大震前水氡同步異常變化及其預測意義探討＊

張 昱,劉小鳳,常千軍,陳 瑤,劉寶勤

(甘肅省地震局,蘭州 730000)

大震前水氡同步異常變化及其預測意義探討＊

張 昱,劉小鳳,常千軍,陳 瑤,劉寶勤

(甘肅省地震局,蘭州 730000)

分析了 1990年 4月 26日青海共和 7.0級地震、2000年 9月 12日青海興海 6.6級地震、2001年 11月 14日昆侖山口西 8.0級地震和 2008年 5月 12日四川汶川 8.0級地震前青海、甘肅以及四川北部地區(qū)部分水氡觀測點的資料變化情況,發(fā)現(xiàn)這些測點的觀測資料存在同步或準同步的變化,而且變化時間早,持續(xù)時間長。共和地震前,距震中越近的測點,出現(xiàn)的趨勢性異常所占的比例越高,異常時間越早。昆侖山口西地震的異常持續(xù)時間更長,多數(shù)異常點距震中更遠。隨著時間的推移,異常點從西北向東南遷移。興海地震個別測點出現(xiàn)異常。汶川地震的異常的同步性更好,而且多數(shù)測點的同震效應非常明顯。這些地震的異常的恢復時間均無明顯的規(guī)律,有些是在地震前恢復,有些是在地震后恢復。

水氡異常;同步變化;大震前后;地震預測

0 引言

地震地下流體是指與地震孕育、發(fā)生和構造活動有直接聯(lián)系的、賦存于地殼巖體空隙中的水、氣、油等物質。大陸地下流體前兆的物理力學機制,主要是基于強震孕育的動力學原理,即在區(qū)域應力作用下,當?shù)貧そ橘|受到力的作用而發(fā)生變形破壞時,賦存于介質中的流體在動力作用、熱力作用和化學作用下發(fā)生的動態(tài)變化。劉耀煒等(1999,2000)認為,強震流體前兆主要表現(xiàn)在異常時間發(fā)展的階段性、加速性和群體性等特征上。

氡是一種放射性氣體,是鐳衰變的中間產物。氡在巖石的孔隙和裂隙中以自由氡、吸附氡和封閉氡的形式存在。實驗證明,氡反應靈敏,當受到外界的壓力、振動等作用時,氡容易從其賦存的介質中逃逸出來,因此,當?shù)叵聭Πl(fā)生變化時,地下水中的氡濃度會出現(xiàn)不同程度的變化,這就是水氡觀測的依據(jù)(陰朝明等,2001;孟曉春,2005)。氡作為地下流體學科的敏感組分,是地震科學研究中觀測時間最長、研究最廣泛的地下流體項目之一。對于氡的觀測研究在我國的地震分析預報工作中起著十分重要的作用。

根據(jù)以往震例(馬宗晉等,1982),一次 7級以上地震的前兆異常分布的范圍較大,而且不均勻。地震預報工作者總希望從復雜的異常圖像中找出與孕震有關的前兆信息,從而提取強震的前兆標志。本文分析了青藏高原東北部地區(qū)的幾次強震前甘肅、青海和四川北部地區(qū)的一些水氡觀測資料,發(fā)現(xiàn)多數(shù)測點的資料在 1990年 4月 26日青海共和地震前、2001年 11月 14日昆侖山口西地震前和 2008年 5月 12日四川汶川地震前存在比較同步的趨勢異常,這些異常持續(xù)時間均較長,最短的也有一年半以上。有些異常點距震中較遠,例如,2001年 11月 14日昆侖山口西 8.1級地震的震中外圍約 300 km范圍內沒有地震前兆觀測點,但地震之前,在遠離震中的地區(qū),記錄到了十分典型的地下流體異常。這些異常多數(shù)是在遠離震中幾百甚至上千千米的測點記錄的,這些測點的正常動態(tài)規(guī)律清楚,異常幅度很大,持續(xù)時間較長,異常與地震的對應關系很明確。所以在遠震、大震前記錄到的地下流體前兆異常是可信的,是值得重視與深入研究的(車用太等,2002)。因此,本文所做的研究能在今后的地震監(jiān)測預報工作中發(fā)揮一定作用。

