O测值介于-7.59‰～-6.09‰,平均值-6.99‰,δD测值介于-45.22‰～-39.69‰,平均值-42.32‰,变异异数分别为0.09、0.16;大气降水δ~(18)O测值介于-13.00‰～-1.27‰,平均值-4.74‰,δD测值介于-96.13‰～-4.74‰,平均值-46.87‰,变异异数分别为0.40、0.56,与降水相比,地下水氢氧同位素变化更为稳定。大气降水氢氧同位素2017年5～10月表现为明显的降水效应,2018年11～4月表现为明显的温度效应,而地下水氢氧同位素并未表现出明显的降水效应和温度效应。氢氧同位素及过量氘揭示地下水在下渗补给前经历了明显的蒸发分馏作用,并与围岩进行~(18)O交换,δ~(18)O与δD计算得出的补给高程分别约为647、440m。九江台观测井的观测层地下水为大气降水成因的构造裂隙水,属于大气成因型且循环过程为较稳定的裂隙水补给并形成承压自流井。     

同位素方法在下庄花岗岩型铀矿床研究中的应用

在分析中庄铀矿田成矿地质背景的基础上，运用氢氧铅碳同位素的对该矿田铀成矿热液和成矿物质来源进行了研究和探讨，研究结果表明，下庄矿田铀成矿热液的水源属大气降东成因，铀主要来自花岗岩，矿化剂（ＣＯ２）来自深部岩浆源或变质成因碳。     

地热水氢氧同位素分布特性

地热水的流动和运移可以带来深部地质、地层信息,可以反映地应力场的变化.对地热水的研究可以更好地了解地下结构,为地震预测提供一种方法和依据.地热水与雨水、河水等有不同的氢氧同位素分布,根据分布的不同,可以对地热水补给源进行探讨.前人研究结果表明,地热水的可能补给源有大气降水、卤水、岩浆水等,大部分地热水的补给源被认作是当地大气降水,但地热水氢氧同位素组成与当地大气降水不同,不同的可能原因有多种,如地热水的大气降水补给源不在当地、大气降水与围岩的氧同位素交换、大气降水的不平衡蒸发、大气降水与氢氧同位素组成不同的水混合等等.为了验证前人成果,本文根据前人研究,利用氢氧同位素分布特征总结地热水可能的补给源,并利用有限元方法构建台湾仁泽2号井理想渗流模型,计算得到地热水渗流速度场,再结合氢氧同位素分布值,讨论地热水的可能来源.有限元计算结果表明,当地下水源处于饱和状态时,地表水的最大下渗速度为1.3×10-8m/s,因此,地热水的补给源并非当时当地的大气降水,综合考虑氢氧同位素背景值与海拔的线性关系,水源有可能是几千年前的远距离的高山大气降水,补给过程中与围岩发生物质交换,且可能还有另一个补给源,该源为氢同位素值与高山大气降水相近,氧同位素值较之稍高的岩浆水.     

呼伦湖流域氢氧稳定同位素特征及其对水体蒸发的指示作用

以呼伦湖流域为例研究该区域氢氧稳定同位素在不同水体中的分布特征,并探讨氢氧稳定同位素对在该区域水文过程的指示作用.流域湖水、入湖河水、周边地下水水样的氢氧稳定同位素分析结果表明,夏季8月份湖水中的重氢氧稳定同位素比7月份的更加富集.而河水中氢氧稳定同位素在同一时间内的河流沿程上存在明显的差异,下游水体中的氢氧稳定同位素要比上游更加富集.研究区的河水和湖水的δ~(18)O-δD关系特征显示,河水和湖水的δ~(18)O-δD的关系点全部位于当地降水线的右下方,说明流域河水和湖水水体受到明显的蒸发作用.而井水的δ~(18)O-δD的关系点大都靠近当地大气降水线,说明这一区域的地下水主要是大气降水渗入地下形成.利用氢氧稳定同位素分馏过程中的氢氧稳定同位素的比率与剩余水体的关系,并在考虑湿度因子的动力分馏模拟下,计算出河水的剩余水体比例在0.85~0.96之间,而湖水的剩余水体比例在0.71~0.77之间.最后,利用氢氧稳定同位素质量平衡法对呼伦湖多年平均蒸发量进行了估算,估算的湖泊蒸发量结果与实测值相近,相对误差为5.4%,说明方法可靠.氢氧稳定同位素对于研究区域水文过程有着重要的作用,在今后呼伦湖流域水文研究中有着更加广泛的应用空间.     

