新疆北天山艾其溝泥火山強震前顯著噴涌現(xiàn)象及其變化機理分析

梁卉 高小其 向陽1， 朱成英

1）新疆維吾爾自治區(qū)地震局，烏魯木齊市新市區(qū)科學二街338號 830011

2）中國地震局地殼應力研究所（地殼動力學重點實驗室），北京 100085

0 引言

泥火山是一種由泥漿形成的特殊地質體，多分布于沉積盆地中（段海崗等，2007；何家雄等，2010）。在地殼淺部層次地質流體作用下，當溫壓達到一定條件時，混有泥質、黏土質沉積物的水與氣體的混合物不斷從噴出口噴涌而出，隨后慢慢干涸形成類似火山錐的泥丘，在其頂部常常有凹坑，坑內泥漿液面偶見漂浮的油花，噴出的氣體能被點燃。雖然在外形上泥火山與熔巖火山有些類似，但相比之下，泥火山的溫壓較低、規(guī)模較小，無巖漿通道，且在來源、運動機制、物源補給及深度等方面都與熔巖火山有著根本的差異（萬園等，2011；Milkov，2000；朱佛宏，2003；Chiu et al，2006；楊曉芳等，2014；范衛(wèi)平等，2007）。

目前世界上已有將近900座泥火山為人們所知，伊朗的馬克蘭、羅馬尼亞的布扎和美國的黃石公園的泥火山都久負盛名，最大且最多的泥火山分布于阿塞拜疆的巴庫地區(qū)。在海底也發(fā)育著數(shù)量眾多的泥火山，它與泥底辟有著十分密切的聯(lián)系（何家雄等，2010；高小其等，2008；陳志等，2015；戴金星等，2012）。在中國，新疆維吾爾自治區(qū)分布著國內最大的泥火山群，約90多個泥火山噴出口，其中近70余座分布于烏蘇地區(qū)，規(guī)模大小不一；臺灣省多地也發(fā)現(xiàn)了具有典型地貌特征的活動的泥火山，更有甚者還會出現(xiàn)噴火的壯觀景象。

地震活動帶是泥火山的主要分布區(qū)域，我們常常在地震前后觀察到其周邊泥火山的噴發(fā)現(xiàn)象（范衛(wèi)平等，2007）。例如，位于1948年土庫曼斯坦MS7.3地震極震區(qū)的泥火山，在震后出現(xiàn)了劇烈活動；1959年12月，在阿塞拜疆巴庫地區(qū)發(fā)生有感地震前，其附近的泥火山出現(xiàn)了噴發(fā)活動；烏克蘭萬諾弗蘭泥火山周邊300km范圍內的地震與其噴發(fā)有著很好的對應關系（陳志等，2015）；2004年12月緬甸泥火山噴發(fā)就是由蘇門答臘MS8.7地震引起的（萬園等，2011）。由此可見，泥火山的噴發(fā)活動可作為地殼新構造活動的標志之一，與地震活動關系密切。

新疆烏蘇艾其溝泥火山位于中強地震活動頻發(fā)的天山中段，自2011年建點連續(xù)觀測以來，在其周圍200km范圍內共發(fā)生4次MS6.0以上地震，并且這幾次地震前后，艾其溝泥火山均出現(xiàn)了不同程度的宏觀異常噴發(fā)活動。本文將全面梳理、總結艾其溝泥火山噴發(fā)活動在地震前后的宏觀異常特征，并對其異常機理進行初步分析。

1 艾其溝泥火山概況

烏蘇艾其溝泥火山位于賽力克提牧場艾其溝山前階地上，地處準葛爾盆地南緣斷裂與亞瑪特斷裂的交匯部位，在構造上屬于托斯臺背斜軸部的艾其溝斷裂帶（圖1、2），是亞洲最大的泥火山錐，該泥火山由2座相距10m、噴口直徑分別為2m（北側噴口）和1m（南側噴口）左右的泥火山錐組成，高約9m，北側的泥火山（編號為艾其溝1號泥火山）底座大約5m，偶有銀灰色泥漿溢出外流，液面可見漂浮的油花，南側的泥火山（編號為艾其溝2號泥火山）噴口較小（王海濤等，2014）。實時監(jiān)控系統(tǒng)于2011年8月底建成，實現(xiàn)了泥火山活動的連續(xù)、實時的監(jiān)控，有利于捕捉地震前兆異常（高小其等，2015b）。2014年 8月、2015年4月和2015年7月完成了3次系統(tǒng)的升級改造。

