都蘭臺(tái)深井地溫的同震變化研究

李滔 宋秀青 王秋寧

1）青海省地震局，西寧市興海路1號(hào) 810001

2）上海市地震局，上海 200026

3）陜西省地震局，西安 710068

0 引言

地?zé)嵊糜诘卣鹎罢子^測(cè)在我國(guó)已有幾十年的歷史。許多專家對(duì)地?zé)幔ㄋ疁兀┳兓奶卣骱蜋C(jī)理進(jìn)行過(guò)專門的研究。陳沅俊等（1992）通過(guò)研究1989年大同-陽(yáng)高地震前的水溫異常認(rèn)為，斷層蠕動(dòng)作為一種剪切摩擦滑動(dòng)必然產(chǎn)生一定的熱量，故有可能利用水溫變化來(lái)研究斷層在震前的加速蠕動(dòng)并進(jìn)行地震預(yù)測(cè)。姚寶樹（2004）則通過(guò)對(duì)三馬坊水溫井的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行研究后認(rèn)為，地震發(fā)生后地震波的波動(dòng)改變了區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)的作用，使巖體周圍受力平衡再次發(fā)生改變，巖體圍壓發(fā)生變化，巖體內(nèi)裂隙、節(jié)理、孔隙壓等也隨之發(fā)生變化，巖體裂隙、孔隙里的地下流體也發(fā)生變化，地下水受壓上升，受張下降，流體的溫度隨之發(fā)生變化。楊竹轉(zhuǎn)（2011）研究認(rèn)為，同一口井的水位同震變化是水溫同震變化的必要條件，水溫同震響應(yīng)總是出現(xiàn)在地震波到達(dá)和水位同震變化開始之后；且水溫同震變化的幅度受震級(jí)、井震距、季節(jié)、地溫梯度、探頭放置位置等因素的影響。張彬等（2013）對(duì)2008年汶川 MS8.0地震、2010年玉樹MS7.1地震和2013年蘆山MS7.0、岷縣MS6.6地震引起的中國(guó)大陸井水溫同震響應(yīng)現(xiàn)象進(jìn)行了研究，認(rèn)為水溫同震變化的幅度不僅受動(dòng)力加載作用強(qiáng)弱（距離）的影響，而且很可能與區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，應(yīng)力狀態(tài)的變化會(huì)直接影響到含水層孔隙度等，因而直接導(dǎo)致地下水動(dòng)力特征的變化。

“十五”數(shù)字地震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目以來(lái)，青海省先后建成了地?zé)嵊^測(cè)井孔14個(gè)，其中，水溫觀測(cè)井孔10個(gè)，另外4個(gè)井孔沒有深層地下水，為地溫觀測(cè)。2015年4月25日尼泊爾8.1級(jí)地震時(shí)，大部分井孔的水溫觀測(cè)數(shù)據(jù)沒有同震變化反應(yīng)，只有都蘭臺(tái)深井地溫（簡(jiǎn)稱都蘭地溫，下同）觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)了明顯的同震變化。本文即對(duì)都蘭地溫觀測(cè)數(shù)據(jù)的同震變化情況進(jìn)行了總結(jié)，分析了同震變化特征，并探討了地溫同震變化發(fā)生的機(jī)理。

1 基本情況

1.1 井孔

都蘭地溫觀測(cè)井位于柴達(dá)木盆地南部，可可西里-巴顏喀拉、柴達(dá)木2大地震帶之間（圖1）。井孔深105.30m，其中，0.50m以上為粉土，含砂礫，0.50～＜44.80m為坡積角礫，44.80～＜105.30m為坡積角礫巖。井中沒有地下水，為干井。溫度探頭置深為100m，以觀測(cè)井底地層的溫度變化（圖2）。

圖1 都蘭井地質(zhì)構(gòu)造位置

1.2 儀器

都蘭地溫觀測(cè)井安裝的儀器為中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所研制的SZW-1A數(shù)字式溫度計(jì)，安裝時(shí)間為2007年6月20日。儀器自從安裝以來(lái)觀測(cè)數(shù)據(jù)一直不正常，背景噪聲非常大，數(shù)據(jù)經(jīng)常出現(xiàn)大幅度的臺(tái)階和突跳，動(dòng)態(tài)極不穩(wěn)定。2013年5月儀器出現(xiàn)故障，經(jīng)維修后，2013年6月1日起恢復(fù)正常。

