瑪多7.4級(jí)地震和門源6.9級(jí)地震前佐署地下流體異常特征分析

蘇維剛,劉 磊,孫璽皓

(青海省地震局,青海 西寧 810001)

0 引言

地震活動(dòng)過(guò)程中常伴有地下流體的水溫和水位變化,地下水具有流動(dòng)性、難壓縮等特點(diǎn),通過(guò)地下水微動(dòng)態(tài)觀測(cè),可以研究含水巖體受力、變形、破壞過(guò)程等現(xiàn)象[1]。地下水的水溫、水位觀測(cè)目前是我國(guó)地震地下流體觀測(cè)中重要的觀測(cè)項(xiàng)目,已開(kāi)展了30多年[2-3]。水溫、水位變化機(jī)理[4-6]、同震響應(yīng)[7-10]等現(xiàn)象受到有關(guān)學(xué)者的關(guān)注,汶川8.0,玉樹7.1,九寨溝7.0等多次強(qiáng)震前均有水溫、水位的異常變化出現(xiàn)[11-13],目前針對(duì)地震前水溫、水位前兆異常已有較多的研究成果,包括地震前的區(qū)域水溫異常特征、單一水溫測(cè)項(xiàng)在不同地震前的異常變化以及水溫、水位異常變化的可能機(jī)理等[11,14-17]。

2021年5月22日青海果洛州瑪多縣發(fā)生MS7.4地震,震中位于34.59°N,98.34°E,震源機(jī)制解顯示為高傾角走滑型地震[18]。發(fā)震構(gòu)造為昆侖山口—江錯(cuò)斷裂,地震震中位置在佐署地震臺(tái)SW方向,震中距210 km,2022年1月8日青海海北州門源縣發(fā)生MS6.9地震,震中位于37.77°N,101.26°E。發(fā)震構(gòu)造為冷龍嶺斷裂,此次地震發(fā)震位置處于佐署臺(tái)的NW方向,距臺(tái)站132 km(圖1)。兩次地震前青海西寧佐署地震臺(tái)水溫、水位都有不同程度不同形態(tài)的異常變化出現(xiàn),而且兩次地震發(fā)生時(shí)水溫、水位出現(xiàn)不同程度的同震階升響應(yīng)。佐署觀測(cè)井是唯一在兩次地震前均出現(xiàn)異常響應(yīng),震時(shí)出現(xiàn)顯著同震階躍的測(cè)點(diǎn),作為兩次地震前最為優(yōu)勢(shì)的響應(yīng)測(cè)點(diǎn),深入分析佐署地下流體異常特征對(duì)于認(rèn)識(shí)這兩次地震的孕震過(guò)程及其之間的動(dòng)態(tài)聯(lián)系具有重要意義。本文通過(guò)地球化學(xué)取樣分析、異常特征對(duì)比分析,同震響應(yīng)及震后調(diào)整性異常特征分析等多角度對(duì)佐署水溫、水位異常資料進(jìn)行深入分析,期望認(rèn)識(shí)異常資料變化、同震響應(yīng)等特征與兩次地震之間的關(guān)系,同時(shí)為震前前兆異常信息的提取和震后趨勢(shì)判定提供參考依據(jù)。

圖1 佐署地震臺(tái)觀測(cè)井地質(zhì)概況[20]Fig.1 The geological overview of observation well at the Zuoshu seismological station

1 觀測(cè)臺(tái)站及測(cè)項(xiàng)概況

佐署地震臺(tái)所處大地構(gòu)造位置屬于秦祁昆造山帶中段,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,變形變質(zhì)作用較為強(qiáng)烈。臺(tái)站位于日月山斷裂和拉脊山斷裂交匯區(qū)域,其北側(cè)為達(dá)坂山構(gòu)造帶,西側(cè)為日月山構(gòu)造帶,南側(cè)為拉脊山構(gòu)造帶[19]。臺(tái)站所在地區(qū)屬于高原大陸性氣候,具有四季不分明、冬長(zhǎng)夏短、晝夜溫差大及干旱多風(fēng)的特點(diǎn)。區(qū)內(nèi)水系發(fā)育,支流均常年流水,但水量受季節(jié)影響明顯,水流流入湟水河,臺(tái)站地處湟水流域,臺(tái)址巖性為砂巖。觀測(cè)井屬自流井,井深107 m,套管下設(shè)深度100 m,水頭約15 m,屬深層層間承壓水。含水層巖性為砂礫巖,上覆隔水層主要以砂質(zhì)泥巖為主,厚度約95 m。

