北京五里營井流體前兆觀測到的兩次異常及討論

高 玲 邢成起

(北京市地震局，北京 100080)

北京五里營井流體前兆觀測到的兩次異常及討論

高 玲 邢成起

(北京市地震局，北京 100080)

分析了延慶五里營井汶川M8.0地震和玉樹M7.1地震數(shù)字化流體前兆觀測資料，對比研究了五里營井流體在2次強震中的響應(yīng)差異。結(jié)果顯示，流體異常響應(yīng)靈敏度與地震震級和觀測點震中距有一定關(guān)系，地震震級越大，觀測點距離震中越近，流體異常響應(yīng)越靈敏。2次大震前流體前兆都觀測到氦氣釋放活動最先出現(xiàn)異常反應(yīng)，其釋放強度與震級有關(guān)，震級越大，異常變化越強烈，其中汶川地震He濃度釋放短期內(nèi)出現(xiàn)較大變化可能與不斷的強余震活動和大震后的構(gòu)造調(diào)整有關(guān)。2次大震發(fā)生后，氦氣異常釋放反而增加明顯，這一過程有異常He的貢獻。這一方面可能與6—9月是年變過程有關(guān)，另一方面也可能與五里營井熱儲型氣體釋放特征有關(guān)，地震孕育發(fā)生過程中，有大量的深部來源He釋放出來進入地熱系統(tǒng)并改變整個組成，在時間上較斷裂型氣體釋放晚，并且異常消失的時間也會晚得多。2次強震流體映震響應(yīng)差異可能與2次地震深部構(gòu)造背景和動力機制差異有關(guān)。處于南北地震帶的汶川地震與觀測點所在東部地區(qū)的關(guān)聯(lián)強于青藏高原內(nèi)部的玉樹地震。氦氣可能是觀測點所在地區(qū)監(jiān)測地下深部氣體異?；顒拥撵`敏指標。

地下流體 響應(yīng)差異 強震 五里營井

0 引言

地下流體是地震信息的重要載體。中國地震地下流體監(jiān)測研究始于20世紀60年代。大量的震例顯示，地震孕育活動過程中，地下流體多會出現(xiàn)前兆異常，雖然二者之間并不存在確定性關(guān)系，但卻是經(jīng)?？梢姷摹Ｇ叭嗽诘卣鹆黧w前兆異常、形成機理、與地震孕育、時空關(guān)系演化方面開展了大量研究(上官志冠，1995;車用太等，1997;杜建國等，2000;劉耀煒，2000，2009)，取得了明顯的進展。這些研究在地震監(jiān)測、預(yù)測中具有重要的意義。20世紀90年代末開始，首都圈作為重點示范區(qū)，先后經(jīng)歷了“九五”“十五”觀測井數(shù)字化改造。數(shù)字化觀測具有數(shù)據(jù)信息量大，信息分辨率高，人為操作誤差小，實時傳輸?shù)忍攸c。對于數(shù)字化綜合觀測井而言，當同一地震發(fā)生時，水化學觀測和水物理觀測能夠同時記錄到地震流體前兆實時變化，這正是數(shù)字化觀測的優(yōu)勢之一。本文初次利用五里營井數(shù)字化流體綜合觀測資料，對汶川、玉樹2次強震多測項表現(xiàn)出的異常特征進行分析，討論了地震孕育過程中，氣體組分氦氣、氣氡及水溫等動態(tài)對地震前兆的響應(yīng)特征及其前兆機理。

1 五里營井基本概況

五里營井位于北京延慶縣東五里營村西北約500m處，地理坐標為115.9°E、40.5°N，海拔484m。構(gòu)造上處于狼岵城斷裂與康莊斷裂之間的延慶盆地中。五里營井深533.12m，主要觀測層為侏羅系與震旦系礫石層。地下裂隙發(fā)育，為裂隙承壓水。水頭目前高2m多。水化學類型為HCO3-Na型。多年觀測資料顯示，該井地下水動態(tài)幾乎不受淺層水和大氣降水的干擾。

五里營井流體觀測始于1985年9月，經(jīng)歷了目視觀測、模擬觀測到數(shù)字化觀測。20世紀90年代末對延慶五里營井進行了“九五”數(shù)字化改造，2007年8月五里營井作為首都圈重點實驗示范區(qū)進行了“十五”數(shù)字化改造，并在原有觀測手段基礎(chǔ)上新增了氦氣觀測儀，實施“一井多項”綜合觀測，觀測效能得到進一步提升。2008年2月開始正常觀測，目前主要測項包括氦氣、氣氡、水位、水溫等及其輔助觀測。氦氣觀測使用WGK-1型觀測儀，氣氡觀測使用TDR-25型觀測儀，水溫觀測使用TDT-36觀測儀，水位觀測使用TDGL-25觀測儀。

2 強震數(shù)字化地下流體前兆特征

近幾年先后發(fā)生了2008年5月12日四川汶川M8.0強震和2010年4月14日青海玉樹M7.1強震。延慶五里營井數(shù)字化觀測儀響應(yīng)特征見圖1。

圖1 五里營井數(shù)字化氦氣觀測汶川M8.0地震前后動態(tài)曲線Fig.1 The dynamic curve of digital Helium observation in Wuliying Well before and after the M8.0Wenchuan earthquake.

