江蘇鹽城鹽紡井地球化學(xué)異常信息提取及機理分析

祝濤 沈紅會 李鴻宇 田韜 繆阿麗 葉碧文

江蘇省地震局，南京 210014

0 引言

流體是地球形成與演化中的主要因素，是物質(zhì)運移和能量交換的重要途經(jīng)(車用太等，2006)。研究表明，地震前后區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場的變化會改變地下流體的循環(huán)體系，并造成流體間的混合或流體和巖石間的相互作用，導(dǎo)致地下流體化學(xué)組分的異常變化(高小其等，2002)。前人針對異常變化的提取進行了探索，并提出了一些分析方法。例如，和宏偉等(1999)以云南地區(qū)5級以上地震為研究對象，采用一階差分法對1987～1997年云南地區(qū)23個水氡觀測點的水氡觀測數(shù)據(jù)進行了處理，對應(yīng)率達到70%左右；范雪芳等(2002)總結(jié)了地下流體中期和中短期前兆異常的4種判定方法；葉秀薇(2004)利用從屬函數(shù)對粵閩地區(qū)地下流體與地震之間的關(guān)系進行了初步研究；楊興悅等(2011)利用從屬函數(shù)、變差率以及趨勢速率方法提取甘肅東南部水氡資料的地震前兆異常，獲得的異常信號很好地對應(yīng)了600km以內(nèi)5.0≤M≤8.0地震。此外，研究中常用到的方法還有高通濾波法、多項式擬合法、經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法、概率密度分布法等(邱澤華等，2010；鐘偉等，2006；Huang et al，1998；Manshour et al，2009、2010)。

長期以來，國內(nèi)外學(xué)者圍繞地震孕育、發(fā)展、發(fā)生與地下流體的關(guān)系進行了探索，提出了不同理論、模式來進行解釋。如，Scholz等(1973)提出了解釋地震成因的膨脹擴容模式，米雅奇金(1983)提出了巖石破壞的雪崩不穩(wěn)定裂隙形成模式，郭增建等(1973)提出了能量積累單元與調(diào)整單元構(gòu)成的組合模式。上述模式均在一定程度上解釋了某些大地震前出現(xiàn)的部分異?，F(xiàn)象。

本文采用從屬函數(shù)法和自適應(yīng)閾值法，對江蘇省鹽城市紡織廠井(以下簡稱鹽紡井)的Ca2+、Cl-濃度觀測資料進行分析，嘗試提取Ca2+和Cl-濃度在地震前的異常變化。

1 鹽紡井簡介

1.1 水文地質(zhì)概況

鹽紡井位于江蘇省鹽城市大慶中路，測項為Ca2+、Cl-濃度。觀測站周圍為第四系覆蓋層，覆蓋層厚度在千米以上，無基巖出露。測點地處鹽城斷裂西端，向北毗鄰NE向展布的洪澤-溝墩斷裂，以西靠近涇口-沙溝斷裂，向東為南黃海區(qū)內(nèi)NW向沿海岸線的濱海大斷裂。因此，臺站受4條斷裂形成的“口”字型構(gòu)造復(fù)合控制(圖1)。地下水類型為自流抽水井，采樣深度為600m以下，屬熱水井，水溫最高可達48℃；水質(zhì)類型為HCO3-Na型(表1)。臺站自1990年開始觀測，原始值為日值。

圖 1 鹽城紡織廠觀測站及周邊地質(zhì)構(gòu)造

表1 鹽紡井水化學(xué)特征(采樣時間：1986年5月20日)

1.2 離子測試方法

根據(jù)《地震水文地球化學(xué)觀測技術(shù)規(guī)范》(中國地震局，2014)，Ca2+濃度采用EDTA容量法測定，Cl-濃度采用硝酸銀容量法測定。

