魯甸6.5級地震地下流體典型異常與前兆機理分析

劉耀煒　任宏微*　張　磊　付　虹　孫小龍何德強　余懷忠　周志華　張國盟

1）中國地震局地殼應力研究所，地殼動力學重點實驗室，北京　100085

2）中國地震局地球物理研究所，北京　100081

3）云南省地震局，昆明　650224

4）昭通市防震減災局，昭通　657000

5）中國地震臺網中心，北京　100065

魯甸6.5級地震地下流體典型異常與前兆機理分析

劉耀煒1）任宏微1）*張磊1，2）付虹3）孫小龍1）何德強4）余懷忠5）周志華5）張國盟1）

1）中國地震局地殼應力研究所，地殼動力學重點實驗室，北京100085

2）中國地震局地球物理研究所，北京100081

3）云南省地震局，昆明650224

4）昭通市防震減災局，昭通657000

5）中國地震臺網中心，北京100065

基于川滇地區(qū)前兆臺網資料，結合異?，F(xiàn)場核實工作結果，對魯甸6.5級地震前的地下流體異?，F(xiàn)象進行了總結。遵循地震分析預報的基本思路，按照長期、中期、短期趨勢異常、臨震異常和宏觀異常闡述了魯甸6.5級地震前地下流體典型異常現(xiàn)象。結果表明，長期和中期趨勢背景異常主要出現(xiàn)在距震中300～500km范圍，短期趨勢和臨震及宏觀異常集中于震中區(qū)100km范圍內。這種流體異常特征反映了在較高密度的觀測點區(qū)域，可以觀測到流體活動加劇的前兆現(xiàn)象，有利于判定地震危險區(qū)和短期階段跟蹤分析。區(qū)域應力加載作用可能引起的斷裂帶裂隙的開啟與閉合，導致溫泉和井水溫、深部氣體與承壓井水位的持續(xù)變化；水巖反應加劇和地下水混合作用增強，使地下水離子組分濃度發(fā)生變化，甚至導致顯著宏觀異常。在一定密度的前兆觀測地區(qū)，能夠獲取用于判定地震危險性的前兆信息。

魯甸6.5級地震地下流體異常信息前兆機理地震科考

0　引言

據中國地震臺網，2014年8月3日16時30分（北京時間），在云南省昭通市魯甸縣（27.1°N，103.3°E）發(fā)生MS6.5地震（以下簡稱魯甸地震）。該次地震造成了巨大的人身傷亡和財產損失，引起了國內外學者的高度關注（張廣偉等，2014）。此次地震發(fā)生在中國地震局確定的2014年度6～7級地震危險區(qū)①中國地震臺網中心，2013，2014年度中國大陸地震趨勢研究報告。，同時滇東北地區(qū)也是地下流體學科2014年度震情跟蹤的重點地區(qū)②中國地震局地殼應力研究所，2013，2014年度中國大陸地震趨勢研究報告。。因此，研究可能與該地震有關的異?，F(xiàn)象，對于積累震例、提高地震預測分析水平有重要意義。

地震前兆機理的研究表明，地震的孕育過程伴隨有地下水物理與化學參量和逸出氣體濃度的異常變化，地下流體異常對孕震區(qū)和外圍區(qū)介質變化的響應靈敏，與區(qū)域構造活動關系密切（車用太等，1997；劉耀煒等，1999；Montgomery et al．，2003）。地下流體異常作為可靠的地震前兆，被國內外學者普遍認可（張煒等，1988；Wang et al．，2010）。在中國地震監(jiān)測臺網中，地下流體觀測是開展最為廣泛的前兆測項之一，觀測項目主要包括氡濃度、汞濃度、井水位、井水溫度和泉水溫度、井水流量和泉水流量以及水化學離子組分、氣體組分等（劉耀煒，2006），積累了大量的前兆異常震例（蔣海昆等，2014）。盡管這些地震前兆異常的空間分布和時間演化比較復雜，但在觀測點密度相對較高的區(qū)域，可以獲得某些強震前顯著的異常信息，并對強震給出有一定減災實效的預測意見（劉耀煒等，2008）。

