瑪多7.4級(jí)地震前后青海地下流體數(shù)據(jù)響應(yīng)研究

王永剛，李滔

(青海省地震局西寧地震臺(tái)，青海 西寧 810008)

0 引 言

地震是地殼介質(zhì)在構(gòu)造力的長期作用下，地球內(nèi)部能量積累到極限而突然釋放的過程。在地震孕育期間孕震體介質(zhì)必然產(chǎn)生形變，后果可能誘發(fā)地下流體、形變等學(xué)科出現(xiàn)一些相應(yīng)的異常變化[1]。而且地震的前兆信息不僅存在于震中區(qū)，在震中區(qū)的周邊區(qū)域甚至遠(yuǎn)離震中區(qū)的一些特殊地質(zhì)構(gòu)造部位也廣泛存在[2]。地下水廣泛地賦存于地殼巖體的空隙之中，具有可自由流動(dòng)性，且對(duì)地殼應(yīng)力與固體變形非常靈敏，能夠充分反映地殼介質(zhì)在應(yīng)力作用下的變化情況的信息[3]。地下流體異常作為可靠的地震前兆，被國內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)可[4]，因此被作為探索地震預(yù)報(bào)科學(xué)最有希望的途徑之一。近年來，多個(gè)中強(qiáng)地震前，地下流體學(xué)科都觀測(cè)到了明顯的異常響應(yīng)。多名學(xué)者也對(duì)地震的震前異常和同震變化進(jìn)行過研究。馬玉虎等人在對(duì)2016年門源6.4級(jí)地震的判定依據(jù)進(jìn)行回顧性分析后認(rèn)為，前兆觀測(cè)存在門源鉆孔應(yīng)變、湟源傾斜、德令哈水溫、平安水位、樂都?xì)怆钡榷囗?xiàng)定點(diǎn)前兆的短臨變化[5]。萬玉杰、楊曉霞、李滔等人在對(duì)2010年玉樹7.1級(jí)地震、2015年尼泊爾8.0級(jí)地震、2019年夏河5.7級(jí)地震前的地下流體異常進(jìn)行分析后，認(rèn)為這些地震前，多個(gè)地下流體測(cè)項(xiàng)都出現(xiàn)了前兆異常[6-8]。筆者也對(duì)2016年門源6.4級(jí)地震的地下流體同震變化進(jìn)行了研究[9]。

2021年5月22日青海省果洛州瑪多縣發(fā)生Ms7.4地震(以下簡(jiǎn)稱“瑪多7.4級(jí)地震”)。發(fā)震構(gòu)造為瑪多—甘德斷裂帶，具有左旋走滑兼正斷性質(zhì)。震中最大烈度為Ⅹ度?，敹?.4級(jí)地震發(fā)生前后，青海省內(nèi)多個(gè)臺(tái)站地下流體觀測(cè)出現(xiàn)了明顯的震前、同震和震后響應(yīng)變化。

1 地下流體監(jiān)測(cè)基本情況

青海區(qū)域地球物理臺(tái)網(wǎng)中共有地下流體觀測(cè)17個(gè)臺(tái)。其中有9個(gè)臺(tái)站15個(gè)測(cè)項(xiàng)(包括3個(gè)同臺(tái)站鉆孔形變測(cè)項(xiàng)的輔助測(cè)項(xiàng))在瑪多7.4級(jí)地震前后，均出現(xiàn)了明顯的震前、同震和震后響應(yīng)變化，出現(xiàn)響應(yīng)的臺(tái)站和測(cè)項(xiàng)的具體情況見表1和圖1。

表1 瑪多7.4級(jí)地震前后青海省地下流體觀測(cè)響應(yīng)臺(tái)站和測(cè)項(xiàng)統(tǒng)計(jì)

2 地下流體觀測(cè)異常變化情況

2021年5月22日瑪多7.4級(jí)地震前后，青海省地下流體臺(tái)網(wǎng)中共有9個(gè)臺(tái)站的15個(gè)測(cè)項(xiàng)出現(xiàn)了不同情況的震前異常、同震變化和震后效應(yīng)，現(xiàn)分述如下。

○無響應(yīng)臺(tái)站 ●有響應(yīng)臺(tái)站 ★瑪多7.4級(jí)地震震中(a)全部臺(tái)站；(b)震前異常臺(tái)站；(c)同震變化臺(tái)站；(d)震后效應(yīng)臺(tái)站圖1 青海省地下流體觀測(cè)臺(tái)站及瑪多7.4級(jí)地震震中分布

