祁連—西秦嶺地震帶流體異常震例分析

趙小茂 竇瑪麗 張國強(qiáng) 王 新 方 煒

（中國西安710068陜西省地震局）

祁連—西秦嶺地震帶流體異常震例分析

趙小茂 竇瑪麗 張國強(qiáng) 王 新 方 煒

（中國西安710068陜西省地震局）

總結(jié)1980—2010年祁連—西秦嶺地震帶地下流體有關(guān)震例，對地下流體前兆異常特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。發(fā)現(xiàn)：祁連—西秦嶺地震帶地震異常以原始曲線方法提取出的高值、化學(xué)量、中期異常為主；流體異常持續(xù)時(shí)間與震中距成負(fù)相關(guān)關(guān)系，即異常最先出現(xiàn)在與地震較近的臺站。

祁連—西秦嶺地震帶；地下流體；震例；統(tǒng)計(jì)研究

0 引言

對地下流體震例的記載，可以追溯到遠(yuǎn)古時(shí)代，早在公元前約23世紀(jì)就有“三苗欲滅時(shí)，地震泉涌”的記載，1990年前西漢綏和二年陜西、甘肅和山西一帶地震，有“水出地動(dòng)”之說。公元408年“廣固地震，天各水涌”，“井水溢，汝水竭”（《太平御覽》）。1100年（宋哲宗元符三年）安徽歙縣一帶地震，據(jù)《新安志》記載，黃山第四峰下有泉沸如湯，出得溪中，號朱砂湯。明、清以來，有關(guān)地震前后地下水、氣異常變化的記載更加詳盡。1556年陜西華縣關(guān)中大地震，“地震前數(shù)日，豐渭水溢，巨魚甚多”，“關(guān)中大地震，河水漲，井水溢”，“卑濕之地，地裂泉涌高丈余，因而井竭，洛渭可涉”等。

地下流體觀測的物理量明確，觀測方法簡單直觀，能靈敏反映巖體的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)變化，是地震監(jiān)測預(yù)報(bào)中重要的觀測手段，記錄的地震前兆信息豐富。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國歷史地震資料所記載的地震前兆異?，F(xiàn)象共計(jì)1 160條目，其中地下水、氣的異常約占50%以上，可見流體異常在地震前兆異常中占有重要地位，總結(jié)地下流體的前兆異常特征，對提高流體異常的認(rèn)識和把握，乃至提高地震預(yù)測水平具有重要意義。

西秦嶺斷裂帶與祁連構(gòu)造帶地處青藏塊體北東緣，受青藏塊體持續(xù)推擠作用，構(gòu)造變形復(fù)雜，強(qiáng)震活躍。諸多研究者從地震前兆、活動(dòng)性等方面進(jìn)行研究，如：張新基等（2005）系統(tǒng)分析2003年民樂—山丹M 6.1地震前地下流體異常場時(shí)空分布及演化特征，指出震前流體前兆場具有異常時(shí)間長、異常項(xiàng)次多、異常范圍大的特征。袁道陽等（2004）分析了青藏高原東北緣所在的柴達(dá)木—祁連活動(dòng)地塊內(nèi)晚第四紀(jì)活動(dòng)構(gòu)造特征，指出在區(qū)域北東向構(gòu)造應(yīng)力作用下，塊體發(fā)生NE向擠壓縮短、順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)和SEE向擠出等構(gòu)造變形。本文統(tǒng)計(jì)祁連—西秦嶺斷裂帶發(fā)生的地震，分析地下流體異常特征，以期揭示異常與地震活動(dòng)的關(guān)系，為今后相關(guān)地震分析提供參考。

1 區(qū)域地震地質(zhì)構(gòu)造

選取祁連—西秦嶺地震帶及臨近地區(qū)是中國地震多發(fā)區(qū)（圖1），區(qū)內(nèi)有多條斷裂帶。西秦嶺斷裂帶是青藏高原東北部一條大型走滑活動(dòng)斷裂帶，晚新生代以來以左旋走滑為主，兼有傾滑分量。斷裂帶東端與秦嶺北緣斷裂相連，往西經(jīng)天水、武山、漳縣至臨夏以西，走向大致為NWW向，長達(dá)470km（李傳友等，2007）。西秦嶺北緣斷裂由6條次級斷裂組成，從東往西分別為寶雞—天水?dāng)嗔选⑻焖P凰山斷裂、武山斷裂、漳縣斷裂、黃香溝斷裂和鍋麻灘斷裂。

祁連地震帶呈北西向展布在青藏高原塊體的東北緣區(qū)，由一系列深大活動(dòng)斷裂帶組成（張新基等，2005），主要表現(xiàn)為擠壓逆沖和左旋走滑運(yùn)動(dòng)，歷史上發(fā)生10多次7級以上強(qiáng)震或大震，如1920年海原8.5級、1927年古浪8級和1932年昌馬7.6級地震。近年來，該地震帶中強(qiáng)地震活動(dòng)頻繁。

圖1 祁連—西秦嶺構(gòu)造帶Fig.1 Regional location of the Qilian-western Qinling tectonic belt

