2022年1月8日門源M6.9地震前青海地區(qū)逸出氣氡異常特征分析

劉 磊, 蘇維剛, 李 霞, 趙玉紅, 馮麗麗, 張朋濤

(青海省地震局, 青海 西寧 810001 )

0 引言

據(jù)中國地震臺網(wǎng)正式測定,2022年1月8日1時45分,在青海海北州門源縣(37.77°N,101.26°E)發(fā)生M6.9地震,震源深度10 km。地震震中位于門源縣皇城蒙古族鄉(xiāng)附近,距門源縣城54 km,西寧、蘭州等地有明顯震感。本次地震發(fā)生在青藏高原東北緣,位于柴達(dá)木—祁連塊體、阿拉善地塊和鄂爾多斯地塊的交匯處,地處祁連地震構(gòu)造帶,距離最近的斷層是冷龍嶺斷裂帶西北端與托萊山斷裂的階區(qū),以左旋為主,震中距約5 km。

氡值變化是與巖石應(yīng)力改變過程相關(guān)性較強(qiáng)的指標(biāo),從氡值測量用于地震預(yù)報研究的機(jī)理分析,在地震孕育時,震源區(qū)附近應(yīng)力增高,導(dǎo)致周圍巖石產(chǎn)生裂隙孔隙,從而使深部的氡通過裂隙、孔隙逐漸向地表遷移,致使地震活動區(qū)域及其附近中的氡值濃度高于外圍地區(qū)[1-3]。氡的濃度變化是地球深部信息的重要表現(xiàn),特別是地震孕育及發(fā)生階段,水中氡的濃度會出現(xiàn)不同程度的異常變化[4],針對氡的異常成因,前人提出了諸如膨脹擴(kuò)散、破裂混合、熱液爆沸、氡團(tuán)混入、超聲振動、巖漿沖熔及水動力作用等機(jī)理和模式[5-7]。但是,并不是所有地震孕育過程中的應(yīng)力集中都會引起氡濃度的高值變化,其中有一部分是因?yàn)榄h(huán)境、人為等干擾所致。震前,筆者依據(jù)流體異常出現(xiàn)的時間順序?qū)η嗪５卣鹋_網(wǎng)流體測項(xiàng)出現(xiàn)變化多次開展現(xiàn)場核實(shí),排除了人為、環(huán)境和儀器干擾等,確定了樂都、西寧逸出氣氡為兩項(xiàng)震兆異常。此次門源M6.9地震前,西寧、樂都逸出氣氡均出現(xiàn)顯著異常形態(tài),震中距分別為133 km和169 km,異常形態(tài)表現(xiàn)為西寧逸出氣氡在2021年9月22日—11月8日出現(xiàn)下降-上升起伏變化以及樂都逸出氣氡于2021年9月15—10月5日出現(xiàn)上升-下降起伏變化,最大幅度分別為14 Bq/L和360 Bq/L。截止2021年11月初兩套觀測數(shù)據(jù)均已轉(zhuǎn)平,與歷史震例研究結(jié)果一致。本文通過氡值異常機(jī)理及歷史震例研究,綜合其水文地球化學(xué)的控制因素和影響因素,分析認(rèn)為該異常是可信的地震前兆異常。該研究工作,可為后續(xù)地震前兆異常識別提供科學(xué)參考依據(jù),同時也有助于提升該區(qū)震情研判能力。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

1.1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

西寧、樂都逸出氣氡觀測點(diǎn)處在祁呂—賀蘭“山”字型構(gòu)造前弧西冀的達(dá)坂山、日月山、拉脊山等隆起帶及西寧—民和盆地拗陷帶內(nèi)[8](圖1)。其中西寧逸出氣氡觀測點(diǎn)地處西寧盆地中部,受區(qū)域NE向擠壓構(gòu)造應(yīng)力場的作用,構(gòu)造形跡主要表現(xiàn)為NW向、NWW向壓扭性斷裂,其次為近SN向、NE向張扭性斷裂。NW向、NWW向?yàn)閴号ば宰杷當(dāng)嗔?近SN向、NE向?yàn)閺埿詫?dǎo)水?dāng)嗔?這兩組斷裂控制了區(qū)內(nèi)地下熱水的分布,交匯部位成為地下熱水上涌的主要通道[9]。樂都逸出氣氡觀測點(diǎn)由于受構(gòu)造運(yùn)動的多次影響,所處構(gòu)造在局域上呈網(wǎng)狀分布,位于兩組斷層交匯處的次級小斷層上,巖體破碎。南側(cè)與樂都盆地相鄰,其余三面是中高山區(qū)。斷層出露高100 m左右,破碎帶平均寬1.8 m,斷層泥及角礫發(fā)育。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造圖Fig.1 Geological structure map of the study area