中国西部湖泊水体δD与δ18O的空间变化特征及其影响因素

湖泊水体的氢氧同位素(δD、δ~(18)O)是研究区域大气降水和水文循环的重要手段之一,目前对其的研究主要以单一湖泊为主.以2016年夏季在中国西部地区采集的33个湖泊水体为研究对象,分析其氢氧同位素的变化特征,并结合当地夏季大气降水、湖水盐度、海拔与纬度等资料,探讨中国西部33个湖泊水体δD、δ~(18)O的空间分布特征及其影响因素.结果表明:33个湖泊水体的δD与δ18O组成主要受控于大气降水,但受蒸发分馏的影响,湖水线的斜率与截距低于大气水线.湖泊水体与夏季大气降水氢氧同位素存在明显的空间分异,这种分异与湖水盐度无关,主要受到区域降水水汽来源不同的影响.青藏高原南北两侧由于水汽来源及蒸发条件的不同,使得青藏高原湖泊水体的氢氧同位素呈现出"北高南低"的特点,新疆西北部受西风影响,湖泊水体的氢氧同位素明显偏负,内蒙古及邻近地区受东南季风的影响,湖水受到蒸发分馏作用使其δD与δ~(18)O偏正.不同区域湖泊水体的氘盈余(d_excess)反映了不同的水汽源地的湿度状况而不能指示湖水的蒸发状况.受降水影响,青藏高原地区湖水氢氧同位素组成与海拔高度呈负相关,与纬度呈正相关.     

基于环境同位素技术的怀沙河流域地表水和地下水转化关系研究

地表水和地下水是流域水循环的重要组成部分, 流域内地表水和地下水之间的相互作用历来是流域水循环研究的关键环节. 环境同位素和水化学作为水循环研究中的示踪剂, 可以有效地揭示流域内地表水和地下水之间的转化关系. 在对位于北京市怀柔区的怀沙河流域进行现场调查并对泉水、河水和井水采样进行氢氧稳定同位素和水化学组成测定的基础上, 分析了流域内沿河道不同部位的泉水、河水和井水的氢氧稳定同位素和水化学组成的空间分布规律和演化趋势. 依据泉水出露的高程和氧同位素含量之间的关系, 揭示出泉水的氧同位素高程效应, 为推断泉水的补给来源提供了理论依据; 运用氯离子质量平衡方法, 估计了流域内年平均地下水补给率. 根据地下水补给来源, 联系流域内水文地质状况和现场调查结果, 以及对比怀沙河流域和密云水库以上的潮白河流域20世纪60~90年代同期降雨径流系数, 初步推断出流域内相当一部分地下水来源于流域之外高程较高的区域, 流域为非封闭流域. 在综合分析的基础上, 结合氢氧稳定同位素和水化学组成及流域内地形地质和水系特征, 分析了流域内不同部位地表径流和地下径流对河川径流的相对贡献, 并揭示了地表水和地下水之间的补给-排泄相互转化关系.     