1 測點(井)概況

本文使用了 17個水氡測點的資料,各測點的基本情況見表 1。下面先對有較詳細資料的甘肅境內的通渭、武山 1號泉、武山 22號井、天水花牛、平涼附件廠、武都、張掖西武當測點,青海境內的共和、湟源、樂都、循化、民和測點,四川姑咱測點略作介紹。

表 1 觀測臺站、水點類型與測點的構造部位等參數(shù)表Tab.1 Parameters of the observational stations:location,type ofwater sites,tectonic position ofmeasuring points

通渭臺地處通渭縣城西湯池河邊,泉水出露于花崗巖與片麻巖的接觸帶上,主要含水層為花崗巖。武山 1號泉出露于近南北向的聶河斷裂與北西向的蔡家河—馬長莊斷裂交匯部位,主要含水層為花崗巖。武山 22號井也處在聶河斷裂附近,為熱水自流深井,水溫 56℃,井深 154 m。天水臺地處西秦嶺北緣斷裂,泉水出露于永川河洪積堆邊緣,主要含水層為砂礫巖和泥巖。平涼附件廠水氡臺地處六盤山斷裂東側,井水出露于涇河Ⅰ級階地上,為自流井,主要含水層為砂礫巖。武都地震臺地處南北地震帶中段、秦嶺構造帶西端,小的構造部位為光蓋山—迭山南斷裂,該泉為上升泉,泉水出露于北東東向的斷層破碎帶上。斷層破碎帶的北盤為上志留系厚層狀灰?guī)r,南盤為板巖和千枚巖。該地區(qū)歷史上曾發(fā)生過武都 8.0級大地震。西武當泉出露于民樂盆地西南緣,位于祁連山中段北緣斷裂帶上。泉點所在斷層位于奧陶系硅質巖、凝灰?guī)r與第三系砂質巖之間。泉的類型為斷裂泉,成因類型為溶濾水(張昱等,2008)。

共和地震臺位于共和縣恰卜恰鎮(zhèn)。境內地質條件復雜,斷裂帶縱橫交錯。觀測井深 174.35 m,屬第三系承壓水層中的自流水,水流穩(wěn)定,不受外界干擾。該區(qū)地震活動頻繁,發(fā)生過 7.0級地震。湟源水氡泉點地處日月山構造帶,為斷裂上升泉,主要含水層為片麻巖。樂都臺地處達扳山與拉脊山交匯處的小斷裂帶上,水點屬斷層裂隙上升泉。循化泉點北部是拉脊山構造帶,泉點出露于第四紀松散堆積物中,巖性為第四紀泥質砂礫石,屬下降泉。民和泉點位于達坂山—拉脊山構造帶,水點類型為下降泉,含水層巖性為第四紀粘質砂土夾礫石層(張昱等,2008;陳鐵流等,2005)。

姑咱臺位于康定縣姑咱鎮(zhèn),構造上處在鮮水河斷裂帶、龍門山斷裂帶、安寧河斷裂帶交匯部位附近。該地區(qū)屬隆起與沉降的交界地區(qū),構造復雜,斷裂縱橫交錯。地下水類型屬上升冷泉。

2 1990年青海共和 7.0級地震

1990年青海共和 7.0級地震與祁連山地震帶密切相關。共和地震震中位于祁連山與昆侖山兩大構造帶之間的共和盆地南緣的隱伏斷裂帶上,最大烈度達 9度,極震區(qū)的塘格木農場場部、共和縣鐵蓋鄉(xiāng)政府、興海縣河卡鄉(xiāng)的紅旗村被夷為平地,西寧市震感強烈,地震波及青海全省和甘肅蘭州及張掖等地區(qū)。

共和地震震中周圍水氡測點相對比較密集,地震時震中周圍 520 km范圍內共有 25個測點,其中 300 km范圍內有 13個測點,400～500 km范圍內有 8個測點,500～520 km范圍內有 4個測點。

