玉樹(shù)臺(tái)井水溫變化及其與青藏塊體周緣大地震間的關(guān)系

王博 馬玉川 馬玉虎

1）中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京市西城區(qū)三里河南橫街5號(hào) 100045

2）青海省地震局，西寧 810001

0 引言

基于板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)或斷層面錯(cuò)動(dòng)所引起的地震現(xiàn)象，從理論上講，都應(yīng)能觀測(cè)到地下物質(zhì)某種程度的變化，這也是地震前兆觀測(cè)研究的基礎(chǔ)，地下水即是存在于地殼介質(zhì)中能較靈敏地反映地殼應(yīng)力變化的物質(zhì)。隨著對(duì)地震孕育過(guò)程研究的不斷深入，關(guān)于地下水溫度變化與地震間關(guān)系的研究也越來(lái)越引起研究者的關(guān)注。

我國(guó)地震前兆觀測(cè)研究已有50年歷史，高精度水溫觀測(cè)也開(kāi)展了30多年。地震前后水溫變化現(xiàn)象在以往的研究中多有涉及，在這些研究中，有的集中研究地震引起的水溫同震變化（楊竹轉(zhuǎn)等，2007；張彬等，2013）；有的對(duì)水溫變化的可能機(jī)理進(jìn)行了分析（孫小龍等，2006；石耀霖等，2007）；也有的對(duì)地震前水溫觀測(cè)曲線形態(tài)及變化幅度等進(jìn)行了分析（魚(yú)金子等，1997；劉耀煒等，2008；車用太等，2014），但對(duì)水溫觀測(cè)資料在地震前的變化特征研究較少，尤其是缺少同一觀測(cè)臺(tái)對(duì)特定區(qū)域的前兆變化指示性研究。

本文選取玉樹(shù)臺(tái)水溫井作為研究對(duì)象主要基于2個(gè)方面的考慮，一是玉樹(shù)臺(tái)觀測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)質(zhì)量較好，且地理位置偏遠(yuǎn)，基本不受人為活動(dòng)干擾；二是青藏高原地區(qū)是我國(guó)最大的地震活動(dòng)區(qū)，也是地震活動(dòng)最強(qiáng)烈、大地震頻發(fā)的地區(qū)，在青藏塊體及周緣發(fā)生的多次大地震（包括汶川、玉樹(shù)地震）之前，玉樹(shù)井水溫資料都存在較為相似的形態(tài)變化特征（何案華等，2012），故對(duì)玉樹(shù)臺(tái)水溫震前異常變化與周邊大地震間的關(guān)系進(jìn)行分析，可為前兆觀測(cè)研究積累一些經(jīng)驗(yàn)。

1 觀測(cè)井孔概況

玉樹(shù)臺(tái)（33.01°N，97.02°E）位于青海省玉樹(shù)藏族自治州結(jié)古鎮(zhèn)，所在區(qū)域地處巴顏喀拉山南麓及唐古拉山東端，山脈呈NW-ES向展布，以密集發(fā)育的NWW走向并向NE凸起的弧形右旋走滑斷裂為主，主要斷裂構(gòu)造有東昆侖斷裂、達(dá)日斷裂、甘孜-玉樹(shù)-風(fēng)火山斷裂帶等（圖1）。該區(qū)強(qiáng)烈的新構(gòu)造活動(dòng)不僅控制了本區(qū)的地貌形態(tài)，而且與區(qū)域構(gòu)造線方向一致，地震活動(dòng)十分頻繁。故該臺(tái)對(duì)于監(jiān)測(cè)青、川、藏交界地區(qū)的地震活動(dòng)具有重要意義。

圖1 玉樹(shù)臺(tái)位置及研究區(qū)內(nèi)M W＞6.5地震分布

玉樹(shù)水溫觀測(cè)井井深105m，孔口標(biāo)高3725m。地面至其下0.4m間以粉土為主，夾有小礫石等；0.4～3.6m以碎石為主，骨架顆粒呈交錯(cuò)式排列，成分主要為花崗巖、石英巖，中等風(fēng)化，粒徑一般20～90mm，棱角狀，充填物為礫砂，含大量泥質(zhì)；3.6m以下為花崗巖，具細(xì)品結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要成分為石英，含長(zhǎng)石、云母等礦物，巖性完整、堅(jiān)硬，地下81m處見(jiàn)裂隙水，井孔套管深度11m，探頭深度100m。