2 觀測資料選取和目標(biāo)地震的篩選

2.1 觀測資料的選取

本文主要分析該測點2007～2016年的月均值數(shù)據(jù)，Ca2+和Cl-濃度月均值原始曲線如圖2 所示，兩者含量具有一定的準(zhǔn)同步性。

圖 2 鹽紡井Ca2+(a)和Cl-(b)濃度月均值曲線

2.2 目標(biāo)地震的篩選

目標(biāo)地震選取震中距200km范圍內(nèi)ML≥4.0的地震，若一年內(nèi)在同一區(qū)域多次發(fā)生中強地震，則以震級較大的地震為主，最終選取的地震見表2。

表2 2007～2016年鹽紡井200km范圍內(nèi)ML4.0以上地震目錄

3 資料分析與異常提取

選取鹽紡Ca2+和Cl-離子2007～2016年的月均值為數(shù)據(jù)序列，依次用從屬函數(shù)和自適應(yīng)閾值等方法進行異常的提取與分析。

3.1 利用從屬函數(shù)法進行資料分析

(1)計算：從屬函數(shù)法公式為

(1)

(2)

其中，μi為從屬函數(shù)值；ki為觀測時間序列M(t)的斜率；γi為M(t)與t的相關(guān)系數(shù)；α為經(jīng)驗函數(shù)，由小到大進行選取，直至異常表現(xiàn)突出；擬合窗長為n=5；由于鹽紡井離子濃度上升為異常，因此只取ki>0的μi來描述，記作Vi。

(2)異常指標(biāo)：當(dāng)鹽紡離子濃度的從屬函數(shù)值V≥0.5時，視為異常。

(3)異常特征：在統(tǒng)計時間段內(nèi)，鹽紡井Ca2+離子濃度出現(xiàn)了6次異常，Cl-離子濃度出現(xiàn)了4次異常，異常特征及其對應(yīng)地震見圖3 和表3。

鹽紡井Ca2+離子濃度從屬函數(shù)異常持續(xù)時間最長為11個月，最短為3個月；鹽紡井Cl-離子濃度從屬函數(shù)異常持續(xù)時間最長為13個月，最短為3個月。異常的持續(xù)時間與震級之間沒有明顯的數(shù)量關(guān)系。

(4)對應(yīng)地震情況：在統(tǒng)計時間段內(nèi)，鹽紡井Ca2+離子的6次異常有4次對應(yīng)地震，對應(yīng)率為60%，漏報率為20%，虛報率為40%。鹽紡Cl-離子的4次異常均對應(yīng)地震，對應(yīng)率為100%，漏報率為20%，虛報率為0。

圖 3 鹽紡井Ca2+(a)和Cl-(b)濃度從屬函數(shù)曲線

表 3 鹽紡井Ca2+、Cl-濃度從屬函數(shù)異常特征及對應(yīng)地震

3.2 利用自適應(yīng)閾值法進行異常提取

(1)計算：自適應(yīng)閾值法公式為

(3)

(2)異常指標(biāo)：當(dāng)鹽紡離子濃度的自適應(yīng)閾值超過其2倍均方差時，視為異常。

(3)異常特征：在統(tǒng)計時間段內(nèi)，鹽紡井Ca2+離子、Cl-離子濃度均出現(xiàn)了5次異常，異常特征及其對應(yīng)地震見圖4 和表4。

圖 4 鹽紡井Ca2+(a)和Cl-(b)濃度自適應(yīng)閾值曲線

表 4 鹽紡井Ca2+、Cl-濃度自適應(yīng)閾值異常特征及對應(yīng)地震

注：間隔時間負(fù)號表示異常出現(xiàn)在地震之后。

鹽紡井Ca2+離子濃度自適應(yīng)閾值異常持續(xù)時間最長為3個月，最短為2個月；鹽紡井Cl-離子濃度從屬函數(shù)異常持續(xù)時間最長為6個月，最短為1個月。異常的持續(xù)時間與震級之間沒有明顯的數(shù)量關(guān)系。

(4)地震對應(yīng)情況：在統(tǒng)計時間段內(nèi)，鹽紡井Ca2+、Cl-離子濃度均出現(xiàn)5次異常，有4次異常發(fā)生后對應(yīng)地震，有1次異常發(fā)生在震后，對應(yīng)率為80%，漏報率為20%，虛報率20%。

