2020年1月19日伽師MS6.4地震前后的基巖溫度變化

陳順云 宋春燕 閆 瑋 劉瓊穎 劉培洵 卓燕群 張智河

1)中國地震局地質研究所，地震動力學國家重點實驗室，新疆帕米爾陸內俯沖國家野外科學觀測研究站，北京 100029 2)新疆維吾爾自治區地震局，烏魯木齊 830011 3)首都醫科大學，生物醫學工程學院，北京 100069

0 引言

地殼應力發生變化時會改變基巖溫度，通過觀測基巖溫度可以獲取地殼應力的動態變化信息(Chenetal.，2019；陳順云等，2020)。此外，由于淺層地殼中含有豐富的流體，地殼變形必然引起流體的運移，進而改變基巖溫度。這一溫度變化相當于地殼應力變化引起的次生流體熱效應，可能屬于地殼應力動態變化的一個間接的靈敏指標。鮮水河斷裂帶的基巖溫度資料顯示，康定地震后地下水流速的變化與走滑型地震同震體應變的分區特征吻合，表明近場流體的運移特征變化很可能與同震靜態應力變化相關(Liuetal.，2020)。同時，基巖溫度對于地殼應力動態變化與其次生流體效應的響應形式并不一致，如同震時前者表現為階躍特征，后者則為指數變化型(Chenetal.，2019；陳順云等，2020)。觀測基巖溫度便可獲取地殼應力的動態變化信息，同時還可以獲得淺層地殼的流體運移信息。相較于地殼應力變化，應力變化引起的流體次生熱效應的變化幅度可能會被明顯放大(一個數量級甚至更多)，信號更易于捕捉，甚至有可能藉此獲得前兆性流體變化信息。

2013年4月20日的蘆山地震前后，位于康定的基巖溫度測點觀測到了一些值得關注的現象： 從2013年1月31日開始，康定地區的地溫出現持續變化，并與臺站周圍小地震活動存在良好的對應關系。從構造角度看，龍門山斷裂帶和鮮水河斷裂帶同屬于巴顏喀拉地塊的不同邊界，康定測點與蘆山地震之間存在關聯性，上述溫度變化可能與蘆山地震有關(陳順云等，2013)。然而，蘆山地震的震中距離基巖溫度觀測點約100km，距離較遠。2014年11月22日的康定MS6.3地震正好發生在鮮水河基巖溫度觀測臺網內。通過基巖溫度獲取的康定地震同震應力變化的量級和空間分布特征與測震學方法得到的結果一致，證實了由基巖溫度探測地殼應力變化的有效性(陳順云等，2020)。由此可見，相比之下，地震時的近場變化特征對于地震過程研究乃至前兆探測更有實際意義。

中國地震局地質研究所與新疆維吾爾自治區地震局分別于2016年和2019年在南天山西段聯合建立了基巖溫度觀測網。據中國地震臺網測定，2020年1月19日新疆喀什地區伽師縣發生MS6.4地震，西克爾基巖溫度測點正好位于震中區，且距離伽師MS6.4地震的微觀震中僅約1.3km。該測點在震前和同震均觀測到一些現象，這對于進一步理解可能的地震前兆信息具有一定的參考價值。本文將簡要闡述伽師地震前后觀測到的基巖溫度變化現象。

1 基本背景

1.1 南天山西段的基巖溫度觀測

如前文所述，2016年和2019年在南天山西段分別建立了5個和8個基巖溫度觀測臺(孔)。每個孔安裝多個溫度傳感器，以觀測不同深度的基巖溫度隨時間的變化。數據采樣間隔為10min，2016年安裝的儀器精度約為0.5mK(張智河等，2018)，2019年安裝的儀器精度具有較大幅度提升，溫度的觀測精度約達0.03mK(張智河等，2021)。2019年建設的臺站正好位于伽師地震的發震斷裂帶附近，為分析基巖溫度的前兆意義提供了機會。

圖1 南天山西段的基巖溫度臺站分布Fig.1 Distribution of bedrock temperature measurement stations in western South Tianshan.

