夏河5.7級(jí)地震前湟源地震臺(tái)地下流體數(shù)據(jù)異常分析

王永剛，丁寧霞，孫 麗

(青海省地震局西寧地震臺(tái)，青海 西寧 810008)

0 引言

地震地下流體是地殼中較活躍的組分，當(dāng)孕震區(qū)或外圍區(qū)介質(zhì)發(fā)生差異性變化時(shí)，其變化強(qiáng)烈，分布較廣泛[1]。地震前兆機(jī)理研究表明，地震的孕育過程伴隨地下水物理與化學(xué)參量和逸出氣體濃度的異常變化，地下流體異常對(duì)孕震區(qū)和外圍區(qū)介質(zhì)變化的響應(yīng)靈敏，與區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)關(guān)系密切[2-3]。鑒于以上原因，國內(nèi)外專家學(xué)者從多方面開展對(duì)中強(qiáng)地震前地下流體異常的研究。劉耀煒等人在研究云南魯?shù)?.5級(jí)地震前地下流體典型異常后，認(rèn)為區(qū)域應(yīng)力加載作用可能會(huì)引起斷裂帶裂隙的開啟與閉合，導(dǎo)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(yīng)加劇和地下水混合作用增強(qiáng)，使地下水離子組分濃度發(fā)生變化，會(huì)導(dǎo)致顯著的宏觀異常[3]。鐘駿等在對(duì)新疆精河6.5級(jí)地震前的地下流體異常研究后認(rèn)為，區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力、應(yīng)變的變化是深部氣體逸出和泥火山噴涌的主要原因[4-5]。高小其等在對(duì)新疆輪臺(tái)兩次地震前地下流體異常對(duì)比分析后得出，地震震級(jí)的不同和地震前兆異常的復(fù)雜性，可能是造成同一觀測(cè)點(diǎn)的不同測(cè)項(xiàng)間或同一測(cè)項(xiàng)在不同地震前異常迥異的原因[6]。

2019年10月28日01:56，甘肅省夏河縣(N35.10°，E102.69°)發(fā)生5.7級(jí)地震，震源深度10 km。此次地震的震中位于青海、甘肅兩省交界，兩省多地震感明顯。地震發(fā)生前，青海省多個(gè)臺(tái)站地下流體測(cè)項(xiàng)數(shù)據(jù)均出現(xiàn)異常變化。其中，湟源地震臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱湟源臺(tái))的三項(xiàng)流體觀測(cè)中，數(shù)字化氣氡因儀器更新改造于2019年5月開始工作,觀測(cè)數(shù)據(jù)尚不穩(wěn)定；數(shù)字化水溫和模擬水氡兩測(cè)項(xiàng)數(shù)據(jù)均出現(xiàn)異常變化。

1 湟源臺(tái)基本情況

湟源臺(tái)位于青海省湟源縣波航鄉(xiāng)，距湟源縣城9 km。臺(tái)站地處日月山構(gòu)造帶，北為大坂山斷裂帶，南為拉脊山斷裂帶[7]?，F(xiàn)有數(shù)字化水溫、氣氡和模擬水氡三項(xiàng)地下流體測(cè)項(xiàng)，距夏河5.7級(jí)地震的震中約220 km(見第19頁圖1)。

圖1 夏河5.7級(jí)地震震中位置圖

2 地下流體異常情況

2.1 模擬水氡

湟源臺(tái)模擬水氡觀測(cè)始于1982年，泉點(diǎn)位于臺(tái)站附近約2 km的泉兒灣村。泉點(diǎn)性質(zhì)為斷裂上升泉，水溫8 ℃，含氡量73 Bq/L，水流量約1 L/s。自正式觀測(cè)以來，水氡觀測(cè)數(shù)據(jù)一直連續(xù)穩(wěn)定可靠。杜娟等對(duì)湟源臺(tái)水氡觀測(cè)結(jié)果研究后認(rèn)為，觀測(cè)資料對(duì)北緯35°～38.5°、東經(jīng)99°～104°范圍內(nèi)的地震有較好的映震能力，震中距越近異常越明顯[8]。楊曉霞和張超美等人的研究認(rèn)為，2016年門源地震前，湟源臺(tái)水氡出現(xiàn)快速下降的前兆異常[9-10]。羅賓生等在分析四川九寨溝7.0級(jí)地震前后湟源臺(tái)水氡的異常特征后，也認(rèn)為水氡出現(xiàn)震前下降、震后回升的短臨異常特征[11]。

筆者統(tǒng)計(jì)1986年以來湟源臺(tái)周邊5.8級(jí)以上的地震，可以看出，震前-震后，水氡大多有較明顯的異常反應(yīng)(見第19頁表1)。

表1 水氡觀測(cè)數(shù)據(jù)在周邊5.8級(jí)地震前后的異常特征統(tǒng)計(jì)表

2019年1月以來，湟源臺(tái)水氡觀測(cè)值一直呈緩慢下降態(tài)勢(shì)，速率約每月2 Bq/L，8月起略有加速。在10月6日后，數(shù)據(jù)下降趨勢(shì)發(fā)生變化，轉(zhuǎn)為低值持續(xù)，19日開始加速上升，至25日累計(jì)上升約7 Bq/L后，轉(zhuǎn)為高值起伏。在此過程中，28日發(fā)生夏河5.7級(jí)地震。之后，10月31日數(shù)據(jù)回落并轉(zhuǎn)平持續(xù)(見圖2)。