2008年5月12日汶川M8.0地震發(fā)生前，五里營井流體多個測項分別在不同時段出現(xiàn)前兆異常，其中氦氣觀測最早出現(xiàn)異常，呈明顯大幅度脈沖式突跳(圖1)，持續(xù)2個月。5月10日回落，5月12日發(fā)震。2010年4月14日青海玉樹M7.1地震五里營井只觀測到氦氣有小幅度的前兆異常變化。圖2顯示，背景值異常始于3月19日，呈小幅波動，地震發(fā)生后，短期內(nèi)出現(xiàn)大幅度脈沖式正異常，5月9日回落。汶川地震發(fā)生前，五里營井氣氡出現(xiàn)短臨突跳(圖3)，異常持續(xù)時間8d，5月4日恢復(fù)至背景值，5月12日發(fā)震。水溫(深層)觀測顯示5月12日當天出現(xiàn)明顯同震效應(yīng)，升高0.1℃(圖4)。五里營井水位“十五”改造以來背景值變化平穩(wěn)，始終保持在(2.5±0.3)m左右，5月4日出現(xiàn)小幅震蕩，5月10日水位突然下降至10m左右，現(xiàn)場手工測鐘測量連續(xù)觀測①楊明波、林元武，2008，延慶五里營井異常落實報告。顯示背景值始終保持在2.45m，并未出現(xiàn)高值異常，說明系儀器探頭故障導(dǎo)致觀測曲線失真(圖5)。需要注意的是玉樹地震氣氡、水位、水溫并未出現(xiàn)明顯異常反應(yīng)(圖6，7，8)。

圖2 五里營井數(shù)字化氦氣觀測玉樹M7.1地震前后動態(tài)曲線Fig.2 The dynamic curve of digital Helium observation in WuliyingWell before and after the M7.1Yushu earthquake.

圖3 五里營數(shù)字化氣氡觀測汶川M8.0地震前后動態(tài)曲線Fig.3 The dynamic curve of digital Radon observation in Wuliying Well before and after the M8.0Wenchuan earthquake.

圖4 五里營井數(shù)字化水溫觀測M8.0地震同震效應(yīng)Fig.4 The coseismic effect of digitalwater temperature observation in WuliyingWell before and after the M8.0Wenchuan earthquake.

圖5 五里營井數(shù)字化動水位觀測汶川M8.0地震前后動態(tài)曲線Fig.5 The curve of digital dynamic water level observation in WuliyingWell before and after the M8.0Wenchuan earthquake.

3 討論

汶川M8.0地震和玉樹M7.1地震前后，延慶五里營井流體測項記錄到了強震流體前兆的完整過程，但二者表現(xiàn)出不同的變化特征。汶川地震前后，該井流體測項氦氣、氣氡、深層水溫先后出現(xiàn)異常變化，其中氦氣最先出現(xiàn)異常反應(yīng)，其次是氣氡、水溫地震前兆異常變化。而玉樹M7.1地震前兆流體觀測只有氦氣出現(xiàn)了小幅度異常反應(yīng)，氣氡、水溫、水位異常變化不明顯。

圖6 五里營井數(shù)字化氣氡觀測玉樹M7.1地震前后動態(tài)曲線Fig.6 The dynamic curve of digital Radon observation in Wuliying Well before and after the M7.1Yushu earthquake.

圖7 五里營井數(shù)字化動水位觀測玉樹M7.1地震前后動態(tài)曲線Fig.7 The curve of digital dynamic water level observation in WuliyingWell before and after the M7.1 Yushu earthquake.