圖2 都蘭地溫觀測(cè)井井孔柱剖面圖及探頭位置示意圖

1.3 長(zhǎng)期觀測(cè)動(dòng)態(tài)變化特征

2013年6月1日儀器恢復(fù)正常工作后，都蘭地溫觀測(cè)曲線的背景噪聲明顯變小，動(dòng)態(tài)變化也相對(duì)穩(wěn)定，呈現(xiàn)出緩慢上升態(tài)勢(shì)，并在緩慢上升的過(guò)程中疊加了一些小幅度的起伏和毛刺。背景干擾的幅度由約 0.006℃下降到 0.0001℃，日變幅約為 0.0003℃，年變幅約為0.021℃（圖 3）。

盡管2013年6月1日以后都蘭地溫曲線較以往變化平穩(wěn)，但從日變化形態(tài)來(lái)看，仍存在一些短時(shí)間的小幅度變化，變化形態(tài)以向下—回升居多，但也有少量上升—下降的變化（圖 4）。

2 同震變化

2013年6月1日都蘭地溫儀器正常觀測(cè)以來(lái)，盡管存在許多不明原因的短期變化，但仍在震后多次觀測(cè)到了明顯的同震變化。2013年6月1日～2015年5月31日，全球共發(fā)生MS≥7.0地震48次，我國(guó)共發(fā)生MS≥5.0地震85次。對(duì)這132次地震（其中1次地震在2個(gè)目錄中均有）發(fā)生前后都蘭地溫觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，有8次地震記錄到了明顯的同震變化過(guò)程（圖5、6）。這8次地震的參數(shù)和分布情況見表1。

圖3 2013年6月1日～2015年5月31日都蘭井地溫長(zhǎng)期變化

圖4 都蘭井溫短期變化

圖5 2013年 6月 1日～2015年 5月 30日全球 M S≥7.0、我國(guó)M S≥5.0地震及都蘭井地溫同震響應(yīng)地震震中分布

圖6 都蘭井地溫同震響應(yīng)地震的震源機(jī)制解及空間分布

表1 都蘭井地溫觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)同震變化的地震目錄（以震中距排序）

由表1和圖5、6可見，都蘭地溫同震響應(yīng)的地震都集中在中國(guó)大陸及周邊，距離最遠(yuǎn)的為2015年5月30日日本小笠原群島8.0級(jí)地震（Δ＝4079km）。出現(xiàn)同震響應(yīng)的最小震級(jí)地震為2014年10月2日烏蘭5.3級(jí)地震（Δ＝31km），最大的為2015年4月25日尼泊爾8.2級(jí)地震（Δ＝1553km）。這些地震均為相同震中距范圍內(nèi)震級(jí)最大或較大的地震。另外，2013年8月1日18：24墨西哥海岸遠(yuǎn)海 7.5級(jí)（Δ＝13852km）、2013年 11月 17日 17：04斯科舍海7.8級(jí)（Δ＝16352km）2次地震后地溫?cái)?shù)據(jù)也有變化，但是墨西哥7.5級(jí)地震在都蘭地震臺(tái)及周邊臺(tái)站均未記錄到振動(dòng)波形，表明該地震的地震波到達(dá)都蘭臺(tái)時(shí)已經(jīng)完全衰減，無(wú)法引起同震變化，故同時(shí)段的地溫變化應(yīng)該不是該地震的同震變化；斯科舍海7.8級(jí)地震后的地溫變化比地震的面波晚到將近半個(gè)小時(shí)，而其他各次地震的同震變化開始時(shí)間均在面波（烏蘭地震為S波）到達(dá)后1～10min之內(nèi)，故此次變化應(yīng)該也不是斯科舍海7.8級(jí)地震的同震變化。

3 典型同震變化及特征

3.1 典型同震變化

3.1.1 甘肅岷縣6.7級(jí)地震

2013年7月22日 07：52，都蘭地溫?cái)?shù)據(jù)出現(xiàn)明顯下降，08：12數(shù)據(jù)下降減緩，至 17：04數(shù)據(jù)下降到最低值，累計(jì)下降幅度為0.0008℃。之后，數(shù)據(jù)變化轉(zhuǎn)平，并在低值持續(xù)約5hr后重新開始緩慢上升。測(cè)震記錄波形顯示，都蘭臺(tái)岷縣6.7級(jí)地震P波到時(shí)07：47，S波到時(shí)07：48，面波到時(shí)07：48。都蘭地溫值的下降，是在面波到達(dá)4m in后開始的，其變化應(yīng)是面波到達(dá)后所引起的變化（圖7（a））。

