蘇皖地區2次中強地震前地下流體異常及其形成機理分析

繆阿麗 葉碧文 張藝 瞿旻 高力

1）江蘇省地震局，南京市衛崗3號 210014

2）徐州地震臺，江蘇徐州 221008

0 引言

地下流體異常對地震孕震區及其外圍區域介質的變化有較為靈敏的響應，與區域構造活動關系也較為密切（車用太等，1997；劉耀煒等，1999；Montgomery et al，2003）。據統計，中國歷史地震資料中所記載的地震前后的異常現象中，與地下流體有關的現象約占50%以上（汪成民，1990）。它也被作為一種可靠的地震前兆，得到國內外學者的普遍認可（張煒等，1988；Wang et al，2010）。研究可能與地震有關的地下流體異常現象，對于積累震例、提高地震預測水平有重要的意義。

事實上，已有很多學者對大震前的地下流體異常特征作過很多分析研究（汪成民等，1990；萬迪堃等，1993；劉耀煒等，1998、2000、2008、2015；車用太等，1999a、1999b、2008；黃輔瓊等，2002；付虹等，2003；焦青等，2007）。研究結果均表明，某些強震前會出現地下流體群體性異常變化，這些異常特征主要表現在出現時間上的階段性和空間分布上的群體性，即異常按時間進程可分為中期趨勢性異常、短期異常和臨震異常，有些還有長期趨勢性背景異常。在空間分布和演化上，有些地震前的地下流體異常具有規律性，有的主要沿活動斷裂帶有序分布。譬如，1989年10月19日大同-陽高MS6.1、1996年5月3日包頭西MS6.4、1998年1月10日張北-尚義MS6.2地震前，地下流體異常出現了沿構造帶呈帶狀分布的特點（車用太等，1999a、1999b；黃輔瓊等，2002）。有的在中短期或短臨階段，異常圍繞著震源區出現聚集或擴散現象。譬如1976年7月28日唐山MS7.8、1990年4月26日共和MS7.0、1996年2月3日麗江MS7.0、2007年6月3日寧洱MS6.4、2014年8月3日魯甸MS6.5地震的孕震過程中，異常的這種特征比較明顯（李宣瑚，1981；劉耀煒等，1998、2008；付虹等，2003）。為了揭示地震孕育過程，進而對潛在震源區及發震時間給予較準確的預測，在總結分析大震前出現的地下流體群體性異常特征的同時，異常的形成和發展成因也受到關注。早期，學者們認為地震前兆異常主要來自震源體的活動，前兆場的演化受震源體發展過程的控制（郭增建等，1979）。近些年來，隨著研究的深入，在總結分析大震前地下流體異常總體特征的基礎上學者們認為，地震前兆異常受區域構造活動和震源體的共同影響（陸明勇，2010；車用太等，1999a、1999b；劉耀煒等，2015）。

前人的工作得到了很好的結果，留下了寶貴的資料。但地震前兆機理仍有進一步深入研究的空間。例如，學者們在總結分析時均提出了地震地下流體前兆異常受區域構造活動的影響。區域構造活動為什么會引起前兆異常如此反應？如沿著構造帶分布、在中短期或短期階段在震源區聚集。水溫多數在中期階段表現為上升變化，而在短臨階段表現為下降變化（劉耀煒等，2008；徐桂明等，2010；繆阿麗等，2014），引起水溫如此變化的原因是什么？這些問題都有待探究。本文分析了蘇皖地區20多年來發生的2次中強地震，即2011年1月19日安慶MS4.8地震（以下簡稱安慶地震）和2012年7月20日高郵-寶應MS4.9地震（以下簡稱高郵-寶應地震）前地下流體的群體性異常特征，并對異常形成機理進行初步討論。

1 蘇皖地區2次中強地震前地下流體典型異常特征

本文按照《中國震例》（2003～2006）（蔣海昆等，2014）中的劃分標準對安慶地震和高郵-寶應地震前的異常進行了歸類，即出現在地震前5年以上的趨勢性異常變化稱為長期趨勢性背景異常，出現在震前0.5～5.0年的趨勢性異常變化稱為中期趨勢性背景異常，出現在震前1～6個月內的異常為短期異常，出現在震前1個月左右的異常稱為臨震異常。安慶地震和高郵-寶應地震前異常的基本概況見表1，2個地震前的異常臺站空間分布見圖1。由表1、圖1可知，安慶地震和高郵-寶應地震前，地下流體異常在時間進程上和空間分布上均表現出類似的特征。在時間進程上均可分為中期趨勢性背景異常、短期異常和臨震異常。在空間分布上，中期趨勢性背景異常廣泛分布；短臨異常向震中收縮。

