川西溫泉水溫觀測及其在蘆山MS7.0地震前的異?，F(xiàn)象

晏 銳 官致君 劉耀煒

1）中國北京100045中國地震臺網(wǎng)中心

2）中國成都610041四川省地震局

3）中國北京100085中國地震局地殼應(yīng)力研究所

引言

據(jù)中國地震臺網(wǎng)測定，2013年4月20日08時02分，四川省雅安市蘆山縣境內(nèi)發(fā)生MS7.0強烈地震（震中位置30.3°N、103.0°E，震源深度13km），震中位于龍門山斷裂帶南段，與2008年汶川MS8.0地震的發(fā)震斷裂屬同一斷裂帶.地震發(fā)生后，最受關(guān)注的問題之一是震前是否觀測到表征地震即將發(fā)生的異常信號.蘆山地震與汶川地震之間尚存在50 km左右的破裂空段，存在發(fā)生中強地震的潛在危險性（陳運泰等，2013；高原等，2013；單斌等，2013；易桂喜等，2013），在此段是否存在震前異常信號仍是亟待探討的科學(xué)問題.地震地下流體學(xué)科組織專家，于2013年7月中旬和8月初與蘆山地震預(yù)測預(yù)報工作總結(jié)反思野外考察工作組一起對震區(qū)及相鄰構(gòu)造帶的流體觀測點位進行野外考察.重點考察了蘆山地震震中距300km范圍內(nèi)的鮮水河斷裂帶、安寧河—則木河斷裂帶和龍門山斷裂帶及其附近地區(qū)流體監(jiān)測點的地質(zhì)構(gòu)造條件、觀測環(huán)境及觀測系統(tǒng)運行情況等.結(jié)果表明，川西地區(qū)溫泉具有較好的觀測環(huán)境，且溫泉水溫出現(xiàn)異常.

多年來，溫泉動態(tài)與地震活動關(guān)系得到廣泛而深入的研究（Mogi et al，1989；Silver，Valette-Silver，1992；王先彬等，1992；Toutain et al，1997；Poitrasson et al，1999；車用太等，2006；Song et al，2006），內(nèi)容主要涉及水物理、水化學(xué)、溢出氣及同位素分析等與地震活動的關(guān)系.在川西地區(qū)，李軍等（2005）對理塘毛埡溫泉30多年的水溫觀測資料進行統(tǒng)計分析，認為該溫泉水溫異常與川滇地區(qū)強震活動之間存在較好的對應(yīng)關(guān)系；楊賢和和田玉蘋（2001）、李志鵬和劉仕錦（2012）對康定龍頭溝和二道橋溫泉不同觀測時段CO2異常與地震活動之間的對應(yīng)關(guān)系進行統(tǒng)計分析，認為CO2低值突跳異常與區(qū)域MS5.0以上地震活動之間存在較好的對應(yīng)關(guān)系；趙慶生等（1989）對川西地區(qū)溫泉水溫動態(tài)特征進行分析，將水溫長期動態(tài)分為內(nèi)力型、外力型和混合型3類，認為內(nèi)力型水溫的一個重要特點是無顯著的季節(jié)性變化，水溫變化與氣象因素不相關(guān)，而且內(nèi)力型水溫比外力型和混合型水溫對地震的響應(yīng)能力強.汶川MS8.0地震后，周曉成（2011）對川西地區(qū)的32個溫泉點氣體進行了3次重復(fù)采樣，同位素測量結(jié)果表明，汶川MS8.0地震發(fā)生時，在川西鮮水河斷裂帶、岷江斷裂帶和龍門山斷裂帶上，溫泉氣體中的3He／4He和δ13CCO2值大幅度上升，認為有大量幔源He和CO2涌入地殼，幔源流體上涌可能對汶川MS8.0地震的孕育和發(fā)生起重要作用.