1.2 水文地質(zhì)特征

西寧逸出氣氡觀測點(diǎn)地處湟水流域,水點(diǎn)巖性為第三系泥質(zhì)砂巖[8]。水點(diǎn)位于觀測室內(nèi),水溫24 ℃,水頭26.93 m,最大涌水量385.26 m3/d。該水源是距藥王泉10 m的鉆孔水,為孔隙裂隙承壓自流水。樂都逸出氣氡觀測點(diǎn)受控于復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動和外動力地質(zhì)作用,形成眾多的中小型山間盆地和谷地。各山間盆地周邊中高山區(qū)的大氣降水,為地下水的形成提供了較充沛的補(bǔ)給來源。盆地內(nèi)碎屑巖類的孔隙裂隙、松散巖類的砂礫卵石及黃土類土的大孔隙則為地下水提供了良好的儲存空間,當(dāng)?shù)叵滤\(yùn)移儲存其間時,往往構(gòu)成良好的含水層。各盆地中新生界砂巖、砂礫巖,在盆地邊緣多有裸露,有利于接受降水滲入和山區(qū)地表水、地下水的直接和間接補(bǔ)給。由于受儲水構(gòu)造、巖性、補(bǔ)給、徑流、排泄條件的控制,碎屑巖類裂隙孔隙承壓(自流)水的富水程度及水質(zhì)各地有所差異。

2 異常特征分析

2.1 異常特征

西寧逸出氣氡自2021年9月22日開始出現(xiàn)快速下降波動變化,截止2021年11月5日最大降幅27 Bq/L。2021年11月6—8日出現(xiàn)明顯上升變化,最大變幅16.2 Bq/L,隨后數(shù)據(jù)逐漸恢復(fù),總體呈現(xiàn)下降-上升起伏變化。

樂都逸出氣氡2021年9月15—21日出現(xiàn)大幅上升變化,截止21日,最大上升幅度約為360 Bq/L。22日起數(shù)據(jù)呈波動下降趨勢,截至10月5日,數(shù)據(jù)下降幅度約為298 Bq/L,10月6日開始數(shù)據(jù)恢復(fù)正常(圖2)。

圖2 逸出氣氡2021年以來原始曲線Fig.2 Original curve of radon in escape gas since 2021

異常變化出現(xiàn)后筆者進(jìn)行了現(xiàn)場核實(shí),發(fā)現(xiàn):儀器工作狀態(tài)正常,附近無施工及修建工程,無新開采水井及灌溉抽水情況,異常出現(xiàn)前,氣溫、降雨量無顯著變化。基本排除了人類活動和自然環(huán)境造成的干擾。

2.2 流體地球化學(xué)樣品采集及分析

2018—2021年,筆者曾多次對兩處觀測點(diǎn)進(jìn)行水化學(xué)組分取樣分析,2022年1月8日門源地震發(fā)生后,于2022年1月13日再次取樣,將地震前后數(shù)據(jù)對比分析,以期為異常性質(zhì)判定提供流體地球化學(xué)方面的佐證[10-14]。樣品委托中國地震局地殼應(yīng)力地殼動力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國地震局地震預(yù)測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國科學(xué)院青海鹽湖研究所分析測試中心依據(jù)《地下水質(zhì)檢驗(yàn)方法(DZ/T 0064—1993)》測試分析,具體分析結(jié)果列于表1。

表1 水化組分結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

H4Al2Si2O9+4SiO2

圖3 西寧采樣點(diǎn)離子分布星狀圖Fig.3 Star-shaped diagram of ion distribution at sampling points in Xining

圖4 樂都采樣點(diǎn)離子分布星狀圖Fig.4 Star-shaped diagram of ion distribution at sampling points in Ledu

樂都逸出氣氡采樣點(diǎn)異常形態(tài)結(jié)束后的兩次分析結(jié)果顯示,離子分布與2018年取樣結(jié)果基本均衡,無明顯差異性,僅Mg2+濃度在異常形態(tài)結(jié)束后有所升高,表明地下水徑流途徑較短。由于樂都逸出氣氡采用的是流體空吸原理,利用集氣裝置進(jìn)行氣體采集分析,不與水體直接接觸,所以樂都逸出氣氡水體采樣點(diǎn)是距觀測點(diǎn)50 m處的自來水廠抽水井(井深270 m),為本次研究提供流體地球化學(xué)數(shù)據(jù)支撐與參考。