3.1.2 新疆于田7.3級(jí)地震

2014年2月12日17：31，都蘭地溫觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)下降，至 17：34累計(jì)下降 0.0003℃，17：34～17：47數(shù)據(jù)持平，到17：48數(shù)據(jù)小幅度回升并轉(zhuǎn)平，18：37起再次緩慢小幅度下降至19：18轉(zhuǎn)平，之后恢復(fù)數(shù)據(jù)緩慢上升的正常動(dòng)態(tài)變化。測(cè)震記錄波形顯示，都蘭臺(tái)于田7.3級(jí)地震P波到時(shí)17：22，S波到時(shí) 17：25，面波到時(shí)17：27。都蘭地溫值的下降，是在面波到達(dá)4m in后開始的，其變化應(yīng)是面波到達(dá)后所引起的變化（圖7（b））。

3.1.3 尼泊爾8.2級(jí)地震

2015年4月25日14：20，都蘭地溫觀測(cè)值出現(xiàn)快速下降，至14：28下降到最低值，下降幅度達(dá)0.0028℃。14：31數(shù)值開始回升，到16：13基本恢復(fù)到下降前的水平。整個(gè)過(guò)程持續(xù)114min。測(cè)震記錄波形顯示，都蘭臺(tái)尼泊爾8.1級(jí)地震 P波到時(shí)14：14，S波到時(shí) 14：17，面波到時(shí)14：19。都蘭地溫值的下降，是在面波到達(dá)1m in后開始的，其變化應(yīng)是面波到達(dá)后所引起的變化（圖 7（c））。

3.1.4 日本小笠原群島8.0級(jí)地震

2015年5月 30日 19：41，都蘭地溫觀測(cè)值出現(xiàn)明顯下降，至 19：52下降幅度達(dá)0.0003℃，之后緩慢恢復(fù)，20：16恢復(fù)到下降前的水平。整個(gè)過(guò)程持續(xù)35m in。測(cè)震記錄波形顯示，都蘭臺(tái)日本8.0級(jí)地震P波到時(shí)19：29，S波到時(shí)19：34，面波到時(shí)19：37，最大面波在19：43～19：47出現(xiàn)。都蘭地溫值的下降，是在面波到達(dá)后開始的，其變化應(yīng)是面波到達(dá)4min后所引起的變化（圖 7（d））。

3.2 同震變化特征

各次同震變化的具體特征見表2。由表2可見，都蘭地溫的同震變化具有以下特征：①變化形態(tài)主要有2種：下降—回升（6次）、下降—轉(zhuǎn)平（2次）。都蘭地溫同震變化第1階段的變化形態(tài)均為下降，之后的變化形態(tài)則有低值回升和低值轉(zhuǎn)平2種。②尼泊爾8.2級(jí)地震的同震變化的幅度最大，達(dá)0.0028℃，其他幾次地震的同震變化幅度均小于0.001℃，其中，烏蘭5.3級(jí)地震的同震變化僅在其背景變化基礎(chǔ)上下降了0.0001℃，這應(yīng)與震級(jí)較小有關(guān)系。③除烏蘭5.3級(jí)地震外，其他地震幾乎都是在面波到達(dá)后才出現(xiàn)同震變化反應(yīng)。其原因應(yīng)是面波振幅遠(yuǎn)大于體波，比體波攜帶了更多的能量，因而其更易于引起同震變化。烏蘭5.3級(jí)地震震中距僅有31km，未記錄到面波，盡管震級(jí)不大，但其體波也對(duì)都蘭地溫造成了小幅度的影響。④各次同震變化與該次地震面波（烏蘭地震為S波）到達(dá)臺(tái)站的時(shí)間差為1～10m in。其中，4個(gè)地震的同震變化發(fā)生在面波到達(dá)后4min，2個(gè)地震分別為3、5m in，尼泊爾8.2級(jí)、巴基斯坦7.9級(jí)地震則分別為1、10m in。⑤下降—回升形態(tài)變化的持續(xù)時(shí)間大多為幾十分鐘，僅有尼泊爾8.2級(jí)地震因震級(jí)較大，變化幅度大，持續(xù)時(shí)間近2hr。下降—轉(zhuǎn)平形態(tài)變化的持續(xù)時(shí)間均較長(zhǎng)，為5～7hr。

圖7 都蘭井地溫典型同震變化

表2 都蘭井地溫同震變化特征

4 同震變化幅度特征分析

4.1 同震變化幅度與地震波振幅的關(guān)系

表3統(tǒng)計(jì)了都蘭臺(tái)測(cè)震儀記錄到的各次地震的最大振幅，并分別計(jì)算了最大振幅與同震變化幅度之間的擬合相關(guān)系數(shù)。由表3可見，各分量振幅與同震變化幅度的擬合相關(guān)系數(shù)均大于0.800，表明同震變化幅度與地震波最大振幅之間有較好的線性關(guān)系，其中，水平分量合成振幅的擬合情況最好，擬合系數(shù)為0.924，三分量合成和NS分量的相似程度也較好，擬合系數(shù)都大于0.88。