魯甸地震之前，筆者于2014年2月赴滇東北地區(qū)進行異?，F(xiàn)場核實，確定了麗江井水溫、會澤井水位、魯甸氟離子以及昭通井水位等一批信度較高的前兆異常，并將該地區(qū)作為震情危險區(qū)進行異常跟蹤。魯甸地震發(fā)生后，又分別于2014年8月下旬和10月初2次赴昭通、魯甸、巧家、大關及四川寧南等地開展現(xiàn)場考察工作，進一步對顯著流體異常點進行現(xiàn)場采樣、觀測與分析，旨在對這些典型地下流體異常現(xiàn)象進行分析和梳理，對可能的前兆機理進行解釋，為總結魯甸地震的強化跟蹤過程提供重要的觀測分析資料。

1　基本異常概況

通過對川滇地區(qū)地下流體觀測數據的整理，按時間發(fā)展進程把異常劃分為長期趨勢背景異常（震前5a以上）、中期趨勢背景異常（震前0.5～5a）、短期趨勢異常（震前1～6個月）和臨震異常（震前一個月內）（蔣海昆等，2014）并進行了歸納。

文中總結的地下流體異常測項主要為井水位、井水溫度和泉水溫度、水氡、水汞、水化學離子和土壤氣CO2等。這些異常經過了現(xiàn)場儀器檢查、觀測環(huán)境調研、標準校測等環(huán)節(jié)，確認了觀測資料的可靠性。其中井水位的校測誤差＜5mm，井水溫度分辨率＞1×10－3℃，泉水溫度精度＞0.5℃，水氡濃度精度＞0.1Bq／L，水汞濃度精度＞0.01ng／L，水化學離子相對誤差＜5%，土壤氣CO2相對誤差＜10%。本文所列的異常數據均大于觀測誤差。

從圖1、表1和圖2中可以看出，截至2013年底，川滇地區(qū)的地下流體異常主要表現(xiàn)為長期和中期趨勢背景異常，異常測項有深循環(huán)溫泉水溫、井水位、水氡、pH值等，表明具有發(fā)生強震的背景。在震前6個月左右開始出現(xiàn)短期趨勢異常，集中分布在川滇交界東部和滇西地區(qū)，主要是水化學離子（氟離子、鎂離子、鈣離子、碳酸氫根和硫酸根）、水汞、泉水溫、斷層氣CO2和井水位等，表現(xiàn)出強震孕育由中期向短期過渡的特點。在震前1個月左右開始出現(xiàn)如四川寧南葫蘆口斷層氣CO2、云南東川水位、巧家鈣離子、會澤井水位快速升高等臨震異常，均分布在川滇交界東部地區(qū)。震前20d內，位于魯甸縣西南文屏鎮(zhèn)安閣村陸家龍?zhí)都棒數楹暧^震中的龍頭山鎮(zhèn)冒沙泉均出現(xiàn)了泉水嚴重渾濁的宏觀異常現(xiàn)象。

2　典型異常分析

2.1長期和中期趨勢背景異常

2.1.1深循環(huán)溫泉水溫異常

深循環(huán)溫泉水溫異常主要有四川的理塘、巴塘、康定二道橋、瀘定63泉等，這些觀測點對周邊強震響應比較靈敏。譬如，理塘毛埡溫泉，是川西地區(qū)王牌前兆觀測點（李軍等，2005），位于川中地區(qū)理塘斷裂帶，為上升泉，巖性為石灰?guī)r、砂板巖和安山巖，泉水循環(huán)深度＞1 500m，屬HCO3－Na型，水溫與降水、氣溫和氣壓的相關性較弱（李軍等，2005）。汶川地震后，理塘毛埡溫泉水溫一直處于趨勢下降態(tài)勢，但在周邊幾次中強以上地震前，均出現(xiàn)顯著的短期快速上升異常，如魯甸地震之前的2014年1月起，毛埡溫泉水溫出現(xiàn)快速上升異常，在異常轉折過程中發(fā)生了地震（圖3）。

圖1　魯甸地震地下流體異常分布圖Fig．1　Tectonic setting of Ludian MS6.5 earthquake and the fluid anomalies associated with it．

