蘆山地震前康定地溫變化現(xiàn)象

陳順云 劉培洵 劉力強 馬 瑾

(中國地震局地質(zhì)研究所，地震動力學國家重點實驗室，北京 100029)

0 引言

近10余年來，中國大陸發(fā)生了2次8級以上地震，多次7級以上地震，例如:1997年11月瑪尼地震、2001年11月昆侖山口地震、2008年3月于田地震、2008年5月汶川地震、2010年4月玉樹地震，以及2013年4月蘆山地震，均發(fā)生在巴顏喀拉地塊周邊，該地塊為近期中國大陸強震主體地區(qū)。在一些關(guān)鍵構(gòu)造部位，開展地殼活動信息監(jiān)測具有重要的實際意義。

作者所在研究室，專門研發(fā)了適于野外觀測的無線地溫遙測設(shè)備，在青藏高原東部鮮水河斷裂帶建立了無線地溫遙測臺網(wǎng)，臺站分布于斷裂帶及附近基巖。先后分2批共建設(shè)了10個測點，第1批建于2009年9月，第2批建于2010年9月。

2013年4月20日發(fā)生蘆山地震前后，地溫遙測臺網(wǎng)工作狀態(tài)良好，觀測到了一些值得關(guān)注的現(xiàn)象。本文旨在簡要介紹康定地溫測點出現(xiàn)的、可能與蘆山地震有關(guān)的基巖溫度變化情況。

1 觀測結(jié)果與分析

1.1 測點情況

康定測點建于2010年10月，位于康定郭達山西側(cè)，雅拉河東側(cè)約25m。郭達山主要由白云巖或大理巖構(gòu)成，層理明顯。測點經(jīng)緯度坐標是101.96°E，30.06°N，海拔2 460.5m?？刀y點距離蘆山地震震中95km，地理位置如圖1所示。鉆孔巖樣取心結(jié)果:表層為覆土，0.5～14m為大理巖，14.0～18.2m為砂礫。其中，13.0m深處，存在裂縫。測井安裝完溫度設(shè)備之后，用水泥灌注封井，以使溫度傳感器與基巖耦合為一體。采樣方差達到0.000 5℃。采樣周期遠程可調(diào)，最小采樣周期為2min，實際中采樣周期固定為15min。從地表至地下20m，共有8個觀測深度。文中選取位于深部基巖的4個觀測結(jié)果進行分析，其觀測深度分別為:T4，10.7m;T3，12.7m;T2，14.3m;T1，14.8m。

圖1 地溫測點周圍小震分布情況Fig.1 Distribution of small earthquakes occurring around the ground temperature observation station in Kangding.

1.2 觀測結(jié)果

淺表地溫主要受地表和大氣溫度的影響，其典型周期成分為日變和年變。地表溫度日周期成分影響深度約1m，年周期成分影響深度可達幾十m。從圖2可以看出，原始地溫中年周期成分清晰可見，變化平穩(wěn)。然而，日周期等短周期劇烈溫度變化成分已經(jīng)探測不到。4個層位的溫度(T1～T4)，變化趨勢基本沒有差異。從長期趨勢看，每個深度溫度到達峰值的時間，從淺(T4)到深(T1)，具有清晰的先后順序;溫度的變化幅度也是從淺(T4)到深(T1)逐漸減小。這充分反映出地表年周期溫度信號逐步從上往下傳導的特征。

地表溫度在向下傳導過程中，短周期成分迅速衰減，在圖2a所示的地溫中已看不到日周期信息。然而，在T3中，觀測到了一些突發(fā)性變化(圖2b，c)，變化幅度為0.001～0.01℃量級。其中，圖2b地溫突變幅度接近0.04℃，突變模式為先突然上升后快速下降，然后緩慢恢復至原來的變化趨勢;圖2c突變幅度約0.003℃，呈現(xiàn)出一定階躍特征，地溫從原來的變化趨勢突然下降(或上升)一定幅度，然后繼續(xù)沿原來的趨勢運行(圖2c)。這種發(fā)生于深部的短周期變化，并非源自地表溫度的向下傳導，而是測點處基巖自身產(chǎn)生的溫度變化，代表基巖物理狀態(tài)的變化。

圖2 康定地溫觀測結(jié)果Fig.2 Results of ground temperature observed in Kangding station.