河北何家庄流体观测井水文地球化学特征分析

应力、应变或地震活动会打破地壳中流体原有的水-岩平衡状态,引起地下流体化学组分和同位素的变化。根据河北何家庄流体观测井氢氧同位素和离子化学组分测试结果,分析了该井的地球化学特征及与构造活动的关系。由氢氧同位素结果及高程效应,判定井水来源主要为大气降水,大气降水沿断裂裂隙渗入,深循环后温度增加,经溶滤作用等形成热水;按照舒卡列夫分类法,何家庄井水为Cl-Na.Ca型。受2015年9月14日昌黎M4.2地震的影响,区域应力变化使井孔断裂岩石裂隙增大,深部热水上涌,引起何家庄井水离子组分和氢氧同位素组成等发生变化。研究结果表明,对何家庄井流体地球化学特征进行分析,可以为井孔附近断裂构造活动和地震前兆异常分析提供地球化学依据。     

基于水化学的永清井水温异常分析

在地下流体研究中,判定地下水异常的首要任务是区别地下水是受浅层物质补给的影响还是受深层介质活动的影响。本文通过对永清井及周边多次样品采集与测试,获得水化学组分和氢氧稳定同位素观测数据;通过对地下水样品数据对比分析、水化学组分及氢氧稳定同位素与大气降水线、水温数据分析,认为永清井水温的多次异常变化不是受干扰影响;通过对水温的异常变化与地震的对应关系的分析,认为永清井水温异常可能与3次地震有关。      

中国东部碱性花岗岩氢氧同位素特征及其地球动力学意义

对中国东部五个有代表性的碱性花岗岩体氢氧同位素研究表明,δ18O基本正常的苏州和福州碱性花岗岩D亏损分别受单阶段与连续岩浆去气作用的影响,后期大气降水的扰动相对较弱．D-18O同步亏损特征明显的碾子山和山海关碱性花岗岩则主要受岩浆期后大气降水高温亚固态同位素交换机理的制约青岛复式花岗岩基则较为复杂,可能受岩浆去气与晚期大气降水交换的联合作用．未明显受后期地质作用扰动、典型的中国东部碱性花岗岩浆氢氧同位素组成分别为δD＝（50±5）‰和δ18＝（7．5±1．0）‰这表明中国东部碱性花岗岩是由稳定同位素组成基本正常的内地壳或上地幔物质通过低程度部分熔融产生的,而不是由再循环亏损源区物质产生的低δ18O岩浆结晶分异形成的．中国东部碱性花岗岩总体上表现出的D亏损纬度效应,预示自中生代以来其所在板块位置未发生过大规模水平位移同时,碱性花岗岩与拉张环境之间的内在联系表明,至少在中生代中国东部大陆岩石圈地壳处于拉张减薄状态．     

淮南采煤沉陷区积水水文地球化学及氢氧稳定同位素特征

以安徽淮南采煤沉陷积水为研究对象,通过样品采集与测试,研究不同沉陷年限及类型积水水文地球化学和氢氧稳定同位素组成特征及影响因素.结果表明：（1）研究区水化学类型主要为Cl-Na、HCO₃·Cl-Na型,沉陷积水中常量离子主要来源于蒸发岩溶解和硅酸盐风化,受蒸发作用和人为活动的影响明显,水化学组成随沉陷时间和类型变化不大.（2）淮南大气降水线方程为：δD=8.85δ¹⁸O+18.73,沉陷区积水氢氧稳定同位素值在淮南大气降水线右下方依次分布并接近降水线,表明沉陷积水主要来源于大气降水.（3）在降水稀释、水体蒸发及地下水补给的作用下,随着沉陷年限的增加,积水中重同位素越来越贫化,同一年限不同类型的积水同位素值变化较小.     

同位素地球化学方法与地震研究及地震预报

通过在地震活动区对有关地质体的K—Ar、Ar—Ar、FT、TL、~(14)C、ESR、U系等同位素年代学、地下水及其释放气体的D/H、~(13)C/~(12)C、~(18)O/~(16)O等稳定同位素以及He、Ar等稀有气体同位素的研究,可获得有关新构造运动的时间序列、断层运动的时间、地质体热历史以及地下断层流体运动的许多重要信息。因而,同位素地球化学已逐渐在研究地震成因机制以及监测预报地震中发挥重要作用。     

