四川理塘毛埡51泉水溫在青藏高原東南緣中強地震前的異常特征及機理分析*

芮雪蓮，楊 耀，2，官致君，杜 方，薛喬文，龍 鋒，楊 星，楊 鵬

(1.四川省地震局，四川 成都 610041；2.成都理工大學 地球科學學院，四川 成都 610041；3.甘孜州應急管理局，四川 康定 626099)

0 引言

水溫監測是地震異常監測的一種重要手段，通過對深井、溫泉水溫變化的觀測與分析，探討在構造應力作用下熱物質運移、介質能量轉化和水動力條件改變引起的地殼介質溫度變化過程(劉耀煒，2006)，目的是捕捉其在地震孕育、發展和發生過程中的“信號”(張彬等，2014)。我國自1979年開始開展地震地熱前兆相關的研究工作(劉耀煒，2006)，經過數十年的積累，獲得了豐富的水溫前兆異常資料，積累了大量的震例。張彬等(2014)總結了云南地區水溫異常與地震的關系，并將震前水溫異常形態分為降溫型、升溫型和畸變型，認為水溫異常主要屬于地震短臨異常，且發震震級越大，異常范圍越廣；晏銳等(2015)研究認為川西多個溫泉水溫在2013年蘆山7.0地震前均出現了不同程度的異常變化，且距震中較遠的溫泉表現為中期尺度異常，較近的則表現為短期異常；Ma(2016)研究認為鄉城52泉水溫在1993年中甸5.8地震前13 d明顯上升，表現出短臨異常的特征；云南龍陵邦臘掌溫泉水溫在1976年龍陵7.3、7.4地震前一個多月突升10 ℃，表現出明顯的短臨異常特征，震例總結分析表明，該泉水溫在震前一個月左右偏離背景值上升至90 ℃直至地震發生(李加穩，孫文波，2004)；鄧衛平等(2019)通過梳理全國水溫臺網數據，認為2008年汶川8.0地震前井水溫度有一定異常，且分布范圍較廣，一半觀測井的震中距超過1 000 km，異常多表現為短臨異常特征，這與王軍等(2018)的研究結果一致。此外，2007年寧洱6.4(劉耀煒等，2008)、2010年玉樹7.1(何案華等，2012；楊曉霞，屠泓為，2013)、2014年魯甸6.5(楊竹轉等，2018)、2016年門源6.5(楊曉霞等，2016)、2021年漾濞6.4(付虹等，2021；馬玉川等，2021)和2021年瑪多7.4(劉磊等，2021；蘇維剛等，2021)等中強地震前均有水溫異常。由于水溫受水的運動、氣的運動、地熱活動性等多方面影響，觀測機理較為復雜，目前對于水溫異常與地震關系的研究大多數集中在對異常特征的總結，對于水溫應力加載響應機理的研究相對滯后，目前國內學者提出的主要模式有：地下熱異常上升模式(王林瑛，朱傳鎮，1984)、溫室效應模式(強祖基等，1997)、水動力學模式(魚金子等，1997)、應力耗散模式(王慶良等，1998)等。

川西地區溫泉觀測環境較好，溫泉水具有深循環特征，能夠反映地殼深部及構造變化信息，對區域地震預測研究具有重要的科學和現實意義(晏銳等，2015)。其中，理塘毛埡51泉是川西溫泉中映震率較高的溫泉，震例統計表明，該溫泉異常與川滇地區強震活動之間存在較好的對應關系(李軍等，2005；晏銳等，2015；邱桂蘭等，2019)。前人分別從水文地球化學、氣體地球化學(李軍等，1989；Zhou，2017)、水溫動態特征(趙慶生等，1989)、地質構造(龍德雄等，2006)等方面對該溫泉開展了較為詳細的研究。賈晉康等(1996)對1995年毛埡溫泉的水溫大幅下降的特大異常進行了調查與分析，認為此次異常屬于溫泉發育中的變化，來自深層循環的裂隙上升泉本身就存在著生產—調整—消亡的過程，其測值極有可能反應了大震孕育信息；李介成(1983)認為1980年毛埡溫泉水溫曲線上升幅度明顯增大是1981年道孚6.9地震的前兆異常；Zhou等(2015)對毛埡溫泉逸出氣體開展了地球化學分析，結果表明理塘斷裂帶為地幔深部流體的上涌提供了良好的通道，這些幔源流體對周邊中強地震的孕育有重要作用。以往有關該溫泉水溫的研究缺乏對該溫泉的歷史資料、映震特征(包括時間、空間特征)和水溫異常機理系統的梳理。2021年5月21日，云南漾濞縣發生6.4地震，理塘毛埡51泉水溫在此次地震之前出現顯著的前兆異常，本文擬結合區域地質構造、水文地球化學、氣象數據等資料探討在漾濞6.4地震前理塘毛埡51泉的水溫異常特征及可能的異常形成機理。