佐署臺(tái)自2016年架設(shè)SWY-2型水位儀和SZW-Ⅱ型水溫儀,進(jìn)行動(dòng)水位和水溫觀測(cè),二者為同井觀測(cè),儀器均為分鐘值采樣,水位探頭距離泄流口中心線8.4 m,水溫探頭位于井下約100 m的位置。觀測(cè)資料一直受到高速路施工干擾(距臺(tái)站直線距離不到50 m),2019年10月施工結(jié)束,數(shù)據(jù)恢復(fù)正常觀測(cè)。動(dòng)水位自穩(wěn)定觀測(cè)以來(lái)呈緩慢下降變化,年降幅約0.5 m,水溫自穩(wěn)定觀測(cè)以來(lái)呈緩慢上升變化,年增幅約0.03 ℃(圖2)。臺(tái)站周邊無(wú)河流經(jīng)過(guò),但臨近高速公路,容易受施工影響,此外有泄洪渠從臺(tái)站前經(jīng)過(guò),可能會(huì)受降水影響。2021年8月16日水位下降至泄流口以下,泄流口無(wú)水流出,2021年8月20日架設(shè)一套SWY-2型水位儀進(jìn)行動(dòng)水位對(duì)比觀測(cè)。

2 佐署水位、水溫異常特征

佐署動(dòng)水位自2021年2月25日21～24時(shí)出現(xiàn)突降變化,最大下降幅為0.27 m,2021年5月22日發(fā)生瑪多MS7.4地震,震后50天,即7月10佐署動(dòng)水位和水溫同步出現(xiàn)趨勢(shì)轉(zhuǎn)折變化,動(dòng)水位呈趨勢(shì)下降,水溫呈趨勢(shì)上升。2021年8月25日動(dòng)水位出現(xiàn)突降變化,最大降幅0.27 m,2022年1月8日發(fā)生門源MS6.9地震(圖2)。

圖2 水位水溫2020年以來(lái)整點(diǎn)值曲線Fig.2 Integral hour value curves of water level and water temperature since 2020

異常出現(xiàn)后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)核實(shí):2021年8月20日架設(shè)動(dòng)水位對(duì)比觀測(cè)儀器,兩套動(dòng)水位觀測(cè)資料連續(xù)穩(wěn)定,變化同步一致,表明儀器工作狀態(tài)正常;此外通過(guò)臺(tái)站周邊調(diào)查,附近無(wú)施工和灌溉抽水情況,最近的環(huán)境干擾源高速公路處于正常通行狀態(tài),無(wú)施工干擾;最后分析氣象資料,在2021年全年日均降水量最大(3 mm)的時(shí)段(2021年7月20日至23日)水溫、水位均未出現(xiàn)變化,表明佐署觀測(cè)井受到降水的影響較小,并且2021年1月以來(lái)氣溫、氣壓和降水觀測(cè)資料變化穩(wěn)定,未出現(xiàn)比較極端的寒冷天氣和大范圍降水天氣,基本排除了觀測(cè)系統(tǒng)、人為活動(dòng)和自然環(huán)境造成的干擾[21]。

3 佐署水位水溫異常演化與兩次地震的響應(yīng)關(guān)系

3.1 地球化學(xué)特征分析

2021年3月、7月和8月分別在佐署觀測(cè)井進(jìn)行水樣采集,每次采集水樣50 mL,密封低溫保存并及時(shí)送往中國(guó)科學(xué)院青海鹽湖研究所分析測(cè)試中心進(jìn)行測(cè)試[22],結(jié)果列于表1。3次采樣期間均無(wú)降水情況。

表1 佐署地震臺(tái)觀測(cè)井水樣結(jié)果對(duì)比(單位:mg/L)Table 1 Comparison between observation results of different water samples at Zuoshu seismic station (unit:mg/L)

佐署水位水溫觀測(cè)井井水-巖化學(xué)平衡(圖3)顯示:瑪多MS7.4地震前2021年3月測(cè)試結(jié)果在“未成熟水”范圍內(nèi),表明其為淺層地下水,主要接受大氣降水的補(bǔ)給,循環(huán)周期相對(duì)較快,水-巖之間尚未達(dá)到離子平衡狀態(tài),水巖作用仍在進(jìn)行[23]。2021年7月測(cè)試結(jié)果在“部分平衡水”范圍,表明水-巖作用程度變高,Piper圖(圖4)顯示水化學(xué)類型從Na-Cl型轉(zhuǎn)變?yōu)镹a-HCO3型,震前震后的水化學(xué)類型和水-巖反應(yīng)程度均出現(xiàn)明顯變化表明含水層補(bǔ)給發(fā)生變化,2021年8月測(cè)試結(jié)果接近“部分平衡水”與“完全平衡水”的交界區(qū)域,水-巖反應(yīng)程度進(jìn)一步變高,說(shuō)明佐署觀測(cè)井受到瑪多MS7.4和門源MS6.9地震的顯著影響。而且自2021年3月以來(lái)佐署觀測(cè)井水體中的HCO3-濃度持續(xù)增大,考慮其水體溶解的CO2濃度增加,可能指示區(qū)域存在斷裂活動(dòng)增強(qiáng)的跡象[24],隨后在2021年5月22日和2022年1月8日分別發(fā)生瑪多MS7.4和門源MS6.9地震。