2.1 井水溫的異常變化

2.1.1 德令哈井水溫

德令哈井內(nèi)安裝了水溫1個(gè)測(cè)項(xiàng)，水溫觀測(cè)從2007年開始，距離瑪多7.4級(jí)地震震中322 km。從開始測(cè)到2014年，水溫觀測(cè)曲線變化形態(tài)一直為緩慢上升，年變幅度0.021 2℃，之后轉(zhuǎn)折緩慢下降，期間發(fā)生的2008年汶川8.0級(jí)和2010年玉樹7.1級(jí)地震前均有異常變化[10]。2020年底開始，水溫測(cè)值持續(xù)下降，2021年5月10日左右逐漸轉(zhuǎn)為上升變化，上升過程中發(fā)生了瑪多7.4級(jí)地震(圖2)。

圖2 德令哈水溫2021年1月1日～5月27日觀測(cè)曲線

2.1.2 都蘭井地溫

都蘭井內(nèi)安裝了地溫1個(gè)測(cè)項(xiàng)，距離瑪多7.4級(jí)地震震中191 km。自2007年始測(cè)以來，地溫觀測(cè)曲線變化形態(tài)為穩(wěn)定緩慢上升。2021年5月22日2時(shí)5分，該地溫觀測(cè)曲線快速下降并逐漸減緩，到2時(shí)40分左右，累計(jì)下降 0.005 5 ℃后轉(zhuǎn)為回升，6時(shí)左右回升過程結(jié)束，轉(zhuǎn)為平穩(wěn)變化，地溫較變化前下降了0.003 ℃。對(duì)比瑪多7.4級(jí)地震的在該臺(tái)的地震波到時(shí)，此次地溫變化應(yīng)為同震引起的變化(圖3)。

圖3 都蘭地溫2021年5月1日～27日觀測(cè)曲線

2.1.3 共和井水溫

共和井內(nèi)安裝了水溫、動(dòng)水位、氣氡等3個(gè)測(cè)項(xiàng)，距離瑪多7.4級(jí)地震震中276 km。該井的水溫?cái)?shù)據(jù)從2021年4月18日開始逐漸下降，19日降至最低，幅度為0.027 ℃，之后轉(zhuǎn)為緩慢上升。之后出現(xiàn)兩次幅度為0.011 ℃、0.010 ℃起伏變化。5月22日瑪多7.4級(jí)地震后， 2時(shí)14分～13時(shí)40分間出現(xiàn)兩次幅度為0.010 ℃的快速回升變化，之后水溫恢復(fù)正常變化形態(tài)(圖4)。

圖4 共和水溫2021年4月26日～5月27日觀測(cè)曲線

2.1.4 玉樹井水溫

玉樹井內(nèi)安裝了水溫和靜水位2個(gè)測(cè)項(xiàng)，距離瑪多7.4級(jí)地震震中214 km。該井水溫觀測(cè)數(shù)據(jù)從2021年3月15日15時(shí)38分起發(fā)生突降并逐漸減緩，16日2時(shí)左右下降結(jié)束轉(zhuǎn)為回升，累計(jì)下降幅度約為0.003 ℃。3月19日14時(shí)11分在西藏那曲市比如縣發(fā)生6.1級(jí)地震。3月21日因異常核實(shí)干擾，導(dǎo)致數(shù)據(jù)再次出現(xiàn)突降—回升的“V”型變化，4月下旬回升過程基本結(jié)束，并在緩升后發(fā)生瑪多7.4級(jí)地震(圖5)。

圖5 玉樹水溫2021年1月1日～5月27日觀測(cè)曲線

2.1.5 佐署井水溫

佐署井內(nèi)共安裝有水溫、動(dòng)水位2個(gè)測(cè)項(xiàng)，距離瑪多7.4級(jí)地震震中373 km。該水溫觀測(cè)數(shù)據(jù)2021年5月22日2時(shí)13分出現(xiàn)一次幅度為0.025 2 ℃的起伏變化。變化結(jié)束后，水溫變化轉(zhuǎn)為平穩(wěn)，但并未完全回落，與之前相比，整體上升了約0.01 ℃，水溫整體升高屬于震后響應(yīng)(圖6)。