1 構造背景

距今60～50 Ma前，印度-亞洲板塊碰撞造成青藏高原的隆升，碰撞之后，板塊之間仍持續匯聚，印度板塊仍然以44～50 mm/a的速率俯沖到亞洲板塊之下，從而形成了喜馬拉雅造山帶及幾百萬平方千米的巨型變形域，青藏高原東部的擠壓作用導致川滇菱形塊體的形成(許志琴等，1999，2006；張培震，2008)。

川滇菱形塊體位于青藏高原東南部，塊體及周邊區域活動斷裂結構復雜，構造活動劇烈，是中國大陸地震活動最強烈的地區之一(圖1)。有歷史記載以來該區共發生7級以上強震23次，塊體北段歷史上曾發生過7級以上地震3次，并有大量6級左右地震發生(張培震等，2003)，理塘毛埡51泉位于該塊體的中北部。研究區內(圖1b)主要發育SN向金沙江斷裂帶、NW向的理塘斷裂帶和一些近EW向的次級斷裂，理塘斷裂帶也是調整青藏高原內部物質向東擠出的重要活動斷裂之一(周春景等，2015；劉亢等，2021)。發育于理塘盆地內部的NW向義敦—理塘、理塘—德巫斷裂屬于川滇菱形構造塊體內部的活動斷裂，這些活動斷裂具有較強烈的晚第四紀及現今活動性，平均左旋滑動速率為4 mm/a(徐錫偉等，2005)。理塘斷裂帶南段的理塘—德巫斷裂活動性明顯較北段顯著，義敦—理塘、理塘—德巫斷裂左旋切割了SN向的甘孜—理塘—稻城斷裂帶及三疊紀等的沉積地層(龍德雄等，2006；馬丹等，2014)。理塘毛埡51泉處于義敦—理塘、理塘—德巫斷裂與甘孜—理塘—稻城斷裂的交匯部位，是比較理想的溫泉水溫觀測點。

圖1 研究區域大地構造背景(a)與觀測點(b)示意圖

理塘毛埡51泉附近出露的地層主要有：上三疊統、古近系、第四系和印支期花崗巖等地層(圖2)。上三疊統主要為一套復理石沉積建造，巖性為變質石英砂巖、板巖、灰巖和硅質巖等。古近系主要為沖洪積成因的礫巖、砂礫巖。第四系地層主要沿理塘—德巫斷裂帶或無量河北東側分布(龍德雄等，2006)。理塘毛埡51泉西側展布有大型條帶狀中生代早期花崗巖體，研究認為沿甘孜—理塘—稻城構造帶，三疊紀侵入到中上地殼的酸性花崗巖巖漿和噴出到地表的火山巖為中上地殼殘余的巖漿囊或高溫地質體，這些是該地區形成溫泉群的主要熱源之一(李軍等，2005；龍德雄等，2006)。

圖2 理塘毛埡51泉測點地質構造圖(據鄭裕民，1984；龍德雄等，2006)

2 水溫歷史資料分析

理塘毛埡51泉于1975年2月開始成為地震部門的觀測點，于1985年經國家地震局驗收后納入國家地震局地下水觀測網(李軍等，2005)。2013年該測點新增數字監測，觀測儀器型號為中科光大ZKGD3000。目前該泉同時開展人工和數字化水溫觀測，采樣率分別為日值、分鐘值。由于人工觀測數據累計時間較長，資料比較豐富，故本文僅使用理塘毛埡51泉人工觀測數據開展相關分析研究。

