地震前地下流體異常特征研究*

宋 田，馬 永

（天津市地震局，天津 300201）

引言

通過對地下流體水位對構(gòu)造應(yīng)力的響應(yīng)，從而了解地下水位在大地震、強(qiáng)地震形成的過程里面，短期與中期的水位構(gòu)造力應(yīng)力的變化響應(yīng)情況，研究和分析地震發(fā)生之前，地下水的水位情況，由中期異常逐漸發(fā)展到短期異常的發(fā)展變化的過程，并描述其特征情況。研究結(jié)果表明，地下水位發(fā)生變化時(shí)即出現(xiàn)趨勢上升的情況或者是趨勢下降的情況。顯示的異常情況為動(dòng)態(tài)變化的規(guī)律異常情況，則是中期異常，一般情況下中期異常時(shí)間段為1年至3 年。趨勢的上升或者趨勢的下降發(fā)生了很明顯的變化，這種情況則代表中期異常的結(jié)束。一旦中期異常發(fā)生了轉(zhuǎn)折的情況，其異常的這一過程中圖像則為上下波動(dòng)或是拉平的，這期間的異常情況屬于由中期異常發(fā)展為短期異常的階段，我們稱之為過渡性異常。水位再次出現(xiàn)十分明顯的轉(zhuǎn)折，此時(shí)便是短期異常的起始階段。而深井水位異常分析圖像中所出現(xiàn)的沿著趨勢持續(xù)上升、或沿著趨勢持續(xù)下降、打破正常含水年動(dòng)態(tài)變化線的規(guī)律及其形態(tài)，取決于深水井孔中的含水層處理系統(tǒng)在發(fā)生大震動(dòng)和孕育變化過程的含水應(yīng)力變化調(diào)整再生和積累這一階段所需要處理的部位; 尤其是取決于觀測井點(diǎn)位于地質(zhì)構(gòu)造塊體的構(gòu)造帶上，還是相鄰塊體的構(gòu)造帶上。水位應(yīng)力震前異常的地理特征，源于在地震地質(zhì)孕育反應(yīng)過程中水位應(yīng)力異常的自然形成。

1 研究目的與意義

地震通常的情況下都會(huì)伴隨地下流體運(yùn)動(dòng)前兆異常及其特征發(fā)生變化。研究結(jié)果表明，地震外圍應(yīng)力前兆積累監(jiān)測過程中存在地下水與地下深層含水氣體的地質(zhì)物理化學(xué)性質(zhì)和流體化學(xué)性質(zhì)之間會(huì)相互出現(xiàn)一定程度變化，前兆異常介質(zhì)變化監(jiān)測受應(yīng)力區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)物理構(gòu)造變化影響，對地震外圍應(yīng)力區(qū)域內(nèi)的介質(zhì)異常變化監(jiān)測反映較為顯著，地下深層流體的異常介質(zhì)變化監(jiān)測可以將其作為地震應(yīng)力前兆異常監(jiān)測，進(jìn)行地震前兆的相關(guān)預(yù)測。如何做到能夠?qū)Ω鞣N地震發(fā)生前兆異常性的特征情況進(jìn)行合理化的測量對于提高地震前兆預(yù)測學(xué)的分析技術(shù)水平是具有重要現(xiàn)實(shí)意義的。國內(nèi)外眾多科學(xué)研究工作人員正在開展關(guān)于汶川地震前地下深層流體異常離子前兆濃度研究，監(jiān)測指標(biāo)項(xiàng)目主要包括地下深層流體中的異常離子前兆濃度波動(dòng)變化、地下深層流體中的溫度波動(dòng)變化、生成地下深層氣體離子組成濃度變化等監(jiān)測指標(biāo)，積累了關(guān)于震前地下深層流體異常離子前兆濃度變化的大量監(jiān)測數(shù)據(jù)。盡管震后地震中的前兆異常變化趨勢并不能直接作為長期預(yù)報(bào)震前地震的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)依據(jù)，但對于獲取某些震前顯著的異常變化信息，對于震前異常預(yù)測依然具有顯著的學(xué)術(shù)參考價(jià)值。