圖6 佐署水溫2021年1月1日～5月27日觀測(cè)曲線

2.1.6 門源井水溫

門源井內(nèi)安裝有水溫和靜水位2套儀器，距離瑪多7.4級(jí)地震震中400 km。井孔附近的鉆孔形變觀測(cè)井中有輔助觀測(cè)鉆孔水位和鉆孔溫度2個(gè)測(cè)項(xiàng)。2021年5月22日瑪多7.4級(jí)地震后，鉆孔內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)自2時(shí)9分起出現(xiàn)快速下降并逐漸減緩，到3時(shí)7分左右下降過程結(jié)束，轉(zhuǎn)為平穩(wěn)變化，累計(jì)下降幅度約為0.002 ℃，屬震后響應(yīng)(圖7)。而該臺(tái)的井水溫在這次地震前后均無響應(yīng)。

圖7 門源鉆孔溫度2021年5月1日～5月27日觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線

2.1.7 樂都井水溫

樂都井中只安裝了1套水溫觀測(cè)儀器，距離瑪多7.4級(jí)地震震中427 km。該井水溫觀測(cè)數(shù)據(jù)2021年4月17～20日出現(xiàn)幅度為0.001 ℃的加速上升變化，之后數(shù)據(jù)逐漸轉(zhuǎn)為平穩(wěn)變化(圖8)，之后發(fā)生瑪多7.4級(jí)地震。

圖8 樂都水溫2021年1月1日～5月27日觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線

2.2 井水位的異常變化

2.2.1 共和井水位

該井的動(dòng)水位觀測(cè)數(shù)據(jù)在瑪多7.4級(jí)地震當(dāng)日，1時(shí)至2時(shí)水位有小幅下降—回升變化?，敹?.4級(jí)地震后，2時(shí)5分出現(xiàn)幅度為0.008 m的向下突跳。結(jié)合該臺(tái)的瑪多7.4級(jí)地震波到時(shí)分析，此次突降變化應(yīng)為同震變化(圖9)。

圖9 共和動(dòng)水位2021年5月22日01～04時(shí)觀測(cè)曲線

2.2.2 玉樹井水位

該靜水位觀測(cè)數(shù)據(jù)在瑪多7.4級(jí)地震后，2時(shí)8分起快速下降并逐漸減緩，到9時(shí)整累計(jì)下降0.32 m，轉(zhuǎn)為回升，該變化為瑪多7.4級(jí)地震引起震后響應(yīng)(圖10)。

圖10 玉樹靜水位2021年5月1日～5月27日觀測(cè)曲線

2.2.3 佐署井水位

該井動(dòng)水位觀測(cè)數(shù)據(jù)從2021年2月25日21時(shí)9分起出現(xiàn)快速下降并逐漸減緩，到26日2時(shí)左右，下降過程基本結(jié)束，動(dòng)水位逐漸轉(zhuǎn)為平穩(wěn)，累計(jì)下降幅度約為0.165 m。瑪多7.4級(jí)地震后，2時(shí)23分起，動(dòng)水位出現(xiàn)一次幅度為0.036 m的起伏變化后，水位持續(xù)上升并逐漸減緩，到4時(shí)左右，水位累計(jì)上升了約0.196 m后，上升過程基本結(jié)束，水位轉(zhuǎn)為平穩(wěn)變化(圖11)。

圖11 佐署動(dòng)水位2020年10月1日-5月27日觀測(cè)曲線

2.2.4 門源井水位

該井的靜水位和鉆孔水位從2019年9月起同步出現(xiàn)上升變化，2019年12月份轉(zhuǎn)為回落并逐漸減緩，到2020年11月再次轉(zhuǎn)為上升，2021年1月份開始緩慢回落。2021年5月17日左右，轉(zhuǎn)為緩慢上升。但上升幅度很小，從長期趨勢(shì)上看，并不明顯。兩測(cè)項(xiàng)均處于相對(duì)高值起伏的過程中發(fā)生瑪多7.4級(jí)地震(圖12)。

圖12 門源靜水位和鉆孔水位2019年1月1日～5月27日觀測(cè)曲線

2.2.5 格爾木井水位

格爾木井孔內(nèi)有水溫、動(dòng)水位、氣氡3個(gè)測(cè)項(xiàng)，距離瑪多7.4級(jí)地震震中375 km。井水位在2021年5月1～13日水位出現(xiàn)上升，13～22日之間水位有明顯起伏變化。其中，水位在瑪多地震后，2時(shí)5分～15分記錄到水震波，最大變化幅度為0.011 2 m，不僅出現(xiàn)了震前異常，也出現(xiàn)了震后響應(yīng)(圖13)。水溫和氣氡在這次地震前后均無響應(yīng)。