圖3 佐署觀測(cè)井水-巖化學(xué)平衡圖Fig.3 Water-rock chemical equilibrium diagram of Zuoshu observation well

圖4 佐署觀測(cè)井水化學(xué)Piper圖Fig.4 The hydrochemical Piper map of Zuoshu observation well

3.2 異常特征對(duì)比分析

佐署地震臺(tái)動(dòng)水位測(cè)項(xiàng)自2020年正常觀測(cè)以來(lái),異常變化一共出現(xiàn)3次,異常開(kāi)始時(shí)間分別為2021年2月25日、2021年7月10日和2021年8月25日。為獲得更為明確的時(shí)空強(qiáng)指示信息,以本次“突降”的異常形態(tài)對(duì)震例進(jìn)一步梳理,異常變化共出現(xiàn)2次,異常對(duì)應(yīng)率100%,對(duì)應(yīng)于M6.5以上地震(圖5),加入模擬觀測(cè)資料的震例結(jié)果,列于表2,可見(jiàn):震例指示異常開(kāi)始的4個(gè)月內(nèi)青藏高原次級(jí)地塊邊界及其附近的M6.5以上地震。

圖5 佐署動(dòng)水位異常整點(diǎn)值曲線Fig.5 Integral hour value curve of dynamic water level anomalies at Zuoshu station

表2 佐署動(dòng)水位震例統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of earthquake cases corresponding to dynamic water level anomalies at Zuoshu station

地震后區(qū)域應(yīng)力調(diào)整、應(yīng)力轉(zhuǎn)移而引起應(yīng)力場(chǎng)擾動(dòng),可能引起井孔-含水層變形、孔隙壓力變化[25-27],因此震后短時(shí)間內(nèi)相應(yīng)震級(jí)對(duì)應(yīng)范圍內(nèi)出現(xiàn)的異常變化稱之為震后調(diào)整性異?；蛘鸷笮?yīng)。付虹等[26]通過(guò)對(duì)云南 20余年記錄到的地震后效井孔及后繼震的特征分析發(fā)現(xiàn)震后效應(yīng)與后繼震有一定關(guān)系,前期地震后效井與后繼震具有地震地質(zhì)構(gòu)造的緊密聯(lián)系。佐署水位水溫在瑪多MS7.4地震后不足50天水位水溫同步出現(xiàn)趨勢(shì)性異常變化,考慮該變化為震后的調(diào)整性異常變化即震后效應(yīng),佐署觀測(cè)井作為瑪多MS7.4地震的后效井,其與2022年1月8日門源MS6.9地震的關(guān)系列于表3。

表3 地震后效與后繼地震結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 3 The statistical results of post-earthquake effect and subsequent earthquakes

通過(guò)對(duì)比可以看出佐署觀測(cè)井作為后效井,其與門源MS6.9地震同處于祁連次級(jí)塊體,異常出現(xiàn)距發(fā)震時(shí)間與震中距分別為6個(gè)月和132 km,與前人研究結(jié)果的時(shí)空尺度相當(dāng)[26]。

3.3 同震響應(yīng)特征分析

地下流體同震效應(yīng)能夠有效、直接揭示地殼介質(zhì)對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變的響應(yīng)[8,26,28],地震引發(fā)的水位同震階升地區(qū)可能是構(gòu)造應(yīng)力集中的脆弱區(qū),存在地震危險(xiǎn)性[29]?，敹郙S7.4和門源MS6.9地震發(fā)生后,佐署水位水溫觀測(cè)均發(fā)現(xiàn)明顯的同震階升現(xiàn)象(圖6),且同震響應(yīng)還未恢復(fù),其中佐署水位在兩次地震時(shí)的同震階升幅度分別為0.11 m和0.31 m,水溫的同震階升幅度均為0.01 ℃,因此需要關(guān)注與佐署地震臺(tái)構(gòu)造相關(guān)聯(lián)的區(qū)域地震危險(xiǎn)性。

圖6 佐署觀測(cè)井在瑪多MS7.4和門源MS6.9地震時(shí)的同震響應(yīng)特征Fig.6 The coseismic response characteristics of Zuoshu observation well during the Maduo MS7.4 and Menyuan MS6.9 earthquakes

