2021年青海瑪多MS7.4地震前地下流體異常特征分析

鐘駿 王博 周志華 晏銳

中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045

0 引言

據(jù)中國地震臺網(wǎng)測定，北京時間2021年5月22日2時4分青海果洛藏族自治州瑪多縣(34.59°N，98.34°E)發(fā)生MS7.4地震，震源深度17km，震中最高烈度Ⅹ度。此次地震造成數(shù)人受傷，大量房屋倒塌，部分道路、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施被破壞或受損(李智敏等，2021)。地震地下流體是地震前兆觀測的重要手段，此次震前是否觀測到表征地震即將發(fā)生的地下流體異常信號備受關(guān)注。

地下流體是地震孕育與發(fā)生的主要影響因素，在地震預(yù)測研究和震情跟蹤工作中發(fā)揮著重要作用(王鐵城等，1994；Roeloffs，1998；車用太等，2006；孫小龍等，2020)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，中國歷史地震資料中與地下流體有關(guān)的地震前兆異常占全部異常的50%以上(汪成民，1990)。Montgomery等(2003)通過研究不同空間尺度地下水對地震的響應(yīng)特征發(fā)現(xiàn)，地下水變化的響應(yīng)范圍可達(dá)數(shù)千千米。李軍等(2005)對理塘毛埡溫泉三十余年的水溫觀測資料研究發(fā)現(xiàn)，該溫泉水溫異常與川滇地區(qū)的6級以上地震存在較好的對應(yīng)關(guān)系。Ghosh等(2009)指出，土壤氣濃度異常變化與地震震級呈正相關(guān)，即土壤氣異常幅度隨著地震震級的上升而增大。劉耀煒等(2015)總結(jié)魯?shù)镸S6.5地震震前地下流體典型異常特征，認(rèn)為區(qū)域應(yīng)力加載作用可能與斷層裂隙的開啟和閉合有關(guān)，從而引起水位、水溫、深部氣體以及水化學(xué)離子組分發(fā)生顯著變化。此外，眾多學(xué)者基于《中國震例》研究發(fā)現(xiàn)地下流體前兆異常在時空上具有階段性和不均勻性，演化過程主要表現(xiàn)為“向震中收縮”“構(gòu)造控制”“相對集中”等3種典型特征，特別是進(jìn)入短臨階段后，異常向震源區(qū)收縮的趨勢更為明顯；而震前異常在數(shù)量上主要表現(xiàn)為“持續(xù)增長”型和“先增后減”型2類，且以“先增后減”型居多，趨勢性異常轉(zhuǎn)折結(jié)束、新突變異常增多往往是地震孕育進(jìn)入短臨階段的標(biāo)志(張肇誠，1988；晏銳等，2004；付虹等，2008；陳棋福，2008；蔣海昆，2018、2019；蔣海昆等，2009；孫小龍等，2016)。

本文通過系統(tǒng)梳理瑪多MS7.4地震前地下流體前兆異常，研究這些異常的震前動態(tài)演化特征并進(jìn)行強(qiáng)震異常特征對比，進(jìn)而積累震例資料，為提升地下流體前兆異常認(rèn)識水平及未來震情趨勢判定提供借鑒和參考。

1 觀測資料概述

青藏高原北部地下流體觀測點(diǎn)分布不均，主要集中在青藏高原東北緣，其他地區(qū)監(jiān)測能力較弱?，敹郙S7.4地震震中200km范圍內(nèi)僅有2個地下流體觀測點(diǎn)，500km范圍內(nèi)存在21個地下流體觀測點(diǎn)，共38個測項(xiàng)(圖1)，其中水溫18項(xiàng)，水位8項(xiàng)，氣氡7項(xiàng)，水氡5項(xiàng)，以水溫觀測為主。按照測項(xiàng)預(yù)報(bào)效能分類，可分為A類1項(xiàng)，B類和C類各12項(xiàng)，D類4項(xiàng)，未評估9項(xiàng)，以B類和C類為主。

圖1 瑪多MS7.4地震震中距500km范圍內(nèi)前兆異?？臻g分布震源機(jī)制來自全球質(zhì)心矩張量數(shù)據(jù)庫(GCMT)；藍(lán)色圓圈為MS3.0余震；時間截至2021年8月19日