圖13 格爾木動(dòng)水位觀測(cè)曲線

2.2.6 湟源井水位

湟源井中安裝有水溫1個(gè)測(cè)項(xiàng)，該井孔附近的鉆孔形變觀測(cè)井中有輔助觀測(cè)鉆孔水位測(cè)項(xiàng)。湟源流體觀測(cè)井距離瑪多7.4級(jí)地震震中約為345 km。湟源鉆孔水位2021年3月，由之前的持續(xù)下降逐漸轉(zhuǎn)為上升，且23日出現(xiàn)幅度為0.006 m的上升變化。與此同時(shí)，水溫也出現(xiàn)加速上升變化。4月28日～5月3日和5月3日～5月14日兩測(cè)項(xiàng)又先后出現(xiàn)“U”字型變化。(圖14)

這兩個(gè)測(cè)項(xiàng)井孔位置鄰近，變化也有一定的同步性，但水溫比鉆孔水位變化略有滯后，表明其受到同一因素的影響。這兩次變化都發(fā)生在瑪多地震前，應(yīng)為此次地震的震前異常變化。

3 綜合分析

青海省地球物理臺(tái)網(wǎng)共有17個(gè)地下流體臺(tái)站。其中出現(xiàn)異常響應(yīng)的臺(tái)站有9個(gè)，共12個(gè)測(cè)項(xiàng)，全部為地下流體物理量觀測(cè)。另外，作為鉆孔形變輔助觀測(cè)的鉆孔水位、鉆孔溫度等測(cè)項(xiàng)中也有3個(gè)測(cè)項(xiàng)出現(xiàn)了震前異常或震后響應(yīng)，出現(xiàn)異常響應(yīng)的臺(tái)站，全部為物理量測(cè)項(xiàng)。以上測(cè)項(xiàng)所在觀測(cè)井除都蘭地溫為干井外，其余全部為有水井。其中震中距最近的是都蘭井(震中距191 km)，最遠(yuǎn)的是樂都井(震中距426 km)。

青海地球物理臺(tái)網(wǎng)地下流體對(duì)于瑪多7.4級(jí)地震的響應(yīng)方式有震前異常、同震變化和震后響應(yīng)三種。出現(xiàn)震前異常的有9個(gè)測(cè)項(xiàng)，出現(xiàn)同震變化的有3個(gè)測(cè)項(xiàng)，出現(xiàn)震后效應(yīng)的有5個(gè)測(cè)項(xiàng)。其中有2個(gè)測(cè)項(xiàng)既出現(xiàn)了震前異常，也出現(xiàn)了震后效應(yīng)。

3.1 震前異常

青海省地下流體測(cè)項(xiàng)共記錄到9項(xiàng)前兆異常。最早出現(xiàn)震前異常的是門源靜水位，該異常于2019年9月開始，2019年10月28日發(fā)生了甘肅夏河5.7級(jí)地震。之后異常持續(xù)，2020年雖有回落，但仍未恢復(fù)到正常值。青海省地震局預(yù)報(bào)中心(現(xiàn)青海地震臺(tái))認(rèn)為異常仍持續(xù)至發(fā)生瑪多7.4級(jí)地震。

玉樹水溫在周邊多次中強(qiáng)地震前，都出現(xiàn)的突降到回升的“V”字型變化[10]。青海省地震局預(yù)報(bào)中心(現(xiàn)青海地震臺(tái))專家經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)，并結(jié)合以往震例分析，認(rèn)為2021年3月15日開始的此次變化，可能為地震前兆異常。3月19日發(fā)生了西藏比如6.1級(jí)地震(418 km)，比如6.1級(jí)地震后再次對(duì)該井異常跟蹤分析，研究認(rèn)為異常持續(xù)有效其后仍有發(fā)生較大地震的可能。

其余的震前異常在2021年3～5月份依次出現(xiàn)。異常出現(xiàn)的時(shí)間、幅度、形態(tài)等與地震臺(tái)站的構(gòu)造位置等均沒有明顯的規(guī)律性。另外，湟源和門源兩個(gè)地震臺(tái)，分別都有不同井孔的兩個(gè)測(cè)項(xiàng)同步記錄到震前異常和震后響應(yīng)，進(jìn)一步映證了這一過程中較大區(qū)域的應(yīng)力場(chǎng)的變化。