圖2 湟源水氡觀測(cè)值曲線圖

通過與該臺(tái)氣象三要素?cái)?shù)據(jù)比對(duì)，看出，2019年8月至10月，湟源臺(tái)附近區(qū)域的氣溫、降雨量均無明顯突變。從變化形態(tài)上看，氣壓數(shù)據(jù)在此時(shí)段起伏周期變大；從量值上看，變化并不突出。因此，排除受氣象因素影響的可能性(見圖3)。另外，隨著退牧還草項(xiàng)目的實(shí)施，泉點(diǎn)所處的泉兒灣村已進(jìn)行整體搬遷。現(xiàn)泉點(diǎn)周圍未發(fā)現(xiàn)其他外界干擾源。綜合分析認(rèn)為，此次水氡的轉(zhuǎn)折變化真實(shí)可靠。

圖3 氣象三要素和水氡觀測(cè)值曲線圖

2.2 數(shù)字化水溫

湟源臺(tái)水溫觀測(cè)井位于臺(tái)站院內(nèi),為靜水位井。井深105.3 m，水位埋深8.6 m，為基巖裂隙水。水溫探頭深度為100 m，屬淺層水溫，使用的是SZW-Ⅱ型數(shù)字式溫度計(jì)。自2007年7月開始觀測(cè)以來，水溫一直呈緩慢上升的態(tài)勢(shì)。2019年8月起，上升速率明顯加快，由原來的每月0.000 7 ℃上升至0.001 8 ℃。為驗(yàn)證數(shù)據(jù)變化的真實(shí)性，青海省地震局于9月4日在井內(nèi)架設(shè)對(duì)比觀測(cè)儀器。經(jīng)過一段時(shí)間的觀測(cè)，二者數(shù)據(jù)變化同步。預(yù)報(bào)中心專家經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)，認(rèn)為湟源臺(tái)水溫?cái)?shù)據(jù)的變化真實(shí)，具有一定的可信度，屬地震前兆異常的可能性較大(1)馬茹瑩，劉磊,孫璽皓,等.2019年9月19日湟源淺層水溫核實(shí)報(bào)告，2019.。10月9日起，數(shù)據(jù)還發(fā)生一系列明顯的階升階降變化，最大變幅0.023 ℃，在此過程中發(fā)生夏河5.7級(jí)地震(見圖4)。之后，數(shù)據(jù)仍持續(xù)階升階降。12月11日后，階變消失，數(shù)據(jù)恢復(fù)到原來的緩慢上升態(tài)勢(shì)。

圖4 水溫觀測(cè)值曲線圖

3 對(duì)比分析

通過對(duì)這兩個(gè)測(cè)項(xiàng)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析看出，湟源臺(tái)模擬水氡和數(shù)字化水溫在2019年8月起都出現(xiàn)加速變化。兩井的空間距離約2 km，井孔性質(zhì)完全不同，觀測(cè)項(xiàng)目也不同，但觀測(cè)數(shù)據(jù)基本同步發(fā)生變化?？傻贸觯疬@兩個(gè)測(cè)項(xiàng)發(fā)生變化的應(yīng)該為同一種因素所致。由于兩測(cè)項(xiàng)分別屬于地球物理和地球化學(xué)，其觀測(cè)機(jī)理不同，導(dǎo)致各種影響因素對(duì)兩測(cè)項(xiàng)的影響方式也不相同，出現(xiàn)兩測(cè)項(xiàng)變化時(shí)間和形態(tài)的差異。

同時(shí)，對(duì)湟源臺(tái)的鉆孔應(yīng)變觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，在8月20日左右，觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)生轉(zhuǎn)折變化，表明當(dāng)?shù)貐^(qū)域應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化(見第21頁圖5)。劉耀煒等人的研究結(jié)果表明，在孕震中短期階段，震源區(qū)及外圍敏感區(qū)地殼巖石在區(qū)域應(yīng)力作用下，會(huì)使含水巖體發(fā)生彈性形變，改變含水(氣)層導(dǎo)水性能，因而產(chǎn)生地下流體緩升或緩降型趨勢(shì)異常[1]。由此可見，含水巖石受應(yīng)力作用發(fā)生形變是地下流體出現(xiàn)異常的主要原因。

圖5 水氡、水溫、鉆孔應(yīng)變觀測(cè)曲線圖

夏河5.7級(jí)地震前，湟源臺(tái)地下流體異常變化的開始時(shí)間早于地殼形變數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)折變化出現(xiàn)的時(shí)間。分析認(rèn)為，可能是地下流體測(cè)項(xiàng)和地殼形變測(cè)項(xiàng)的觀測(cè)原理不同，其觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)于地下應(yīng)力場(chǎng)的感應(yīng)方式有所不同，造成兩者出現(xiàn)變化的時(shí)間存在差異。

4 結(jié)論與討論

通過以上分析，可得出如下結(jié)論：

(1) 2019年10月28日甘肅夏河5.7級(jí)地震前，湟源臺(tái)水氡和水溫觀測(cè)數(shù)據(jù)在當(dāng)年8月初開始出現(xiàn)同步異常變化，由于兩測(cè)項(xiàng)的觀測(cè)機(jī)理不同，導(dǎo)致其受到同一因素的影響出現(xiàn)的變化形態(tài)不同。

(2) 湟源臺(tái)的形變觀測(cè)數(shù)據(jù)至8月20日左右出現(xiàn)轉(zhuǎn)折變化，相比流體的變化滯后20 d。造成這一差異的原因，可能是地下流體測(cè)項(xiàng)和地殼形變測(cè)項(xiàng)的觀測(cè)原理不同，其觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)地下應(yīng)力場(chǎng)的感應(yīng)方式也有所不同，導(dǎo)致兩者出現(xiàn)變化的時(shí)間存在差異。

感謝馬茹瑩等人在該文完成過程中的幫助和指導(dǎo)！