自開展觀測以來，理塘毛埡51泉水溫在時間上表現為階段性特征(趙慶生等，1989)：1975年1月至2008年12月溫泉水溫較高，保持在40℃～66.1 ℃，為中溫溫泉(1995年8月至1997年2月溫泉斷流無數據)，2009年1月至2017年2月，該溫泉水溫變化范圍為32℃～41 ℃，變為低溫溫泉，2017年2月至今溫泉水溫長期保持低于32 ℃，2020、2021年最低溫度僅有17.4 ℃(圖3a)。

圖3 理塘毛埡51泉水溫月均值時序曲線(a)及水溫特征統計(b)

理塘毛埡51泉水溫月均值時序曲線(圖3a)表明，該泉水溫變化有以年為周期的規律，具體表現為1—6月水溫整體逐步升高，夏季(6—8月)水溫整體保持在相對高的水平，9—12月水溫呈現下降的趨勢，多年數據統計結果表明溫泉水溫高值多在6—8月，約為57%，水溫低值多在12月至次年2月，為66%(圖3b)。水溫正常波動情況下平均年變化幅度為8.3 ℃。

3 數據處理及異常提取

3.1 數據處理方法

本文選取1975年2月1日至2021年10月31日理塘毛埡51泉水溫人工觀測日值數據，在46年多的觀測時間內，除1995—1997年由于溫泉斷流造成觀測數據缺失較多外，其余時間觀測資料連續可靠，完全滿足本文研究的要求。

本文采用一階差分的方法對以上觀測數據進行分析。一階差分是抑制較長周期、突出短臨前兆信息的有效方法，表示曲線變化的速率，可能反應了地殼介質應力變化過程中的較高頻的擾動部分，多屬短臨異常。理塘毛埡51泉人工觀測水溫數據為每日一值序列{}，(=1，2，…，)，對該序列按照下式進行一階差分計算：

Δ=+2-(=1，2，…，)

(1)

式中：為水溫觀測值；Δ為水溫觀測值兩天的差值，即水溫變化速率，若Δ>0表示水溫觀測值相對上升，Δ<0則表示相對下降。

3.2 異常提取

研究表明溫泉水溫異常在震前多表現為溫度升高(劉耀煒等，2008；晏銳等，2015)，結合前人研究結果(李介成，1983；李軍等，1989，2005)及不同時段內溫泉水溫的平均溫度，本文定義理塘毛埡51泉水溫異常標準為：根據式(1)計算該溫泉日值數據，1975年2月至2008年12月異常閾值為Δ=8.0 ℃；2009年至今，考慮到該泉的水溫背景值降低，異常閾值則相應降低至Δ=6.0 ℃。根據以上異常標準將時間連續的超閾值異常視為一組水溫上升異常，最終得到理塘毛埡51泉水溫上升幅度超閾值異常共計29次(圖4)。

圖4 理塘毛埡51泉水溫一階差分結果

4 水溫異常特征分析

4.1 中短期異常映震特征分析

為了研究理塘毛埡51泉水溫異常變化與周邊地震之間的關系，本文選取1975年2月—2020年12月青藏高原東南緣≥5.5地震共33次(不含余震，1995—1997年由于溫泉斷流，該時間段內發生的地震未統計在內)開展統計分析工作。根據3.2節提取的水溫異常結果，對其后發生的地震及對應情況進行梳理，結果見表1。圖5顯示在提取的29次異常中有11次異常有效期內無對應地震發生。水溫虛報主要集中在1976—1983年，虛報數為7，占所有虛報數的64%。2009—2020年理塘毛埡51泉水溫達到異常閾值后均有地震對應，且其中3次異常后，短時間內預測區均發生了2次≥5.5地震。此外，水溫一階差分值超閾值幅度與地震震級之間無明顯的對應關系。

表1 理塘毛埡51泉水溫異常及對應地震統計

圖5 不同時段內理塘毛埡51泉水溫異常與地震對應關系圖

表1顯示，理塘毛埡51泉水溫異常和地震除了一一對應關系外，還存在以下特征：①一次地震前有2次水溫異常。如四川鹽源6.7、云南祿勸6.3、西藏妥壩5.6地震前均發生了2次水溫異常；②一次異常后對應2次地震。如2003年6月22日、2012年6月9日等4次水溫達到或超過閾值后在異常有效期內均發生了2次≥5.5地震。自開展觀測以來，理塘毛埡溫泉水溫共有18次水溫異常對應≥5.5地震19次，虛報11次，對應率為66%。對應發生的19次地震中，多集中分布在川滇交界西側(圖6中黑色虛線范圍)，周邊其他區域較為分散。除2009年姚安6.0地震外，其余地震均發生在異常開始后180 d之內，最短時間為15 d，表明該泉水溫異常對青藏高原東南緣發生的地震具有較好的中短期指示意義，優勢預測地點為川滇交界西側地區。2021年5月21日漾濞6.4地震滿足2020年12月20日水溫異常所指示的時、空、強三要素特征，故認為此次異常對應漾濞6.4地震。