4 鹽紡井Ca2+、Cl-映震機理討論

由于鹽紡井僅僅開展了Ca2+和Cl-離子觀測，沒有其它測項可以協(xié)助開展機理分析，相鄰地區(qū)也無其它流體觀測手段，因此，本文以2012年高郵ML5.3地震為例，以鹽城臺(距鹽紡井約10km)的波速比和地磁諧波振幅比為主要依據(jù)，使用膨脹擴容(DD)模式討論鹽紡井Ca2+和Cl-離子的映震機理。

4.1 鹽城臺波速比

利用2009年1月～2013年12月鹽城臺120km范圍內(nèi)的地震目錄資料，計算單臺波速比，計算方法為

(4)

式中，tPi為P波走時，Δti為P波和S波的走時差，i=1，2，…，n(n為每次地震到時的數(shù)據(jù)個數(shù))。

計算波速比的約束條件為：Δt≤15s，相關(guān)系數(shù)R≥0.95，波速比誤差估計σ≤0.05，震級下限ML1.5，選擇視窗18個月的窗口，逐月滑動時間窗，計算得到波速比(vP/vS)隨時間的變化。

圖 5為參與計算的地震分布情況，圖6 為波速比計算結(jié)果。由圖6 可見，在2012年7月20日高郵地震前，鹽城臺波速比出現(xiàn)了顯著的下降變化，并于震后迅速恢復(fù)，具體過程可以分為3個階段。第一階段(2010年8月～2011年2月)，隨著應(yīng)力的積累，新的微裂隙產(chǎn)生或原有裂隙擴張，巖體發(fā)生膨脹和擴容，波速比開始下降，巖體的擴容導(dǎo)致了本身的孔隙壓降低，孔隙中的流體呈現(xiàn)不飽和狀態(tài)，深部的鹵水開始滲入到裂隙中；第二階段(2011年3月～2012年6月)，由于鹵水的滲流速度較慢，因此波速比到達最低點后將在低值波動一段時間；第三階段(2012年7月～2012年8月)，隨著深部鹵水的滲入，巖體的孔隙壓和彈性模量增大，波速比回升，巖體加速破裂進而發(fā)震。

圖 5 參與計算的地震分布

圖 6 鹽城臺波速比計算結(jié)果

4.2 地磁諧波振幅比

地磁諧波振幅比YZHx(NS)和YZHy(EW)的定義為

(5)

(6)

其中，Z(ω)、Hx(ω)、Hy(ω)分別為地磁場的垂直分量、南北和東西向水平分量的頻譜，ω為圓頻率。

馮志生等(2013)指出，對于隨時間周期變化的不均勻場源，在地球介質(zhì)為均勻各向同性的平面導(dǎo)體的條件下YZHx(NS)和YZHy(EW)與地下介質(zhì)的電阻率ρ呈正比，即YZHx(NS)和YZHy(EW)的變化可以近似反映地下介質(zhì)電阻率ρ的變化。

利用諧波振幅比研究鹽城臺周邊地下介質(zhì)的電阻率變化，資料選取、處理和計算過程為：①選取鹽城臺地磁三分量F、H、D相對觀測資料，并轉(zhuǎn)換成Z、Hx、Hy；②利用富式擬合去噪聲，加漢寧窗去高頻干擾，窗長為6h；③計算每分鐘的三分量富氏譜Z(ω)、Hx(ω)、Hy(ω)；④計算10～60min共6個頻帶的地磁諧波振幅比，并使用年滑動平均法去年變化，計算結(jié)果如圖7 所示。

圖 7 鹽城諧波振幅比結(jié)果

鹽城臺諧波振幅比在多個周期內(nèi)出現(xiàn)了下降—轉(zhuǎn)折—恢復(fù)的變化特征。下降的起始時間約在2010年7月～2011年2月，轉(zhuǎn)折時間均集中在2012年1～3月，恢復(fù)所用的時間不完全一致，跨度較短的于2012年10月恢復(fù)，跨度較長的在2014年才緩慢回升。