上述分析均間接證明，都蘭地溫一系列的以下降為主要特征的異常變化，確實(shí)是上述地震的地震波振動(dòng)所引起的同震變化。同震變化的幅度，更多地受水平方向合成振動(dòng)的影響。

4.2 同震變化幅度與震級(jí)的關(guān)系

由同震變化幅度與震級(jí)間的關(guān)系可見（表3），同震變化的幅度對(duì)于同一震中距而言，隨著震級(jí)的增大而增大；震級(jí)相近時(shí)，則隨著震中距的增大而減小。如2015年4～5月的3次尼泊爾地震，震中距相同，同震變化的幅度隨著震級(jí)的變化而不同。尼泊爾8.2級(jí)、日本小笠原群島8.0級(jí)地震，震級(jí)相差雖然不大，但前者比后者震中距要小，其同震變化的幅度也比后者要大。巴基斯坦7.9級(jí)、日本小笠原群島8.0級(jí)地震，前者震級(jí)和震中距均略小于后者，二者的同震變化幅度基本相同。

由此可見，同震變化幅度與震級(jí)間的線性關(guān)系并不明顯。由于單臺(tái)計(jì)算地震震級(jí)的大小不僅取決于單臺(tái)記錄到的地震波的振幅大小，而且取決于震中距的遠(yuǎn)近，因此，二者的擬合相關(guān)系數(shù)不大，僅為0.437。

5 變化形態(tài)及原因分析

于田7.3級(jí)、岷縣6.7級(jí)2次地震與其他地震的都蘭地溫同震變化形態(tài)有所不同，均為下降—轉(zhuǎn)平形態(tài)（圖7）。這表明在地溫同震下降后，探頭處溫度未恢復(fù)，而是達(dá)到了新的熱力學(xué)平衡。

表3 都蘭井地溫同震變化與地震波振幅間關(guān)系的統(tǒng)計(jì)

從空間分布來(lái)看，于田7.3級(jí)地震發(fā)生在巴顏喀拉地塊西邊界附近的硝爾庫(kù)勒盆地南緣，為巴顏喀拉地塊向東擠出的構(gòu)造響應(yīng)和應(yīng)變調(diào)整所致（吳傳勇等，2014）；岷縣6.7級(jí)地震震中位于巴顏喀拉塊體東北緣附近的臨潭-宕昌斷裂帶中東段，青藏高原東北部東昆侖斷裂的向北擠壓和向東的運(yùn)動(dòng)是該地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力集中的主要?jiǎng)恿Γㄠ嵨目〉龋?013）。因此，這2次地震都是青藏高原北部塊體向北和向東的擠壓作用所導(dǎo)致的。都蘭井位于青藏高原北部的東昆侖-柴達(dá)木地塊內(nèi)，地塊南緣與巴顏喀拉塊體相鄰，與這2次地震震中一樣都位于青藏高原北部的重要活動(dòng)斷裂——庫(kù)瑪斷裂帶北側(cè)附近。因而，這2次地震所產(chǎn)生的應(yīng)力變化，都對(duì)都蘭井造成了直接的影響，導(dǎo)致其地溫同震變化后無(wú)法恢復(fù)原狀，發(fā)生了類似“塑性”的變化。

其他幾次引發(fā)同震變化的地震，如烏蘭5.3級(jí)地震震中距雖近但震級(jí)較小，同震的影響也很??；其他地震雖然震級(jí)都大于7級(jí)，但震中距都較大，發(fā)震構(gòu)造也與都蘭井沒有直接的聯(lián)系，其同震變化均為下降，并在之后的較短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)原狀（圖7），這種變化類似“彈性”的變化。

對(duì)比以上2種變化形態(tài)可見，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)震構(gòu)造與都蘭井之間有相對(duì)直接的構(gòu)造聯(lián)系且震級(jí)較大時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致都蘭地溫發(fā)生“塑性”變化；而當(dāng)?shù)卣鸬陌l(fā)震構(gòu)造與都蘭井沒有相對(duì)直接的構(gòu)造聯(lián)系或震級(jí)較小時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致都蘭地溫發(fā)生“彈性”變化。

6 結(jié)論和討論

6.1 結(jié)論

（1）在井孔周邊一定范圍內(nèi)且震級(jí)較大的地震發(fā)生后，都蘭深井地溫觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)同震變化，變化形態(tài)有下降-回升和下降-轉(zhuǎn)平2種。