圖1

2 地震前地下流體異常解釋

根據(jù)各大震區(qū)地下深層流體出現(xiàn)的前兆異常情況的特征，地震數(shù)據(jù)的分析匯總采集分析，按照震區(qū)時(shí)間發(fā)展進(jìn)程將前兆異常地震特征數(shù)據(jù)劃分并列為三類。一般情況下地震發(fā)生前的一至六個(gè)月所出現(xiàn)的地震前兆即為短期異常，當(dāng)出現(xiàn)地震前的半個(gè)月時(shí)間直到五年時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的異常前兆的情況即為中期異常，而在地震出現(xiàn)之前的五年以上的時(shí)間所出現(xiàn)的異常先兆的情況則為長期異常。

地震前兆的監(jiān)測的主要內(nèi)容實(shí)際上主要就是針對地下流體的深層溫度、地下流體深層水位、地下深層流體中等離子元素含量等階段觀測到的數(shù)據(jù)情況進(jìn)行跟蹤分析。研究人員發(fā)現(xiàn)，截至2013 年底，川滇西部地區(qū)的地下表層流體異常情況，檢測指標(biāo)包括地下表層流體平均溫度、地下表層流體平均水位、水體密度ph 平均值、水氡等含量，表現(xiàn)為中長期異常檢測趨勢明顯變化。該重點(diǎn)區(qū)域短期異常前兆地下流體監(jiān)測發(fā)現(xiàn)趨勢異常，包括地下斷層水位、水體中等離子元素含量、地下層和水體斷層溫度、水體含汞、斷層氣溫和二氧化碳等，異常前兆監(jiān)測主要集中于滇西與川滇兩省交界東部一帶區(qū)域，地震前的一段時(shí)間從葫蘆河入河口的地下深層地質(zhì)水位、流體排水中的氧化鈣和碳酸鎂物質(zhì)離子、深層地質(zhì)氣體的氧和二氧化碳含量等各項(xiàng)地震指標(biāo)都沒有出現(xiàn)發(fā)生顯著的較大程度異常變化，指標(biāo)異常高且程度變化大的地震區(qū)域主要還是集中在川滇兩黔三省邊境交界的東南部。這樣的異常情況的發(fā)生與地震之前的地下流體出現(xiàn)的異常情況的關(guān)系是十分緊密的。

3 地震前地下流體異常分布規(guī)律

以黃驊冀19 井井水位異常為例，黃驊冀19 井井深1250m，觀測到表層巖石系黃河奧陶系灰?guī)r泥質(zhì)裂隙斷層承壓下的含泥積水層，于1100m 深處徑向穿越黃河羊二莊斷裂帶，斷層兩側(cè)泥質(zhì)地層結(jié)構(gòu)差異較大，構(gòu)成了黃河流體徑向運(yùn)動(dòng)的主要通道。水位微體潮動(dòng)態(tài)清晰，潮差精度達(dá)9cm 的清晰水位固體潮，同震振動(dòng)效應(yīng)明顯，系統(tǒng)對水位自動(dòng)觀測靈敏度高點(diǎn)位。受全球地質(zhì)生態(tài)結(jié)構(gòu)氣候變化因素影響較為靈敏。2012 年5 月黃驊冀19 井井水位階變出現(xiàn)多次水位階變異常，從唐山井井地震前后水位觀測數(shù)據(jù)結(jié)果分析來看，唐山井井地震異常正是多次出現(xiàn)在異常水位階變大的時(shí)間段內(nèi)，如圖1 所示。

黃驊冀19 井水溫度異常，觀測黃驊冀19 井底的水溫與地下水位溫度同步時(shí)會(huì)發(fā)生溫度階變異常，地下水流體溫度的異常響應(yīng)變化主要體現(xiàn)在對斷層地質(zhì)結(jié)構(gòu)斷裂和巖層構(gòu)造應(yīng)力溫度疊加的同時(shí)響應(yīng)，溫度發(fā)生階變異常的同時(shí)出現(xiàn)，是一個(gè)區(qū)域性的地質(zhì)斷層構(gòu)造溫度出現(xiàn)異常變化的地質(zhì)加載應(yīng)力響應(yīng)，能夠由此互相關(guān)聯(lián)觀測出地下水水流體在特大地震發(fā)生前兆異常溫度變化的發(fā)展趨勢，如圖2 所示。