4.3 膨脹擴容(DD)模式

根據(jù)Scholz等(1973)提出的膨脹擴容模式，孕震過程可以分為彈性應(yīng)變、膨脹裂隙形成和地下水?dāng)U散3個階段。如圖8 所示，2012年高郵ML5.3地震孕震過程與這一模式較為符合，具體的過程如下：

圖 8 膨脹擴容模式示意圖

(1)彈性應(yīng)變階段(2010年8月之前)，該階段還未出現(xiàn)前兆現(xiàn)象。

(2)膨脹裂隙形成階段(2010年8月～2012年2月)，因膨脹而新形成的裂隙中，由于流入了流體，導(dǎo)致震源區(qū)的介質(zhì)處于不飽和的狀態(tài)，引起鹽城臺的波速比和諧波振幅比(深部電阻率)出現(xiàn)明顯的下降變化。

(3)地下水?dāng)U散階段(2012年2月～2012年7月)，由于地下水的進一步擴散，膨脹巖石的物理性質(zhì)恢復(fù)，使得波速比、電阻率等轉(zhuǎn)折回升；當(dāng)?shù)V化度較高的深層鹵水?dāng)U散至淺層，并與淺層地下水混合后，鹽紡水化站的Ca2+、Cl-濃度上升；由于流體的滲入，破裂過程得以加速，進而發(fā)震。

5 結(jié)論與討論

5.1 地震中短期指示意義

通過對鹽紡井Ca2+和Cl-離子濃度進行的異常提取，結(jié)果顯示Ca2+和Cl-離子濃度異常出現(xiàn)時間多在震前半年左右，對臺站200km范圍內(nèi)的地震具有較好的中短期指示意義。

5.2 映震靈敏性成因分析

中國地震局地下流體學(xué)科技術(shù)管理組于2015年和2016年對鹽紡井進行了水化學(xué)成分測試，獲得了水質(zhì)、氫氧同位素和氦同位素結(jié)果(1)高小其，2016，2016年華東流體異?，F(xiàn)場核實工作匯報，中國地震局地殼應(yīng)力研究所內(nèi)部資料.。測試結(jié)果顯示，鹽紡井離子特征與該地區(qū)地下水特征基本一致，但是總?cè)芙夤腆w(TDS)特征低于區(qū)域地下水特征，表明該井屬于較封閉的地下水環(huán)境；Na-K-Mg三角圖顯示該井水屬于部分平衡水范疇(圖9)，表明該井水的水-巖反應(yīng)相對較為充分，水流系統(tǒng)相對穩(wěn)定；地?zé)釡貥?biāo)顯示該井水的熱儲溫度介于71～150℃之間，熱儲深度大致在2.3～5km；氫氧同位素測值顯著偏離全球大氣降水線(圖10)，其氧同位素富集可能表明該井水為大氣降水補給，且水體經(jīng)過了長距離的運移和蒸發(fā)作用，與該井水較低TDS、時間序列無明顯年變特征一致，2015年測量的3He/4He結(jié)果也顯示該井水殼源He同位素貢獻率高達62%，大氣He同位素貢獻率為38%。

圖 9 鹽紡井Na-K-Mg三角圖

圖 10 鹽紡井氫氧同位素圖

地下水地球化學(xué)成因數(shù)據(jù)顯示該井地下水補給循環(huán)較深，不易受淺層降水及環(huán)境干擾。波速比和地磁諧波振幅比的結(jié)果表明，鹽紡井Ca2+、Cl-離子濃度在震前的快速上升可能與深部流體上涌有關(guān)。井水的水-巖反應(yīng)程度適中，比較適合開展地震地下流體地球化學(xué)觀測，較易獲取地震前兆異常信息，這可能是該井Ca2+和Cl-具有較好映震靈敏性的原因。

然而，本文研究處于初步階段，仍然存在不足之處，比如每一次地震前是否均會出現(xiàn)類似于2012年高郵ML5.3地震前的3個階段，還有待進一步深入研究。

致謝：中國地震局地殼應(yīng)力研究所高小其教授在鹽紡井水文地球化學(xué)資料收集過程中給予了支持和幫助，并對論文撰寫給予指導(dǎo)，在此表示感謝。