异常识别是地震监测预报工作的基础环节，准确识别地震异常特征是地震预报研究工作的难题之一。流体地球化学是地震分析预报研究工作的重要内容之一，对地震的研究判断具有重要意义（崔月菊等，2022；邵维晔等，2022；王昱文等，2023）。

云南省保山市腾冲地区位于滇藏地热带，拥有特殊的火山地貌，受多组深大断裂控制，水热活动强烈，沿断裂带出露有大量串珠状温泉群，是云南温泉流体重要研究区域之一，区域内水热资源丰富，地热活动频繁，大气降水经由热源加热通过断裂循环，在一定程度上能反映深部构造活动信息，可为地下流体前兆观测提供依据。

2022年5月13日6时37分，云南省保山市腾冲地区发生M_L 3.8地震（98.74°E，24.94°N），震源深度13 km。该地震发生前，距震中28—48 km范围内的腾冲市宝峰路叠水河冷泉地震井观测点（以下简称叠水河，HCO₃-Mg·Na类型）、腾冲市清水乡热海景区大滚锅沸泉（以下简称大滚锅，Cl·HCO₃-Na类型）、腾冲市界头镇石墙村热泉（以下简称石墙，HCO₃-Na类型）流体离子出现异常，以地震震级大小、地震发生频次、面膨胀变化、水位等资料为论证基础，结合多元素化学数据异常进行对比分析，证明地震地球物理异常的可能性，为该区域未来震情分析研判提供参考。

受腾冲地区水热资源丰富，区内温泉大量出露（图 1）腾冲叠水河冷泉、热海大滚锅沸泉是云南省地震局地球物理温泉观测点之一，其中叠水河冷泉点位于腾冲叠水河瀑布公园外围，自1980年9月开始观测，水温背景值保持在23.6 ℃，布设有气氡、水氡、流量等测项；热海大滚锅沸泉点位于腾冲热海风景区，水温达96 ℃—97 ℃，2000年腾冲火山地球化学综合观测站启用后，通过采集样品进行气体组分、水质等流动监测，也作为宏观点进行跟踪观测；石墙热泉位于腾冲市界头镇139乡道温泉山庄旁，热水温度50 ℃—70 ℃，水温及浑浊度纳入宏观日常跟踪，也作为居民生活用水使用。

图 1(Fig.1)

图 1 腾冲地区温泉分布（修自上官志冠等，1999） 1 断层；2 安山岩；3 玄武岩；4 火山口；5 温泉；6 采样点 Fig.1 Distribution of hot Springs in Tengchong area (Revised from Shangguan et al, 1999)

腾冲地区地处腾冲—陇川水热活动带内，位于腾冲断裂、硫磺塘断裂、大盈江断裂弧形构造顶部，以地壳浅层岩浆囊为热源，断裂带沿NS向及SW向展布，交叉区域构成良好的导热、导水通道，而大盈江断裂和忠孝寺—大寨断裂组成腾冲区域主要控热构造（郭婷婷，2013）。受深大断裂影响，腾冲区域岩浆活动频繁，岩浆活动时期包括寒武—奥陶纪、二叠—三叠纪、早白垩世、晚白垩世及古新世—始新世（马鹏飞等，2021），同时新生代火山岩（玄武岩、安山岩、英安岩等）广泛分布，从岩石组构及岩相学特征反映出岛弧型、造山带型火山岩特征（曹华文，2015）。腾冲地区地层主要出露前寒武系片麻岩、变粒岩和角闪质岩石，志留系白云岩，泥盆系灰岩及砂岩，石炭系灰岩、大理岩、粘土岩，三叠系灰岩、白云岩，二叠系砂岩、玄武岩、砂砾岩、砂岩，第四系更新统安山岩、玄武岩。浅层区域以碳酸盐及硅酸盐矿物为主，水—岩反应作用有利于地层及流体间元素交互。同时，受区域膨胀速率和最大剪应变等影响，腾冲火山区域浅部岩浆囊易处于活动膨胀状态（Yang et al，2021），进一步影响腾冲地区热液活动状态。

腾冲地区位于云南怒江—萨尔温江水系（包括龙川江、大盈江、怒江等），受火山地质背景的影响，腾冲地区含水层主要由侵入岩类、喷出岩类构成（郭婷婷，2013）。受构造断裂控制，泉水呈串珠状沿断层带展布，并以高温热泉为主（图 1）。在热水塘、热海、马站、曲石等区域，浅部发现存在岩浆囊（赵慈平等, 2011, 2012；姜枚等，2016；郭清海，2020），致使云南腾冲地区具有岩浆热源高温地热系统，混入的地下水除改变温度外，还影响着化学元素含量及迁移变化，使得流体中携带定量深部化学信号。