2.1 水氡趨勢異常的時間分布特征

25個水氡測點中有 8個點出現(xiàn)趨勢異常。共和7號鉆孔水氡異常始于 1988年 2月,湟源水氡異常始于 1988年 2月,大通縣長寧水氡異常始于 1988年 5月,西寧水氡異常始于 1988年 5月,張掖西武當水氡異常出現(xiàn)于 1988年 8月,樂都水氡異常始于1988年 10月,民和水氡異常始于 1989年 2月,循化水氡異常起始時間為 1989年 2月。第一批 4個測點共和、徨源、長寧、西寧水氡出現(xiàn)異常的時間為1988年 2月至 5月,第二批 2個測點西武當、樂都出現(xiàn)異常的時間為 1988年 8月至 10月,第三批 2個測點民和、循化出現(xiàn)異常的時間為 1989年 2月。其中共和、徨源、長寧、西寧水氡異常出現(xiàn)時間較早,異常顯著,臨震前水氡測值均有下降,且同步性較好;而民和、循化水氡異常出現(xiàn)時間較晚,地震發(fā)生在水氡測值上升過程中。長寧、民和的異常屬破年變異常(劉耀煒,張元生,1998;王長齡等,1999)。另外,所有異常均有成組性,同步性較好。

2.2 水氡趨勢異常的空間分布特征

異常測點的震中距分別為:共和 7號,Δ=50 km;湟源,Δ=125 km;西寧,Δ=160 km;長寧,Δ=172 km;樂都,Δ=205 km;循化,Δ=220 km;民和,Δ=240 km;西武當,Δ=298 km(劉耀煒,張元生,1998)。震中距在 300 km以外的測點均未出現(xiàn)異常。

2.3 不同空間位置趨勢異常起始時間的差異性

可以看出,共和 7.0級地震前,水氡趨勢性異常的空間分布特點為距震中越近的測點,出現(xiàn)趨勢性異常的測點越多,越遠的測點,出現(xiàn)趨勢異常的測點越少。距震中越近的測點,趨勢性異常出現(xiàn)的時間越早,異常出現(xiàn)的平均時間間隔越長。隨著震中距的增大,趨勢性異常出現(xiàn)的時間逐漸推遲,異常出現(xiàn)的平均時間間隔越短。

共和地震前在距震中 520 km范圍內的 25個測點中,出現(xiàn)異常的測點均在 300 km范圍內。在震源區(qū)及其附近,出現(xiàn)水化學趨勢性異常的測點最多,隨著距震源區(qū)距離的增大,出現(xiàn)水化學趨勢性異常的測點逐漸減小,直至 300 km以外,沒有水點出現(xiàn)趨勢性異常。趨勢性異常以高值異常為主,位于震源區(qū)的水點,水化學趨勢性異常的出現(xiàn)時間早,隨著距震源區(qū)距離的增大,趨勢性異常出現(xiàn)的時間變晚。多數(shù)水氡測值在震前出現(xiàn)下降,在個別測點的測值上升過程中發(fā)震。異常持續(xù)時間多數(shù)為兩年左右。

3 2000年青海興海 6.6級地震和 2001年昆侖山口西 8.1級地震

2000年青海興海地震發(fā)生在共和盆地西部邊界的鄂拉山斷裂帶。興海地震是 1990年青海共和7.0級地震以來在共和盆地及其周邊地區(qū)發(fā)生的又一次強烈地震。

昆侖山口西 8.1級地震處在青藏高原北部的昆侖山構造帶上。地震時青海、四川、甘肅、新疆的部分地區(qū)有強烈震感,青海震區(qū)部分房屋倒塌,青藏公路 109國道多處斷裂,青藏鐵路格爾木—拉薩段受到不同程度破壞,昆侖山震區(qū)形成一條 350～400 km長的地震斷裂帶(陳文彬等,2001;沈軍等,2002)。這次地震引起國內外地震學家的高度關注,對于其震中位置、震級、震源深度、震源機制解等的分析有不同結果,說明該地震的類型與震源破裂特征的復雜性(車用太等,2002)。這次地震發(fā)生在 “無人區(qū)”,震中外圍約 300 km范圍內沒有地震前兆觀測臺站,因此關于地震前兆異常的報道較少,但在遠離震中的地區(qū)記錄到了十分典型的地下流體震前異常。