2019年建設的臺站鉆孔深度約為50m，在每個孔內安裝3組采集器，每組包括4個溫度傳感器。其中，深部的2組傳感器間距約5m。西克爾測點深部的2組傳感器的深度分別為12.25m、17.28m、22.77m、27.78m、33.38m、38.49m、43.49m和48.55m。儀器安裝完成后，用水泥漿灌封整個井孔，為了減少水泥凝固后的收縮效應，在水泥中添加了4.2%(質量比)的微膨脹劑。

1.2 伽師MS6.4地震

2020年1月19日21時27分，在新疆喀什地區伽師縣發生了MS6.4地震。據中國地震臺網(CENC，China Earthquake Networks Center)測定，震中位于(39.83°N，77.21°E)，震源深度為16km。地震發生前1d，即1月18日00時05分在震中附近已發生過MS5.4地震。此次伽師地震屬于 “前震-主震-余震”型。伽師地震的震中位于塔里木盆地的西北邊緣，是南天山褶皺帶、帕米爾弧形構造和塔里木盆地塊體的交會區(孟令媛，2020；聶曉紅等，2020；冉慧敏等，2020)。

圖2 西克爾測點的基巖溫度變化Fig.2 The variation of bedrock temperature measured st Xikeer station.圖c 虛線為震前溫度演化示意圖

2 結果與分析

2.1 震前變化

在所設置的基巖溫度臺站中，距離伽師MS6.4地震微觀震中最近的是西克爾測點，距離僅約1.3km。圖2 給出了西克爾測點深部模塊的基巖溫度變化。從圖2 中可以看出，基巖溫度自2019年8月開始出現明顯變化；2019年10月20日溫度明顯上升，并于11月中旬達到了峰值，之后開始回落；到12月10日基本恢復為10月20日的溫度值。此外，基巖溫度于2020年1月10日突然出現一個明顯的階躍上升變化，然后緩慢恢復。之后的2020年1月18日發生了5.4級地震，1月19日發生了6.4級地震。在這2次地震中均出現了明顯的同震響應，6.4級地震的同震響應幅度明顯比5.4級地震更大(圖2c)。

簡而言之，上述異常可以分為2個階段： 第1階段是在原來 “穩定背景”上出現的某種變化(圖2a)，這種變化達到峰值后回落，再經過一段時間后發生地震；第2階段，即臨近地震時呈現出明顯的加速上升變化，地震時變化幅度達到最大(圖2c)，這一階段的變化極可能屬于地震發生過程的一部分。

需要特別指出的是： 考慮到1個采集模塊包括4個通道，而另外2個通道的觀測結果則較為平穩，因此在剛開始出現溫度異常時(圖2a)，我們曾懷疑可能是溫度采集系統出了問題。從硬件上看，第3和第4通道(分別對應38.49m和33.38m深度)共用1個道開關，當一個通道出現明顯波動時，可能會干擾到另一個通道。有趣的是，最先出現變化的通道的是第3通道，此時第4通道并沒有變化；在2020年1月18日的5.4級地震和1月19日的6.4級地震中，第4通道均呈現出了明顯的同震響應，而第3通道卻不明顯。以上現象表明，雖不能完全排除2個通道出現干擾的可能，但至少可以說明第4通道的數據包含可靠信息。

2.2 同震變化

共有西克爾和伽師總場2個測點出現較明顯的同震響應。1)西克爾測點： 與伽師地震前只有基巖溫度存在明顯變化不同，西克爾測點多個深度的測量值均出現了同震響應。其中，震后也出現變化的深度(33.38m)的同震響應最明顯，變化幅度約為0.05K(圖2c)。此外，西克爾測點的另外2個深度也出現了同震響應，如圖3a、b所示，同震變化幅度約為0.1mK。2)伽師總場測點： 僅在一個深度觀測到了同震響應，如圖3c所示。同震溫度的變化幅度也約為0.1mK。

圖3 不同臺站的基巖溫度同震變化Fig.3 Coseismic variation of bedrock temperature measured at different stations.

總體而言，盡管地溫的同震響應較為微弱，但所揭示的現象仍比較明顯，達到了可觀測的幅度。如前文所述，這一批安裝設備的溫度測量精度達到了0.03mK(張智河等，2021)，上述0.1mK的變化幅度超過儀器的觀測精度，信號本身是可靠的。

3 討論

3.1 與康定地震的對比分析

實際上，基巖溫度觀測最早始于2009年的鮮水河斷裂帶觀測。2014年11月22日康定MS6.3地震也發生于基巖溫度臺網觀測范圍之內，同樣屬于近場觀測。與伽師地震類似，在康定地震發生前，有2個基巖溫度測點在震前出現明顯變化： 康定地震臺和道孚中谷村測點。此前，考慮到只有1個震例，這種震前的變化可能是由 “偶然”因素所致，故一直沒有專門對其進行論述。結合2020年1月19日伽師地震來看，康定地震震前的基巖溫度變化可能不一定是 “偶然”因素所致，即伽師地震前出現的這些溫度變化并不是孤例。下文將對康定地震前出現的地溫異常進行簡要介紹。

(1)康定地震臺測點： 康定地震臺的基巖溫度于2014年10月12日、10月22日、11月9日、11月14日和11月22日出現了明顯的突然上升然后下降的過程，且變化模式均類似，同震響應變化的幅度最大。根據上升至最大值的時間可獲得上升速率，如圖4c所示。從圖中可以看出，溫度上升的速率呈較為清晰的指數上升趨勢，同震時達到最大。臺站距微觀震中約37.8km。