為探討川西溫泉水溫在蘆山MS7.0地震前的變化特征及其地震預(yù)測意義，筆者在現(xiàn)場考察的基礎(chǔ)上，對川西地區(qū)溫泉水溫長期觀測資料進行深入分析，對存在的異常特征進行系統(tǒng)總結(jié)，并收集相關(guān)溫泉的水文地球化學(xué)資料進行分析，結(jié)合區(qū)域構(gòu)造特征對蘆山MS7.0地震前川西地區(qū)出現(xiàn)的溫泉水溫異常變化機制進行討論，為加強該區(qū)域溫泉流體監(jiān)測和地震預(yù)測研究提供參考.

1 水溫觀測泉概況

研究區(qū)位于青藏高原東、四川盆地西緣.該區(qū)構(gòu)造運動強烈，活動斷裂分布廣泛，河谷深切，地震活動頻繁，有利于溫泉的形成和出露.該區(qū)共計有溫泉248處（羅來麟，1994）.1973年2月6日四川爐霍MS7.6地震后，四川省地震局逐步優(yōu)選了一批典型的溫泉點進行動態(tài)觀測，多年的溫泉觀測資料為地震預(yù)測研究積累了大量的寶貴資料.

常規(guī)觀測的溫泉點主要分布在鮮水河斷裂帶、安寧河—則木河斷裂、龍門山斷裂帶、甘孜—理塘—稻城斷裂及其周邊地區(qū)（圖1）.經(jīng)現(xiàn)場考察，認為該區(qū)域觀測環(huán)境較好，不存在人為干擾.其中，觀測資料可靠性較高的溫泉點主要有康定龍頭溝和二道橋溫泉、道孚龍普溝溫泉、瀘定共和溫泉、理塘毛埡溫泉等.水溫觀測每日在固定時段內(nèi)固定點進行測量，儀器為玻璃水銀溫度計，分辨率為0.1℃.表1列出了蘆山MS7.0地震震中附近溫泉異常點的觀測背景與異常信息.

圖1 溫泉觀測異常點與蘆山MS7.0地震震中分布圖Fig.1 Distribution of hot spring observation sites and the Lushan MS7.0earthquake epicenter

表1 蘆山MS7.0地震震中附近溫泉異常點觀測背景與異常信息Table 1 Observation background and anomalous information of the hot spring sites near Lushan MS7.0earthquake epicenter

道孚龍普溝溫泉位于鮮水河斷裂帶中段的NE側(cè)，距鮮水河主干斷裂約3.7km，在道孚縣城以東約10km的龍普溝上游約5km處.該溫泉以泉群方式多處出露，泉眼出露在第四系堆積層上，泉點附近巖性為三疊系砂板巖，并有花崗巖出露，其水質(zhì)為HCO3－Na型，海拔為3 713m.自1978年開始觀測至今，正常情況下其水溫年動態(tài)清晰，水溫變化范圍為36℃—41℃.

康定溫泉群位于鮮水河斷裂帶東南段，溫泉主要分布于雅拉河下游二道橋—榆林宮約15km的范圍內(nèi).該區(qū)出露有10多個溫泉群，100多個泉口，溫度在28℃—90℃之間，大部分泉口附近有石灰華堆積.其中，龍頭溝溫泉位于康定城南約12km處的鮮水河斷裂帶北東側(cè)，海拔為2 950m，泉點附近出露巖性為二疊系千枚巖和燕山期花崗巖，泉點出口處有泉華沉淀.其水質(zhì)為HCO3－Na型，流量為0.4L／s左右，氣體組分以CO2、N2、O2和Ar為主（Liu et al，2000）.該泉自1997年開始觀測水溫，水溫變化范圍為65℃—75℃.二道橋溫泉位于康定城北約4km處，海拔為2 664m.該泉點以泉群方式出露于與鮮水河斷裂帶平行的雅拉河斷裂上盤，共15個泉眼，其巖性為古生界灰?guī)r與中生界砂巖夾板巖和千枚巖，泉點附近有泉華沉淀.其水質(zhì)為HCO3－Ca-Na型，流量為40L／s左右，氣體組分以CO2、N2、O2和Ar為主（曹云等，2006）.該泉自1980年開始水溫觀測，水溫變化范圍為39℃—42℃.曾經(jīng)對二道橋和龍頭溝溫泉的SiO2、F－、O2＋Ar、N2、pH值等進行觀測，目前還對Ca2＋、Mg2＋、HCO－3、Cl－和電導(dǎo)率進行日常觀測.