水位異常可能會受人為活動的影響，因此，對水位數據進行了篩選。選取水位資料時遵循以下原則：①無人為干擾（儀器變更、臺站改造、井口裝置改變、無規律抽水、渠道放水與停水等）引起的臺階變化或對臺階狀變化因素比較清楚，能進行矯正，以及無其他變化；②具有明顯的年動態變化；③無因長期抽水引起的趨勢性變化或因受降雨影響的趨勢性變化。按以上原則對數據進行篩選后，蘇皖地區符合要求的有12口井。本文對這12口井水位數據進行了分析，數據類型為日均值，觀測井基本特征見表2。

1.1 安慶地震前地下流體典型異常特征

繆阿麗等（2017）曾分析過安慶地震前地下流體典型異常特征。結果表明，在安慶地震孕育過程中，地下流體前兆異常表現出中期趨勢性背景異常與短臨異常的配套性特征。

表1 蘇皖2次中等地震前地下流體異常基本特征

續表1

圖1 安慶地震（a）和高郵-寶應地震（b）前異常空間分布

在中期趨勢性背景異常階段，主要有流體井水位異常和水溫異常。其中，水位異常表現為趨勢性轉折變化，且異常分布較廣，在距震中100～400km范圍內均有分布。且異常在空間分布上具有一定規律性，即以安慶地震震中為中心，外圍流體井：安徽的五河11井和定遠04井，江蘇的蘇05井、蘇08井、蘇12井、蘇10井、蘇19井、蘇22井等水位表現為趨勢性轉折下降，而靠近震中的流體井：江蘇的江浦井、蘇18井，安徽的巢湖14井、涇縣井等水位表現為趨勢性轉折上升（圖1（a）、表2）。一個有趣的現象是，出現趨勢性轉折上升的流體井在空間上的分布方向與安慶地震的發震斷層宿松-樅陽斷裂的走向（謝祖軍等，2012）一致，都是NE方向。

表2 觀測井基本特征

在中期趨勢背景階段，水溫異常有2個，分別為距震中100km的無為24井水溫和距震中140km的巢湖14井水溫。這2口井水溫先后出現快速上升異常變化，異常的起始時間具有從震中向外遷移的特點。另外，這2個異常分別在震前5個月、1個月的短臨階段出現轉折回落恢復，地震即發生在異常轉折下降恢復過程中（圖1（a）、表1）。

在短臨階段，異常在空間跨度上分布較廣，在距震中383km范圍內都有分布，這些異常分別為安慶23井水位、馬鞍山27井水位、五河女山井水位、宿遷05井水溫以及霍山33井水位。在空間上，這些異常分布雖然較廣，但均集中在郯廬斷裂帶附近，且有沿郯廬斷裂帶先向遠離震中的方向遷移，在臨震階段再向震中靠攏的特點（圖1（a）、表1）。以上的異常過程表明，安慶地震的孕育過程主要受區域應力場統一作用的影響，因此，在時間進程上出現了中期趨勢性背景異常與短臨異常的配套過程（劉耀煒等，2008）。這種配套性對于我們較為準確地把握震情變化有著重要的參考價值。

1.2 高郵-寶應地震前地下流體典型異常特征

高郵-寶應地震前，地下流體異常在時間進程上也可分為中期趨勢性背景異常、短期異常和臨震異常的配套性特征。

在中期趨勢背景階段，異常包括水位異常和水溫異常。其中，水位異常主要表現為水位的長期趨勢性形態發生轉折變化（圖2），異常在空間上呈規律性分布（圖1（b））。以高郵-寶應地震震中為中心，外圍流體井：安徽境內的定遠04井，江蘇境內的蘇05井、蘇06井、江浦流量、蘇10井、蘇22井、蘇19井和蘇12井等表現為趨勢性轉折下降，而震中附近的流體井如江蘇境內的蘇08井、蘇18井則表現為趨勢性轉折上升。涇縣井雖然不靠近震中，但與蘇18井處在同一斷裂帶上。流體井整體表現為震中外圍井呈趨勢性轉折下降變化，震中附近井呈趨勢性轉折上升變化，且趨勢性轉折上升的流體井在空間上的分布方向與高郵-寶應地震的斷層走向（劉建達等，2012；康清清等，2015）一致。