4 水位水溫異常機(jī)理討論

在地震孕育過(guò)程中,區(qū)域應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)發(fā)生改變,在應(yīng)力加載作用下,含水層巖體變形、相應(yīng)的孔隙壓力發(fā)生變化,導(dǎo)致井-含水層系統(tǒng)水動(dòng)力條件改變[2,4,16]。通過(guò)地球化學(xué)分析結(jié)果來(lái)看,瑪多MS7.4地震前后,佐署觀測(cè)井水-巖反應(yīng)程度明顯增大,水質(zhì)類型也發(fā)生明顯變化,表明地震改變了井-含水層的水動(dòng)力環(huán)境,2021年8月的水樣結(jié)果指示水-巖反應(yīng)程度仍處于部分平衡水至完全平衡水邊界,說(shuō)明水動(dòng)力環(huán)境并未恢復(fù)至原來(lái)狀態(tài),而且有進(jìn)一步改變的跡象,可能表征區(qū)域應(yīng)力增強(qiáng)的狀態(tài)并未緩解,之后發(fā)生門源MS6.9地震。在瑪多MS7.4和門源MS6.9地震孕震后期臨近發(fā)震時(shí),可能造成佐署地震臺(tái)所在區(qū)域的瞬時(shí)應(yīng)力加載作用,淺層隔水層破裂,使不同含水層串聯(lián)混通,因此造成震前短期內(nèi)水位的突降,之后井-含水層系統(tǒng)趨于穩(wěn)定,水位保持穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。

瑪多MS7.4地震后在部分區(qū)域造成動(dòng)態(tài)的應(yīng)力加載和卸載[30],斷裂力學(xué)性質(zhì)改變或者發(fā)生調(diào)整,引起流體不同方向的運(yùn)移,導(dǎo)致水位、水溫等在震后出現(xiàn)調(diào)整性異常變化?，敹郙S7.4地震后,通過(guò)梳理甘青兩省具有同震響應(yīng)變化的地球物理場(chǎng)觀測(cè)臺(tái)站,發(fā)現(xiàn)同震響應(yīng)優(yōu)勢(shì)區(qū)域主要集中在青海東部至甘青交界區(qū)域,佐署地震臺(tái)在優(yōu)勢(shì)區(qū)范圍內(nèi),而且佐署水位、水溫在瑪多MS7.4地震中出現(xiàn)明顯的同震階升響應(yīng),因此瑪多MS7.4地震后可能造成佐署臺(tái)所在區(qū)域的應(yīng)力加載,使得水位、水溫出現(xiàn)趨勢(shì)性調(diào)整性異常變化。

5 結(jié)論與思考

通過(guò)對(duì)佐署地震臺(tái)水位、水溫觀測(cè)資料的深入分析,綜合異常核實(shí)和異常分析結(jié)果,得出:

(1) 佐署動(dòng)水位在2021年2月25日和2021年8月25日出現(xiàn)的突降異常變化分別從時(shí)空強(qiáng)三要素較好的對(duì)應(yīng)了瑪多MS7.4和門源MS6.9地震。動(dòng)水位突降異常變化具有較好的短期指示意義,一般指示未來(lái)三個(gè)月左右次級(jí)塊體邊界及附近的M6.5左右的強(qiáng)震。

(2) 佐署動(dòng)水位和水溫在2021年7月10日同步出現(xiàn)的趨勢(shì)性轉(zhuǎn)折異常變化為瑪多MS7.4的震后調(diào)整性異常,其對(duì)后繼地震門源MS6.9有一定的時(shí)空指示意義。

(3) 佐署觀測(cè)井水化學(xué)類型和水-巖作用程度在瑪多MS7.4和門源MS6.9地震前后發(fā)生顯著變化,說(shuō)明強(qiáng)震孕育及發(fā)生能夠顯著改變含水層水動(dòng)力環(huán)境,應(yīng)關(guān)注后期水化學(xué)類型和水-巖作用程度的恢復(fù)過(guò)程。

(4) 佐署動(dòng)水位、水溫在兩次地震時(shí)均具有明顯的同震階升響應(yīng),作為同震響應(yīng)的優(yōu)勢(shì)測(cè)點(diǎn)需重點(diǎn)關(guān)注未來(lái)可能出現(xiàn)的異常變化。

通過(guò)對(duì)水位、水溫前兆異常的可能機(jī)理探討分析,佐署臺(tái)是地球物理場(chǎng)觀測(cè)的一個(gè)構(gòu)造敏感點(diǎn),佐署臺(tái)水位、水溫的異常變化對(duì)青海及鄰區(qū)次級(jí)塊體上強(qiáng)震具有較好的短期指示意義,在未來(lái)震情跟蹤過(guò)程中應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注。另外需要持續(xù)跟蹤佐署觀測(cè)井的同震階升恢復(fù)情況及其震后后效,重點(diǎn)關(guān)注其構(gòu)造關(guān)聯(lián)區(qū)的震情發(fā)展。