2.1.2井水溫度異常

井水溫度異常主要有云南麗江井水溫和尋甸井水溫。云南麗江觀測井，位于麗江象山腳下，處在紅河斷裂帶北端、麗江－劍川斷裂與中甸－大理斷裂的交會部，井深347.33m，主要含水層位于167.5～310m，為巖溶裂隙承壓水（云南省地震局，2005）。安裝SZW－1A型數字式溫度儀，水溫探頭放置在井下300m處。麗江自流井水溫于2011年起呈現(xiàn)出上升趨勢，在水溫上升過程中發(fā)生了如彝良5.7級地震、洱源5.5級地震和香格里拉5.9級地震等中強震。2014年井水溫又出現(xiàn)快速上升變化，在異常轉平過程中發(fā)生了魯甸6.5級地震（圖4）。麗江井水位和水溫對汶川8.0級地震和印尼8.5級地震的同震響應顯著（楊躍文等，2010），在2007年寧洱6.4級地震前有顯著的臨震異常（劉耀煒等，2008）。尋甸井水溫于2010年5月開始有一快速上升過程，之后上升速率有所減緩，直至魯甸地震發(fā)生均保持高水溫狀態(tài)。以上井水溫對動力加載作用敏感，溫度快速上升是與區(qū)域構造活動增強過程關系密切的地震前兆異常。

表1　地下流體異?；咎卣鞅鞹able 1　Characteristics of the underground fluid anomalies

圖2　魯甸地震前地下流體異常時間進程圖Fig．2　Temporal evolution of the fluid anomalies from 2008 to 2014．

圖3　毛埡溫泉水溫曲線圖（圖中km數代表震中距，下同）Fig．3　Temperature variation of the Maoya spring．

圖4　麗江井水溫圖Fig．4　Temperature variation of Lijiang well．

2.1.3井水位高值異常

井水位高值異常主要有四川瀘州川13井水位和云南昭通臺井水位異常。瀘州川13井處在四川盆地內NE向的中興場背斜的傾沒端，井深300.6m，觀測段21.5～152m，觀測含水層巖性為上古生代含鐵輝長巖及釩鈦磁礦，裂隙承壓水（四川省地震局，2004）。瀘州川13井水位則自2006年開始趨勢上升，到2008年汶川8.0級地震水位上升約1.2m，之后逐步下降，但6個月之后水位又持續(xù)上升（圖5），在魯甸地震發(fā)生時仍處在高水位異常狀態(tài)。井水位連續(xù)上升形成的高水位異常，可以揭示區(qū)域構造應力持續(xù)增強的狀態(tài)（蘭雙雙等，2010）。

圖5　瀘州井水位圖Fig．5　Water level variation of Luzhou well．

2.2短期趨勢異常與臨震異常

2.2.1CO2濃度異常

CO2異常主要有四川會東淌塘和寧南葫蘆口斷層氣CO2，兩處位于川滇交界的滇東北地區(qū)。四川會東淌塘斷層氣CO2自2014年5月后出現(xiàn)破年變低值異常，之后發(fā)生了魯甸6.5級地震（圖6a）。寧南葫蘆口斷層氣CO2含量于2014年7月下旬突升并達到自觀測以來的最高值，之后發(fā)生了魯甸6.5級地震，CO2含量于地震后8月11日轉折下降恢復（圖6b）。

圖6　斷層氣CO2含量圖Fig．6　Carbon dioxide emitted from the fault zone．

2.2.2水化學組分異常

水化學組分異常主要有云南魯甸氟離子、保山鎂離子和硫酸根、麗江鈣離子和碳酸氫根以及巧家鈣離子等異常。

魯甸氟離子觀測點為魯甸大坪泉，位于昭通－魯甸斷裂上，含水層巖性為二疊紀灰?guī)r，為古老民用飲水泉，常年水量變化不大，冬夏季水溫為9～12℃。使用PHS－3C型pH計配備PF－1型氟離子選擇電極和甘汞電極觀測。魯甸氟離子從2014年2月開始持續(xù)上升變化，最大異常幅度為0.17mg／L（圖7）。上升過程中發(fā)生了永善5.3級、永善5.0級和魯甸6.5級地震，于8月15日出現(xiàn)轉折恢復。