2022年3月开始腾冲及周边地区地震频率增强，距此次腾冲M_L 3.8地震震中28—48 km范围内的腾冲叠水河冷泉、热海大滚锅沸泉、石墙热泉，多元素化学数据出现异常，统计结果见表 1。选取2022年1月至2022年9月地震目录，统计腾冲周边区域（23.5°—26°N，97.5°—99.5°E）大于M_L 2.5以上地震情况，绘制N—t图（图 2）显示4月、5月、7月、8月地震发震频率升高，4—5月共8次，7—8月共7次，M—t图（图 2）显示2022年5月13日腾冲市发生M_L 3.1（24.96°N，98.72°E，震源深度18 km）、M_L 3.8（24.94°N，98.74°E，震源深度13 km）2次地震，4—7月地震频率及震级大小有显著升高变化。

表 1(Table 1

表 1 泉点相关信息Table 1 Information related to spring points 泉点名称 测项 异常项 震中距/km 大滚锅 离子 Cl、SO4、As、Li、K、Na 30.27 石墙 离子 F、Cl、Zn、Sr 47.99 叠水河 离子 F、SO4、As、Zn、Li、G、B、Sr、K、Na 28.05

表 1 泉点相关信息 Table 1 Information related to spring points

图 2(Fig.2)

图 2 腾冲地区2022年1—9月ML 2.5以上地震分布、N—t、M—t图 Fig.2 Distribution, N-t, M-t maps of earthquakes above ML 2.5 in Tengchong area from January to September 2022

区域形变面膨胀结果显示，相较2022年3月，4月保山—腾冲—施甸地区发生显著压缩变化异常（图 3），同时震前腾冲流体固定测项（图 4）距震中25 km出现静水位破年变上升与水氡持续高值变化，2022年4月2日至8月16日野外选取3处采样点（叠水河DS、大滚锅DG、石墙SQ），分时段完成定点采样，送云南省地质矿产勘查开发局中心实验室，利用ICS-900离子色谱仪、iCAP-RQ电感耦合等离子体质谱仪、XGY-1011A型原子荧光光度计、AFS-8520原子荧光光度计对水样进行化学组分检验（表 2），综合分析地震前后流体地球化学元素特征，研究不同类型泉水的映震特征情况。

图 3(Fig.3)

图 3 2022年3月25日(a)和4月26日(b)面膨胀变化 Fig.3 Changes in surface expansion on March 25 (a) and April 26 (b) in 2022

图 4(Fig.4)

图 4 腾冲定点观测 Fig.4 Fixed point observation in Tengchong area

表 2(Table 2

表 2 腾冲地区流体采样点水化学测试结果（单位：mg/L）Table 2 Hydrochemical test results of fluid sampling points in Tengchong area (Unit: mg/L) 检测项目 离子含量/(mg/L) 氟化物(F) 氯化物(Cl) 硫酸盐（SO4） 砷(As) 汞(Hg) 锌(Zn) 锂(Li) 硼(B) 锶(Sr) 钾(K) 镁(Mg) 钠(Na) DG-0427 18.74 797 11.9 0.708 / 0.068 2 10.5 15.4 0.124 118 0.15 854 DG-0507 18.72 794 12.1 0.710 0.000 06 0.024 8 9.56 14.1 0.101 119 0.02 862 DG-0513 18.66 789 12.0 0.706 0.000 07 0.049 1 9.51 13.9 0.105 119 / 865 DG-0527 18.68 801 11.5 0.723 0.000 04 0.030 4 9.68 14.4 0.104 122 / 875 DG-0606 18.68 799 11.8 0.719 0.000 04 0.035 3 9.81 14.6 0.104 123 / 892 DG-0706 18.60 792 16.9 0.909 0.000 06 0.007 74 8.87 13.0 0.097 2 134 0.09 725 DG-0816 19.20 826 27.2 0.925 0.000 05 0.003 97 9.24 13.5 0.093 8 134 0.01 722 DS-0404 0.291 13.3 3.28 0.000 4 0.000 05 0.039 1 0.337 0.521 0.722 17.6 104 108 DS-0416 0.309 12.9 3.29 / 0.000 04 0.067 8 0.322 0.431 0.790 17.3 102 105 DS-0513 0.308 5.94 3.93 / 0.000 04 0.053 9 0.319 0.440 0.816 17.0 103 105 SQ-0402 3.16 47.9 0.473 / 0.000 03 0.000 87 1.67 4.59 1.59 72.9 32.2 407 SQ-0416 3.28 49.8 0.345 / 0.000 03 0.000 98 1.66 4.63 1.62 75 33.6 420 SQ-0504 3.22 49.2 0.387 / 0.000 03 0.001 13 1.67 4.69 1.64 75.3 33.9 419 SQ-0605 3.23 49.8 0.306 / 0.000 03 0.001 17 1.66 4.74 1.68 76.1 34.1 425