圖2 蘇皖地區部分流體井趨勢性變化

在中期趨勢背景階段，水溫異常的井有3個，分別為南京蘇15井、無為24井和巢湖14井。巢湖14井距震中230km，井深331m，觀測段為270～301m，觀測含水層巖性為泥盆系石英巖，地下水類型為孔隙裂隙承壓水，構造部位為郯廬斷裂帶東側、滁河斷裂與橋頭集-東關斷裂交匯處。巢湖14井水溫在長期趨勢上表現為趨勢性上升，上升速率為0.0096℃／a，2011年9月7日出現快速上升，速率為0.2964℃／a，是正常速率的幾十倍，到2012年1月17日達到最大值，最大上升幅度為0.052℃，之后稍有回落，高郵-寶應地震即發生在水溫緩慢回落過程中（圖3（a））。無為24井距震中290km，井深3200m，觀測層為第四系、石炭系、泥盆系含水層，地處下揚子斷塊區，地表為第四系覆蓋，受降雨干擾小，該井水溫正常情況下以0.3444℃／a的速度呈上升趨勢變化。2011年10月2日無為24井水溫上升速率加快，為0.5724℃／a，2012年6月6日達到最高值，升溫最大幅度達0.312℃，之后緩慢回落，地震即發生在水溫緩慢回落過程中（圖3（b））。蘇15井距震中140km，水溫長期變化較穩定，下降速率為0.006℃／a，2012年1月1日出現加速下降，下降速率為0.1488℃／a，下降幅度0.085℃。地震即發生在下降轉平階段。中期異常具有先從震中向外遷移、再向震中靠攏的特點（圖1（b）、表1）。

圖3 安慶地震前地下流體中期異常

在短期階段，異常有鹽紡井離子（鈣離子、氯離子）、馬鞍山27井水位和溧陽蘇22井水溫等。鹽紡井距震中60km，觀測站周圍為第四系覆蓋層，隱伏斷裂有鹽城-南洋岸斷裂和洪澤-溝墩斷裂。正常情況下鹽紡井氯離子、鈣離子濃度分別以0.26、0.07（mg·L－1）／a的速度緩慢上升，2012年4月2日鹽紡井氯離子、鈣離子濃度出現同步突升，上升速率分別為36.00、3.48（mg·L－1）／a，最大上升幅度分別為2.027、0.620mg／L。高郵-寶應地震即發生在離子濃度高值時（圖4（a））。馬鞍山27井距震中180km，觀測站位于寧蕪斷陷盆地西側、銅井-蕪湖NE向斷裂帶上的樅陽-宿松斷裂近側，地下水類型為裂隙承壓水。馬鞍山27井水位在長期趨勢上緩慢上升，上升速率為0.054m／a。2012年4月6日馬鞍山27井水位出現突降，下降速率為7.494m／a，最大降幅1.073m，地震即發生在水位下降過程中（圖4（b））。溧陽蘇22井距震中210km，觀測站位于茅山斷裂帶宜溧山區EW向背斜軸部、2條次級斷裂交匯處。蘇22井水溫有很好的映震能力，當水溫下降幅度≥0.005℃時，異常與周圍中等地震間有很好的對應關系，如2009年4月6日安徽肥東MS3.5地震、2010年7月19日黃海MS4.6地震、2011年6月17日安徽桐城MS3.6地震以及2011年9月10日江西瑞昌MS4.5地震前均有反映（繆阿麗等，2014）。2012年5月11日溧陽蘇22井水溫再次出現下降變化，最大降幅0.005℃（圖4（c）），之后發生高郵-寶應地震。在短期階段，異常表現為從震中向外遷移的特點（圖1（b））。

圖4 高郵-寶應地震前短期異常

在臨震階段，異常主要為蘇05井、蘇06井的水溫異常。蘇05井、蘇06井水溫均具有較好的映震能力，在江蘇地區地震的短期、短臨預測方面發揮了較好的作用（徐桂明等，2010）。蘇05井距震中130km，位于郯廬斷裂帶東側沭陽凹陷內。觀測井深976m，觀測層埋深827～862m，系白堊紀赤山組細沙巖，其上有厚層泥巖，含水層具有一定封閉性，不受表層水干擾。蘇05井水溫長期趨勢性上升，2012年6月20日蘇05井水溫在趨勢性上升的背景下出現下降，下降幅度為0.001℃。高郵-寶應地震即在水溫下降到最低值時發生（圖5（a））。蘇06井距震中50km，臺站基底由中元古界張八嶺群組成，巖性主要為灰黑、灰綠色條帶狀粉砂質千枚巖。該井水溫在長趨勢上處于上升變化，2012年7月2日井水溫出現下降，下降幅度為0.002℃（圖5（b））。高郵-寶應地震即發生在水溫低值時。從異常起始時間來看，臨震階段異常有向震中遷移的特點（圖1（b））。

