祁連—西秦嶺地震帶流體異常震例分析

趙小茂 竇瑪麗 張國(guó)強(qiáng) 王 新 方 煒

（中國(guó)西安710068陜西省地震局）

祁連—西秦嶺地震帶流體異常震例分析

趙小茂 竇瑪麗 張國(guó)強(qiáng) 王 新 方 煒

（中國(guó)西安710068陜西省地震局）

總結(jié)1980—2010年祁連—西秦嶺地震帶地下流體有關(guān)震例，對(duì)地下流體前兆異常特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。發(fā)現(xiàn)：祁連—西秦嶺地震帶地震異常以原始曲線方法提取出的高值、化學(xué)量、中期異常為主；流體異常持續(xù)時(shí)間與震中距成負(fù)相關(guān)關(guān)系，即異常最先出現(xiàn)在與地震較近的臺(tái)站。

祁連—西秦嶺地震帶；地下流體；震例；統(tǒng)計(jì)研究

0 引言

對(duì)地下流體震例的記載，可以追溯到遠(yuǎn)古時(shí)代，早在公元前約23世紀(jì)就有“三苗欲滅時(shí)，地震泉涌”的記載，1990年前西漢綏和二年陜西、甘肅和山西一帶地震，有“水出地動(dòng)”之說(shuō)。公元408年“廣固地震，天各水涌”，“井水溢，汝水竭”（《太平御覽》）。1100年（宋哲宗元符三年）安徽歙縣一帶地震，據(jù)《新安志》記載，黃山第四峰下有泉沸如湯，出得溪中，號(hào)朱砂湯。明、清以來(lái)，有關(guān)地震前后地下水、氣異常變化的記載更加詳盡。1556年陜西華縣關(guān)中大地震，“地震前數(shù)日，豐渭水溢，巨魚(yú)甚多”，“關(guān)中大地震，河水漲，井水溢”，“卑濕之地，地裂泉涌高丈余，因而井竭，洛渭可涉”等。

地下流體觀測(cè)的物理量明確，觀測(cè)方法簡(jiǎn)單直觀，能靈敏反映巖體的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)變化，是地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中重要的觀測(cè)手段，記錄的地震前兆信息豐富。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)歷史地震資料所記載的地震前兆異常現(xiàn)象共計(jì)1 160條目，其中地下水、氣的異常約占50%以上，可見(jiàn)流體異常在地震前兆異常中占有重要地位，總結(jié)地下流體的前兆異常特征，對(duì)提高流體異常的認(rèn)識(shí)和把握，乃至提高地震預(yù)測(cè)水平具有重要意義。

西秦嶺斷裂帶與祁連構(gòu)造帶地處青藏塊體北東緣，受青藏塊體持續(xù)推擠作用，構(gòu)造變形復(fù)雜，強(qiáng)震活躍。諸多研究者從地震前兆、活動(dòng)性等方面進(jìn)行研究，如：張新基等（2005）系統(tǒng)分析2003年民樂(lè)—山丹M 6.1地震前地下流體異常場(chǎng)時(shí)空分布及演化特征，指出震前流體前兆場(chǎng)具有異常時(shí)間長(zhǎng)、異常項(xiàng)次多、異常范圍大的特征。袁道陽(yáng)等（2004）分析了青藏高原東北緣所在的柴達(dá)木—祁連活動(dòng)地塊內(nèi)晚第四紀(jì)活動(dòng)構(gòu)造特征，指出在區(qū)域北東向構(gòu)造應(yīng)力作用下，塊體發(fā)生NE向擠壓縮短、順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)和SEE向擠出等構(gòu)造變形。本文統(tǒng)計(jì)祁連—西秦嶺斷裂帶發(fā)生的地震，分析地下流體異常特征，以期揭示異常與地震活動(dòng)的關(guān)系，為今后相關(guān)地震分析提供參考。