表 2 腾冲地区流体采样点水化学测试结果（单位：mg/L） Table 2 Hydrochemical test results of fluid sampling points in Tengchong area (Unit: mg/L)

腾冲流体地球化学Na-K-Mg图（图 5）显示：①大滚锅沸泉：2022年4—6月，由部分平衡水向完全平衡水方向迁移，7月恢复到部分平衡水范围，结合4—5月地震活动频率升高的现象，反映出这类水化离子迁移现象与深部构造活动密切相关，6月进入地震活动相对平静期，流体中元素含量逐渐衰减，8月再次出现波动，可能与2022年9月23日龙陵M_L 4.5地震有关（表 2）；②石墙热泉：2022年4—6月，Na、K离子迁移变化与大滚锅相似，均出现离子含量上升现象，说明研究区内热泉与沸泉元素变化趋势相似（表 2）；③叠水河冷泉：2022年4—5月，Na-K-Mg三角图中测点数据随时间向右下漂移，Na、K离子含量占比下降，可能受浅表流体汇入减少影响（表 2）。根据spearman相关性分析，沸泉、热泉、冷泉水化学元素间相关性也存在明显差异，沸泉、热泉元素离子相关性具备一定相似性（图 6），如Zn、Sr、B、F、SO₄等离子。

图 5(Fig.5)

图 5 Na-K-Mg三角图 Fig.5 Na-K-Mg ternary plot

图 6(Fig.6)

图 6 元素含量组分相关性分析 Fig.6 Correlation analysis of element content and components

腾冲地区样品的氢氧同位素数据（表 3）邻近大气降水线，且与之基本平行（图 7），其中大滚锅样品受下方热储影响，偏离大气降水线。在流体中，K、Li离子具有相似的迁移特性，而B离子作为强不相容元素，迁移率在热液中具有相对较高的浓度，并与水、挥发物的亲和性强，作为典型的地热元素，Li、B离子对地层环境变化反应敏感。前人通过对腾冲地区花岗岩中锆石氧同位素、矿物学特征、全岩主微量元素及Sr-Nd同位素特征等的研究，反映出腾冲形成于闭合后板片折返或板片断离背景，具备弧火山岩石特征（陈廷方等，1994；季洪伟，2018；马鹏飞等，2021），而B元素是作为弧区“富集”微量元素中的重要组成（Ryan et al，1993）。基于上述研究结果，通过水样检测结果发现：研究区流体组的K/Li离子含量比值随时间呈显著上升变化（图 8），元素含量升高与构造活动加剧了水—岩作用，促使强迁移的K、Li离子富集有关。

表 3(Table 3

表 3 腾冲大滚锅、石墙、叠水河流体氢氧同位素测试结果Table 3 Hydrogen and oxygen isotope test results of Tengchong Dagunguo, Shiqiang, and Dieshuihe fluids 检测项目 δDV-SMOW/(×10-3) δ18OV-SMOW/(×10-3) DS-2021 -73.82 -10.60 DS-2022 -72.43 -10.43 DG-2018 -71.81 -8.11 DG-2022 -65.44 -7.44 SQ-2022 -81.21 -11.10

表 3 腾冲大滚锅、石墙、叠水河流体氢氧同位素测试结果 Table 3 Hydrogen and oxygen isotope test results of Tengchong Dagunguo, Shiqiang, and Dieshuihe fluids

图 7(Fig.7)

图 7 大滚锅、叠水河、石墙氢氧同位素分布 Fig.7 Distribution of hydrogen and oxygen isotopes in Dagunguo, Dieshuihe, and Shiqiang

图 8(Fig.8)