該測點所觀測到的異常特點為： 只有1個通道出現了類似的變化。與震前只有一個觀測深度的測量值出現異常不同，同震時，有2個深度存在溫度響應。同震和震前變化相同，均為升溫。

圖4 康定地震臺的基巖溫度變化Fig.4 Variation of bedrock temperature measured in Kangding seismic station.a 觀測結果；b 去除趨勢變化后的結果；c 溫度變化速率。圖c中的虛線為震前溫度演化示意圖

(2)道孚中谷村測點： 該測點于2013年2月18—21日出現降溫過程，幅度約為0.007K；自8月20日開始溫度出現波動，且斷斷續續持續到地震發生。其中，2014年5月1日的變化幅度最大，約為0.09K。臺站距微觀震中約15.6km。

該測點所觀測到的異常特點為： 只有1個通道出現類似的變化。與震前只有1個觀測深度的測量值出現異常不同，同震時，有2個深度存在溫度響應，但變化幅度均很小。震前變化以降溫為主，而同震則表現為升溫。

圖5 道孚中谷村基巖溫度變化情況Fig.5 The variation of bedrock temperature measured at Zhonggucun，Daofu.a 觀測結果；圖b的去除趨勢變化后的結果(震前500d)；c 震前100d的溫度變化；b 虛線為震前溫度演化示意圖

3.2 測點分布差異

無論在伽師地震還是康定地震中均觀測到了地震前的地溫變化。由于深度或測點位置不同，這種地溫變化存在較大差異。

(1)在深度方面： 地震前，對于出現地溫異常的臺站只有少部分深度的測量值存在明顯變化，在其他深度基本沒有觀測到明顯的異常反映。同震時，均能看到多個深度的同步響應，甚至在多個臺站都能看到清晰的同震響應。同震響應的出現，預示著地震前的溫度變化與地震相關。而不同深度上的觀測值所體現的異常響應的巨大差異，預示著前兆觀測在深度上存在明顯的不確定性。

(2)在空間分布方面： 在伽師地震中，僅有1個臺站出現震前異常，而在康定地震中有2個測點觀測到震前變化。出現異常的測點均位于發震斷層上或附近，尤其是伽師西克爾和道孚中谷村的觀測點基本位于發震斷層帶內，而康定地震的測點則離發震斷層很近，均可視為 “近場”。換言之，在發震斷層帶或其附近開展觀測，即 “近場”觀測可能能夠捕捉到與地震密切相關的短臨信息。

3.3 物理機制

基巖溫度同震響應的物理機制比較清楚，主要為同震應力變化及其次生流體效應(Chenetal.，2019；陳順云等，2020；Liuetal.，2020)。如前文所述，在伽師地震時也觀測到了清晰的與地震有關的同震溫度響應，從幅值上看，可分為0.1mK和50mK 2類。1)第1類，即0.1mK，存在明顯的階躍特征，應為同震應力變化所致。關于同震響應的應力量級，根據應力變化與溫度響應的量級關系1.0mK/MPa(劉培洵等，2004；陳順云等，2009；Yangetal.，2017)可知，西克爾和伽師總場臺站0.1mK的變化大致對應0.1MPa的應力變化。另外，在同震溫度響應的張壓特征方面，由于不同深度和臺站的觀測值均顯示同震升溫，意味著該區具有擠壓增強效應，這與InSAR觀測到的變形狀態是一致的(李成龍等，2020；溫少妍等，2020)。2)第2類，即50mK，考慮到同震升溫后觀測值存在指數形式衰減的特征，故不能簡單地解釋為應力的直接溫度響應，更可能的原因是流體的次生效應。尤其是2020年1月18日5.4級地震同震溫度上升后很快便恢復，更凸現出流體效應的特征。

通過上述分析可知，與地殼應力變化直接產生的溫度變化相比，次生流體效應引起的溫度變化更加顯著，這意味著震前溫度突然變化可能與局部流體效應密切相關。鑒于測點已由水泥灌封，限制了流體的自由流動，故此處所述的流體效應指局部封閉空間的流體在外力作用下產生的局部運移效應。考慮到這些震前的基巖溫度變化產生于發震斷層(帶)的某些特定深度，認為其可能源于臨震前斷層的局部應力變化擾動了孔隙內部的流體，使流體發生運移，從而導致溫度變化。

