夏河5.7級地震前湟源地震臺地下流體數(shù)據(jù)異常分析

王永剛，丁寧霞，孫 麗

(青海省地震局西寧地震臺，青海 西寧 810008)

0 引言

地震地下流體是地殼中較活躍的組分，當(dāng)孕震區(qū)或外圍區(qū)介質(zhì)發(fā)生差異性變化時，其變化強烈，分布較廣泛[1]。地震前兆機理研究表明，地震的孕育過程伴隨地下水物理與化學(xué)參量和逸出氣體濃度的異常變化，地下流體異常對孕震區(qū)和外圍區(qū)介質(zhì)變化的響應(yīng)靈敏，與區(qū)域構(gòu)造活動關(guān)系密切[2-3]。鑒于以上原因，國內(nèi)外專家學(xué)者從多方面開展對中強地震前地下流體異常的研究。劉耀煒等人在研究云南魯?shù)?.5級地震前地下流體典型異常后，認(rèn)為區(qū)域應(yīng)力加載作用可能會引起斷裂帶裂隙的開啟與閉合，導(dǎo)致溫泉和井水溫、深部氣體與承壓井水位的持續(xù)變化；水巖反應(yīng)加劇和地下水混合作用增強，使地下水離子組分濃度發(fā)生變化，會導(dǎo)致顯著的宏觀異常[3]。鐘駿等在對新疆精河6.5級地震前的地下流體異常研究后認(rèn)為，區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力、應(yīng)變的變化是深部氣體逸出和泥火山噴涌的主要原因[4-5]。高小其等在對新疆輪臺兩次地震前地下流體異常對比分析后得出，地震震級的不同和地震前兆異常的復(fù)雜性，可能是造成同一觀測點的不同測項間或同一測項在不同地震前異常迥異的原因[6]。

2019年10月28日01:56，甘肅省夏河縣(N35.10°，E102.69°)發(fā)生5.7級地震，震源深度10 km。此次地震的震中位于青海、甘肅兩省交界，兩省多地震感明顯。地震發(fā)生前，青海省多個臺站地下流體測項數(shù)據(jù)均出現(xiàn)異常變化。其中，湟源地震臺(以下簡稱湟源臺)的三項流體觀測中，數(shù)字化氣氡因儀器更新改造于2019年5月開始工作,觀測數(shù)據(jù)尚不穩(wěn)定；數(shù)字化水溫和模擬水氡兩測項數(shù)據(jù)均出現(xiàn)異常變化。

1 湟源臺基本情況

湟源臺位于青海省湟源縣波航鄉(xiāng)，距湟源縣城9 km。臺站地處日月山構(gòu)造帶，北為大坂山斷裂帶，南為拉脊山斷裂帶[7]。現(xiàn)有數(shù)字化水溫、氣氡和模擬水氡三項地下流體測項，距夏河5.7級地震的震中約220 km(見第19頁圖1)。

圖1 夏河5.7級地震震中位置圖

2 地下流體異常情況

2.1 模擬水氡

湟源臺模擬水氡觀測始于1982年，泉點位于臺站附近約2 km的泉兒灣村。泉點性質(zhì)為斷裂上升泉，水溫8 ℃，含氡量73 Bq/L，水流量約1 L/s。自正式觀測以來，水氡觀測數(shù)據(jù)一直連續(xù)穩(wěn)定可靠。杜娟等對湟源臺水氡觀測結(jié)果研究后認(rèn)為，觀測資料對北緯35°～38.5°、東經(jīng)99°～104°范圍內(nèi)的地震有較好的映震能力，震中距越近異常越明顯[8]。楊曉霞和張超美等人的研究認(rèn)為，2016年門源地震前，湟源臺水氡出現(xiàn)快速下降的前兆異常[9-10]。羅賓生等在分析四川九寨溝7.0級地震前后湟源臺水氡的異常特征后，也認(rèn)為水氡出現(xiàn)震前下降、震后回升的短臨異常特征[11]。

筆者統(tǒng)計1986年以來湟源臺周邊5.8級以上的地震，可以看出，震前-震后，水氡大多有較明顯的異常反應(yīng)(見第19頁表1)。

表1 水氡觀測數(shù)據(jù)在周邊5.8級地震前后的異常特征統(tǒng)計表

2019年1月以來，湟源臺水氡觀測值一直呈緩慢下降態(tài)勢，速率約每月2 Bq/L，8月起略有加速。在10月6日后，數(shù)據(jù)下降趨勢發(fā)生變化，轉(zhuǎn)為低值持續(xù)，19日開始加速上升，至25日累計上升約7 Bq/L后，轉(zhuǎn)為高值起伏。在此過程中，28日發(fā)生夏河5.7級地震。之后，10月31日數(shù)據(jù)回落并轉(zhuǎn)平持續(xù)(見圖2)。