云南巧家水化觀測點位于巧家大龍?zhí)度幱谇杉遗璧刂胁恳詵|，小江斷裂北端，第四紀石灰?guī)r層出露，為巧家嬌頂山長距離補給，水量較大，水溫約17.5℃。魯甸地震之前，巧家鈣離子在2014年7月測值出現(xiàn)突升，為顯著的臨震異常（圖8）。

2.2.3井水位異常

云南昭通臺井水位、昭通昭陽一中井水位、東川井水位和會澤井水位表現(xiàn)出短期趨勢異常與臨震異常。

圖7　魯甸氟離子含量圖Fig．7　Variation of fluorine ion in the Ludian spring．

圖8　巧家鈣離子含量圖Fig．8　Variation of calcium ion in the Qiaojia spring．

昭通昭陽一中井井深404.13m，套管深度為403.83m，在108m及318.76～403.83m處設置濾水管，巖性為古近－新近紀砂礫巖，地下水類型為孔隙、裂隙承壓水，水位埋深約9m。該井水位基本不受地表降水干擾，周圍無注水、抽水井。該井水位在魯甸地震前2個月出現(xiàn)水位急劇升高，并持續(xù)近半個月，之后水位快速下降，并保持高水位異常狀態(tài)（圖9）。魯甸地震發(fā)生后半個月，水位又一次加速上升，在高水位過程中，發(fā)生了景谷6.6級地震。昭陽一中自2011年新儀器安裝以來，水位一直平穩(wěn)變化，2014年6月出現(xiàn)的快速升高異常為觀測以來最突出的異常現(xiàn)象，因此信度較高。

圖9　昭陽一中井水位圖Fig．9　Water level variation in the well at Zhaoyang No．1 Middle School．

會澤井（滇01井）位于會澤縣娜姑鄉(xiāng)，處于小江、則木河、篷峰三大斷裂的交會部位，井深103.15m，套管深度87.7m，水位埋深約30m，觀測含水層巖性為玄武巖，裂隙發(fā)育，水溫約16℃。該井水位2012年以來持續(xù)趨勢下降，在多次中強地震前井水位均表現(xiàn)出顯著的突升異常特征。會澤井水位在永善5.3級地震后從高水位狀態(tài)逐步下降恢復，至2014年7月21日開始出現(xiàn)突然轉折加速上升變化，直到魯甸6.5級地震發(fā)生，井水位持續(xù)上升了0.59m（圖10）。對比歷史震例，該井水位快速上升異常均較好地對應了本區(qū)或周邊地區(qū)中強以上地震，因此作為魯甸地震的臨震異常信度較高。

圖10　會澤井水位圖Fig．10　Water level variation of Huize well．

2.3宏觀異常

魯甸地震前有兩起突出的宏觀異常。一處發(fā)生在魯甸縣西南的文屏鎮(zhèn)安閣村陸家大龍?zhí)?，另一處發(fā)生在魯甸6.5級地震宏觀震中區(qū)的龍頭山鎮(zhèn)冒沙泉，震前10多天均出現(xiàn)水渾濁異?，F(xiàn)象。文屏鎮(zhèn)安閣村陸家大龍?zhí)段挥谒拿姝h(huán)山的小盆地中部，包谷垴－小河斷裂穿過該盆地。龍?zhí)睹娣e約120m2，深6m多，平時清澈見底，潭底可見氣泡冒出，是本地居民的自來水源。2014年7月20日出現(xiàn)渾濁，呈現(xiàn)米湯色，8月3日魯甸地震后水質逐漸恢復清澈，但在8月17日永善地震前再次渾濁，筆者8月28日、8月31日現(xiàn)場考察，目測的能見度僅為50cm（圖11）。10月5日筆者再次去陸家大龍?zhí)犊疾?，看到潭水已恢復清澈見底狀態(tài)。而龍頭山鎮(zhèn)冒沙泉渾濁現(xiàn)象持續(xù)到9月底才消失。