圖6 理塘毛埡51泉水溫異常對應

4.2 漾濞MS6.4地震前水溫異常分析

4.2.1 水溫異常特征

2021年5月21日21時48分34秒，在云南省大理州漾濞縣(25.67°N，99.87°E)發生6.4地震，震源深度8 km，震中位于維西—喬后斷裂附近，理塘毛埡51泉距地震震中約480 km。2020年12月20—22日該溫泉水溫連續上升，幅度為6.0 ℃，水溫一階差分值達到異常閾值，其后又多次出現較為明顯的小幅變化，但均未達到異常閾值。逐一分析排查該泉觀測環境及氣象等各方面的干擾因素，未發現任何干擾，確認此次異常為地震前兆異常。異常開始152 d之后發生漾濞6.4地震，理塘毛埡51泉水溫在震前達到了異常閾值，表現出中期異常特征(圖7)。

圖7 2020-01—2021-10理塘毛埡51泉水溫差分曲線

4.2.2 水溫與氣象關系

(1)長期背景分析

本文收集2010—2021年理塘地區降雨、氣溫日值數據，計算二者與水溫日值變化之間的相關關系，其中降雨與水溫之間的相關計算結果表達式為：

=3134+016(±0017)

(2)

其相關系數=0.14，說明降雨對水溫變化的影響較小，二者無顯著相關關系，這與前人的研究結果(李軍等，2005；龍德雄等，2006)一致。氣溫與水溫之間的相關計算結果表達式為：

=3043+025(±0012)

(3)

其相關系數=0.29，較降雨與水溫之間的線性相關顯著，但值仍相對較小，說明溫泉水溫受氣溫的干擾較小。

以上統計結果說明從長期變化趨勢來看，溫泉水溫測值基本上不受地表降雨的干擾，但氣溫變化對水溫測值存在一定的影響。

(2)短期變化分析

為進一步研究氣溫與溫泉水溫之間的短期變化特征，明確2020年12月水溫異常是否為氣溫異常所致，筆者對2018年1月至2021年10月的氣溫和溫泉水溫資料進行統計，如圖8所示。圖中顯示短時間內氣溫與水溫整體趨勢上具有同步性變化的特征。對2018—2019年水溫正常變化期間的氣溫、水溫變化幅度進行相關計算，結果表明：氣溫、水溫變化幅度之間線性擬合相關系數=-0.01，說明氣溫上升幅度與水溫上升幅度之間并非簡單的線性相關，二者只是變化趨勢存在同步性，無法根據氣溫變化的幅度計算水溫的理論變化幅度。2020年12月水溫快速上升期間(圖8中陰影部分)，氣溫仍然維持年變下降的趨勢，未出現氣溫異常上升情況。故認為此次水溫異常升高并非氣溫干擾所致，可能與觀測泉區域構造應力發生變化有關。