綜上所述,西寧、樂都逸出氣氡采樣點(diǎn)在異常出現(xiàn)前及異常持續(xù)過程中均有地下水循環(huán)徑流途徑較短的低礦化水混入,從而導(dǎo)致采樣點(diǎn)不同時段離子濃度含量的差異性[15-19]。

結(jié)合所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),依據(jù)舒卡分類法,將所采集的水樣劃分為兩種水化學(xué)類型(圖5):西寧逸出氣氡采樣點(diǎn)水化學(xué)類型為Na-SO4;樂都逸出氣氡采樣點(diǎn)水化學(xué)類型為Na-Cl。均表明補(bǔ)給區(qū)主要補(bǔ)給來源的大氣降水或冰雪融水在徑流過程中受到蒸發(fā)作用、水巖相互作用入滲,導(dǎo)致水體中各主要離子質(zhì)量濃度改變,是西北干旱區(qū)地下水的特征,通過計(jì)算,得出不同時段采樣點(diǎn)的TDS、電導(dǎo)率及Na-K-Ca熱儲溫度(表2)。

圖5 水化組分Piper圖Fig.5 Piper diagram of water chemical composition

由表2可知,在熱儲深部,上升過程中的熱水與圍巖發(fā)生水巖作用,接受低溫水體補(bǔ)給,從而導(dǎo)致地?zé)崴甌DS更高,該過程中不同陰陽離子的混入,也使得電導(dǎo)率一并升高。西寧、樂都逸出氣氡不同時段采樣點(diǎn)除西寧2018年采樣的Na-K-Ca熱儲溫度較高外,其他時段無顯著差異,顯示出深部水體交換不明顯的特征[20]。

Na-K-Mg三角形圖解法由Giggenbach于1988 年提出,用來評價水-巖平衡狀態(tài)和區(qū)分不同類型的水樣,大致分為三個階段:地?zé)崴谏仙^程中與圍巖發(fā)生離子交換反應(yīng)達(dá)到平衡即為完全平衡水;熱水與圍巖中部分礦物的離子交換反應(yīng)到達(dá)平衡即為部分平衡水;熱水與圍巖礦物發(fā)生的離子交換反應(yīng)未到達(dá)平衡則為未成熟水[21]。

將西寧、樂都逸出氣氡不同時段采樣點(diǎn)的Na+、K+、Mg2+含量數(shù)據(jù)點(diǎn)計(jì)算處理后繪制Na-K-Mg三角圖(圖6),顯示出西寧逸出氣氡不同時段采樣點(diǎn)集中分布于部分平衡水區(qū)域,表明該區(qū)地下水徑流途徑較長,循環(huán)深度較深。樂都逸出氣氡不同時段采樣點(diǎn)集中分布于未成熟水區(qū)域,并且位于Mg2+端元,表明水樣與周圍環(huán)境的水-巖反應(yīng)程度較弱,循環(huán)深度較淺。

圖6 水化組分Na-K-Mg三角圖Fig.6 Triangle diagram of water chemical composition Na-K-Mg

2.3 異常特征對比分析及震例討論

2015年以前,西寧逸出氣氡觀測點(diǎn)為模擬水氡觀測,在2000年9月6日、7日測值高達(dá)109.3 Bq/L和95 Bq/L,其中6日高出正常值90 Bq/L(圖7),相對變化幅度約500%,出現(xiàn)巨變異常變化。

圖7 興海地震前西寧水氡異常曲線圖Fig.7 Abnormal curve of water radon in Xining before Xinghai earthquake

2000年9月12日發(fā)生興海6.6級地震。

自2015年12月西寧逸出氣氡數(shù)字化觀測以來,數(shù)據(jù)觀測連續(xù)穩(wěn)定,并且具體一定的年變形態(tài),但在門源6.4、九寨溝7.0、甘州5.0和瑪多7.4級地震前均無異常反應(yīng),僅在夏河5.7級地震前出現(xiàn)下降-上升的一個“U”字型變化(圖8)。根據(jù)模擬資料和數(shù)字化資料的震例總結(jié)[22],西寧逸出氣氡的時空強(qiáng)判定指標(biāo),主要指示異常出現(xiàn)之后1個月內(nèi)的中強(qiáng)以上地震,地點(diǎn)主要關(guān)注祁連帶和柴達(dá)木塊體中東部區(qū)域。結(jié)合以上震例,西寧逸出氣氡在模擬觀測時,主要是以高值變化為地震前兆異常,數(shù)字化觀測后是以低值轉(zhuǎn)折回升背景值為地震前兆異常。