1 區(qū)域地震地質(zhì)構(gòu)造

選取祁連—西秦嶺地震帶及臨近地區(qū)是中國(guó)地震多發(fā)區(qū)（圖1），區(qū)內(nèi)有多條斷裂帶。西秦嶺斷裂帶是青藏高原東北部一條大型走滑活動(dòng)斷裂帶，晚新生代以來(lái)以左旋走滑為主，兼有傾滑分量。斷裂帶東端與秦嶺北緣斷裂相連，往西經(jīng)天水、武山、漳縣至臨夏以西，走向大致為NWW向，長(zhǎng)達(dá)470km（李傳友等，2007）。西秦嶺北緣斷裂由6條次級(jí)斷裂組成，從東往西分別為寶雞—天水?dāng)嗔选⑻焖P凰山斷裂、武山斷裂、漳縣斷裂、黃香溝斷裂和鍋麻灘斷裂。

祁連地震帶呈北西向展布在青藏高原塊體的東北緣區(qū)，由一系列深大活動(dòng)斷裂帶組成（張新基等，2005），主要表現(xiàn)為擠壓逆沖和左旋走滑運(yùn)動(dòng)，歷史上發(fā)生10多次7級(jí)以上強(qiáng)震或大震，如1920年海原8.5級(jí)、1927年古浪8級(jí)和1932年昌馬7.6級(jí)地震。近年來(lái)，該地震帶中強(qiáng)地震活動(dòng)頻繁。

圖1 祁連—西秦嶺構(gòu)造帶Fig.1 Regional location of the Qilian-western Qinling tectonic belt

2 地下流體動(dòng)態(tài)分類

從地震監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)角度，地下流體觀測(cè)數(shù)據(jù)具有正常和異常動(dòng)態(tài)。正常動(dòng)態(tài)指無(wú)地震活動(dòng)時(shí)段的數(shù)據(jù)變化；異常動(dòng)態(tài)指有地震活動(dòng)時(shí)段的震兆異常。然而，無(wú)地震活動(dòng)時(shí)流體動(dòng)態(tài)未必都正常，有地震活動(dòng)時(shí)也未必都異常。嚴(yán)格地說(shuō)，正常動(dòng)態(tài)指無(wú)震活動(dòng)時(shí)段，在無(wú)干擾情況下表現(xiàn)出的規(guī)律變化；異常動(dòng)態(tài)指有震活動(dòng)時(shí)段，在無(wú)干擾情況下表現(xiàn)出的與地震孕育和發(fā)生過(guò)程有關(guān)的變化。由此可知地下流體觀測(cè)資料存在干擾動(dòng)態(tài)，指在特定地點(diǎn)、特定時(shí)段，在特定因素干擾下出現(xiàn)的特殊動(dòng)態(tài)，還有一些成因不明的動(dòng)態(tài)。因此，從實(shí)用角度，地下流體動(dòng)態(tài)可分為正常動(dòng)態(tài)、干擾動(dòng)態(tài)、異常動(dòng)態(tài)和成因不明的動(dòng)態(tài)（車用太等，2004）。由于異常形態(tài)各異，為便于統(tǒng)計(jì)，本文從異常測(cè)項(xiàng)、持續(xù)時(shí)間、

形態(tài)及異常持續(xù)時(shí)間與震中距關(guān)系4個(gè)方面進(jìn)行分類。

3 地下流體異常震例

祁連—西秦嶺斷裂帶及附近地區(qū)多次發(fā)生中強(qiáng)地震，在此列舉幾個(gè)研究者對(duì)相關(guān)地震水氡、氣汞測(cè)項(xiàng)的分析結(jié)果，揭示該地區(qū)地下流體異常特征。

（1）水氡異常震例。劉耀煒等（1998）使用40個(gè)地下流體觀測(cè)點(diǎn)的資料，對(duì)1990年4月26日青海共和M 7.0地震的前兆動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行系統(tǒng)研究（圖2），指出震源240 km范圍內(nèi)水氡為中短期趨勢(shì)上升異常，表現(xiàn)為由震源逐漸向外圍擴(kuò)散的特點(diǎn)，在短臨階段，各測(cè)點(diǎn)水氡異常變化基本同步。楊興悅等（2006）利用從屬函數(shù)法，對(duì)1984—2003年武山22號(hào)井水氡資料進(jìn)行分析。共提取5次從屬函數(shù)中期異常，其中4次對(duì)應(yīng)甘肅及鄰區(qū)發(fā)生的MS≥5.8地震（圖3）。

圖2 共和7.0級(jí)地震前后水氡月均值異常（據(jù)劉耀煒）Fig.2 Anomaly of mean monthly values of water radon before and after the Gonghe MS7.0 earthquake (Liu Yaowei,1998)