瑪多MS7.4地震前共出現(xiàn)5項(xiàng)地下流體異常，分別為玉樹水溫、共和水溫(2套探頭)、共和氣氡、佐署水位、門源水位，基本特征見表1。

表1 瑪多MS7.4地震震中距500km范圍內(nèi)地下流體異?；拘畔?/p>

1.1 玉樹水溫

玉樹臺位于巴顏喀拉山南麓的甘孜-玉樹斷裂附近，水溫觀測井深105m，觀測儀器為SZW-Ⅱ型數(shù)字水溫儀。含水層巖性為中生代侏羅紀(jì)花崗巖(楊曉霞等，2016)。自2007年8月開始觀測以來，整體呈多年穩(wěn)定的趨勢上升變化，歷史資料分析顯示，玉樹水溫異常一般出現(xiàn)在震前1～3個月，異常持續(xù)時間在12～41天，基本上遵循“下降—上升”的“V”字形變化過程，重復(fù)性較好(王博等，2016)。該異常曾在2008年3月21日新疆于田MS7.3、2008年5月12日四川汶川MS8.0、2010年4月14日青海玉樹MS7.1、2015年4月25日尼泊爾MS8.1、2016年1月21日青海門源MS6.4和2016年10月17日青海雜多MS6.2等地震前出現(xiàn)。

2021年3月15日玉樹水溫在正常背景下出現(xiàn)快速下降，幅度約0.0027℃，16日開始轉(zhuǎn)折上升，過程中發(fā)生了3月19日西藏比如MS6.1地震，3月21日受異常核實(shí)影響再次出現(xiàn)下降，幅度約0.0023℃，3月22日再次轉(zhuǎn)折上升，至4月23日恢復(fù)至正常背景，29天后發(fā)生瑪多MS7.4地震，異常過程整體表現(xiàn)出不規(guī)則的“V”字形變化特征(圖2(a))。

圖2 瑪多MS7.4地震地下流體異常時序圖

1.2 共和氣氡、水溫

共和臺地處昆侖-秦嶺緯向構(gòu)造帶與河西系構(gòu)造復(fù)合部位的沉降帶，位于共和盆地北緣斷裂與共和盆地南緣斷裂之間，觀測井深174.35m，氣氡和水溫(2套探頭)觀測分別使用BG2015R型數(shù)字氣氡儀、SZW-I和SZW-Ⅱ型數(shù)字水溫儀。含水層巖性為砂質(zhì)黏土、礫石(邱鵬成等，2010)。自2011年開始對共和氣氡進(jìn)行觀測，觀測數(shù)據(jù)較穩(wěn)定，呈現(xiàn)冬高夏低的年變特征，2019年5月因儀器老化對其進(jìn)行更換，更換后觀測時間較短，無正常年變特征；分別于2011年和2015年開始對共和水溫2套儀器進(jìn)行觀測，觀測數(shù)據(jù)同步性較好，無年變特征。共和氣氡和水溫(2套探頭)觀測數(shù)據(jù)于2021年2月28日出現(xiàn)同步上升變化，幅度分別為17.4Bq/L、0.047℃和0.07℃。氣氡濃度于3月1—10日持續(xù)呈小幅波動上升變化，累計(jì)上升幅度為29Bq/L，之后開始緩慢下降，73天后發(fā)生瑪多MS7.4地震，震后氣氡濃度維持下降狀態(tài)(圖2(b))；水溫于3月1—2日同步下降恢復(fù)至變化前的趨勢水平，幅度分別為0.072℃和0.21℃，81天后發(fā)生瑪多MS7.4地震(圖2(c)～(d))。

1.3 佐署水位

佐署臺位于拉脊山構(gòu)造帶的北緣、日月山斷裂和拉脊山斷裂交匯區(qū)域，觀測井深107m，觀測儀器為SWY-Ⅱ型數(shù)字水位儀。含水層巖性為砂礫巖(張昱等，2008)。自1986年5月開始對佐署水位進(jìn)行觀測，期間受數(shù)字化改造、臺站改造、儀器故障以及修路施工等影響，水位觀測極不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，于2019年10月施工結(jié)束后才開始正常觀測。自2019年10月觀測以來水位呈波動趨勢下降變化，直至2021年2月25日出現(xiàn)突降變化，幅度為0.268m，26日開始呈緩慢上升趨勢，85天后發(fā)生瑪多MS7.4地震，并出現(xiàn)幅度為0.097m的同震階升變化(圖2(e))。