3.4 同震響應的意義

通過上文的分析可以看到，同震變化是比較清楚的，但是震前變化并未呈現出明顯的規律，這可能說明了地下構造的復雜性，也預示著異常判別的復雜性。通常，根據地震預報研究的經驗，在判別震前異常時首先應該有一個正常背景，在這個背景上才可能看出異常，此外還要排除各種可能的干擾。實際上，在前兆物理機制尚不明確的前提下，尋找 “正常”本質上同尋找 “異常”一樣困難。

尤其是震前的信息，與同震響應相比更加微弱且難以辨別。在震前變化的物理原因不太明晰的情況下，若能從溫度變化過程中尋找出更為確定的信息，對于理解震前的變化現象是有幫助的。一般來說，同震響應是較為確定的信息，是可能作為判斷某一信息是否與地震相關的依據。一個與地震有關的信號，其在震前出現異常，同震時應達到峰值，震后減弱或消失，這似乎是一個合理的假設。如果出現同震響應，至少可以說明這種變化與地震有關，從而可為異常變化提供一個較為明確的依據。

通過上文的分析，從時間過程看，溫度觀測值在震前的變化較小，地震時達到峰值。同時，地震發生時多個臺站均出現了清晰的同震響應。以上現象預示了這種始于地震發生之前的、空間上和時間上均與地震密切相關的變化，有可能是一項與地震前兆有關的物理信息。

4 結論

2020年1月19日新疆伽師發生MS6.4地震，地震發生在基巖溫度臺網的觀測范圍內，且西克爾臺站距離伽師MS6.4地震的微觀震中僅約1.3km，這為分析地震發生前后的地溫變化提供了機會。經過歸納，該次地震前后的基巖溫度觀測值存在下列特征：

(1)伽師MS6.4震前或地震時均出現了清晰的地溫變化。同震響應的出現意味著這些震前變化與地震相關，甚至可能屬于前兆信號。

(2)時間上，伽師地震前的基巖溫度先是在原來穩定背景上出現異常(圖2a)，異常變化達到峰值后回落，再經過一段時間后發生地震。臨近地震時，觀測值呈現出明顯的加速上升變化，地震時的變化幅度(短期內)達到最大(圖2c)。這種臨近發震所呈現出的加速特征可能與地震亞失穩過程有關。

(3)空間上，短臨前兆信息出現在發震斷層帶或其附近區域，而在距離發震斷層較遠的測點基本沒有觀測到明顯的異常信息，這預示著短臨前兆屬于 “近場”信息。從深度上看，只有局部深度的位置能觀測到震前變化，前兆觀測在深度上存在明顯的不確定性，理想情況下應開展多深度聯合觀測，避免漏掉重要的前兆信息。

(4)結合2014年11月22日康定MS6.3地震的觀測數據進行對比分析，結果顯示： 與伽師地震類似，在康定MS6.3地震前發震斷層或附近區域的基巖溫度測點也出現了明顯變化，這意味著伽師地震前的溫度變化并不是孤例。

總之，從地震前后的基巖溫度變化來看，前兆信息具有近場、構造相關及對應力變化敏感的特征。從本文結果來看，短臨前兆信息生成于發震斷層或附近，這與強震往往與活動斷層斷裂帶相關的認識是一致的。然而，震前異常僅可在某一深度位置被發現，表明基于某一特定深度部位的前兆觀測可能會漏掉很多重要的信息。

基巖溫度是一項可提供地殼應力動態及流體運移方面信息的新的地球物理觀測量。該項觀測已經歷了超過10a的發展，并取得了一定進展(陳順云等，2020；Liuetal.，2020)。然而，距離其成為有效的前兆觀測手段還有很長的路要走。尤其需要注意的是： 1)目前，基巖溫度呈現前兆異常特征的只有2個震例，震例少之又少。這主要是由于強震本身屬于小概率事件，又難以預測，與此相關的 “近場”前兆信息積累更加緩慢。2)考慮到同震的、與應力變化直接相關的溫度響應量值均較小，震前的這種幅值明顯高出1個數量級的溫度變化可能屬于震前應力變化引起的次生流體效應，這意味著開展地殼應力變化產生的次生流體熱效應定量化模型研究對于地震前兆觀測可能具有重要的實際意義。3)儀器的穩定性和靈敏度有待進一步完善，以盡量避免發現異常卻懷疑儀器運行不正常的尷尬情形。總之，圍繞具有中長期預測意義的活動斷層帶或在其附近開展多深度的基巖溫度異常演化過程觀測，可能能夠獲得具有實際意義的前兆信息。

致謝新疆維吾爾自治區地震局喀什地震臺余新等參加了野外觀測點的建設和維護等工作；陳杰研究員協助選定了野外測點；馬勝利研究員和單新建研究員為項目的實施提供了幫助；中國地震局第二監測中心祝意青研究員與審稿專家提供了詳實的修改建議。在此一并表示感謝!