圖2 湟源水氡觀測值曲線圖

通過與該臺氣象三要素數(shù)據(jù)比對，看出，2019年8月至10月，湟源臺附近區(qū)域的氣溫、降雨量均無明顯突變。從變化形態(tài)上看，氣壓數(shù)據(jù)在此時段起伏周期變大；從量值上看，變化并不突出。因此，排除受氣象因素影響的可能性(見圖3)。另外，隨著退牧還草項目的實施，泉點所處的泉兒灣村已進行整體搬遷。現(xiàn)泉點周圍未發(fā)現(xiàn)其他外界干擾源。綜合分析認(rèn)為，此次水氡的轉(zhuǎn)折變化真實可靠。

圖3 氣象三要素和水氡觀測值曲線圖

2.2 數(shù)字化水溫

湟源臺水溫觀測井位于臺站院內(nèi),為靜水位井。井深105.3 m，水位埋深8.6 m，為基巖裂隙水。水溫探頭深度為100 m，屬淺層水溫，使用的是SZW-Ⅱ型數(shù)字式溫度計。自2007年7月開始觀測以來，水溫一直呈緩慢上升的態(tài)勢。2019年8月起，上升速率明顯加快，由原來的每月0.000 7 ℃上升至0.001 8 ℃。為驗證數(shù)據(jù)變化的真實性，青海省地震局于9月4日在井內(nèi)架設(shè)對比觀測儀器。經(jīng)過一段時間的觀測，二者數(shù)據(jù)變化同步。預(yù)報中心專家經(jīng)過現(xiàn)場核實，認(rèn)為湟源臺水溫數(shù)據(jù)的變化真實，具有一定的可信度，屬地震前兆異常的可能性較大(1)馬茹瑩，劉磊,孫璽皓,等.2019年9月19日湟源淺層水溫核實報告，2019.。10月9日起，數(shù)據(jù)還發(fā)生一系列明顯的階升階降變化，最大變幅0.023 ℃，在此過程中發(fā)生夏河5.7級地震(見圖4)。之后，數(shù)據(jù)仍持續(xù)階升階降。12月11日后，階變消失，數(shù)據(jù)恢復(fù)到原來的緩慢上升態(tài)勢。

圖4 水溫觀測值曲線圖

3 對比分析

通過對這兩個測項數(shù)據(jù)的對比分析看出，湟源臺模擬水氡和數(shù)字化水溫在2019年8月起都出現(xiàn)加速變化。兩井的空間距離約2 km，井孔性質(zhì)完全不同，觀測項目也不同，但觀測數(shù)據(jù)基本同步發(fā)生變化。可得出，引起這兩個測項發(fā)生變化的應(yīng)該為同一種因素所致。由于兩測項分別屬于地球物理和地球化學(xué)，其觀測機理不同，導(dǎo)致各種影響因素對兩測項的影響方式也不相同，出現(xiàn)兩測項變化時間和形態(tài)的差異。

同時，對湟源臺的鉆孔應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)進行分析后發(fā)現(xiàn)，在8月20日左右，觀測數(shù)據(jù)發(fā)生轉(zhuǎn)折變化，表明當(dāng)?shù)貐^(qū)域應(yīng)力場發(fā)生變化(見第21頁圖5)。劉耀煒等人的研究結(jié)果表明，在孕震中短期階段，震源區(qū)及外圍敏感區(qū)地殼巖石在區(qū)域應(yīng)力作用下，會使含水巖體發(fā)生彈性形變，改變含水(氣)層導(dǎo)水性能，因而產(chǎn)生地下流體緩升或緩降型趨勢異常[1]。由此可見，含水巖石受應(yīng)力作用發(fā)生形變是地下流體出現(xiàn)異常的主要原因。

圖5 水氡、水溫、鉆孔應(yīng)變觀測曲線圖

夏河5.7級地震前，湟源臺地下流體異常變化的開始時間早于地殼形變數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)折變化出現(xiàn)的時間。分析認(rèn)為，可能是地下流體測項和地殼形變測項的觀測原理不同，其觀測數(shù)據(jù)對于地下應(yīng)力場的感應(yīng)方式有所不同，造成兩者出現(xiàn)變化的時間存在差異。

4 結(jié)論與討論

通過以上分析，可得出如下結(jié)論：

(1) 2019年10月28日甘肅夏河5.7級地震前，湟源臺水氡和水溫觀測數(shù)據(jù)在當(dāng)年8月初開始出現(xiàn)同步異常變化，由于兩測項的觀測機理不同，導(dǎo)致其受到同一因素的影響出現(xiàn)的變化形態(tài)不同。

(2) 湟源臺的形變觀測數(shù)據(jù)至8月20日左右出現(xiàn)轉(zhuǎn)折變化，相比流體的變化滯后20 d。造成這一差異的原因，可能是地下流體測項和地殼形變測項的觀測原理不同，其觀測數(shù)據(jù)對地下應(yīng)力場的感應(yīng)方式也有所不同，導(dǎo)致兩者出現(xiàn)變化的時間存在差異。

感謝馬茹瑩等人在該文完成過程中的幫助和指導(dǎo)！