圖5 高郵-寶應地震前臨震異常

2 群體異常特征分析

2.1 時間進程中的配套性

在安慶地震和高郵-寶應地震孕育過程中，地下流體前兆異常表現出相似的特點。在時間進程上均表現出中期趨勢性背景異常和短臨異常的配套性特征，這種時間進程上的配套性是地下流體強地震前兆的主要特征之一（劉耀煒等，2000、2008）。本文結果表明，這種時間進程上的配套性不僅是強震前的主要特征，在中等地震前也能觀察到。

在中期趨勢性背景階段，2次地震前地下流體異常可分為水位異常和水溫異常。其中，水位異常表現為趨勢性轉折變化，且在空間分布上呈一定規律性，即震中外圍流體井水位表現為趨勢性轉折下降，震中附近的表現為趨勢性轉折上升。而水溫也先后出現快速上升變化，異常的起始時間具有從震中向外遷移的特點。另外，水溫異常在進入短臨階段出現轉折回落恢復，地震即發生在異常轉折恢復過程中。在短臨階段，從起始時間看，異常具有從震中向外圍擴展繼而向震中靠攏的特點。以上的異常過程表明，安慶地震和高郵-寶應地震的孕育過程主要受區域應力場統一作用，因此，在時間進程上出現了中期、短臨前兆的配套過程（劉耀煒等，2008）。這種時間進程中的配套性對于較為準確地把握震情發展有重要的參考價值。

2.2 空間演化過程的協調性

安慶地震和高郵-寶應地震前出現的中期、短臨異常在空間動態演化過程中表現出了很明顯的規律性。在中期趨勢性背景階段出現了水位、水溫2種異常。其中，水位異常分布較廣，在距震中100～400km范圍內均有分布，且在空間分布上具有一定規律性，即震中外圍流體井水位表現為趨勢性轉折下降，而靠近震中的流體井表現為趨勢性轉折上升。另外，出現趨勢性轉折上升的流體井在空間上的分布方位與2次地震發震斷層的走向一致（謝祖軍等，2012；劉建達等，2012；康清清等，2015）。這可能說明水位的這種中期趨勢性異常雖受區域應力作用的影響，但也受構造格局的控制。而水溫異常有從震中向外遷移的特點，雖然高郵-寶應地震前，水溫異常先從震中向外遷移繼而向震中靠攏，但這與在短期階段，異常向震中附近靠攏的趨勢相承接。與中期趨勢性背景異常相比，短臨異常在空間上向震中附近靠攏，在異常起始時間上，短臨異常有先向遠離震中方向遷移，在臨震階段向震中回遷的特點。

3 地下流體異常形成演化機理討論

（1）在中期趨勢性背景階段，水位異常在空間上表現為震中附近流體井水位呈趨勢性轉折上升，而震中外圍的呈趨勢性轉折下降的特點。另外，2次地震前轉折上升的流體井在空間上的分布方位主要為NE向，與2次地震的發震斷層走向一致（謝祖軍等，2012；劉建達等，2012；康清清等，2015）。地下水前兆的主要模式有擴容-擴散（DD）模式（Scholz等，1973）與裂隙串通（IPE）模式（米雅奇金，1983），這2種模式都強調了震源區及其附近的巖體在震前的破裂活動，水位異常在微破裂發生時表現為下降，在裂隙擴容或串通階段表現為大幅上升。根據如下郭增建等（1979）提出的地震斷層破裂長度L的統計公式，可計算出安慶地震和高郵-寶應地震時斷層的大致破裂長度