铅锌矿床中的Cd同位素组成特征及其成因意义

由于Cd同位素分馏主要受蒸发和冷凝以及海洋生物摄取等作用的控制,Cd同位素已被广泛应用于宇宙演化和海洋环境等方面的研究．然而,在复杂的成矿环境中,特别是在热液参与的成矿体系中,Cd同位素是否能够指示成矿物质来源或成矿演化过程还鲜有研究．通过对我国西部五个铅锌矿床闪锌矿中Cd同位素的研究,发现铅锌矿床中Cd同位素组成变化范围大,其δ^114／110Cd值介于-1．53％,0．34％0,总变化范围为1．87‰,远大于目前所测定的大部分地质样品．同时,通过不同矿床Cd含量和Cd同位素的对比研究,不同成因的铅锌矿床其Cd含量和Cd同位素组成不同,具有明显的“元素一同位素”分组,这可为矿床成因研究提供重要信息．另外,生物（有机质）作用和结晶分异作用也可能是导致Cd同位素组成差异的原因．尽管Cd同位素的研究还处在初始阶段,特别是涉及成矿过程的研究,然而,通过本次初步研究,我们认为Cd同位素有可能作为一种示踪成矿流体以及成矿环境演化的有效手段．     

大别山超高压变质作用期前和期后水-岩相互作用的氢氧同位素证据

对大别山东部超高压变质岩单矿物进行了氢氧同位素分析 ,得到榴辉岩的全岩δ18O值变化较大 ( -5‰～ 9‰ ) ,而其中云母的δD值变化较小 ( -85‰～-70‰ ) .在石英与其它矿物之间存在氧同位素平衡和不平衡两种现象 ,并且部分榴辉岩中出现绿辉石与石榴石之间的氧同位素分馏“倒转” .然而 ,较低的榴辉岩δ18O值 ( -5‰～ 1‰ )反映了其原岩的氧同位素特征 ,是由于超高压变质作用之前与大气降水发生相互作用的结果 .大别 苏鲁造山带榴辉岩氧同位素不均一性的保存指示 ,引发前进变质作用的古板块俯冲是快速的 ,因而所伴随的变质流体流动为隧道式而不是弥散式 .退变质作用导致部分矿物之间出现氢氧同位素不平衡 ,但引起退变质反应的流体在稳定同位素组成上是内部缓冲的 ,其氢氧同位素组成取决于寄主岩石的化学性质 .     

依兰—舒兰断裂带延寿县区段水化学特征

1 研究背景 长期地震监测和研究表明,在中、强地震发生前数天至数月、地震发生时和地震发生以后数天到数月,常在震中区与远离震中的地区出现水化组分异常.随着质谱仪技术的不断完善,精确测定水样中稳定同位素含量成为可能,稳定同位素在现代水文学研究中得到广泛应用.应用氢氧稳定同位素示踪技术,开展有关地下水的补给来源、地下热水的循环深度、水岩反应等研究,对地震孕育、发生过程中地下水异常信息的科学评估、地震活动性强度判定及在地震前兆异常与孕震介质演化研究等方面具有广泛的应用价值.如钟俊等(2018)利用氢氧同位素组成及气体组分和碳同位素组成等地球化学数据,分析了河南太康县群井异常现象.     

白云鄂博REE-Nb-Fe矿床成因的氧、碳和锶同位素及微量元素地球化学证据

根据白云鄂博赋矿白云石大理岩的岩石学特征及地质产状将其分为两类：粗粒和细粒白云石大理岩．它们的氧、碳和锶同位素及微量元素地球化学特征显然有别于分布在宽沟背斜以北典型的沉积石灰岩和白云岩,而和幢源火成碳酸岩十分相似．与矿床进行对比研究说明,成矿流体和矿质主要起源于碳酸岩浆的分异作用,其放射性成因同位素和微量元素保持了地但指纹,而氧和碳同位素组成却向壳源方向漂移,证实碳酸岩浆侵位过程中受大陆地壳的混染作用非常微弱,但是由碳酸岩浆活动所引起的成矿热液体系中却有一定的地表水混人认为白云鄂博REE-Nb-Fe超大型矿床的成因应归属于火成碳酸岩型矿床．     