瀘定共和溫泉位于鮮水河斷裂帶最南段，地處川西峽谷地帶，介于二郎山與雪峰山之間.該溫泉位于瀘定城西南約30km處摩西河西岸的第四系沉積物中，泉點附近出露地層巖性為二疊系變質(zhì)灰?guī)r和千枚巖，其水質(zhì)為HCO3－Na型.該泉點海拔為1 652m，自1999年開始觀測至今，水溫變幅在47℃—66℃之間.

理塘毛埡溫泉出露于川滇地塊中偏北的NW向理塘斷裂與近NS向的甘孜—理塘—稻城斷裂交匯部位.該區(qū)有溫泉和氣泉共30余處.毛埡溫泉為該溫泉密集帶之一，位于理塘盆地北緣，為上升泉，泉華較厚，泉華以下地層為T1—2灰?guī)r砂巖互層，覆蓋在印支期花崗巖之上，其水質(zhì)為HCO3－Na型.泉水具有深循環(huán)特征，水溫與氣象因素不相關(guān)（李軍等，2005；龍德雄等，2006）.該泉點海拔為3 960m，自1975年開始觀測至今，水溫變化范圍為26℃—66℃.

2 水溫異常分析

2.1 異常分析方法

溫泉水溫多年動態(tài)資料顯示：康定二道橋、龍頭溝溫泉和瀘定共和溫泉水溫?zé)o顯著的季節(jié)性變化；道孚龍普溝溫泉水溫具有顯著的年動態(tài)變化特征；理塘毛埡溫泉水溫年動態(tài)特征不顯著，且在時間上呈現(xiàn)出階段性特征（趙慶生等，1989）.因此，為消除年變特征，突出趨勢異常，本文利用小波分解方法對道孚龍普溝和理塘毛埡溫泉水溫進行濾波處理（圖2c，d中的灰色曲線），其它溫泉水溫直接采用原始觀測資料.

為分析溫泉水溫異常變化與地震之間的對應(yīng)關(guān)系，首先挑選出距離臺站300km范圍內(nèi)的MS5.0以上地震，然后根據(jù)地震前兆可能反映的最大震中距與震級之間的關(guān)系進行標注（Dobrovolsky et al，1979），即D≤100.433M－0.06.其中，M 表示地震震級，D 表示震中距.圖2給出了每一次地震的震中距.

2.2 異常變化特征

圖2 溫泉水溫觀測日值曲線（a）康定二道橋溫泉；（b）康定龍頭溝溫泉；（c）道孚龍普溝溫泉；（d）理塘毛埡溫泉；（e）瀘定共和溫泉Fig.2 Observation curves of hot spring water temperature（a）Erdaoqiao hot spring in Kangding region；（b）Longtougou hot spring in Kangding region；（c）Longpugou hot spring in Daofu county；（d）Maoya hot spring in Litang county；（e）Gonghe hot spring in Luding county