2 地下流體動(dòng)態(tài)分類

從地震監(jiān)測和預(yù)測角度，地下流體觀測數(shù)據(jù)具有正常和異常動(dòng)態(tài)。正常動(dòng)態(tài)指無地震活動(dòng)時(shí)段的數(shù)據(jù)變化；異常動(dòng)態(tài)指有地震活動(dòng)時(shí)段的震兆異常。然而，無地震活動(dòng)時(shí)流體動(dòng)態(tài)未必都正常，有地震活動(dòng)時(shí)也未必都異常。嚴(yán)格地說，正常動(dòng)態(tài)指無震活動(dòng)時(shí)段，在無干擾情況下表現(xiàn)出的規(guī)律變化；異常動(dòng)態(tài)指有震活動(dòng)時(shí)段，在無干擾情況下表現(xiàn)出的與地震孕育和發(fā)生過程有關(guān)的變化。由此可知地下流體觀測資料存在干擾動(dòng)態(tài)，指在特定地點(diǎn)、特定時(shí)段，在特定因素干擾下出現(xiàn)的特殊動(dòng)態(tài)，還有一些成因不明的動(dòng)態(tài)。因此，從實(shí)用角度，地下流體動(dòng)態(tài)可分為正常動(dòng)態(tài)、干擾動(dòng)態(tài)、異常動(dòng)態(tài)和成因不明的動(dòng)態(tài)（車用太等，2004）。由于異常形態(tài)各異，為便于統(tǒng)計(jì)，本文從異常測項(xiàng)、持續(xù)時(shí)間、

形態(tài)及異常持續(xù)時(shí)間與震中距關(guān)系4個(gè)方面進(jìn)行分類。

3 地下流體異常震例

祁連—西秦嶺斷裂帶及附近地區(qū)多次發(fā)生中強(qiáng)地震，在此列舉幾個(gè)研究者對相關(guān)地震水氡、氣汞測項(xiàng)的分析結(jié)果，揭示該地區(qū)地下流體異常特征。

（1）水氡異常震例。劉耀煒等（1998）使用40個(gè)地下流體觀測點(diǎn)的資料，對1990年4月26日青海共和M 7.0地震的前兆動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行系統(tǒng)研究（圖2），指出震源240 km范圍內(nèi)水氡為中短期趨勢上升異常，表現(xiàn)為由震源逐漸向外圍擴(kuò)散的特點(diǎn)，在短臨階段，各測點(diǎn)水氡異常變化基本同步。楊興悅等（2006）利用從屬函數(shù)法，對1984—2003年武山22號井水氡資料進(jìn)行分析。共提取5次從屬函數(shù)中期異常，其中4次對應(yīng)甘肅及鄰區(qū)發(fā)生的MS≥5.8地震（圖3）。

圖2 共和7.0級地震前后水氡月均值異常（據(jù)劉耀煒）Fig.2 Anomaly of mean monthly values of water radon before and after the Gonghe MS7.0 earthquake (Liu Yaowei,1998)

圖3 武山22號井水氡異常從屬曲線（據(jù)楊興悅）Fig.3 Water radon anomaly for Wushan No.22 well (Yang Xingyue,2006)

（2）氣汞異常震例。趙小茂等（2010）研究了汶川地震前周至井氣汞的異常特征，指出該井距汶川8.0級地震震中約560 km，汶川8.0級大地震及余震期間，陜西省周至氣汞出現(xiàn)3次同一類型的異常形態(tài)（圖4）。異常主要特征為，主震前12天氣汞測值出現(xiàn)快速下降過程，降幅9%，而在隨后幾個(gè)月龍門山斷裂北段的2組余震前，異常出現(xiàn)時(shí)間均為震前3天，下降幅度均為15%。結(jié)合地震活動(dòng)與氣汞的異常形態(tài)特征，陜西省地震局流體學(xué)科組對2008年9月12日第3組余震進(jìn)行了較好預(yù)測。

圖4 2008年汶川8.0級地震期間周至井氣汞整點(diǎn)值曲線Fig.4 Hourly air radon values recorded by Zhouzhi well during the 2008 Wenchuan MS8.0 earthquake

4 研究區(qū)地下流體異常特征

整理1980—2010年祁連—西秦嶺地震帶及鄰近地區(qū)地下流體震例，統(tǒng)計(jì)1980—2010年各期刊發(fā)表的相關(guān)研究成果120例，其中涉及42個(gè)地震事件，64個(gè)地下流體測點(diǎn)，包括水位、水溫、流量、水（氣）氡、水（氣）汞、水溶氣等流體測項(xiàng)。選取其中17個(gè)震例列表，具體參數(shù)見表1。

表1 祁連—西秦嶺地震帶及鄰近地區(qū)流體異常特征Table 1 Characteristics of the groundwater anomaly in the Qilian-western Qinling seismic belt and surrounding regions

對于統(tǒng)計(jì)的120個(gè)異常，從異常測項(xiàng)、持續(xù)時(shí)間、形態(tài)及異常持續(xù)時(shí)間與震中距關(guān)系4個(gè)方面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表2、表3、表4、圖5。