He屬稀有氣體，化學性質(zhì)穩(wěn)定，擴散力強;3He/4He比值是公認的識別氦氣物質(zhì)來源的有效指示劑。一般He同位素值＞1Ra(1.399×10-6)，即顯示有深部幔源氣體的加入。五里營井3He/4He比值為2.45Ra(2.43×10-6)，明顯有深源氣體的加入(王廣才，2003;李營，2009)。2008年5月12日汶川M8.0地震前3月中旬開始，He濃度釋放強度持續(xù)增大。顯示這期間研究區(qū)內(nèi)深部地殼應(yīng)力應(yīng)變可能出現(xiàn)了顯著的異常變化，致使觀測點氦氣體異常釋放活動持續(xù)達2個月。需要指出，汶川地震發(fā)生后，先后發(fā)生了多次強余震，其中6級以上多達10余次，研究顯示，氦氣釋放與地震活動呈正相關(guān)(孔令昌，2007)，地震活動越強，氦氣釋放越強烈。圖1所示，汶川大震后，He濃度釋放短期內(nèi)出現(xiàn)較大的變化，可能與不斷的強余震活動和大震后的構(gòu)造調(diào)整有關(guān)。2010年4月14日玉樹M7.1地震前五里營井氦氣體異常釋放活動持續(xù)約1個月，異常持續(xù)時間明顯較汶川地震前短，異常變化幅度也較汶川地震小。值得注意的是，氦氣觀測顯示，2次強震在主震發(fā)生后，在地震活動趨勢逐漸減弱過程中，異常釋放反而增加明顯(圖1，2)，并在當年9月中下旬恢復(fù)至背景值，這一過程有異常He的貢獻。這一方面反映出可能與6—9月是年變過程有關(guān)，另一方面也可能與五里營井熱儲型氣體釋放特征有關(guān)(高玲，2010)。因為就熱儲型氣體釋放而言，殼內(nèi)異常氣體組分揮發(fā)釋放進入地熱系統(tǒng)并改變其整個組成，在時間上較斷裂型氣體釋放要晚，而異常消失的時間也會晚得多。研究顯示，對觀測環(huán)境特殊的井點，例如火山、斷裂帶處熱儲型流體觀測點都顯示出此類型特征。我們的資料還顯示，觀測點氦氣體釋放活動與震級、震中距有關(guān)，震級越大，震中距越近，異常變化越強烈 (圖1，2)。

圖8 延慶五里營井數(shù)字化水溫玉樹M7.1地震前后動態(tài)曲線Fig.8 The dynamic curve of digitalwater temperature observation in Wuliying Well before and after the M7.1 Yushu earthquake.

五里營井屬自流井，井水處于不斷的泄流狀態(tài)，水溫(深層)觀測在汶川大震5月12日當天出現(xiàn)明顯的同震效應(yīng)，升高0.1℃(圖4)。顯示井孔含水層受到地震波的巨大作用，對流加速，深部大量熱水上涌是導(dǎo)致水溫升高的原因之一。上述特征說明地震孕育過程中最先是深部應(yīng)力活動不斷增強，其后才是淺層的應(yīng)力應(yīng)變活動逐漸增強。這一過程使得地下裂隙中原先存儲的氣體逐漸溶解到地下水中，具體表現(xiàn)為淺層氣Rn及水物理觀測映震響應(yīng)(圖3，4)。

需要特別指出，玉樹M7.1地震過程中，流體觀測只有氦氣出現(xiàn)明顯的前兆異常變化。氣氡、水位、水溫均未出現(xiàn)明顯的前兆變化。這可能與2次強震深部構(gòu)造背景和觸發(fā)機制有關(guān)。震源機制結(jié)果顯示，汶川地震是逆沖型為主兼有少量走滑分量的地震(http:∥www.csi.ac.cn/sichuan)，玉樹地震是斷層走滑型地震(http:∥www.csi.ac.cn/yushu)。汶川地震發(fā)生在青藏高原東緣與華南地塊交界的南北地震帶中段的龍門山斷裂帶。該帶地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是東部薄殼向西部急劇加厚陡變帶。汶川地震的發(fā)生是印度板塊向北推擠，青藏塊體地殼物質(zhì)向東方向增生過程中，受到東部大陸華南地塊的強烈阻擋背景下發(fā)生的，顯示青藏塊體和華南塊體相互作用是其主要動力來源(張培震等，2008)。有關(guān)南北地震帶對東部大陸的影響研究一直在持續(xù)開展，多有報道。2008年華北GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，汶川地震的影響主要體現(xiàn)在華北地區(qū)西南區(qū)域的山西斷陷帶(楊國華等，2008)。歷史上南北地震帶7級以上強震遷移規(guī)律揭示，一定時間段內(nèi)，南北地震帶的地震活動與東部地區(qū)地震活動有一定的關(guān)聯(lián)，如1969至1978年是南北地震帶中南段與華北地塊強震頻發(fā)時段(汪一鵬等，2007)。研究顯示南北地震帶與華北地區(qū)的關(guān)系較為密切，汶川地震震源機制顯示(張勇等，2008)，發(fā)震部位塊體相互作用中，受到了東部大陸的強烈阻力，因而所產(chǎn)生的應(yīng)力活動對東部大陸的傳遞更近，華北地區(qū)五里營井流體觀測記錄到的汶川震前特征就是一個很好的例子。