图 8 B/K和K/Li离子含量比值交会图 Fig.8 Cross plot of B/K and K/Li ion content ratio

B离子易溶于水，含B离子较高的地热水汇入地表水，会对其中的B离子含量产生影响（袁建飞等，2017），而日本指宿市及其邻区的热泉B离子含量及其同位素，显示热泉中B离子含有来自火山气体组分（Oiet al，1996）。对腾冲地下流体中的B离子进行研究，发现B元素与深部的岩浆及晚更新世火山活动有关。结合流体中B离子热力学指示剂特征以及腾冲地区火山岩地层富B离子矿物特征，可进一步通过流体中B离子含量变化验证腾冲区域构造活动对水—岩作用的影响。本次研究发现，大滚锅B离子含量震前维持高值变化，数值范围13.9—15.4 mg/L，震后2个月出现下降，数值范围13—13.5 mg/L，而石墙B离子含量则持续升高，推断区域面应变压缩促使深部静岩压力改变，水—岩反应速率增强，导致富B离子矿物溶出，通过构造活动变化，借助流体的低密度、低黏度、高移动特性，将化学信号带到地表，从而揭示了震前腾冲地区构造活跃性增强对流体组分含量变化的影响。

震前腾冲地区定点测井水位及水氡测项均出现异常变化，结合本次流动地球化学Cl-B-F三元图（图 9），发现：在3组水样中，石墙、大滚锅泉点的Cl离子含量临震前呈显著下降变化；Na/Cl离子含量比值呈趋势性上升变化，其中大滚锅数值变化范围为1.071—1.096、叠水河数值变化范围为8.120—17.677、石墙数值变化范围为8.497—8.516，表征震前地下水的水—岩反应程度增大；大滚锅沸泉、石墙热泉相较冷泉元素偏移较小，震前大滚锅、石墙元素含量占比相对集中，而由于叠水河冷泉本身含量组成以未成熟地表水为主，腾冲地区围岩以火山岩及含F离子较高的碎屑岩为主，受区域应力挤压变形影响，水—岩反应增强，同时富Sr离子的深部流体水混入破坏了平衡状态，流体中的Cl、F离子占比改变出现迁移变化。

图 9(Fig.9)

图 9 Cl-Li-B和Cl-B-F三元图 Fig.9 Ternary plot of Cl-Li-B and Cl-B-F

地下流体前兆异常能揭示深部活动变化情况，通过结合地震频度、震级大小等地球物理场变化，利用水化学分析方法，可在一定程度上通过离子浓度变化反馈地震活动及构造信息。

（1）在2022年5月13日腾冲发生M_L 3.8地震前，结合冷泉、热泉、沸泉主要元素（K、Na、Mg等）及微量元素（Sr、As、Zn等）含量变化，研究发现，3种泉水类型中的离子元素含量无一致性同步变化，其中相距约9.8 km的大滚锅沸泉及叠水河冷泉部分离子呈同步变化，如Cl、Li离子含量呈下降变化，相距约39.8 km的叠水河冷泉及石墙热泉的流体测项中Zn、Sr离子含量呈相似升高变化，大滚锅沸泉及石墙热泉的K、Na离子含量呈同步上升变化。受限于野外流动取样时间、地层背景差异、深部流体与浅层流体混合占比影响，3种类型泉水中离子含量暂未表现出同步变化特征。

（2）腾冲M_L 3.8地震前出现区域面膨胀压缩、水位、水氡等固定测项异常，结合冷泉、热泉、沸泉Na/Cl离子含量比值增大且大于1，表明震前构造应力改变，随着应力升高，地层发生挤压破裂，改变了岩层与流体的接触面积，使得水—岩相互作用增强，促使流体中溶解更多硅酸岩或者钠盐，打破了流体中元素含量的平衡，Na/Cl离子含量比值呈高值变化，7月比值出现下降。而K/Li离子的含量比值及B离子含量的升高，也说明受深部压力及通路改变影响，使得水热循环过程中水—岩反应加剧溶解围岩，并伴随富Sr离子的深部流体混入，从而改变流体中F、Cl、Na等离子组分的浓度含量。

（3）流体地球化学变化特征可辅助提升地震预报研究水平。本次地震区域应变呈压缩变化，地球化学元素信息沿断裂被流体携带至地表，打破了水化学离子含量的正常平衡状态，结合腾冲火山构造地貌，认为与腾冲地区独特的火山岩地层及水热条件密切相关，小震活动特征可反馈深部构造活动变化，有必要加强地震带和潜在地震活动区温泉流体地球化学观测网的建设。基于火山地区温泉流体逸散性、溶水性及易迁移元素的化学变化，开展深部构造活动反演，鉴于流体化学特性、区域分布特征，结合多元素综合分析手段，辅助传统地震监测技术进行研究，可为研究区及周边地震短临预报提供服务。