圖3 武山22號(hào)井水氡異常從屬曲線（據(jù)楊興悅）Fig.3 Water radon anomaly for Wushan No.22 well (Yang Xingyue,2006)

（2）氣汞異常震例。趙小茂等（2010）研究了汶川地震前周至井氣汞的異常特征，指出該井距汶川8.0級(jí)地震震中約560 km，汶川8.0級(jí)大地震及余震期間，陜西省周至氣汞出現(xiàn)3次同一類型的異常形態(tài)（圖4）。異常主要特征為，主震前12天氣汞測(cè)值出現(xiàn)快速下降過(guò)程，降幅9%，而在隨后幾個(gè)月龍門(mén)山斷裂北段的2組余震前，異常出現(xiàn)時(shí)間均為震前3天，下降幅度均為15%。結(jié)合地震活動(dòng)與氣汞的異常形態(tài)特征，陜西省地震局流體學(xué)科組對(duì)2008年9月12日第3組余震進(jìn)行了較好預(yù)測(cè)。

圖4 2008年汶川8.0級(jí)地震期間周至井氣汞整點(diǎn)值曲線Fig.4 Hourly air radon values recorded by Zhouzhi well during the 2008 Wenchuan MS8.0 earthquake

4 研究區(qū)地下流體異常特征

整理1980—2010年祁連—西秦嶺地震帶及鄰近地區(qū)地下流體震例，統(tǒng)計(jì)1980—2010年各期刊發(fā)表的相關(guān)研究成果120例，其中涉及42個(gè)地震事件，64個(gè)地下流體測(cè)點(diǎn)，包括水位、水溫、流量、水（氣）氡、水（氣）汞、水溶氣等流體測(cè)項(xiàng)。選取其中17個(gè)震例列表，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 祁連—西秦嶺地震帶及鄰近地區(qū)流體異常特征Table 1 Characteristics of the groundwater anomaly in the Qilian-western Qinling seismic belt and surrounding regions

對(duì)于統(tǒng)計(jì)的120個(gè)異常，從異常測(cè)項(xiàng)、持續(xù)時(shí)間、形態(tài)及異常持續(xù)時(shí)間與震中距關(guān)系4個(gè)方面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表2、表3、表4、圖5。

（1）測(cè)項(xiàng)統(tǒng)計(jì)。根據(jù)地震行業(yè)分類，He、CO2、H2、CH4、氣體總量統(tǒng)稱為水溶氣，與水（氣）氡、水（氣）汞作為化學(xué)測(cè)項(xiàng)，而水位、水溫、流量作為物理測(cè)項(xiàng)，統(tǒng)計(jì)各測(cè)項(xiàng)出現(xiàn)數(shù)量，見(jiàn)表2。

表2 祁連—西秦嶺地震帶流體異常測(cè)項(xiàng)統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics for anomalous categories in groundwater of the Qilian-western Qinling seismic belt

由表2可見(jiàn)，研究區(qū)域內(nèi)異常測(cè)項(xiàng)以水（氣）氡異常為主，占整體異常的66%。其中物理測(cè)項(xiàng)以水位異常為主，化學(xué)測(cè)項(xiàng)以水氡異常為主。

（2）異常持續(xù)時(shí)間統(tǒng)計(jì)。依據(jù)《地震預(yù)報(bào)管理?xiàng)l例》（中華人民共和國(guó)國(guó)務(wù)院令第255號(hào)），對(duì)所收集的震例從時(shí)間尺度上進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，即：長(zhǎng)期預(yù)報(bào)時(shí)段為10年內(nèi)，中期預(yù)報(bào)為2年內(nèi)，短期預(yù)報(bào)為3個(gè)月內(nèi)，臨震預(yù)報(bào)為10天內(nèi)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 祁連—西秦嶺地震帶流體異常時(shí)間統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of anomalous time in groundwater of the Qilian-western Qinling seismic belt

對(duì)祁連—西秦嶺地震帶流體異常持續(xù)時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，異常以中、短期異常為主，共98項(xiàng)，占區(qū)域內(nèi)整體異常的82%，其中短期異常最多，占整體異常的46%。

（3）異常形態(tài)分類。流體異常形態(tài)多樣，為便于統(tǒng)計(jì)，將異常形態(tài)按低值、高值、破年變3類進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，以高值異常為主，低值異常次之，破年變異常最少，其中高值異常100項(xiàng)，占整體異常的60%（表4）。