1.4 門源水位

門源水位地處北祁連新元古代-早古生代縫合帶，達(dá)坂山斷裂北約15m，觀測井深105.4m，觀測儀器為SWY-Ⅱ型數(shù)字水位儀。含水層巖性為砂巖、間夾泥巖(邱鵬成等，2010；汪發(fā)耀等，2020)。自2017年11月開始對門源水位進(jìn)行觀測，觀測資料連續(xù)穩(wěn)定，無正常年變特征。2019年9月24日—12月4日門源水位出現(xiàn)大幅上升，幅度約6.85m，12月5日開始轉(zhuǎn)折快速下降，至2020年5月1日恢復(fù)至以往平穩(wěn)變化趨勢，累計(jì)下降4.14m，異常結(jié)束386天后發(fā)生2021年5月22日瑪多MS7.4地震(圖2(f))。

2 異常特征分析

2.1 數(shù)量特征

瑪多MS7.4地震震中500km范圍內(nèi)共5項(xiàng)異常，約占測項(xiàng)總數(shù)的13%。其中，水溫異常2項(xiàng)，水位異常2項(xiàng)，氣氡異常1項(xiàng)，分別占各觀測手段的11%、25%和14%，異常測項(xiàng)以水位和水溫為主。震中100km范圍內(nèi)無流體觀測；100～200km范圍內(nèi)流體觀測2項(xiàng)，無異常；200～300km范圍內(nèi)流體觀測5項(xiàng)，異常3項(xiàng)，異常測項(xiàng)比為60%；300～400km范圍內(nèi)流體觀測16項(xiàng)，異常1項(xiàng)，異常測項(xiàng)比約為6%；400～500km范圍內(nèi)流體觀測15項(xiàng)，異常1項(xiàng)，異常測項(xiàng)比約為7%。綜上，異常以震中距200～300km為主(圖3)。

圖3 不同震中距范圍內(nèi)的地下流體異常測項(xiàng)數(shù)、背景測項(xiàng)數(shù)及異常測項(xiàng)比

2.2 時間特征

從時間演化上看(圖4)，震前地下流體異常主要為3個月內(nèi)的短期異常，有4項(xiàng)異常在2021年2月之后出現(xiàn)，占異?？倲?shù)的80%。異常起始和結(jié)束時間的階段性特征明顯，僅門源水位1項(xiàng)趨勢異常出現(xiàn)在震前19個月，持續(xù)213天后，在震前12個月結(jié)束；其余4項(xiàng)短期異常均出現(xiàn)在震前3個月內(nèi)并在震前結(jié)束，異常持續(xù)時間較短(2～40天)。整個演化過程呈現(xiàn)出異常數(shù)量由少增多、在震前3個月內(nèi)顯著加速的特點(diǎn)。

圖4 瑪多MS7.4地震前地下流體異常時間進(jìn)程

2.3 時空特征

從時空演化上看，震中距500km范圍內(nèi)的38項(xiàng)地下流體觀測主要集中在震中東北方向，震中距200km內(nèi)僅有的2個地下流體觀測點(diǎn)，未出現(xiàn)異常，5項(xiàng)異常均位于震中200km以外，主要集中在200～300km范圍內(nèi)(3項(xiàng)，占異?？倲?shù)的60%)，表現(xiàn)出流體觀測和異常測項(xiàng)存在空間分布上的不均勻性。異常最早出現(xiàn)在距震中較遠(yuǎn)的位置(門源水位，震中距421km)，隨著時間的推移，在震前3個月至震前2個月，震中400km內(nèi)的異常開始集中出現(xiàn)并向震中位置遷移，其中距震中最近的異常為玉樹水溫，震中距為213km(圖5)。