圖8 2018-01—2021-10氣溫(a)、水溫(b)觀測曲線日值

4.2.3 水化學特征

4.3 水溫異常機理分析

理塘毛埡51泉水溫上升異常與青藏高原東南緣中強地震具有較好的對應率，這與該溫泉觀測點所處的構造位置密切相關。研究區處于青藏高原“東構造結”的東北緣，地中海—喜馬拉雅地熱活動帶的最東端(張健等，2017)。新生代以來印度板塊與歐亞板塊間的持續碰撞與推擠導致了青藏高原的形成(Tapponnier，1986；Yin，Harrison，2000；許志琴等，2016)，同時也控制著青藏高原內部和周邊構造變形與地殼物質的運動(Royden，1997，2008；Clark，Royden，2000；Tapponnier，2001)，中下地殼在重力荷載以及高溫高壓的條件下具有流變的特征(嵇少丞等，2008)，中上地殼與下地殼或上地幔解耦，導致青藏高原物質在差應力作用下向東南方向逃逸(側向擠出)。GPS、構造與古地磁研究均表明青藏高原地殼物質向東南方向逃逸過程中受到四川盆地和華南塊體的阻擋，圍繞喜馬拉雅東構造結做順時針運動(陳智梁等，1998；鄧起東等，2002；Zhang，2004；Shen，2005；Otfuji，2010；Jin，2019)，形成了一些大型走滑斷裂，同時制約著側向擠出塊體群(許志琴等，2016)。一方面，地殼物質在逃逸過程在上地殼或近地表部分表現為剛性地塊，沿著走滑斷裂帶進行運動，變形和應力主要集中在邊界斷裂上；另一方面，青藏高原中下地殼在高溫高壓的作用下存在低粘度的地殼流，具有高溫流動特征，并富含流體(Royden，1997，2008；嵇少丞等，2008；Zhao，2008；杜樂天，2009)。地殼流從藏南拉薩塊體經東構造結流向川滇菱形塊體內部理塘—雅江，然后又從理塘南北兩個方向分流，一個向南經川滇菱形塊體流向保山—思茅塊體，另一個則向北經巴顏喀拉塊體前緣(龍門山斷裂帶)流向祁連山(Clark，Royden，2000；楊文采等，2017)。地球物理學研究表明，中強地震多發生在高泊松比、低波速的異常體附近(Lei，2009，2012；劉文玉等，2017；王志等，2017)，中下地殼乃至上地幔的深部流體對地震的孕育和發生起到重要的控制作用(Zhou，2015，2017)。

表2 理塘毛埡51泉及附近水體水化學成分及同位素分析結果

圖9 理塘毛埡51泉及河水水樣測試結果分析圖

F1：東昆侖斷裂；F2：玉樹—鮮水河斷裂；F3：龍門山斷裂；F4：嘉黎斷裂；F5：安寧河斷裂；F6：小江斷裂；F8：金沙江斷裂

理塘毛埡51泉出露于川滇菱形塊體內部的理塘斷裂帶上，對該斷裂帶上溫泉溢出氣體的地球化學分析表明(Zhou，2017)，理塘斷裂帶為來自地幔以及中下地殼的深層流體向上遷移的通道，地幔流體來源的占比可達11.1%，這些深部流體對川滇地區中強地震的孕育發揮了重要的作用。張健等(2017)分析了川西高溫水熱活動去殼幔熱流結構和深部地熱特征，結果表明理塘地區熱流通量較高，具有較高的大地熱流值。此外，地震S波速度反演結果表明，理塘地區下方20～30 km處存在S波低速區，說明下方可能存在地殼物質熔融區，為溫泉地熱水提供熱源。當青藏高原東南緣發生強震之前，除在孕震區出現應力集中的現象，中下地殼廣泛存在的高溫孕震流體也會發生物理和化學變化(例如水溫上升和水化組分改變等)，理塘毛埡51泉所在理塘斷裂帶又為這些孕震流體提供向地表遷移的通道。此外，該溫泉位于理塘盆地北緣，該盆地為一大型斷陷盆地，受區域構造活動增強作用的影響，高溫熱水受靜水壓力和水熱對流作用增強。因此，在青藏高原東南緣中強地震發生之前，可監測到溫泉水溫上升的短臨異常信息。

5 結論

本文通過對四川理塘毛埡51泉水溫在青藏高原東南緣中強地震前出現的異常特征開展分析，認為其水溫上升超閾值異常對該區域中強地震具有較好的指示意義，并針對溫泉水溫上升的異常機理進行了分析與討論，主要結論如下：

(1)理塘毛埡51泉水溫震前異常主要表現為快速上升的特征，但汶川8.0地震后，水溫上升幅度有所下降，由原8 ℃降低為6 ℃。

(2)理塘毛埡51泉水溫異常與青藏高原東南緣中強地震具有較好的對應關系，且地震幾乎都發生在異常開始后的180 d內，表明該泉水溫異常對該區域內中強地震的發生具有良好的中短期指示意義。

(3)水文地球化學及氣體地球化學研究表明，理塘毛埡51泉具有幔源成因流體特征，在區域構造活動和地下深層流體共同作用下，高溫熱水受靜水壓力和水熱對流作用增強導致溫泉觀測水溫上升是理塘毛埡51泉水溫在中強地震之前出現異常的原因。