2 觀測(cè)數(shù)據(jù)

2.1 水溫

玉樹(shù)臺(tái)水溫觀測(cè)使用SZW-1A型數(shù)字式石英溫度計(jì)，其分辨率為0.0001℃，觀測(cè)精度優(yōu)于0.05℃，短期變化小于0.0001℃／d，長(zhǎng)期變化小于 0.001℃／a，傳感器耐壓性大于 10MPa，采樣頻率為1次／min。玉樹(shù)臺(tái)自2007年8月開(kāi)始觀測(cè)水溫，除了儀器探頭維修及更換的時(shí)段外，其他時(shí)段內(nèi)水溫觀測(cè)資料連續(xù)，整體觀測(cè)較好。因儀器維修或更換而導(dǎo)致數(shù)據(jù)空缺的時(shí)段為2009年2月6日～4月9日、2009年6月21～25日、2012年6月12日～2013年 7月19日。2012年6月12日儀器探頭損壞，更換同類型備用儀器，經(jīng)儀器重新標(biāo)定后，改正后的多年水溫觀測(cè)曲線如圖2所示。

圖2 玉樹(shù)臺(tái)井水溫觀測(cè)數(shù)據(jù)

2.2 研究區(qū)內(nèi)地震

青藏高原是中國(guó)現(xiàn)代新構(gòu)造活動(dòng)與地震活動(dòng)最強(qiáng)烈的地區(qū)（鄧起東等，2002），青藏高原從南緣喜馬拉雅板塊邊界構(gòu)造帶北至北緣河西走廊的廣大地區(qū)，自有歷史記載以來(lái)已發(fā)生8.0級(jí)以上地震18次，7.0～7.9級(jí)地震100余次，其中，8.0級(jí)以上地震全部發(fā)生在喜馬拉雅板塊邊界構(gòu)造帶、青藏?cái)鄩K區(qū)邊界構(gòu)造帶及板內(nèi)次級(jí)斷塊的邊界活動(dòng)構(gòu)造帶上，且具有分布廣、頻度高、強(qiáng)度大、震源淺的特點(diǎn)（鄧起東等，2014）。

青藏塊體是我國(guó)板內(nèi)6個(gè)I級(jí)塊體之一，也是中國(guó)地震活動(dòng)最為強(qiáng)烈的塊體。喜馬拉雅板塊邊界構(gòu)造帶為其南部邊界，青藏塊體內(nèi)又分為Ⅱ級(jí)塊體，分別為拉薩、羌塘、巴顏喀拉、東昆侖-柴達(dá)木、祁連等塊體（張培震等，2003）。本研究中對(duì)青藏高原的分塊即采用了張培震等（2003）的研究結(jié)果，具體范圍為 25°～40°N、75°～105°E，地震目錄及震源機(jī)制解均采用哈佛大學(xué)目錄（http：／／www.globalcm t.org／）（Dziewonski et al，1981；Ekstr?m et al，2012），時(shí)間調(diào)整為北京時(shí)間。2007年9月～2015年10月上述區(qū)域共發(fā)生9次 MW＞6.5地震，詳見(jiàn)圖 1、表 1。