（1）測項(xiàng)統(tǒng)計(jì)。根據(jù)地震行業(yè)分類，He、CO2、H2、CH4、氣體總量統(tǒng)稱為水溶氣，與水（氣）氡、水（氣）汞作為化學(xué)測項(xiàng)，而水位、水溫、流量作為物理測項(xiàng)，統(tǒng)計(jì)各測項(xiàng)出現(xiàn)數(shù)量，見表2。

表2 祁連—西秦嶺地震帶流體異常測項(xiàng)統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics for anomalous categories in groundwater of the Qilian-western Qinling seismic belt

由表2可見，研究區(qū)域內(nèi)異常測項(xiàng)以水（氣）氡異常為主，占整體異常的66%。其中物理測項(xiàng)以水位異常為主，化學(xué)測項(xiàng)以水氡異常為主。

（2）異常持續(xù)時(shí)間統(tǒng)計(jì)。依據(jù)《地震預(yù)報(bào)管理?xiàng)l例》（中華人民共和國國務(wù)院令第255號），對所收集的震例從時(shí)間尺度上進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，即：長期預(yù)報(bào)時(shí)段為10年內(nèi)，中期預(yù)報(bào)為2年內(nèi)，短期預(yù)報(bào)為3個(gè)月內(nèi)，臨震預(yù)報(bào)為10天內(nèi)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

表3 祁連—西秦嶺地震帶流體異常時(shí)間統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of anomalous time in groundwater of the Qilian-western Qinling seismic belt

對祁連—西秦嶺地震帶流體異常持續(xù)時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，異常以中、短期異常為主，共98項(xiàng)，占區(qū)域內(nèi)整體異常的82%，其中短期異常最多，占整體異常的46%。

（3）異常形態(tài)分類。流體異常形態(tài)多樣，為便于統(tǒng)計(jì)，將異常形態(tài)按低值、高值、破年變3類進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，以高值異常為主，低值異常次之，破年變異常最少，其中高值異常100項(xiàng)，占整體異常的60%（表4）。

表4 祁連—西秦嶺地震帶流體異常形態(tài)統(tǒng)計(jì)Table 4 Abnormal patterns in groundwater of the Qilian-western Qinling seismic belt

（4）異常持續(xù)時(shí)間與震中距的關(guān)系。將異常持續(xù)時(shí)間進(jìn)行排序，并與震中距進(jìn)行對比（圖5），可以看出，異常持續(xù)時(shí)間越長，震中距越小。反之，可以理解為異常最先出現(xiàn)在震源區(qū)附近，隨著時(shí)間的增加，異常有向外擴(kuò)散的趨勢。這一分析結(jié)果與1990年4月26日青海共和M 7.0地震的前兆動(dòng)態(tài)特征（劉耀煒等，1998）結(jié)果一致（圖4）。

圖5 祁連—西秦嶺地震帶流體異常持續(xù)時(shí)間與震中距關(guān)系Fig.5 Relationship between epicentral distance and duration of groundwater anomalies in Qilian-western Qinling seismic belt

5 結(jié)束語

地震預(yù)報(bào)科學(xué)本質(zhì)是觀測科學(xué)，預(yù)報(bào)水平的提高主要取決于臺網(wǎng)獲取地震信息的能力（汪成民，2005）。在人們努力向物理預(yù)報(bào)探索的過程中，震例總結(jié)在當(dāng)前經(jīng)驗(yàn)性預(yù)報(bào)中仍起著重要的作用。整理并統(tǒng)計(jì)祁連—西秦嶺地震帶1980—2010年有關(guān)流體資料前兆異常120項(xiàng)，發(fā)現(xiàn)該地震帶流體異常以高值異常、水（氣）氡異常、短期異常為主，樣本數(shù)量有限，統(tǒng)計(jì)結(jié)果待豐富和完善。

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Research on earthquake cases based on underground fl uid in the Qilian-West Qinling seismic belt

Zhao Xiaomao，Dou Mali，Zhang Guoqiang，Wang Xin and Fang Wei
(Earthquake Administration of Shanxi Province,Xian,710068,China)

In this study,we attempt to statistically investigate and analyze the precursory characteristics of underground fluid base on researches of earthquake cases associated with underground fluid of the Qilian-West Qinling seismic belt from the year 1980 to 2010.The results reveal that the earthquake precursors are mainly high values,chemical amounts,and middle-term anomalies,which are retrieved from raw time series records.Meanwhile,statistical results of precursory time of underground fl uid show that precursory time scale are negatively related to epicentral distance,namely precursors always fi rstly occurred at geodynamic observatories which are closest to the epicenters.

Qilian-West Qinling seismic belt，underground fl uid，earthquake cases，statistical research

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.05.012

趙小茂（1976—），男，陜西三原人，高級工程師，主要從事地下流體相關(guān)研究工作

2015年度震情跟蹤定向工作任務(wù)（2015010410）；2016—2018年陜西省地震局啟創(chuàng)基金

本文收到日期：2014-12-10