其中，M為震級。通過式（1）可以得到安慶地震和高郵-寶應地震的斷層破裂長度分別為5.7、6.1km，而安慶地震和高郵-寶應地震前的水位群體變化中距震中最近的流體井的震中距也遠大于這個尺度。因此，以上2種模式都不適合解釋安慶地震和高郵-寶應地震前水位的群體變化，即這2個地震前水位的群體變化反映的是場兆信息，而非源兆信息。井水位的上升、下降異常變化除了與裂隙的破裂有關外，還受到周圍應力場活動的影響。在區域應力場作用下，巖石的孔隙度和滲透系數都會發生變化。在相對擠壓的環境中，孔隙度下降，孔隙水滲透進井孔造成水位上升；同樣，水位下降則反映了周圍巖石的相對拉張變化。因此認為，水位在形態上表現出的震中外圍流體井趨勢性轉折下降，震中附近流體井趨勢性轉折上升的變化特征以及在空間分布上表現出的與發震斷層走向一致的特點，說明流體井的趨勢變化更多是受區域應力場作用以及區域構造格局所控制。

圖6 巢湖14井水溫隨深度的變化

（2）在中期趨勢性背景階段，水溫異常在形態上表現為先快速上升變化，在進入短臨階段時出現緩慢回落的特點。關于影響井水溫變化的機理，有學者在研究水溫的同震響應現象時提出振蕩時水受擾動導致不同深度、不同溫度水的混合而引起水溫變化的彌散模型（石耀霖等，2007），以及由于井水中的氣體釋放引起水溫同震突降的氣體溢出說（魚金子等，1997；陳大慶等，2007），這些模型能解釋水溫同震下降現象，但無法解釋中期階段水溫上升到回落的整個過程。據監測志記載，巢湖14井井深331m，套管深度331m，水溫探頭放置在深195m處，觀測層巖性為石灰巖，該井水溫測項不受降雨影響。巢湖14井水溫隨深度的變化結果顯示（圖6），在110m以下，該井水溫呈線性變化，且隨深度的增加而增大，這說明該段水溫觀測環境簡單。無為24井井深3200m，套管深度2900m，水溫探頭深度190m，這種觀測條件下，可排除由于圍巖孔隙水與井內水交互作用而引起水溫變化的可能。另外，可能引起井水溫上升變化的原因有3個，即有深部熱流補給、受區域應力加載作用以及斷層活動產生的摩擦熱作用等（車用太等，2008）。巢湖14井和無為24井水位并沒有發生異常變化，因此，可排除深部熱流補給的可能，而斷層活動產生的摩擦熱作用適用于源兆。綜合分析認為，水溫異常變化為區域應力加載作用的結果。

4 結論

本文歸納總結了2011年1月19日安慶MS4.8地震和2012年7月20日高郵-寶應MS4.9地震前出現的地下流體異常特征，并對其形成機理作了初步分析，得出以下結論。

（1）在時間進程上，安慶地震和高郵-寶應地震孕育過程中都表現出中期趨勢性背景異常和短臨異常的配套性特征。這種時間進程上的配套性對于較為準確地把握震情發展有重要的參考價值。

（2）在空間分布上，2次地震前的地下流體異常特征表現出了相似性。在中期趨勢性背景階段，異常可分為水位異常和水溫異常。2次地震前水位異常在空間上均表現為震中附近流體井水位呈趨勢性轉折上升，而震中外圍的呈趨勢性轉折下降的特點。另外，2次地震前轉折上升的流體井在空間上的分布方位主要為NE向，與2次地震的發震斷層走向一致。中期階段的水溫異常大致有先從震中向外遷移繼而向震中靠攏的趨勢。在短臨階段，2次地震前地下流體異常均表現為先向外遷移繼而向震中靠攏的特點。

（3）根據郭增建等（1979）提出的地震斷層破裂長度計算公式，可計算出安慶地震和高郵-寶應地震時斷層的大致破裂長度分別為5.7、6.1km。而安慶地震和高郵-寶應地震前的水位群體變化中距震中最近的流體井的震中距也遠大于這個尺度。因此認為，這2個地震前水位的群體變化反映的是場兆信息，而非源兆信息。在區域應力場作用下，巖石的孔隙度和滲透系數都會發生變化。在相對擠壓的環境中，孔隙度下降，孔隙水滲透進井孔造成水位上升，同樣水位下降則反映了周圍巖石的相對拉張變化。因此認為，水位在形態上表現出的震中外圍流體井轉折下降，震中附近流體井轉折上升的變化特征以及在空間分布上表現出與發震斷層走向一致的特點，說明流體井水位這種趨勢性變化更多是受區域應力場作用以及區域構造格局所控制。

致謝：感謝安徽省地震局提供巢湖14井水溫梯度資料。