表1 研究區(qū)內(nèi)地震

3 水溫異常及其與地震間的關(guān)系

3.1 水溫多年及震前短期變化

水溫的多年觀測(cè)資料表明，玉樹(shù)臺(tái)井水溫呈穩(wěn)定的小幅上升變化。由2008～2015年同期觀測(cè)資料的對(duì)比可見(jiàn)（圖3），水溫觀測(cè)值呈逐年增大的趨勢(shì)，2010年之前年增幅較大，2010～2012年增幅較小。這種水溫逐年上升的趨勢(shì)性變化在我國(guó)其他地區(qū)的多口地震地下流體觀測(cè)井中也被觀測(cè)到（馬玉川等，2015）。以往的研究認(rèn)為，井水溫的多年趨勢(shì)性變化，可能是由觀測(cè)儀器存在的“零飄”所致（車用太等，2013），但也不排除氣溫逐年升高的可能性。扎西尼瑪?shù)龋?009）通過(guò)對(duì)玉樹(shù)地區(qū)近50年氣溫資料的分析得出，年平均氣溫以0.23℃／10a的速度升高，該變化速率與本文中玉樹(shù)臺(tái)觀測(cè)井水溫的上升速率（約0.03℃／a）較接近。此外，在我國(guó)其他地區(qū)也觀測(cè)到了類似的氣溫逐年上升的現(xiàn)象（施能等，2001；于淑秋等，2003），雖然沒(méi)有證據(jù)表明100m深的地溫變化與大氣溫度變化間有直接聯(lián)系，但它們的熱量來(lái)源應(yīng)都為地球內(nèi)部放射性元素產(chǎn)生的熱以及太陽(yáng)輻射熱，前述觀測(cè)事實(shí)或許表明兩者間有一定的關(guān)聯(lián)性。

圖3 玉樹(shù)臺(tái)井水溫逐年對(duì)比觀測(cè)曲線（時(shí)值）

玉樹(shù)臺(tái)井水溫多年觀測(cè)曲線共出現(xiàn)5次明顯起伏變化，即2007年10月4～13日、2008年3月21～27日、2009年 11月 24～29日、2010年 1月 23日～2月 2日的下降變化，以及2015年3月13～17日的上升變化。除2009年11月24～29日的變化沒(méi)有大震對(duì)應(yīng)外（該變化與后面的另一次變化時(shí)間上較為接近），其它幾次起伏變化與研究時(shí)段內(nèi)的7.0級(jí)以上地震均對(duì)應(yīng)較好（表2）。

將每次異常出現(xiàn)前、后31天的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析可知（圖4），除2015年4月25日尼泊爾MW7.9地震以外，其它幾次地震前玉樹(shù)臺(tái)井水溫觀測(cè)曲線都出現(xiàn)非常類似的下降-緩升變化形態(tài)，下降幅度為0.018～0.029℃。何案華等（2012）曾對(duì)該臺(tái)井水溫異常出現(xiàn)前、后約20天的數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)相關(guān)性分析，得到的相關(guān)系數(shù)均大于0.95，這表明異常曲線的變化形態(tài)具有高度相似性，僅在幅度上存在一定的差異。2015年4月25日尼泊爾 MW7.9地震前，玉樹(shù)臺(tái)井水溫變化與以往相比呈不同形態(tài)，具體表現(xiàn)為快速上升，并且異常持續(xù)時(shí)間較短，僅為5天。對(duì)于這種變化是否與地震震中位置和震源機(jī)制解等有關(guān)，由于研究樣本較少，不能給出定論。但在所有對(duì)應(yīng)較好的震例中，除玉樹(shù)地震之外，其他3次7.0級(jí)以上地震都分布在中國(guó)Ⅰ級(jí)構(gòu)造塊體邊緣地區(qū)，表明玉樹(shù)臺(tái)井水溫對(duì)Ⅰ級(jí)構(gòu)造塊體邊緣的大地震有較好的響應(yīng)。

表2 玉樹(shù)臺(tái)井水溫異常變化與大地震間的關(guān)系

為探究玉樹(shù)臺(tái)井水溫對(duì)中等地震響應(yīng)的靈敏性，筆者分析了2007年8月1日～2015年10月 31日青海及鄰區(qū)（32°～40°N，90°～102°E）31次MS≥5.0地震。除2009年12月 21日青海德令哈5.0級(jí)地震前出現(xiàn)了與2009年11月24～29日類似的下降變化外，其他地震前玉樹(shù)臺(tái)井水溫均無(wú)異常。由此可見(jiàn)，玉樹(shù)臺(tái)井水溫對(duì)周邊中等及以下地震的前兆響應(yīng)并不靈敏，但對(duì)青藏高原及周邊強(qiáng)震的前兆響應(yīng)較好，且對(duì)應(yīng)性也較好。這很可能表明大震前兆響應(yīng)的區(qū)域相關(guān)性以及大的構(gòu)造塊體邊界的特殊性，即表現(xiàn)為一定的場(chǎng)兆信息（車用太等，1997）。