（2）都蘭深井地溫同震變化均在都蘭臺(tái)所記錄到的最大振幅地震波（近距離地震為S波，遠(yuǎn)距離地震為面波）到達(dá)1min后出現(xiàn)。

（3）都蘭地溫同震變化幅度與最大地震波幅度有關(guān)，相關(guān)性大于80%，但與震級(jí)的線性相關(guān)性不明顯。

6.2 地溫同震變化機(jī)理探討

水溫同震變化是由于地震發(fā)生后地震波的波動(dòng)改變了區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)的作用，使巖體圍壓發(fā)生變化，導(dǎo)致巖體內(nèi)裂隙、節(jié)理、孔隙壓也隨之發(fā)生變化，從而使得巖體裂隙、孔隙里水的流動(dòng)和匯集方式發(fā)生變化所致。但是對(duì)于都蘭井這種無(wú)水的地溫觀測(cè)井，其變化的機(jī)理尚需要進(jìn)一步的探討。

對(duì)于一般的彈性系統(tǒng)的熱力學(xué)狀態(tài)，可用應(yīng)力σ、應(yīng)變?chǔ)藕蜏囟萒等3個(gè)參量描述，寫成微分形式（謝銳生，1980）為 dσ＝E dε＋βd T，其中，E為楊氏模量，β為熱應(yīng)力系數(shù)。此狀態(tài)方程經(jīng)常用來(lái)研究熱脹冷縮引起的應(yīng)力問題，但涉及應(yīng)力引起溫度變化的研究則很少。對(duì)于等溫情況（d T＝0），上式變?yōu)楹硕?dσ＝E dε，也即為彈性力學(xué)側(cè)重研究的內(nèi)容。在絕熱情況下，固體彈性變形的狀態(tài)方程不再是胡克定律，受熱膨脹的材料也會(huì)受壓升溫（對(duì)于一維情況：ΔT＝aTΔσ，其中，T為初始溫度，a為與材料性質(zhì)有關(guān)的熱物理常數(shù)）。實(shí)際上，對(duì)于緩慢過(guò)程，可近似為等溫過(guò)程。對(duì)于快速變化（如地震），更接近絕熱過(guò)程，溫度與應(yīng)力變化相關(guān)聯(lián)，除了可以通過(guò)變形測(cè)量獲得應(yīng)力外，還可以通過(guò)溫度測(cè)量來(lái)獲得應(yīng)力變化狀態(tài)（陳順云等，2013）。尤其是對(duì)于彈性模量大的介質(zhì)，即使應(yīng)力變化很大，變形也可能較小，應(yīng)力的變化則可通過(guò)溫度的變化來(lái)體現(xiàn)。

由此可見，都蘭深井地溫觀測(cè)數(shù)據(jù)的同震變化，可能正是由于地震波所攜帶的能量使得井孔介質(zhì)的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，而這種應(yīng)力狀態(tài)的改變導(dǎo)致井孔周邊的熱力場(chǎng)分布發(fā)生了明顯的變化。

都蘭井的井孔基質(zhì)為坡積角礫巖，質(zhì)地較堅(jiān)硬，基巖疏松。這樣的介質(zhì)并不屬于上文中提到的彈性模量大的物質(zhì)。這種介質(zhì)是否能夠更好地感應(yīng)應(yīng)力的變化，尚未見相關(guān)報(bào)道。但從目前的情況來(lái)看，青海省其他地?zé)嵊^測(cè)井孔都位于基巖之中，卻沒有明顯的同震反應(yīng)。而都蘭井這一介質(zhì)相對(duì)疏松的井孔，卻觀測(cè)到了清晰的同震變化。這與其構(gòu)造位置有關(guān)，還是與其井孔介質(zhì)有關(guān)，需要在以后的研究中逐步深入探討。

6.3 其他需要進(jìn)一步研究的問題

都蘭地溫的動(dòng)態(tài)變化背景存在許多不明原因的短時(shí)間上升或下降變化，其中，多數(shù)下降變化與同震變化的形態(tài)和幅度都非常類似（圖4）。盡管通過(guò)上述分析后認(rèn)為，都蘭地溫在震后發(fā)生的這種變化與地震之間確實(shí)存在明顯的聯(lián)系，但僅從變化形態(tài)和幅度上進(jìn)行分析，大部分無(wú)法明確地直接判斷是否為同震變化，必須結(jié)合地震目錄及該臺(tái)地震記錄波形才能進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。因此，對(duì)于都蘭地溫這種不明原因的短期變化，建議開展相關(guān)研究，盡可能給出其原因并予以排除。