3　異常機理討論

魯甸6.5級地震前出現(xiàn)的各類地下流體異常，從空間分布和時間進程演化特征來分析，均反映了構造活動由區(qū)域強化向局部強化的過程（車用太等，1999）。這種狀態(tài)進一步驗證了地震孕育過程中區(qū)域應力加載作用和流體前兆響應的密切關系。

3.1區(qū)域應力加載作用

地下流體群體異常的演化過程與區(qū)域內構造應力活動水平有直接關系（劉耀煒等，1998）。川滇地區(qū)出現(xiàn)的深循環(huán)溫泉和井水溫趨勢異常，且準同步加速上升，表明了區(qū)域應力加載作用下的深部物質活動及構造活動持續(xù)加劇的特點（馬玉川等，2014）。

斷層氣CO2濃度能反映出測點周圍應力狀態(tài)的變化。在中強震孕育過程中，應力場的變化能引起巖石裂隙的開啟、閉合以及重新分布，而氣體主要通過裂隙逸出，構造活動微小的調整將影響到CO2的逸出（楊竹轉等，2008；Zhou et al．，2010）。川滇交界地區(qū)CO2濃度整體上表現(xiàn)出大動態(tài)的異常變化，表明了該區(qū)域構造活動造成巖石裂隙的開啟或閉合，促使地下CO2通過斷裂上升加速或減弱的過程，形成了斷層氣CO2濃度低值或高值異常。

昭陽一中井水的水化學成分結果表明，該井水主要是Na-HCO3型水，Na含量較高（242.3mg／L），總溶解固體濃度較高（TDS，701.6mg／L），井水處于封閉良好的承壓含水層，與地表水和大氣降水的水力聯(lián)系較弱。通常密封較好的承壓含水層，對地殼應力變化較為靈敏（蘭雙雙等，2010），昭陽一中井地震前出現(xiàn)的水位升高現(xiàn)象與區(qū)域應力加載作用有直接關系。

3.2流體活動作用

區(qū)域構造活動使斷層封閉性改變，驅動流體的流動，使流體活動作用增強，表現(xiàn)出地下水離子組分在震前發(fā)生濃度變化（Woith et al．，2013；Claesson et al．，2004）。引起水化學離子濃度變化的原因主要有兩種，一是前震與同震過程中含水層的壓裂，增加了地下水與新出露礦物的接觸，使水巖反應能力增強，水化學成分變化；二是地震引起含水層間滲透性增強，致使化學性質不同的地下水混合或者置換（Thomas，1988；Claesson et al．，2007）。

魯甸地震震中區(qū)出現(xiàn)的水化學組分短期與臨震異常，表現(xiàn)了不同層位流體活動或水巖反應增強的前兆機理。一些相對弱的水巖作用或流體活動，通過儀器可以觀測到水化學離子組分濃度的異常變化。如果水巖作用劇烈或地下水混合作用增強，甚至會導致顯著的水變色、變味等宏觀異常。比如魯甸龍頭山鎮(zhèn)冒沙泉和陸家龍?zhí)段挥陂L距離地下水運移的泄流區(qū)，由于構造活動疏通了徑流區(qū)巖層裂隙（唐彥東等，2013），破壞了原有的地下水補給排泄平衡條件，使處在泄流區(qū)的泉水更容易匯集不同補給源的物質，造成了泉水的渾濁現(xiàn)象，這種現(xiàn)象持續(xù)時間也比較長。

魯甸地震后，筆者于2014年8月29日在龍頭山鎮(zhèn)進行了跨地震破裂帶的土壤氣Rn、H2、CO2、CH4、H2S、O2等氣體測量。結果顯示，在魯甸地震主斷層處，土壤氣氡的含量（1.52× 105Bq／m3）明顯高于斷層兩側（約350m）（4個測點平均值為5.13×104Bq／m3），同時在地表破裂帶上觀測到H2濃度高達45ppm，而離開破裂帶的測點則沒有觀測到H2（濃度小于儀器檢出限1ppm），進一步證明了強震的地表破裂帶上存在深部流體活動的信息（Zhou et al．，2010）。