而玉樹地震發(fā)生在青藏高原中部的甘孜-玉樹斷裂帶上，震源機制結(jié)果顯示，其發(fā)震斷裂帶在與周圍塊體運動過程中未受到明顯的阻擋，青藏高原中部平均海拔在4,000m以上，地殼厚度較周圍高20～30km，其動力作用可能主要與持續(xù)隆升的高原自重引起重力坍塌產(chǎn)生相應(yīng)的地殼減薄和地形釋放有關(guān)(徐繼人等，2006)。因而玉樹與華北地區(qū)的構(gòu)造聯(lián)系相對較弱，同時震級也較汶川震級低，加之震中距較遠，其流體異常反應(yīng)較小也是可以理解的。

4 結(jié)論

(1)延慶五里營井汶川M8.0地震和玉樹M7.1地震流體前兆特征顯示，氦氣釋放活動最先出現(xiàn)異常反應(yīng);其釋放強度與震級有關(guān)，震級越大，異常變化越強烈。

(2)五里營井觀測資料還顯示，流體異常響應(yīng)靈敏度與地震震級和觀測點震中距有一定關(guān)系，地震震級越大，觀測點距離震中越近，流體異常響應(yīng)越靈敏。

(3)延慶五里營井汶川M8.0地震與玉樹M7.1地震流體異常變化特征存在明顯差異，這可能與2次地震深部構(gòu)造背景和動力機制差異有關(guān)。五里營井流體異常特征顯示，處于南北地震帶的汶川地震與觀測點所在東部地區(qū)的關(guān)聯(lián)強于青藏高原內(nèi)部的玉樹地震。

(4)氦氣可能是觀測點所在地區(qū)監(jiān)測地下深部氣體異?；顒拥撵`敏指標，今后應(yīng)當繼續(xù)加強觀測和研究。

致謝 上官志冠研究員對本文提出了修改意見，在此深表感謝。

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TWO ABNORMALITIES IN FLUID PRECURSOR OBSERVATION
IN BEIJING WULIYING WELL AND RELATED DISCUSSION

GAO Ling XING Cheng-qi
(Earthquake Administration of Beijing，Beijing 100080，China)

The precursor response characteristics of digital fluid caused by Wenchuan M 8.0 and Yushu M 7.1 earthquakes are studied，and the response difference of the observations ofWuliyingWell to the two strong earthquakes is compared.The result shows that the abnormal fluid response has a certain relationship with earthquake size and epicenter distance.The greater the earthquake，and the closer to the epicenter from the observatory，themore sensitive the response will be to fluid anomalies.Abnormal Helium release was the first to be observed before both strong earthquakes in the fluid precursor observation.The release intensity is related to earthquakemagnitude，the larger themagnitude of earthquake，the stronger the abnormal change.The large change in He release in a short period after the Wenchuan earthquakemay be related to continuous activity of strong aftershocks and the structural adjustmentafter the earthquake.Helium release increased significantly after both earthquakes，as contributed by the abnormal deep-sited Helium release.However，this processmay be connected with the annual change from July to September on the one hand，and related to the hot-reservoir type gas release in Wuliying well on the other hand.In the earthquake preparation process，a large number of deep-derived Helium is released into the geothermal system and the entire composition is changed.Temporally，this gas release appears later than fault-type gas release，and the vanishing time of this anomaly is alsomuch later.The response difference of fluid precursor to the two strong earthquakesmay be related to differences of deep structural setting and dynamicmechanism.It also shows there is stronger correlation to the Wenchuan M 8.0 earthquake in South-North earthquake belt and North-China region than to the Yushu M 7.1 earthquake in internal Qinghai-Tibet Plateau.Helium gas can be a sensitive indicator formonitoring abnormal deep-gas activity of the region where the observation station locates.Hence，observation and research should be strengthened in the future.

underground fluid，response difference，strong earthquake，Wuliying Well

P315.72+3

A

0253-4967(2011)03-0644-09

10.3969/j.issn.0253-4967.2011.03.013

2011-04-02收稿，2011-05-29改回。

北京市地震局局長基金(2011)資助。

高玲，女，1973年生，2006年畢業(yè)于中國地震局地質(zhì)研究所，獲得碩士學位，助理研究員，現(xiàn)主要從事地下流體地震監(jiān)測預(yù)報研究工作，電話:010-63377939 E-mail:gaoling@bjseis.cn。