圖5 瑪多MS7.4地震前地下流體異常時空演化特征

2.4 形態(tài)特征

前人通過震例研究發(fā)現(xiàn)，部分流體異常形態(tài)存在明顯的重現(xiàn)性(王博等，2016；Sunetal，2018；蘇維剛等，2021)。玉樹水溫異常在周邊MS6.0以上地震以及巴顏喀拉塊體邊界附近發(fā)生的多次MS7.0以上地震前重復(fù)出現(xiàn)，異常形態(tài)主要表現(xiàn)為幅度不同的“下降—上升”的“V”字形變化(圖6)，該測項(xiàng)在瑪多MS7.4地震前出現(xiàn)同樣的異常形態(tài)，對于地震的時、空、強(qiáng)判定有一定的指示意義(表2)。而共和氣氡、共和水溫、佐署水位和門源水位異常屬于觀測以來首次出現(xiàn)的前兆異常變化，相關(guān)異常特征及震例信息有待積累和進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖6 玉樹水溫2007—2021年觀測曲線

表2 玉樹水溫異常變化與對應(yīng)地震的關(guān)系

3 討論

截至2021年8月，瑪多MS7.4地震是繼汶川MS8.0地震之后發(fā)生在中國大陸的最大地震，震中位于青藏高原北部巴顏喀拉塊體內(nèi)部的昆侖山口-江錯斷裂(王未來等，2021)。該斷裂整體走向N230°W～270°，傾向NE，傾角80°，運(yùn)動方式以左旋走滑為主，兼有少量正斷分量(華俊等，2021)。歷史上，巴顏喀拉塊體周邊活動斷裂發(fā)育，構(gòu)造運(yùn)動劇烈，強(qiáng)震頻繁發(fā)生，尤其是巴顏喀拉塊體東邊界附近曾多次發(fā)生MS7.0以上地震，如1973年四川爐霍MS7.6、1976年四川松潘MS7.2、1990年青海共和MS7.0、2008年四川汶川MS8.0、2010年青海玉樹MS7.1、2013年四川蘆山MS7.0和2017年四川九寨溝MS7.0地震等(朱亞戈等，2021)。根據(jù)震例總結(jié)統(tǒng)計(jì)(張肇誠，1988；蔣海昆，2018、2019；晏銳等，2018；中國地震臺網(wǎng)中心，2019)，這些地震震前500km內(nèi)均存在一定的地下流體異常變化(表3)。

表3 巴顏喀拉塊體東邊界MS7.0以上地震震中距500km范圍內(nèi)地下流體異常情況

其中，1973年?duì)t霍MS7.6地震前流體異常僅有1項(xiàng)，為姑咱水氡，震中距為220km；1976年松潘MS7.2地震前流體異常共4項(xiàng)，分別為江油水位、理塘水溫、松潘水氡和姑咱水氡，震中距范圍50～460km；1990年共和MS7.0地震前流體異常共13項(xiàng)，分別為佐署水位、湟源流量、湟源水氡、西寧水氡、長寧水氡、樂都水氡、民和水氡、張掖水氡、山丹水氡、五泉山水氡、格爾木水氡、松潘拱北水氡和山丹氣汞，震中距范圍110～495km；2008年汶川MS8.0地震前地下流體異常共24項(xiàng)，分別為水富水位、蒲江水位、德陽水位、小金水位、瀘州水位、邛崍水位、二道橋水位、北川水位、巴塘水溫、理塘水溫、鄉(xiāng)城水溫、龍頭溝水溫、道孚水溫、二道橋水溫、大足水溫、武都殿溝水氡、武山1號泉水氡、武山22號井水氡、清水溫泉水氡、天水花牛水氡、昭覺CO2、普格CO2、布拖CO2、龍頭溝氣體總量，震中距范圍71～492km；2010年玉樹MS7.1地震前流體異常共2項(xiàng)，為玉樹水溫和德令哈水溫，震中距分別為22～480km；2013年蘆山MS7.0地震前流體異常共10項(xiàng)，分別為邛崍水位、瀘州水位、理塘水溫、二道橋水溫、龍頭溝水溫、瀘定水溫、理縣水氡、普格CO2、布拖CO2和鹽源CO2，震中距范圍27～350km；2017年九寨溝MS7.0地震前流體異常共14項(xiàng)，分別為干鹽池水位、大足水位、北碚水位、清水李溝流量、二道橋水溫、干鹽池水溫、瀘定水溫、巴塘水溫、理塘水溫、武都殿溝水氡、武山1號泉水氡、武山22號井水氡、勉縣水氡和洋縣水氡，震中距范圍108～493km。