圖8 西寧逸出氣氡原始曲線圖Fig.8 Original curve diagram of radon in escape gas in Xining

樂都逸出氣氡穩(wěn)定觀測至今,共出現(xiàn)兩次明顯破年變異常,兩次異常前后依據(jù)流體異常出現(xiàn)的時間順序多次開展現(xiàn)場核實(shí),排除了人為、環(huán)境和儀器干擾,第一次開始于2015年12月19日,截至2016年1月9日達(dá)到最高,漲幅約150 Bq/L。第二次開始于2017年10月30日,截至2017年11月3日上升到543 Bq/L,漲幅達(dá)到418 Bq/L。兩次異常具有極其類似的形態(tài)(圖9)。

圖9 樂都逸出氣氡破年變原始曲線圖Fig.9 Original curve diagram of radon in escape gas in Ledu

第一次破年變異常后一個月,發(fā)生門源6.4級地震,該異常據(jù)震中約140 km,從震前、震中、震后異常變化形態(tài)及現(xiàn)場異常核實(shí)來看,認(rèn)為樂都逸出氣氡異常具有很高信度,可以判定為門源6.4級地震前兆異常。

第二次破年變異常后,無震例對應(yīng)。

綜合以上震例分析可知,西寧、樂都逸出氣氡排除儀器故障及干擾,在正常觀測時間段內(nèi),對祁連帶6級以上地震有較好的前兆異常變化指示意義,形態(tài)為下降-上升或上升-下降的突變,持續(xù)時間以一個月內(nèi)為主,異常結(jié)束后三個月內(nèi)發(fā)生目標(biāo)地震。本次西寧逸出氣氡及樂都逸出氣氡分別在異常結(jié)束后60天、93天發(fā)生門源地震,與歷史震例研究結(jié)果一致[23]。

3 討論及結(jié)論

(1) 通過對正常觀測時段、異常出現(xiàn)后及震后的水化組分對比分析,討論其差異性,筆者認(rèn)為西寧、樂都逸出氣氡采樣點(diǎn)在異常出現(xiàn)前及異常持續(xù)過程中均有地下水循環(huán)徑流途徑較短的低礦化水混入,西寧逸出氣氡不同時段采樣點(diǎn)集中分布于部分平衡水區(qū)域,表明該區(qū)地下水徑流途徑較長,循環(huán)深度較深。樂都逸出氣氡不同時段采樣點(diǎn)集中分布于未成熟水區(qū)域,并且位于Mg2+端元,表明水樣與周圍環(huán)境的水-巖反應(yīng)程度較弱,循環(huán)深度較淺。

(2) 比較樂都、西寧逸出氣氡在2022年1月8日門源MS6.9地震與2016年1月21日門源MS6.4地震前的異常差異性,可知:樂都逸出氣氡在兩次地震前均表現(xiàn)出上升-下降的異常形態(tài),持續(xù)時間基本一致,顯著不同是異常幅度、異常對應(yīng)時間的差異,兩次異常幅度分別為256 Bq/L、360 Bq/L,門源MS6.4地震在異常結(jié)束21天后發(fā)生,門源MS6.9地震在異常結(jié)束93天后發(fā)生。西寧逸出氣氡在門源MS6.4地震前無異常變化,但在門源MS6.9地震前異常變化顯著,考慮到兩次地震震源機(jī)制解不同(門源MS6.4地震為逆沖型、門源MS6.9地震為走滑型),加之兩個異常觀測點(diǎn)所處構(gòu)造位置不一,筆者認(rèn)為異常幅度、異常對應(yīng)時間的差異性可能是區(qū)域應(yīng)力加載響應(yīng)不一致所引起。

(3) 震前的區(qū)域應(yīng)力加載導(dǎo)致周圍巖石產(chǎn)生裂隙孔隙,從而使地球物理觀測測項(xiàng)發(fā)生持續(xù)變化,同一時段的水巖反應(yīng)加劇,使得水化學(xué)離子組分濃度亦發(fā)生相應(yīng)變化。具體表現(xiàn)為西寧、樂都逸出氣氡震前不同形態(tài)的異常變化以及水化學(xué)組分的不均一性。

綜合分析認(rèn)為,西寧逸出氣氡在2021年9月22日—11月8日出現(xiàn)的下降-上升起伏變化以及樂都逸出氣氡2021年9月15—10月5日出現(xiàn)的上升-下降起伏變化,是可信的地震前兆異常。樂都逸出氣氡斷層氣觀測是西部地區(qū)特色的觀測項(xiàng),門源兩次地震前該測項(xiàng)均有很好的前兆異常反應(yīng),該異常提取,可為后續(xù)地震前兆異常識別提供科學(xué)參考依據(jù),同時也有助于提升該區(qū)震情研判能力。