3.2 同震變化

青海省地下流體共有3測(cè)項(xiàng)記錄到同震變化。分別為格爾木水位、共和水位和都蘭地溫。其中，格爾木水位記錄到的是典型的水震波。共和水位僅記錄到單點(diǎn)突跳，可能與震中距比較近，以及井水對(duì)于地震波的響應(yīng)方式有關(guān)。根據(jù)李滔等人的研究成果，都蘭地溫在較大地震時(shí)多產(chǎn)生同震變化，且巴顏喀拉塊體周邊的地震，其同震變化多為下降后不回升或不完全回升，其他區(qū)域的地震則均為下降后回升[11]?，敹?.4級(jí)地震的同震變化也符合這一特征。

3.3 震后效應(yīng)

瑪多7.4級(jí)地震后，青海省地下流體臺(tái)網(wǎng)有5個(gè)測(cè)項(xiàng)記錄到震后響應(yīng)。震后響應(yīng)開始的時(shí)間在發(fā)震后的2時(shí)8分～23分之間，均晚于地震波到達(dá)該井孔的時(shí)間。但各測(cè)項(xiàng)震后響應(yīng)開始的時(shí)間，與其震中距并沒有明顯的關(guān)系。其中，佐署同一井孔的水溫和水位，震后都出現(xiàn)了起伏-回升的震后響應(yīng)變化，但水溫的變化要早于水位約10分鐘。共和水溫和佐署水位則是在震前的4月份先后出現(xiàn)快速下降，震后出現(xiàn)快速回升。玉樹水位在震后發(fā)生突降。

4 結(jié)論與討論

(1)青海地球物理臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)在瑪多7.4級(jí)地震前后，有15個(gè)地下流體測(cè)項(xiàng)記錄到異常響應(yīng)變化。響應(yīng)的方式有震前異常、同震變化、震后響應(yīng)三種。其中9個(gè)測(cè)項(xiàng)有震前響應(yīng)，3個(gè)測(cè)項(xiàng)有同震變化，5個(gè)測(cè)項(xiàng)有震后響應(yīng)，還有2個(gè)測(cè)項(xiàng)既有震前異常又有震后響應(yīng)。

(2)同一臺(tái)站(如湟源地震臺(tái)、門源地震臺(tái))不同測(cè)項(xiàng)的震前異?；就剑?如佐署地震臺(tái))不同測(cè)項(xiàng)觀測(cè)到的震后響應(yīng)卻相差了10分鐘。這表明，不同井孔、不同測(cè)項(xiàng)對(duì)于區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)變化的響應(yīng)情況既有聯(lián)系，又有差異。但同步發(fā)生的異?？梢韵嗷ビ匙C，進(jìn)一步增加了異常的可靠性。

(3)地下流體觀測(cè)異常響應(yīng)的時(shí)間、形態(tài)、變化幅度等，跟井孔所處構(gòu)造位置、震中距等均無明顯關(guān)系。(表2、圖1)變化形態(tài)的差異可能是各井孔的構(gòu)造位置不同，導(dǎo)致其對(duì)應(yīng)力場(chǎng)變化的響應(yīng)情況也不同所致。

表2 瑪多7.4級(jí)地震前后青海省地下流體觀測(cè)響應(yīng)情況統(tǒng)計(jì)

(4)無論震前異常、同震變化或震后響應(yīng)，青海省地下流體測(cè)項(xiàng)對(duì)瑪多7.4級(jí)地震出現(xiàn)響應(yīng)的多為有水井。表明賦存于地殼深部的流體(水、氣、油)作為彈性介質(zhì)，對(duì)深層地殼應(yīng)力的分布、變化、轉(zhuǎn)移過程及地震孕育、發(fā)生等有著較為靈敏的反映[12]。

(5)瑪多7.4級(jí)地震前后，青海區(qū)域出現(xiàn)異常響應(yīng)的地下流體測(cè)項(xiàng)全部為物理量測(cè)項(xiàng)，化學(xué)量測(cè)項(xiàng)則全部沒有明顯的反應(yīng)。分析可能與地下流體化學(xué)量對(duì)于區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的響應(yīng)方式較物理量更為復(fù)雜有關(guān)，需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。