用濃度為0.1%的MKnO4對厚萼凌霄種子消毒10 min，然后用流水沖洗。將海水配制成1%、5%、10%、20%、30%、40%的6組濃度梯度，供實(shí)驗(yàn)備用。在每個干燥潔凈的培養(yǎng)皿中放入濾紙2張和經(jīng)滅菌處理的厚萼凌霄種子100粒。其中，實(shí)驗(yàn)組培養(yǎng)皿分別加入6個不同濃度梯度的海水，對照組培養(yǎng)皿加入蒸餾水。將實(shí)驗(yàn)組、對照組培養(yǎng)皿置于光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)種子，培養(yǎng)條件均為25℃、12 h光照（1 000 lx）和12 h黑暗，并在實(shí)驗(yàn)組培養(yǎng)皿中定期添加適量相應(yīng)濃度的海水，以保證種子被充分浸潤。

數(shù)量特征上(圖7)，震前異常數(shù)量小于5個的地震有3次，分別為爐霍地震、松潘地震和玉樹地震，其中，松潘地震與瑪多地震異常數(shù)量相近，觀測手段相同，相似性較好；時間特征上(表3，圖8)，除瑪多地震外，震前短期異常占比超過80%的僅有爐霍地震和玉樹地震(均為100%)，但這兩次地震前流體異常數(shù)較少，時間特征統(tǒng)計(jì)意義較弱。其余地震短期異常占比均小于30%，震前3個月內(nèi)短期異常加速特征不顯著。時空特征上(圖8)，共和地震和汶川地震前6個月，異常存在由外圍向震中收縮的遷移特征。進(jìn)入震前6個月內(nèi)，遷移特征消失，異常在距震中不同范圍內(nèi)均有出現(xiàn)，與瑪多地震由外圍向震中收縮的遷移特征差異較大。其余地震異常時空演化特征不明顯。形態(tài)特征上，如前面所述，玉樹水溫在汶川地震和玉樹地震均出現(xiàn)“V”字形變化，與瑪多地震前形態(tài)十分相似(圖6)。因此，從整體異常特征上看，瑪多地震MS7.4震前地下流體異常和松潘MS7.2、玉樹MS7.1地震相似性較高。

圖7 MS7.0以上地震震中距500km范圍內(nèi)地下流體異常數(shù)量對比

圖8 MS7.0以上地震500km范圍內(nèi)地下流體異常時空對比

研究認(rèn)為，流體前兆響應(yīng)和地震孕育過程中的區(qū)域應(yīng)力加載作用密切關(guān)系(車用太等，1999)。一般情況下，7級左右地震在地下流體方面的異常持續(xù)時間一般在1年左右，甚至更短(蔣海昆等，2009)。松潘地震地下流體異常的持續(xù)時間基本在1年左右，與前人經(jīng)驗(yàn)一致?，敹嗟卣鹎?年尺度的前兆異常僅有門源水位1項(xiàng)，玉樹地震前無1年尺度的異常信息出現(xiàn)，可能反映了此時段處于應(yīng)力加載初期緩慢的彈性積累階段，異?，F(xiàn)象并不突出。隨著應(yīng)力的不斷積累，進(jìn)入長期應(yīng)力加載后的巖石膨脹階段，短期前兆異常開始集中顯現(xiàn)直至地震發(fā)生(張學(xué)民等，2018)。而瑪多地震和玉樹地震震中附近臺站稀少，可能是臨震破裂階段震源區(qū)附近未觀測到異?，F(xiàn)象的主要原因。整體上看，瑪多地震和玉樹地震震中空間位置較為接近、構(gòu)造環(huán)境類似，震前3個月內(nèi)地下流體短期異常在時空分布上也具有較好的相似性，可能具有類似的應(yīng)力加載過程。而松潘地震相對較遠(yuǎn)且震前無短期異常出現(xiàn)，說明其孕育過程可能存在一定的差別，需要進(jìn)一步深入研究。