圖2 為自2004年以來溫泉水溫觀測日值曲線.可以看出，位于康定地區(qū)的二道橋和龍頭溝溫泉水溫幾次起伏變化存在準同步性，主要表現(xiàn)為2008年5月12日汶川MS8.0地震、2010年4月28日道孚MS5.0地震、2011年4月10日爐霍MS5.4地震、2012年6月24日寧蒗MS5.7地震和2013年蘆山MS7.0地震前的起伏變化.康定二道橋溫泉水溫自1980年開始正式觀測，2004年以來的觀測資料顯示，其水溫正常動態(tài)為40.3℃±0.6℃；2009年9月17日水溫由40℃上升到42℃，之后維持在相對較高的水平起伏變化，起伏變化期間盡管發(fā)生道孚MS5.0、爐霍MS5.4和寧蒗MS5.7地震，但水溫在幾次地震后均未恢復(fù)到40℃的正常動態(tài)；2013年1月31日開始水溫再次出現(xiàn)起伏上升，直至蘆山MS7.0地震發(fā)生.康定龍頭溝溫泉水溫于2013年2月18日也出現(xiàn)了起伏上升，上升幅度達1℃（表1）.

道孚龍普溝、理塘毛埡和瀘定共和溫泉水溫于2011年上半年出現(xiàn)準同步變化異常（圖2）.道孚龍普溝溫泉水溫正常動態(tài)呈現(xiàn)出夏季高冬季低的年動態(tài)特征，2011年3月31日水溫開始出現(xiàn)年動態(tài)上升，到冬季水溫并沒有下降到之前的正常年動態(tài)，相對往年冬季上升了2℃左右，呈現(xiàn)出水溫升高年變幅度變小的異常特征.理塘毛埡溫泉水溫于2008年汶川MS8.0地震后出現(xiàn)趨勢性轉(zhuǎn)折下降，水溫由2008年的50℃左右下降至2011年3月1日的31℃左右，之后維持在低值起伏變化，起伏過程中曾發(fā)生2011年爐霍MS5.4和2012年寧蒗MS5.7地震.瀘定共和溫泉水溫于2011年5月7日由61℃正常動態(tài)下降至59℃，之后在低值起伏變化，直至蘆山地震發(fā)生引起0.5℃的同震上升變化.

3 異常泉點水化學(xué)特征

圖3 溫泉水δD-δ18 O同位素（部分資料來源于李軍等（1989）和Chen等（2014））與西南地區(qū)大氣降水線對比圖（引自王恒純，1991）Fig.3 Comparison ofδD-δ18 O isotopes of hot spring water（partial data were from Li et al （1989）and Chen et al（2014））and meteoric water line in the southwestern China（after Wang，1991）

異常泉點水化學(xué)類型均為HCO3－Na型（表1）.該型的溫泉水主要由于CO2氣體在地殼深部缺氧條件下溶解產(chǎn)生的弱酸性水溶液在沿裂隙上升過程中與富含Na＋的長石礦物發(fā)生水巖反應(yīng)而形成（Giggenbach，1988）.其中，康定龍頭溝溫泉Cl－濃度較高，為206mg／L，康定二道橋溫泉Cl－濃度為46mg／L.一般認為富含Cl－的溫泉水主要來源于地殼深部，說明這些溫泉水具有深循環(huán)特征.

δD-δ18O同位素是研究泉水來源的重要手段之一.該同位素測量結(jié)果表明（李軍等，1989；Chen et al，2014），這些泉點的δD-δ18O同位素主要分布在西南地區(qū)大氣降水線（王恒純，1991）富含δ18O同位素的一側(cè)（圖3），說明泉水主要來源于大氣降水與不同來源水的混合（Giggenbach，1992）.