大别山榴辉岩氢氧同位素组成及其地球动力学意义

对大别山东部超高压榴辉岩氧同位素研究表明,这些榴辉岩的δ~(18)O值分布表现出显著不均一性,从低达一2.6‰变化至十7.0‰.榴辉岩中各矿物之间的氧同位素分馏达到并保持了平衡,表明岩石在遭受超高压变质作用之前与亏损~(18)O的流体进行过相互作用.含羟基矿物的δD值为一 5l‰～一83‰,指示参与的流体是古大气降水,它与榴辉岩原岩(某种玄武质岩石)发生过显著的氧同位素交换.超高压变质榴辉岩中大气降水同位素信息的保存表明,这种榴辉告的原岩曾经出露于大陆地壳表面,并且当包含榴辉岩原岩的板块俯冲至地幔深度时,地壳与地幔之间的物质交换非常有限,因此滞留时间非常短暂(<20 Ma).不同矿物对的氧同位素平衡温度基本一致,反映出这种超高压变质榴辉告在地幔深度下形成之后,经历了一个快速的冷却和上升过程.     

地质年代

是指地球上各种地质事件发生的时代。它包含两方面含义：其一是指各地质事件发生的先后顺序,称为相对地质年代;其二是指各地质事件发生的距今年龄,由于主要是运用同位素技术．称为同位素地质年龄（绝对地质年代）。这两方面结合,才构成对地质事件及地球、地壳演变时代的完整认识,地质年代表正是在此基础上建立起来的。     

氢氧稳定同位素在地下水异常核实中的应用

在地震地下流体研究中,区别地下水是受浅层物质补给还是受深部介质活动的影响,是异常核实的主要任务。氢氧稳定同位素技术能够有效地识别地下水的来源与补给过程。文中概述了氢氧稳定同位素方法在地下水异常核实应用中的基本原理、水样采集和测试技术,列举了应用氢氧稳定同位素技术研究井水位升高和水质浑浊异常现象的实例,就氢氧稳定同位素用于核实地下水水位、水温、化学组分和宏观异常进行了简要讨论。该方法的广泛使用,有助于识别地下水异常的构造与非构造影响因素。     

四川石棉公益海温泉水文地球化学特征

利用水文地球化学数据建立温泉水文循环模型, 探讨温泉水文地球化学变化与地震的关系, 对中强地震短临流体异常判断具有重要的意义。 通过对石棉公益海温泉水常量元素、 微量元素和氢氧同位素以及锶同位素的测量, 探讨了该区域水文地球化学时空变化特征。 因此, 于2008年10月至2019年9月, 共对公益海温泉采集水样206个, 并对温泉水中离子组分和浓度, 温泉逸出气组分、 温泉气体同位素、 碳同位素和氢氧同位素含量进行测量。 分析结果表明: ① 公益海温泉主要为Na-HCO₃·Cl型水, δD、 δ¹⁸O同位素测值分别为-14.19‰~-14.83‰和-108.67‰~-110.47‰, 分布于大气降水线附近, 说明温泉水主要源于大气降水; ② 据SiO₂地温计计算热储温度约94.12℃, 循环深度约4.3 km, 表明大气降水入渗地下, 在热源加热后, 沿着断层和裂隙循环到地表, 形成温泉补给; 并且, 锶同位素和微量元素研究发现, ⁸⁷Sr和⁸⁶Sr主要来自硅酸盐类矿物, 微量元素含量较低, 水岩反应程度较弱; ③ 通过对研究区进行长时间连续观测发现, 在公益海周围300 km范围内的3个五级以上的地震使温泉水中常量元素的浓度, 分别出现了震前异常、 同震响应和震后效应。 推测这可能是因为公益海温泉位于公益海断裂和安宁河断裂的交会区, 推测周围的地震会触发公益海温泉水中的离子地球化学特征产生变化。 结合已有地质资料与公益海温泉水文地球化学数据, 建立公益海断裂带温泉水文循环模型, 这些对公益海断裂带周围未来中强地震短临流体异常判断具有重要的意义。