圖1 新疆烏蘇艾其溝泥火山構造簡圖

圖2 新疆烏蘇艾其溝泥火山位置（a）及地貌（b）

2 4次地震宏觀異?，F(xiàn)象

2011年以來，新疆烏蘇艾其溝泥火山周圍200km范圍內共發(fā)生了4次6級以上地震（表1），分別是2011年11月1日尼勒克 MS6.0地震（震中距170km）、2012年 6月 30日新源MS6.6地震（震中距92km）、2016年12月8日呼圖壁MS6.2地震（震中距155km）及2017年8月9日精河MS6.6地震（震中距119km）（圖3、表1）。地震前后，艾其溝泥火山均出現(xiàn)了不同程度的噴發(fā)活動。

表1 北天山地區(qū)MS≥6.0地震參數(shù)統(tǒng)計表（2011年以來）

2.1 2011年11月1日尼勒克MS6.0地震

艾其溝泥火山實時監(jiān)控系統(tǒng)顯示，2011年9月20～9月30日，艾其溝2號泥火山口出現(xiàn)了明顯的持續(xù)性泥漿噴涌活動現(xiàn)象，且活動強烈，但是從10月開始，泥漿停止外溢，泥火山液面開始逐漸下降，活動減弱，在泥火山液面下降的過程中，發(fā)生了2011年11月1日尼勒克MS6.0地震，震后泥火山液面逐漸回升，直至11月底恢復到其背景狀態(tài)（圖4、5）。

2.2 2012年6月30日新源MS6.6地震

烏蘇艾其溝2號泥火山在2011年12月10日，再次出現(xiàn)明顯的噴涌活動，實時監(jiān)控視頻顯示泥火山液面有大量的氣泡鼓出，泥漿外溢面積逐漸增大，2012年4月起，艾其溝泥火山液面出現(xiàn)了類似2011年11月1日尼勒克MS6.0地震前的逐漸下降變化，變化持續(xù)3個月后，于2012年6月30日發(fā)生了新源MS6.6地震。震后，其液面仍未恢復到背景活動狀態(tài)（圖 6、7）。

圖3 新疆艾其溝泥火山與4次地震震中分布

2.3 2016年12月8日呼圖壁MS6.2地震

2015年對實時監(jiān)控系統(tǒng)進行了技術升級改造，可以調整角度同時監(jiān)控艾其溝1號、2號泥火山活動情況。監(jiān)控系統(tǒng)顯示，2016年5～6月、9～10月、12月，艾其溝1號泥火山出現(xiàn)多組間歇性噴涌量增大現(xiàn)象，液面有油花，震后逐漸恢復至背景活動狀態(tài)，無泥漿溢出（圖8、9）。艾其溝2號泥火山從2016年5月以來也呈現(xiàn)出間歇性活動狀態(tài)，且噴涌現(xiàn)象較為顯著（圖10、11）。從2015年7月開始，每月 1次定期前往艾其溝現(xiàn)場取樣，取回后即時用 sp-3400型氣相色譜儀按實驗要求對樣品進行 CO2、CH4檢測，結果顯示，艾其溝 1號泥火山CO2含量從2016年3月8日起逐漸上升，之后持續(xù)高值波動變化，8月17日開始下降恢復，11月15日恢復至背景狀態(tài)后持續(xù)下降，12月6日達最低值后回升，CH4含量從9月21日到11月15日出現(xiàn)一組高值變化，而后恢復至背景值范圍內波動變化（圖12），在此過程中發(fā)生了2016年12月8日呼圖壁MS6.2地震。

2.4 2017年8月9日精河MS6.6地震

2017年1月1日起，艾其溝1號泥火山出現(xiàn)持續(xù)噴涌現(xiàn)象，有明顯的泥漿溢出痕跡，2月4日該監(jiān)測點首次出現(xiàn)持續(xù)噴發(fā)現(xiàn)象，之后于2月8日和14日再次出現(xiàn)強烈噴涌現(xiàn)象，持續(xù)時間較長，而后其噴涌活動有所減弱但仍持續(xù)，6月又出現(xiàn)了一組較大的噴涌活動（圖13、14）。同時，該點的 CO2含量從 4月 28日到 7月 19日亦呈現(xiàn)一組高值變化（圖12）。艾其溝2號泥火山自2017年初至6月一直處于干涸狀態(tài)，7月5日起有泥漿溢出，溢出面積不斷增大，8月1日在現(xiàn)場能看到間歇性劇烈鼓泡現(xiàn)象（圖15、16），新疆維吾爾自治區(qū)地震局地下流體學科在8月2日根據(jù)持續(xù)密切跟蹤的泥火山顯著噴涌現(xiàn)象及其周邊異常資料，結合以往震例給出了近期地震預測意見，8天后即2017年8月9日在預測區(qū)發(fā)生了精河6.6級地震。震后艾其溝1號泥火山噴涌活動才持續(xù)減弱直至恢復平靜，艾其溝2號泥火山在8月25日后恢復平靜，未見明顯噴涌活動。