4 水溫異常特征及其形成條件

活動斷裂帶是地球深部物質(zhì)向地表遷移的主要通道，研究活動斷裂帶附近溫泉流體的地球化學(xué)特征，是揭示溫泉流體來源及形成機制的有效途徑之一.水化學(xué)資料分析顯示，這些溫泉水主要為大氣降水滲入到地殼深部，經(jīng)加熱、混合后沿活動斷裂帶向地表遷移而形成.該結(jié)論得到其它相關(guān)研究成果的支持.例如：楊立錚等（1999）根據(jù)二氧化硅溫標方程計算康定溫泉區(qū)深部熱儲溫度約為150℃—200℃，水化學(xué)分析和碳同位素測定結(jié)果顯示康定溫泉屬于富含深源CO2的溫泉系統(tǒng)，表明溫泉水可能有少量來源于深部的流體混入；Liu等（2000）分析了康定溫泉群地?zé)酑O2－水－碳酸鹽巖系統(tǒng)的水文地球化學(xué)、碳穩(wěn)定同位素特征及CO2來源，認為該系統(tǒng)CO2來源于幔源CO2與碳酸鹽巖地層變質(zhì)CO2的混合；張加桂和胡海濤（2000）利用同位素質(zhì)量守恒準則，估計康定二道橋、龍頭溝和道孚龍普溝溫泉水溶解CO2中幔源CO2含量分別為88.8%、83.0%和87.0%；王先彬等（1992）對巴塘地震區(qū)溫泉氣體的化學(xué)組成和He、Ar、CH4（δ13C）同位素組成的研究結(jié)果表明，He、H2和非大氣成因的N2濃度及3He／4He值能反映地殼深部構(gòu)造運動信息，與地震活動關(guān)系密切；周曉成（2011）根據(jù)不同來源氣體3He／4He、CO2／3He、He-N2－Ar比值等不同，認為2008年汶川MS8.0地震后，位于鮮水河斷裂帶的康定龍頭溝和二道橋、道孚龍普溝、瀘定共和等溫泉水具有幔源流體來源特征，且康定地區(qū)幔源He同位素的貢獻率最高達34.1%（表1）.綜上所述，出現(xiàn)水溫異常的這些溫泉觀測點均具有殼源甚至幔源成因的流體來源，溫泉水溫變化能反映地殼深部構(gòu)造活動信息，為地震監(jiān)測預(yù)報研究提供了有利的天然條件.

從溫泉點水溫異常的空間分布來看，異常泉點主要分布在蘆山MS7.0地震震中以西300km范圍內(nèi)的主要活動斷裂帶上，而且距離震中較遠的道孚龍普溝和理塘毛埡溫泉水溫主要表現(xiàn)為2年左右的中期尺度異常特征，距離震中較近的康定龍頭溝和二道橋溫泉水溫在趨勢異常背景下還觀測到3個月左右時間尺度的中短期異常.

從溫泉點水溫異常出現(xiàn)的時間來看，異常出現(xiàn)時間主要集中分布于兩個時段，表現(xiàn)出一定的階段性特征.其中瀘定共和溫泉、道孚龍普溝溫泉和理塘毛埡溫泉水溫異常出現(xiàn)時間具有一定的準同步性，主要出現(xiàn)在2011年上半年（震前2年左右），表現(xiàn)出一定的中期前兆特征.該異常出現(xiàn)時間范圍與其它學(xué)科多項觀測異常出現(xiàn)時間具有一定的相關(guān)性.例如：祝意青等（2013）利用川西地區(qū)2010年9月—2012年10月的流動重力觀測資料，系統(tǒng)分析了區(qū)域重力場變化及其與蘆山地震的關(guān)系，結(jié)果表明重力場差分動態(tài)演化圖像和重力場累積變化動態(tài)圖像均反映了蘆山地震孕育過程的最后2—3年出現(xiàn)較顯著的流動重力異常變化；榮代潞和李亞榮（2013）研究了蘆山地震前5年震中周圍地區(qū)中等地震活動的空間相關(guān)長度變化，結(jié)果表明從地震前兩年開始，中等以上地震的空間相關(guān)長度出現(xiàn)明顯增長，變化趨勢可以用冪次率進行很好的擬合；易桂喜等（2013）研究了蘆山地震震中附近地區(qū)中小地震的視應(yīng)力水平，認為該地區(qū)視應(yīng)力水平相對較高，并于2011年開始快速增強.而康定二道橋和龍頭溝溫泉水溫異常主要出現(xiàn)在震前3個月，表現(xiàn)出一定的中短期異常特征，尤其康定二道橋溫泉水溫異常出現(xiàn)時間與陳順云等（2013）在康定布設(shè)的無線地溫遙測臺網(wǎng)觀測到的異常日期完全相同，均出現(xiàn)在2013年1月31日，這兩個測點的距離僅相差2.4km，且該溫泉水溫異常的幅度（1℃）遠大于陳順云等（2013）觀測到的地溫異常幅度（0.001℃—0.003℃），進一步說明了該溫泉水溫異常的靈敏性和可靠性.