3.1 趨勢異常的時空演化特征

1996年底,青海東北部地區(qū)和甘肅東南部地區(qū)出現(xiàn)了以水氡遷移為主的大面積趨勢性異常。整個異常過程可分為 3個階段。第一批異常始于 1996年,分別為通渭臺、西寧臺、湟源臺、長寧臺的低值趨勢性異常;第二批異常為 1997年開始的民和臺、循化臺、海南臺和武都水氡的破年變低值趨勢性異常(張敏,榮艷,2001);第三批異常為 1999年出現(xiàn)的平涼柳湖、平涼附件廠、清水、武山 1號泉、武山 22號井、天水花牛等測點以破年變?yōu)橹骱偷椭禐橹鞯乃壁厔菪援惓?這些異常的起始時間和結束時間具有較好的同步性,如平涼柳湖水氡和平涼附件廠水氡異常在 2001年結束,隨后昆侖山口西地震發(fā)生;天水水氡、清水水氡、武山 1號泉水氡、武山 22號井水氡、武都水氡、湟源水氡在昆侖山口西地震發(fā)生后低值開始上升或轉折,多數(shù)測點的異常在 2002年至 2003年結束。異常點在空間上也基本具有從西北向東南遷移的特征。圖 1和圖 2為部分測點水氡觀測值的典型變化曲線。

圖 1 昆侖山口西 8.1級地震前后平涼柳湖(a)、平涼附件廠(b)水氡五日均值變化曲線Fig.1 Curves of five-day mean value ofwater radon before and after KunlunMountaionsMS8.1 earthquake(a)Liuhu,Pingliang;(b)Fujiangchang,Pingliang

圖 2 昆侖山口西 8.1級地震前后武山 22號井(a)、武山 1號泉(b)、清水水氡(c)旬均值曲線Fig.2 Curves of ten-day mean value ofwater radon bcfore and after KunlunMountainsMS8.1 earthguake(a)No.22 well,Wushan;(b)No.1 spring,Wushan;(c)Qingshui Station

3.2 短臨異常分析

2000年后,一些測點的氡值出現(xiàn)了短期和突變異常。2000年 6月和 7月大武氣氡和樂都氣氡值分別出現(xiàn)了較大幅度的下降,2000年 7月 16日,樂都氣氡值下降幅度為 120 Bq/L,大約下降到正常值的 50%,25日降到全年最低值 77 Bq/L,28日又回返到均值。西寧水氡觀測值于 9月 6日發(fā)生高值突跳,高出正常值 4倍左右,高值異常持續(xù)了 3天。這些異常的出現(xiàn)標志著強震的發(fā)生可能進入短期甚至短臨階段(張敏,榮艷,2001)。我們認為這些異常應該與 2000年 9月 12日興海 6.6級地震有關。

興海地震與昆侖山口西地震在時間上相距較短,在空間上相距較近(就同一地區(qū)的大震而言),所以筆者認為長時間的趨勢性異常與昆侖山口西地震有關,而短期的突變異常與興海地震有關。

2001年昆侖山口西地震發(fā)生時,在遠離震中幾百甚至上千千米的甘肅和青海東南部地區(qū),記錄到了十分典型的地下流體異常。甘肅東南部地區(qū)的異常點距震中 1400～1500 km左右,主要以低值異常或破年變低值異常為主。異常最早出現(xiàn)于 1996年,持續(xù)時間較長。

4 2008年四川汶川 8.0級地震

汶川地震發(fā)生在人口密集地區(qū),造成了巨大的人員傷亡和經濟損失。極震區(qū)烈度為Ⅺ度,余震非常發(fā)育,最大強余震為 5月 25日 16時 21分的青川縣 6.4級地震①中國地震臺網(wǎng)中心 .2008.中國地震臺網(wǎng)中心大震目錄 .這些余震主要分布在從映秀鎮(zhèn)到青川縣的龍門山斷裂帶的中北段,形成長達300 km的余震帶。