由于深部地溫長周期成分的變化幅度達到幾度的量級，遠大于深部地溫短周期成分的變化量級，為了獲得深部地溫的短周期信號成分，對地溫觀測數(shù)據(jù)進行了兩方面處理:1)將＞5d周期的成分濾去，以消除長周期成分，尤其是去除年周期變化的影響;2)將周期＜8h的成分濾去，以降低高頻噪聲的影響。如上所述，地表溫度日周期成分影響深度約1m，年周期成分影響深度可達幾十m，5d周期成分地表溫度的影響深度不會超過幾m。由于文中給出的測點深度均＞10m，消除了周期＞5d的成分后，余下的溫度信號已不含傳自地表的熱信息，而是屬于測點處基巖自身產(chǎn)生的溫度變化。從結(jié)果看，4個深部地溫中，除了T3以外，其余3個地溫變化均不明顯。T3短周期成分中出現(xiàn)了較為清晰的變化信息，如圖3所示。

圖3 康定地溫短周期成分以及測點周圍小震活動情況Fig.3 The short-period components of ground temperature in Kangding and activity of small earthquakes around the station.

從圖3a可以看出，大多數(shù)時間的溫度變化處于平靜狀態(tài)，不同時點出現(xiàn)明顯的突然變化。2011年1月至2013年6月間，2個時點變化比較明顯:1)2012年2月6日，出現(xiàn)一個明顯的突變。從原始數(shù)據(jù)中可以看出，先是突然上升，然后驟然下降，最后再緩慢恢復至原來的變化趨勢(圖2b)，變化幅度為0.035℃;2)2013年1月31日開始，出現(xiàn)了一系列的持續(xù)性溫度變化，變化的幅度為0.001～0.003℃不等(圖3c)。尤其是2013年4月17日，出現(xiàn)了一個幅度較大的溫度變化，4月20日，發(fā)生了蘆山地震。

1.3 對比分析

深部地溫的短周期突變反映了基巖內(nèi)部正經(jīng)歷物理狀態(tài)調(diào)整。雖然尚不能給出這種調(diào)整的時空尺度，但是地質(zhì)體的物理調(diào)整會通過多種方式表現(xiàn)出來，而不僅局限于溫度變化。測點周圍的小震活動情況，有可能提供一些驗證信息。

我們收集了臺站周邊2011年以來的小震活動情況，從2011年1月1日至2013年7月2日，共發(fā)生260余次小震，空間分布如圖1所示。從圖1可以看出，2013年地溫臺站附近出現(xiàn)了較為密集的小震，說明測點周圍地質(zhì)活動出現(xiàn)了增強的跡象。圖3b中給出了測點周圍30km半徑范圍內(nèi)的小震M－t圖。這些小震從時間上并非均勻分布，而是呈現(xiàn)出一定的成叢特征。從圖3b中可以看出，小震成叢發(fā)生與溫度突變具有一定對應(yīng)關(guān)系。2012年3月5日，發(fā)生了一次4.2級地震。這與2012年2月6日地溫突然波動相差不到1個月。2013年2月開始，小地震頻次明顯增多，最大震級為3.8級。這與2013年1月31日開始的地溫持續(xù)變化存在較好的對應(yīng)關(guān)系。

總體來說，2013年小震活動時間與空間上均出現(xiàn)了成叢特征，直觀地說明本地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造活動出現(xiàn)增強的跡象。地溫與小震活動二者同為局部地殼能量調(diào)整的不同表現(xiàn)形式，二者間存在的這種良好對應(yīng)關(guān)系，值得進一步探究。

2 物理機制探索

產(chǎn)生地溫突變的可能原因有2種:地下水和力學變化。地下水的影響又可分為封閉和連通2種情況，后一種是本項觀測力求避免的情況，也是采用水泥漿灌注封井的目的。驗證測點是否處于封閉狀態(tài)，可通過地溫的變化來判斷。如果傳感器處有水且與地下水連通，因為淺部地下水與地表水相通，其溫度變化會包含明顯的日周期成分特征。如上文所述，在地溫的變化中，已看不出日周期變化，說明深部的4個測點均處于與地下水隔絕的狀態(tài)。而處于封閉狀態(tài)的水的溫度突然變化又是與周圍基巖的力學狀態(tài)變化有關(guān)。因此，力學變化可能是基巖溫度突變的主要原因。

為了更清晰地理解溫度與應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系，簡單回顧一下熱力學理論是有益的。斷層摩擦引起升溫為大家所熟知，但對巖石變形過程的溫度變化，尤其是彈性變形的溫度變化的研究則很少。對于一般的彈性系統(tǒng)的熱力學狀態(tài)，可用應(yīng)力(σ)、應(yīng)變(ε)和溫度(T)3個參量描述，寫成微分形式(謝銳生，1980):

其中，E為楊氏模量，β為熱應(yīng)力系數(shù)。此狀態(tài)方程經(jīng)常用來研究熱脹冷縮引起的應(yīng)力問題，但涉及應(yīng)力引起溫度變化的研究很少引起注意。