4　結論

（1）各階段地下流體異常時空演化特征，為有效識別地震危險區(qū)和提出臨震預測意見積累了經驗。魯甸地震地下流體的長期和中期趨勢背景異常觀測點，絕大多數分布在距震中300～500km范圍，而群體性短期趨勢異常、臨震異常和宏觀異常，集中于震中區(qū)100km范圍內，突出的宏微觀地下流體異常出現(xiàn)則在震前10～20d。盡管這種特征與目前觀測點的密度有一定關系，但對于震例總結仍具有重要參考意義。

（2）顯著的地下流體異常揭示了川滇地區(qū)強烈的構造活動特征。區(qū)域應力加載作用導致了深循環(huán)溫泉和井水溫升高、深部氣體逸出和承壓含水層井水位的突升。流體活動的混合作用和強烈的水巖反應，造成了地下水離子組分濃度升高和泉水渾濁等顯著宏觀異?，F(xiàn)象。

（3）在川滇交界東部地區(qū)，建設了一定密度的多測項地下流體觀測臺網，因此能夠在魯甸6.5級地震前獲得較多的地震前兆信息?；诂F(xiàn)場異常核實和地下流體異常信度分類的工作，排除可能的干擾因素，對提高強化震情跟蹤工作效能具有重要作用。

致謝云南省地震局高文斐提供相關資料。云南省地震局谷一山、高文斐，昭通市防震減災局申玻、徐家金，巧家縣防震減災局王向梅，涼山州防震減災局段澤普、代放，以及相關市縣臺站工作人員一同參加了魯甸地震地下流體的科學考察工作，一并表示感謝。同時感謝審稿專家對本文提出的寶貴意見。

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Abstract

We summarized the fluid anomalies associated with the Ludian MS6.5 earthquake based on the Sichuan and Yunnan earthquake network observations and field survey．The fluid anomalies were divided into long-term，medium-term，short-term，imminent and macroscopic anomalies according to the basic principles of earthquake forecasting．The long-term and medium-term anomalies distributed mainly in the range 300～500km away from the epicenter．By contrast，the short term，imminent and macroscopic anomalies clustered in an epicentral distance less than 100km．The underground fluid anomalies in the higher station density area reflect the enhancement of fluid movement，which are conducive to determine the seismic risk area and trace the short-term precursor of earthquake．The regional stress variations may cause the fractures in a fault zone open and close，leading to the change of water level and temperature in boreholes or spring and emission of deep-sourced gases．It may also lead to intense water-rock reaction and groundwater intrusion，resulting in the change of ion contents in groundwater，or sometimes，the occurrence of significant macroscopic anomalies．Therefore，it is highly possible to obtain reliable earthquake precursor information for predicting the forthcoming earthquake risk zone in the region with dense observation stations．

UNDERGROUND FLUID ANOMALIES AND THE PRECURSOR MECHANISMS OF THE LUDIAN MS6.5 EARTHQUAKE

LIU Yao-wei1）REN Hong-wei1）ZHANG Lei1，2）FU Hong3）SUN Xiao-long1）HE De-qiang4）YU Huai-zhong5）ZHOU Zhi-hua5）ZHANG Guo-meng1）
1）Key Laboratory of Crustal Dynamics，Institute of Crustal Dynamics，China Earthquake Administration，Beijing100085，China
2）Institute of Geophysics，China Earthquake Administration，Beijing100081，China
3）Yunnan Earthquake Administration，Kunming650224，China
4）Zhaotong Earthquake Prevention and Disaster Reduction Administration，Zhaotong657000，China
5）China Earthquake Networks Center，Beijing100045，China

Ludian MS6.5 earthquake，underground fluid，anomaly information，precursor mechanism，earthquake survey

P315．72＋3

A文獻標識碼：0253－4967（2015）01－0307－12

10．3969／j．issn．0253－4967．2015．01．024

劉耀煒，男，1957年生，研究員，主要研究方向為地下流體動力學與地震監(jiān)測預報，電話：010－62911045，E－mail：liuyw20080512＠126．com。

2014－11－03收稿，2015－01－23改回。

中國地震局“云南魯甸6.5級地震專題研究”項目資助。

任宏微，電話：010－62842631，E－mail：renhongweiwei＠163.com。