3.2 異常變化與震級(jí)、井震距間的關(guān)系

由上述4次變化的水溫變化幅度與震級(jí)、井震距間的關(guān)系可見(jiàn)（表2），水溫變化幅度與震級(jí)間并沒(méi)有較好的線性關(guān)系，但隨著井震距的減小，水溫變化幅度明顯增大。但是由于樣本量很小，該結(jié)論還有待更多類似變化的檢驗(yàn)。如果上述結(jié)論正確的話，則玉樹(shù)臺(tái)井水溫變化幅度的大小對(duì)未來(lái)地震地點(diǎn)的判定具有較好的指示意義，即如果玉樹(shù)臺(tái)井水溫變化幅度較大，則地震發(fā)生地點(diǎn)可能距玉樹(shù)井較近；反之，則地震發(fā)生地點(diǎn)可能距玉樹(shù)井較遠(yuǎn)。

由異常變化開(kāi)始距地震發(fā)生的時(shí)間與震級(jí)、井震距間的關(guān)系可見(jiàn)，異常從出現(xiàn)到發(fā)震的時(shí)間與井震距間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系并不顯著，但從與震級(jí)間的關(guān)系來(lái)看，震級(jí)較大的地震通常在異常出現(xiàn)后很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生，譬如，2008年5月12日汶川MW7.9地震前，異常從出現(xiàn)最大變化到地震發(fā)生只有46天；2015年4月25日尼泊爾MW7.9地震前，只有39天。從局限于本文統(tǒng)計(jì)的結(jié)果來(lái)看，異常變化起始時(shí)間與地震震級(jí)間可能有較好的相關(guān)性。

由此，根據(jù)玉樹(shù)井水溫變化幅度和異常出現(xiàn)的時(shí)間，似可以分別對(duì)地震發(fā)生的地點(diǎn)和震級(jí)作較好的判定，從而明確玉樹(shù)井水溫變化的前兆指示意義，為判定青藏塊體及周邊地區(qū)大震提供流體前兆依據(jù)。

3.3 異常變化分析

在一定深度下，溫度受太陽(yáng)輻射的影響會(huì)變得很小，觀測(cè)井的溫度主要取決于地球由內(nèi)部向外部的熱釋放，而對(duì)于含水的觀測(cè)井，井-含水層中水體的流動(dòng)會(huì)對(duì)水溫產(chǎn)生一定的影響，故一些觀測(cè)井的水溫與水位間相關(guān)性較好。2014年6月，玉樹(shù)臺(tái)開(kāi)始水位觀測(cè)，但前期水位測(cè)值不穩(wěn)定，由2015年1～9月玉樹(shù)臺(tái)井水位、水溫觀測(cè)數(shù)據(jù)可見(jiàn)（圖5），水位顯示較好的固體潮形態(tài)，表明該井承壓性較好，但水溫變化與水位變化間的相關(guān)性不好。對(duì)于觀測(cè)井中水溫變化的原因，車用太等（2008）總結(jié)出了3種可能的作用機(jī)制，即含水層受力變形引起的水流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的熱對(duì)流作用、觀測(cè)井所在地區(qū)大地?zé)崃鞯纳嫌孔兓鄬踊顒?dòng)產(chǎn)生的摩擦熱作用等。玉樹(shù)臺(tái)井水溫在多次地震前的變化，很可能表明了應(yīng)力的緩慢變化過(guò)程，由于裂隙出現(xiàn)在80m左右，而水溫探頭放置在100m處，故當(dāng)應(yīng)力發(fā)生變化、井底下部水有微弱流動(dòng)時(shí)，或水平向水流速度遠(yuǎn)大于垂向時(shí)，部分水從裂隙流出，引起局部熱交換，導(dǎo)致水溫發(fā)生變化，但水位并未隨之改變。對(duì)這種由水溫探頭置深不同所引起的同井水位、水溫觀測(cè)曲線的對(duì)比已有報(bào)道（楊竹轉(zhuǎn)，2011；張慧等，2013）。由玉樹(shù)臺(tái)成井時(shí)實(shí)測(cè)水溫隨探頭埋深的變化可見(jiàn)（圖6），在觀測(cè)井深度范圍內(nèi)，隨著深度的增加，地下水溫度逐漸降低，在80m深之下，溫度變化幅度逐漸減小。依此，則玉樹(shù)井在多次地震前出現(xiàn)的水溫下降-回返過(guò)程可能表明探頭下方存在部分低溫水的混合，推測(cè)在于田、汶川、玉樹(shù)等地震前玉樹(shù)附近地區(qū)受擠壓作用；而在尼泊爾地震前，水溫出現(xiàn)的上升變化或許表明附近地區(qū)受拉張作用。