4 地下流體異常的影響

區(qū)域內(nèi)地質(zhì)的構(gòu)造應(yīng)力的不斷變化性也是可能導(dǎo)致地下地質(zhì)流體異常流動(dòng)特性發(fā)生變化的主要組成原因之一。地震前，川滇地區(qū)的循環(huán)井中含水位異常太高、井水加載溫度及深井式循環(huán)井的泉水加載溫度異?？焖僮兓染砻髁嗽撎幚韰^(qū)域井水地質(zhì)表層結(jié)構(gòu)的壓應(yīng)力及水加載溫度分布的異常變化。而唐山、黃驊及其外環(huán)渤海等等區(qū)域內(nèi)的水位異常高度變化有可能認(rèn)為是該降水區(qū)域整體地質(zhì)生態(tài)結(jié)構(gòu)降水活動(dòng)異常導(dǎo)致。

圖2

區(qū)域性的地質(zhì)地貌構(gòu)造降水活動(dòng)變化導(dǎo)致地下淺層流體的活動(dòng)能力增強(qiáng)，地下淺層水體中的等離子化學(xué)成分出現(xiàn)異常濃度變化。首要的原因是因?yàn)榈卣鸢l(fā)生前和過程會(huì)導(dǎo)致低層含水壓裂，導(dǎo)致地下流體接觸到巖石的地下，增強(qiáng)巖水反應(yīng)，促使地下水的離子含量發(fā)生變化；另外一點(diǎn)是由于地震活動(dòng)導(dǎo)致新出露的礦物產(chǎn)生，巖石中含水的離子滲透力增強(qiáng)，不同的親水離子融合或置換，使地下水體離子發(fā)生異常變化。

5 結(jié)束語

趨勢構(gòu)造應(yīng)力能夠讓地下水位出現(xiàn)明顯的地震學(xué)科專業(yè)反映，構(gòu)造塊體運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)的相應(yīng)的反映結(jié)果是一種地質(zhì)上的自然且具體的表現(xiàn)。地震的發(fā)生是十分復(fù)雜的地殼運(yùn)動(dòng)情況，而且地震的發(fā)生在時(shí)間上也明顯的與地下水位異常有著緊密的聯(lián)系，正是因?yàn)榈貧み\(yùn)動(dòng)使得構(gòu)造塊體、構(gòu)造帶以及構(gòu)造段出現(xiàn)的力是存在很大差異的，地震的時(shí)間關(guān)系的不同引起了不同含水層應(yīng)力調(diào)整階段的水位異常。通過對地震前水位異常與應(yīng)力調(diào)整階段的情況進(jìn)行分析總結(jié)，對于預(yù)測地震發(fā)生時(shí)間是有極大的可能性的。

通過現(xiàn)有的實(shí)際發(fā)生過的地震案例來分析中期異常情況，時(shí)間基本都在一年以上。從中期異常發(fā)展到短期異常普遍時(shí)間都在半年到一年，水位情況在過渡異常的這個(gè)階段基本上沒有明顯的變化。但是如果水位變化出現(xiàn)再次不規(guī)律的情況，從圖像來看水位情況有轉(zhuǎn)折或者加速甚至井噴等的情況發(fā)生，則表示了短臨異常到來了，此時(shí)便要格外的小心地震的發(fā)生。根據(jù)我國現(xiàn)有的地下水觀測點(diǎn)的情況來看，我國的西部地區(qū)相對來說監(jiān)測地震發(fā)生的能力還比較薄弱，甚至有的震區(qū)沒有地下水觀測點(diǎn)的存在，由此可見，想要準(zhǔn)確的對地震的發(fā)生做出預(yù)警是件十分困難的事情。

通過對震例的研究發(fā)現(xiàn)，地震前的地下深層流體在長期和中期都不具有異常的流體特征，其中以一個(gè)距離該地震中心500 公里的地下深層流體特征為主。在當(dāng)前地震的異常前兆現(xiàn)象觀察觀測范圍內(nèi)，獲得地下水流體異常觀測指標(biāo)的實(shí)時(shí)變化，可以及時(shí)提供震前震例預(yù)測的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析支持，雖然不能對當(dāng)前地震震例進(jìn)行精確度的預(yù)測，但對當(dāng)前震例的分析總結(jié)，完善我國地震震前預(yù)測基礎(chǔ)理論，具有重要的可參考研究意義。