圖4 新疆尼勒克MS6.0地震前后烏蘇艾其溝2號泥火山監(jiān)控截圖

圖5 新疆尼勒克MS6.0地震前后烏蘇艾其溝2號泥火山液面變化示意圖

圖6 新疆新源MS6.6地震前后烏蘇艾其溝2號泥火山監(jiān)控截圖

圖7 新疆新源MS6.6地震前后烏蘇艾其溝2號泥火山液面變化示意圖

圖8 新疆呼圖壁MS6.2地震前后烏蘇艾其溝1號泥火山監(jiān)控截圖

圖9 新疆呼圖壁MS6.2地震前后烏蘇艾其溝1號泥火山液面變化示意圖

3 異常特征及機理分析

3.1 異常時間特征

震前區(qū)域構造應力的強弱交替變化通常會影響其附近泥火山的活動，以致可直觀地由泥火山口泥漿的噴涌量呈現(xiàn)出來。通過梳理2011年以來新疆4次6級以上地震震前艾其溝泥火山泥漿開始出現(xiàn)明顯噴涌活動距發(fā)震時間（表2）可知，當艾其溝泥火山出現(xiàn)噴涌活動時，其周邊可能發(fā)生中強震的時間段為：艾其溝1號泥火山泥漿開始出現(xiàn)明顯溢出活動距發(fā)震時間為8～70天，平均為39天；艾其溝2號泥火山泥漿開始出現(xiàn)明顯溢出活動距發(fā)震時間為36～203天，平均為110.25天。整體來看，艾其溝泥火山異常噴涌活動均表現(xiàn)為地震前兆宏觀短期異常。

圖10 新疆呼圖壁MS6.2地震前后烏蘇艾其溝2號泥火山監(jiān)控截圖

圖11 新疆呼圖壁MS6.2地震前后烏蘇艾其溝2號泥火山液面變化示意圖

圖12 新疆烏蘇艾其溝1號泥火山CO2、CH4含量曲線

3.2 泥火山噴出物地球化學特征

圖13 新疆精河MS6.6地震前后烏蘇艾其溝1號泥火山監(jiān)控截圖

圖14 新疆精河MS6.6地震前后烏蘇艾其溝1號泥火山液面變化示意圖

圖15 新疆精河MS6.6地震前后烏蘇艾其溝2號泥火山監(jiān)控截圖

巖漿火山的噴發(fā)物質來源于地殼以下的高溫高壓巖漿，而泥火山的噴發(fā)物則一般為數(shù)千米的地下水、天然氣和溫度較低的泥砂質巖石（王道等，1997）。目前位于南邊的艾其溝2號泥火山一直處于干涸狀態(tài)，北邊的艾其溝1號泥火山噴口較大，泥漿較稠，不時有氣泡鼓出。杜建國等（2013）、陳志等（2014）在 2012年 6月、7月 2次對北天山泥火山及溫泉進行考察，期間發(fā)生了新源6.6級地震，通過對比地震前后樣品分析結果發(fā)現(xiàn)，震后泥漿溫度、pH、電導率、K＋都出現(xiàn)了小幅上升，氣泡排放率有所增加，氮濃度明顯增高且呈增大趨勢變化，氦同位素變幅小，但在震后略有增高。高小其等（2015b）在2010年6月、2011年6月、2012年6月3次對北天山地區(qū)泥火山進行取樣研究，其氣體穩(wěn)定同位素結果顯示，艾其溝泥火山氣體中3He/4He（×10－8）為 3.11±0.16，R/Ra為 0.022，屬殼源氦，烷烴氣碳同位素測值顯示艾其溝泥火山氣體為熱解烴類氣；發(fā)現(xiàn)泥火山鼓泡時帶出的氣體在其平靜時期與活躍時期有著明顯的不同，平靜時氣體中的H2、He含量很低，甚至可能為零，而在活躍期時氣體中的CH4、CO2含量都會有一定程度的上升。