對于等溫情況(d T=0)，上式變?yōu)楹硕?dσ=E dε)，也即為彈性力學側(cè)重研究的內(nèi)容。在絕熱情況下，固體彈性變形的狀態(tài)方程不再是胡克定律，受熱膨脹的材料也會受壓升溫(對于一維情況:ΔT=aTΔσ，其中，T為初始溫度，a為與材料性質(zhì)有關(guān)的熱物理常數(shù))。

實際上，對于緩慢過程，可近似為等溫過程。對于快速變化(如地震)，更接近絕熱過程，溫度與應(yīng)力變化相關(guān)聯(lián)，除了可以通過變形測量獲得應(yīng)力外，還可以通過溫度測量來獲得應(yīng)力變化狀態(tài)。尤其是對于彈性模量大的介質(zhì)，即使應(yīng)力變化很大，變形也可能較小，這使得強烈依賴于變形的觀測手段產(chǎn)生不可避免的局限性。溫度觀測可能不受此限制。雖然，由于震源深處的劇烈溫度變化直接傳到地表需要經(jīng)歷漫長的時間，不可能基于熱傳導方式獲得來自震源深處的溫度信息。但是，地震發(fā)生時，不僅震源深處，淺表巖石也會產(chǎn)生應(yīng)力變化，同樣會產(chǎn)生溫度變化?？陀^上，地震從孕育到發(fā)震，所涉及的地質(zhì)體可能遠不止發(fā)震斷裂帶附近區(qū)域，尤其是強震，其孕震區(qū)應(yīng)該更大。

理論上，只要能夠達到溫度分辨率，就有可能通過溫度觀測獲得淺表基巖的應(yīng)力變化。根據(jù)實驗研究(劉培洵等，2004，2007;馬瑾等，2007;陳順云等，2009)，對于一維彈性介質(zhì)，溫度變化與應(yīng)力變化的量級為1個至幾個mK/MPa。文中地溫觀測臺網(wǎng)，采樣方差達到0.000 5℃，理論上有可能觀測到零點幾個MPa量級的巖石應(yīng)力改變產(chǎn)生的溫度變化。據(jù)此，康定地溫變化反映出本地發(fā)生了幾個MPa的應(yīng)力變化。

總之，康定基巖溫度突然變化的內(nèi)在本質(zhì)是本地應(yīng)力調(diào)整的反映，小震活動屬于應(yīng)力活動增強的結(jié)果。

另外，在康定測點4個不同深度的溫度測量結(jié)果中，只有T3顯示出明顯的短周期變化特征，其原因需要探討。雖然T1和T2深度較深，但位于砂礫巖層，可能不利于應(yīng)力的積累和溫度探測;T3和T4位于大理巖層，T3的深度為12.7m，而在約13m深度存在裂縫，正好位于大理巖與砂礫巖層的分界面附近，利于應(yīng)力積累。這可能正是T3深度能夠檢測出與應(yīng)力變化相關(guān)的溫度變化的主要原因。

3 初步認識

(1)康定地區(qū)地溫觀測反映出本地的地質(zhì)環(huán)境正在發(fā)生應(yīng)力調(diào)整，且與小震活動有良好的對應(yīng)關(guān)系，反映出局部地區(qū)構(gòu)造活動出現(xiàn)增強的跡象。這說明，通過高精度的基巖溫度觀測，是有可能獲得基巖應(yīng)力變化信息的。但是，不同臺站的溫度變化形式不盡一致，不同深度溫度響應(yīng)也存在差異。觀測部位的選取對于提高觀測有效性有著不可忽視的影響。

(2)從構(gòu)造角度看，龍門山斷裂帶和鮮水河斷裂帶同屬于巴顏喀拉地塊的不同邊界，康定測點與蘆山地震之間在構(gòu)造上存在關(guān)聯(lián)性，二者間空間距離也較近。也就是說，開始于2013年1月31日的溫度持續(xù)變化現(xiàn)象很可能與蘆山地震存在某種關(guān)聯(lián)?；蛘呖刀ǖ販赝蛔兣c蘆山地震同為巴顏喀拉地塊活動的不同表現(xiàn)。還須注意的是，這種始于1月末的溫度變化，并沒有隨著蘆山地震的發(fā)生而結(jié)束，目前還在繼續(xù)，值得關(guān)注。

本文重在闡述現(xiàn)象，對于其中所蘊含的前兆意義，以及如何通過溫度觀測定量獲取應(yīng)力狀態(tài)變化等方面問題，還有待深入探索。

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