瑪多MS7.4地震前，中國地震臺網(wǎng)中心預(yù)報(bào)部地下流體研究室依據(jù)玉樹水溫異常的高重現(xiàn)性、高映震率以及相對固定的震例發(fā)生地點(diǎn)等優(yōu)勢給出了明確預(yù)報(bào)意見，證明了地下流體異常在短期地震預(yù)測預(yù)報(bào)中發(fā)揮著不可替代的作用。雖然此次玉樹水溫異常幅度較以往小一個數(shù)量級，導(dǎo)致預(yù)報(bào)震級偏低，但共和氣氡、共和水溫以及佐署水位等3項(xiàng)短期異常的集中出現(xiàn)以及瑪多地震的發(fā)生，很可能說明震前出現(xiàn)的這些地下流體短期異常與地震孕育過程存在某些有待探索的物理聯(lián)系。結(jié)合歷史震例對比結(jié)果，認(rèn)為即使地下流體異常個數(shù)較少或異常測項(xiàng)比較低，巴顏喀拉塊體發(fā)生MS7.0以上地震的可能性仍然較高，特別是出現(xiàn)類似玉樹水溫這種關(guān)鍵性短期異常，以及出現(xiàn)群體異常集中分布或由外圍向震中收縮等，這些特征對于未來地震趨勢研判均具有重要的參考意義。

在過去的半個多世紀(jì)里，我國地震地下流體觀測網(wǎng)從無到有、由點(diǎn)及面，觀測臺站數(shù)量逐年增多，已發(fā)展成為世界上規(guī)模最大、地震監(jiān)測能力最好的現(xiàn)代化地震地下流體觀測網(wǎng)(車用太等，2017)。然而，研究表明，絕大多數(shù)地震前的地下流體異常數(shù)量占比較低，基本不超過20%(張立，2013；孫小龍等，2016；楊曉霞等，2016；鐘駿等，2018；王俊等，2020)，根據(jù)震前捕捉到的流體異常提出預(yù)測意見的地震次數(shù)更是不到10%(王廣才等，2003)。這一事實(shí)固然與地震的孕震環(huán)境不同以及觀測井孔所在構(gòu)造條件不同有關(guān)，但更突出反映了現(xiàn)有地下流體觀測網(wǎng)空間分布明顯存在不均勻的弊端。同時，本次地震震中500km范圍內(nèi)測項(xiàng)的預(yù)報(bào)效能主要為B類和C類，其次為D類，而A類僅有1項(xiàng)，未評估甚至高達(dá)9項(xiàng)，說明該區(qū)域內(nèi)地下流體觀測資料的預(yù)報(bào)能力整體偏弱，導(dǎo)致監(jiān)測預(yù)報(bào)水平十分有限，遠(yuǎn)不能滿足防震減災(zāi)的需求。因此，有必要進(jìn)一步優(yōu)化與升級，尤其是在臺網(wǎng)布局上，亟需增強(qiáng)地震弱監(jiān)視區(qū)的監(jiān)測水平，并從基礎(chǔ)資料、觀測質(zhì)量、影響因素和震例信息等方面對每個測項(xiàng)的預(yù)報(bào)效能進(jìn)行常態(tài)化動態(tài)評估，從而不斷提升我國地下流體臺網(wǎng)的監(jiān)測預(yù)報(bào)水平以及地震分析預(yù)報(bào)能力。

4 結(jié)論

通過對瑪多MS7.4地震前地下流體觀測資料及異常特征分析，結(jié)合比巴顏喀拉塊體多次MS7.0以上地震前的地下流體異常特征，得出以下結(jié)論：

(1)瑪多MS7.4地震前地下流體異常的時間階段性特點(diǎn)明顯，整個演化過程呈現(xiàn)出由外向震中收縮的遷移特征，短期階段異常數(shù)量呈現(xiàn)加速增多的特征。

(2)玉樹水溫異常具有明顯的重現(xiàn)性。異常形態(tài)多表現(xiàn)為“下降—上升”的“V”字形變化，對于地震的時、空、強(qiáng)判定有一定的指示意義。

(3)瑪多MS7.4地震震前地下流體異常和松潘MS7.2地震、玉樹MS7.1地震具有一定的相似性；在區(qū)域應(yīng)力加載作用方面，瑪多MS7.4地震與玉樹MS7.1地震可能具有類似的應(yīng)力加載過程。