圖16 新疆精河MS6.6地震前后烏蘇艾其溝2號泥火山液面變化示意圖

表2 震前艾其溝泥火山噴涌活動統(tǒng)計表

3.3 異常機理分析

當?shù)貙犹幱诟邏籂顟B(tài)下時，地下深部比較松軟的泥頁巖在地下水、氣的裹挾下通過裂隙或斷層等高滲透性通道被噴出地表就形成了泥火山。而泥火山的噴發(fā)主要受制于擠壓類構造運動、快速沉積造成的構造載荷、烴類連續(xù)活躍的產生及深部可塑性沉積物的生成等因素（Milkov，2000；Dimitrov，2002；何家雄等，2012）。準噶爾盆地南緣為再生前陸坳陷區(qū)，其內部多發(fā)育沖斷構造，新生代以來，由印-藏碰撞遠程效應產生的持續(xù)擠壓使得近EW向的沖斷褶皺帶在天山兩側發(fā)育，烏蘇艾其溝泥火山就位于準噶爾盆地天山北緣山前坳陷帶托斯臺背斜軸部，與天山山脈基本都呈EW走向，軸部及北翼區(qū)域附近多發(fā)育有活動逆斷裂，地層多為泥砂質巖層。北天山山前強烈的擠壓作用使得地處該區(qū)的托斯臺背斜在地表產生了3個近EW向的構造帶，在這些構造帶中均有活動斷裂發(fā)育，斷裂切割了中、新生代地層（余興等，2013；鄧起東等，1999；馮先岳等，1993；羅福忠等，2008；樊海龍等，2017）。烏蘇艾其溝泥火山所處的天山北麓烏魯木齊山前坳陷帶內，新生代沉積地層地勢較高，由于地勢差異，地下水、氣在這里產生了一定的壓力差，2011年以來，全球新構造運動和地震活動最為強烈的天山地震帶進入了新一輪的活躍期，活動斷層間的相互擠壓使得區(qū)域地殼構造應力不斷增強，造成地下水、氣壓力異常，高壓推動下的地下水沿裂隙與氣體相互作用，向托斯臺背斜頂端運移，同時在此過程中也使得通道周圍的黏土液化形成泥漿，最終沿孔隙溢出地表，產生了艾其溝泥火山噴涌現(xiàn)象，并檢測出泥漿中氣體含量明顯增加。2011～2016年在天山中段發(fā)生的3次6級以上地震均是在此現(xiàn)象發(fā)生后的一年內、距該點200km范圍內發(fā)生的，再次驗證了斷層活動引起的區(qū)域地殼構造應力增強是導致泥火山活動和地震孕育發(fā)生的主要因素，在動力機制方面，二者具有同源性（李夢等，2013）。2017年7月新疆維吾爾自治區(qū)地震局結合艾其溝泥火山異常噴涌現(xiàn)象及以往震例，對精河6.6級地震做出了具有減災實效的預測。

4 結論與展望

泥火山是一種獨特的資源，通過研究其噴發(fā)物，我們可以了解地下深處的地質信息，有利于確定泥火山區(qū)沉積剖面；了解它的分布及地球化學特征對油氣探勘有著重要的意義。更重要的是它還與斷層活動、地震關系密切（萬園等，2011）。本文較為全面地梳理了2011年以來天山中段4次6級地震前艾其溝泥火山出現(xiàn)的噴涌活動，認為艾其溝泥火山噴涌活動與地震發(fā)生具有一定的對應關系，對未來地震的預測、尤其是對時間和地點具有一定的預測指導意義。但由于目前積累資料有限，泥火山噴涌活動的強弱與地震震級仍沒有統(tǒng)計到統(tǒng)一的規(guī)律，2011年以來新疆天山中段地區(qū)除了4次6級以上地震外，5級地震頻發(fā)，艾其溝泥火山僅在2015年2月22日沙灣5.0級地震、2016年1月14日輪臺5.3級地震和2016年2月11日新源5.0級地震震前出現(xiàn)過較大噴涌現(xiàn)象，而杜建國等（2013）在2012年6月30日新源6.6級地震后觀察到，7月2日發(fā)生的4.2級余震亦引起了泥火山的再次噴發(fā)。因此，目前仍難以將其活動規(guī)律進行系統(tǒng)、全面的總結，這就需要我們繼續(xù)密切跟蹤、分析泥火山的活動情況，發(fā)散思維，結合新技術、新方法，有針對性地進一步加深相關研究，以期有所新突破。