表4 祁連—西秦嶺地震帶流體異常形態(tài)統(tǒng)計(jì)Table 4 Abnormal patterns in groundwater of the Qilian-western Qinling seismic belt

（4）異常持續(xù)時(shí)間與震中距的關(guān)系。將異常持續(xù)時(shí)間進(jìn)行排序，并與震中距進(jìn)行對(duì)比（圖5），可以看出，異常持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，震中距越小。反之，可以理解為異常最先出現(xiàn)在震源區(qū)附近，隨著時(shí)間的增加，異常有向外擴(kuò)散的趨勢(shì)。這一分析結(jié)果與1990年4月26日青海共和M 7.0地震的前兆動(dòng)態(tài)特征（劉耀煒等，1998）結(jié)果一致（圖4）。

圖5 祁連—西秦嶺地震帶流體異常持續(xù)時(shí)間與震中距關(guān)系Fig.5 Relationship between epicentral distance and duration of groundwater anomalies in Qilian-western Qinling seismic belt

5 結(jié)束語(yǔ)

地震預(yù)報(bào)科學(xué)本質(zhì)是觀測(cè)科學(xué)，預(yù)報(bào)水平的提高主要取決于臺(tái)網(wǎng)獲取地震信息的能力（汪成民，2005）。在人們努力向物理預(yù)報(bào)探索的過(guò)程中，震例總結(jié)在當(dāng)前經(jīng)驗(yàn)性預(yù)報(bào)中仍起著重要的作用。整理并統(tǒng)計(jì)祁連—西秦嶺地震帶1980—2010年有關(guān)流體資料前兆異常120項(xiàng)，發(fā)現(xiàn)該地震帶流體異常以高值異常、水（氣）氡異常、短期異常為主，樣本數(shù)量有限，統(tǒng)計(jì)結(jié)果待豐富和完善。

張新基，張慧，等.民樂(lè)—山丹地震地下流體異常場(chǎng)特征及其成因分析[J].西北地震學(xué)報(bào)，2005，27(2)：168-173.

袁道陽(yáng)，張培震，劉百篪，等.青藏高原東北緣晚第四紀(jì)活動(dòng)構(gòu)造的幾何圖像與構(gòu)造轉(zhuǎn)換[J].地質(zhì)學(xué)報(bào)，2004，78（2）：270-278.

李傳友，張培震，張劍璽，等.西秦嶺北緣斷裂帶黃香溝段晚第四紀(jì)活動(dòng)表現(xiàn)與滑動(dòng)速率[J].第四紀(jì)研究，2007，27（1）：54-63.

劉耀煒，張無(wú)生.共和7.0級(jí)地震前地下流體前兆的動(dòng)態(tài)演化特征[J].西北地震學(xué)報(bào)，1998，1：59-64

汪成民.建設(shè)科學(xué)、有效的地震前兆監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)提高捕捉地震前兆信息的能力[J].國(guó)際地震動(dòng)態(tài)，2005，4：115-116.

Research on earthquake cases based on underground fl uid in the Qilian-West Qinling seismic belt

Zhao Xiaomao，Dou Mali，Zhang Guoqiang，Wang Xin and Fang Wei
(Earthquake Administration of Shanxi Province,Xian,710068,China)

In this study,we attempt to statistically investigate and analyze the precursory characteristics of underground fluid base on researches of earthquake cases associated with underground fluid of the Qilian-West Qinling seismic belt from the year 1980 to 2010.The results reveal that the earthquake precursors are mainly high values,chemical amounts,and middle-term anomalies,which are retrieved from raw time series records.Meanwhile,statistical results of precursory time of underground fl uid show that precursory time scale are negatively related to epicentral distance,namely precursors always fi rstly occurred at geodynamic observatories which are closest to the epicenters.

Qilian-West Qinling seismic belt，underground fl uid，earthquake cases，statistical research

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.05.012

趙小茂（1976—），男，陜西三原人，高級(jí)工程師，主要從事地下流體相關(guān)研究工作

2015年度震情跟蹤定向工作任務(wù)（2015010410）；2016—2018年陜西省地震局啟創(chuàng)基金

本文收到日期：2014-12-10