圖5 2015年玉樹(shù)臺(tái)觀測(cè)曲線

4 結(jié)論與討論

在青藏塊體及周邊多次大地震之前，玉樹(shù)臺(tái)井水溫都出現(xiàn)較為顯著的、呈重復(fù)性的前兆短臨異常變化。玉樹(shù)臺(tái)井水溫具有逐年小幅上升的特點(diǎn)，對(duì)周邊中等地震響應(yīng)并不靈敏，但對(duì)青藏塊體及周緣地區(qū)MW≥7.0地震響應(yīng)較為靈敏，在震前1～2個(gè)月到半年時(shí)間，會(huì)出現(xiàn)較為明顯的幅度約為0.02℃的異常變化。

玉樹(shù)臺(tái)井水溫異常變化幅度與井震距間有較好的線性關(guān)系。井震距越小，水溫變化幅度越大，故由水溫變化幅度可較好地推斷地震發(fā)生地點(diǎn)的遠(yuǎn)近。

水溫異常從開(kāi)始出現(xiàn)到地震發(fā)生的時(shí)間與地震震級(jí)間有較好的相關(guān)性，震級(jí)越大，從異常出現(xiàn)到地震發(fā)生的時(shí)間間隔越短。

本文通過(guò)對(duì)玉樹(shù)臺(tái)井水溫在青藏塊體及周緣地區(qū)幾次大地震前的異常變化進(jìn)行分析認(rèn)為，兩者具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。但地震前兆研究是一個(gè)較為復(fù)雜的過(guò)程，尤其是水溫前兆機(jī)理的研究仍存在很多不確定性。受限于觀測(cè)數(shù)據(jù)和周邊大地震次數(shù)，本文統(tǒng)計(jì)樣本較少，因此對(duì)玉樹(shù)臺(tái)井水溫的大震前變化特征仍有待更多的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證。一般來(lái)說(shuō)，水溫變化的原因有2個(gè)方面：一是介質(zhì)中水的運(yùn)移引起不同溫度水的混合；二是由于介質(zhì)受力狀態(tài)變化引起的，前人通過(guò)對(duì)理想材料和巖石樣本的實(shí)驗(yàn)研究得出，體應(yīng)變等會(huì)引起巖石介質(zhì)溫度的增加，且在康定地溫的觀測(cè)研究中得出應(yīng)力調(diào)整引起溫度變化的結(jié)論（陳順云等，2009、2013）。由于玉樹(shù)臺(tái)在成井時(shí)并沒(méi)有水位的同步觀測(cè)，所以，玉樹(shù)臺(tái)井水溫變化的具體原因仍有待水位資料的積累及更多的研究工作。但對(duì)玉樹(shù)臺(tái)井水溫震前典型異常變化的研究，可明確該變化特征作為前兆異常的可靠性，進(jìn)而為其他水溫觀測(cè)提供參考，也可為青藏塊體及周緣大地震的發(fā)生提供流體判定依據(jù)。

圖6 玉樹(shù)臺(tái)水溫梯度

致謝：中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所何案華在水溫?cái)?shù)據(jù)改正方面提供了幫助，青海省地震局楊曉霞提供了玉樹(shù)臺(tái)井孔的部分資料，兩位審稿人對(duì)本文的修改提出了較好建議，在此一并致謝。