4.1 汶川地震的趨勢異常

我們對收集到的觀測資料進行了分析,發(fā)現(xiàn)汶川地震前武山 22號井、武山 1號泉、武都、天水花牛、四川姑咱、青海湟源等測點的水氡資料存在趨勢性異常,而且有明顯的同步或準同步變化。武山22號井和武都測點水氡均為低值異常(圖 3),異常開始時間分別為 2006年 7月和 2006年 9月;姑咱測點水氡和湟源測點水氡均為緩慢上升的高值異常(圖 4),異常開始于 2006年 5月左右;武山 1號泉和天水測點水氡為破年變異常。

圖 3 汶川 8.0級地震前后武山 22號井(a)和武都水氡(b)變化曲線Fig.3 Curves ofwater radon before and after WenchuanMS8.0 earthguake(a)No.22 well,Wushen;(b)Wudu Station

圖 4 汶川 8.0級地震前后湟源水氡(a)和姑咱水氡(b)變化曲線Fig.4 Curves ofwater radon before and afterWenchuanMS8.0 earthguake(a)Huangyuan Station;(b)Guzan Station

4.2 趨勢異常特征

從上一節(jié)中可以看出,汶川地震前有 6個測點的水氡存在明顯的異常,其中 4個為趨勢性異常,兩個為破年變異常,趨勢異常開始于 2006年 5月至 9月間,時間上比較同步,異常持續(xù)時間比2001年昆侖山口西地震的異常持續(xù)時間短,而與1990年青海共和地震的異常持續(xù)時間相近,均為兩年左右;兩個測點破年變異常均在異常恢復后 5個月左右發(fā)震。這些異常點的空間分布規(guī)律不明顯,不像共和地震那樣,在震中附近異常由多到少,異常出現(xiàn)時間由早到晚;也不像昆侖山口西地震那樣,異常呈有序遷移;汶川地震前出現(xiàn)異常的測點均距震中較近,最遠的點也未超過 700 km。與共和地震和昆侖山口西地震異常最大的區(qū)別是,多數(shù)測點對于汶川地震的震后效應明顯,即使是那些震前異常不明顯的測點,震后效應也非常明顯。

5 認識與討論

從上文的分析可以看出,1990年共和 7.0級地震前存在一個水化學前兆場,這個場的場源范圍較小,只有 300 km。位于震源區(qū)的測點,趨勢性異常出現(xiàn)的時間較早,隨著距震源區(qū)距離的增大,異常出現(xiàn)的時間逐漸推遲。趨勢性異常的形態(tài)以高值異常為主,多數(shù)測值在震前開始下降,在個別測值上升過程中發(fā)生地震。異常持續(xù)時間多在兩年左右。

在遠離昆侖山口西地震震中幾百甚至上千千米的甘肅和青海東南部地區(qū),記錄到了十分典型的地下流體異常。這些異常以低值異常或破年變異常為主。異常最早出現(xiàn)在 1996年,異常持續(xù) 4年多時間,短的也有 2年多時間。異常恢復時間不完全相同,但有成組性,最早的通渭、平涼附件廠、平涼柳湖等水氡測值在地震之前即 2001年三四月份就發(fā)生轉折或恢復,多數(shù)測點的水氡測值直到地震發(fā)生后的 2002年甚至 2003年才發(fā)生轉折和恢復,所以異常持續(xù)時間更長。

對于 2008年汶川地震,在我們所研究的地區(qū),記錄到異常的臺站沒有昆侖山口西 8.1級地震中記錄到異常的臺站數(shù)量多、距離遠。出現(xiàn)異常的測點均距震中較近,最遠的點也未超過 700 km。水氡既有高值異常,也有低值異常。多數(shù)水氡測點的震后效應非常明顯,有些是震前異常明顯的點,有些測點的震前異常不明顯。