從溫泉點水溫異常的變化形態(tài)和幅度來看，除瀘定共和溫泉水溫在震前表現(xiàn)為相對下降外，其它溫泉水溫均表現(xiàn)為相對上升，且各測點的異常變化幅度有所不同，這可能與溫泉點所處構(gòu)造部位的水動力特征有關(guān).由于巖石的熱傳導(dǎo)系數(shù)較低，地殼深部水溫變化需要很長時間才能傳到地表，因此熱傳導(dǎo)機制不能解釋水溫的大幅度變化.然而地下流體的熱對流能更有效地將深部溫度的變化傳送到地表，尤其是在活動斷裂帶地區(qū)，由于構(gòu)造活動的增強，可能增強或減弱活動斷裂帶或破碎帶的水動力特征，從而導(dǎo)致水溫的上升或下降（Gottardi et al，2013）.對于本文中的溫泉，由于各泉點所處的構(gòu)造部位與水力聯(lián)系的不同，所以各泉點異常變化形態(tài)和幅度存在一定差別，尤其是位于鮮水河斷裂帶最南段的瀘定共和溫泉，由于松潘—甘孜地塊整體向東移動過程中受到東側(cè)的華南地塊阻擋，致使鮮水河斷裂帶最南段深部的水力聯(lián)系減弱，可能是導(dǎo)致該泉點水溫下降的主要原因.

5 結(jié)論

蘆山MS7.0地震前，川西地區(qū)的5個溫泉點水溫出現(xiàn)了不同程度的異常變化.從這些溫泉點水溫異常出現(xiàn)的時間過程來看，主要表現(xiàn)為2年左右時間尺度的中期異常和3個月時間尺度的短期異常；從異常時空演化過程來看，距離震中較近的康定二道橋和龍頭溝溫泉水溫在震前3個月左右出現(xiàn)了短期異常，距離震中較遠的理塘毛埡溫泉和道孚龍普溝溫泉主要表現(xiàn)為2年左右時間尺度的中期異常特征.

δD-δ18O同位素分析結(jié)果顯示，溫泉水主要來源于大氣降水與深部熱水的混合，表明這些流體具有深循環(huán)特征，能靈敏地反映出地殼深部的構(gòu)造信息.但由于溫泉水的流經(jīng)途徑存在較大差異，不同構(gòu)造動力可能會產(chǎn)生不同形態(tài)、不同幅度的異常變化，致使不同震級、不同構(gòu)造部位發(fā)生的地震前兆存在復(fù)雜性.溫泉水溫與地震之間的關(guān)系，溫泉水溫對不同構(gòu)造動力的響應(yīng)，以及外部非構(gòu)造因素對溫泉水溫的影響都是十分重要的科學(xué)問題，尚有待進一步研究.

在中國地震局監(jiān)測預(yù)報司及預(yù)報管理處組織的“四川蘆山MS7.0地震預(yù)測預(yù)報工作總結(jié)反思”專項工作過程中，專項工作組組長劉桂萍研究員的精心指導(dǎo)，聞學(xué)澤研究員對觀測點水文地質(zhì)背景進行現(xiàn)場的講解，以及與工作組其他成員的討論是本文研究的基礎(chǔ)；本研究得到中國地震局監(jiān)測預(yù)報司及地震預(yù)報管理處和四川省地震局的大力支持，評審專家對本文提出了修改建議，在此一并表示衷心感謝.

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