傳統(tǒng)的地震前兆理論認為,地震前兆是地震孕育過程中的產物,是震源體孕育與發(fā)展過程中產生的信息。然而實際觀測中,每次地震前不一定都能觀測到比較相似的前兆異常。昆侖山口西地震和汶川地震同為 8級大震,但震前出現(xiàn)的異常有明顯差異。一個是在遠離震中上千千米的地區(qū)能夠記錄到大范圍、長時間、低值為主的趨勢性異常,而另一個是在震中附近幾百千米的地區(qū)才能記錄到趨勢性異常,異常無論持續(xù)時間還是數(shù)量都有明顯差異。這可能是由于觀測資料有限,并且觀測臺站無法覆蓋到每個地震的孕育范圍,也可能與震中相對于各測點的位置、測點與構造所處的位置不同等因素有關。

另外,即使是在某些地震前發(fā)現(xiàn)一些前兆異常,我們往往只考慮出現(xiàn)異常的地區(qū)或附近地區(qū),一般不會考慮太遠的地區(qū),甚至有些異常持續(xù)時間很長卻沒對應地震,這正是地震預報的難點所在。比如在上千千米以外的甘青地區(qū)能夠記錄到明顯的昆侖山口西 8.1級地震震前異常,僅僅依據(jù)震級的大小與前兆異常距離的遠近來作預測預報是不夠的。依據(jù)《中國震例》(張肇誠等,1988),5級、6級、7級地震的前兆異常統(tǒng)計范圍分別在200 km、300 km和 500 km區(qū)域,那么 8級地震的異常范圍按 7級地震的異常范圍增加一倍也只有1000 km,而昆侖山口西 8.1級地震距甘肅最遠的異常測點為 1500 km,距河北的異常測點達到2000 km(車用太等,2002),這與我們常規(guī)的、傳統(tǒng)的地震預報思路完全不符,遠遠突破了人們對地震的狹義前兆異常分布范圍的傳統(tǒng)認識(杜方,吳江,2008)。這進一步說明了地震前兆異常的復雜性。盡管前兆異常很難捕捉,但從以上幾次震例看,似乎還是有一定的共性,這幾次地震前異常的同步性和成組性非常好,主要為趨勢異常,而且異常持續(xù)時間較長。若出現(xiàn)大范圍、長時間的成組變化異常,在異常地區(qū)或周緣地區(qū)就存在發(fā)生大震或特大地震的可能。

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Analysis of Pre-and Post-earthquake Water-radon Anomaly

ZHANG Yu,L IU X iao-feng,CHANG Q ian-jun,CHEN Yao,L IU Bao-qin
(Earthquake Administration of Gansu Province,Lanzhou730000,Gansu,China)

The data of water radon from several seismic stations in Q inghai,Gansu and northern Sichuan is analyzed before MS7.0Gonghe,Q inghai earthquake,MS6.6Xinghai,Qinghai earthquake,west Kunlun Mountains MS8.0 earthquake and MS8.0 Wenchuan,Sichuan earthquake.The synchronous and quasi-synchronous anomalies of water radon appeared early in the seismogenic process of these earthquakes.The nearer the stations are to the Gonghe earthquake,the higher the ratio of the trend anomaly is,and the earlier the anomaly appears.For the MS8.0 Kunlun Mountains earthquake,most of the anomalous points are distant and the anomalies last very long.The anomalous points migrate from the Northwest to the Southeast.For Xinghai earthquake,a few anomalies appear before the earthquake. For Wenchuan earthquake,the anomalies have a good synchrony and most of the anomalies have a good co-seismic effect.For all the earthquakes,the time the anomalies disappear is not definite;some of the anomalies disappear before the earthquake,some of the anomalies disappear after the earthquake.

water-radonanomaly;synchronous change;before and after strong earthquakes; earthquake prediction

P315.72+3

A

1000-0666(2010)03-0253-06

2009-10-12.

中國地震局震情跟蹤合同制定向工作任務(2009010103)和甘肅地震重點危險區(qū)震情深入跟蹤項目(2010010105)聯(lián)合資助 .