云南漾濞Ms6.4級地震前滇14井流量異常分析

起衛(wèi)羅，曾慶堂，李宗興

(1.云南省地震局，云南 昆明 650224；2.云南省保山市地震局，云南 保山 678000)

0 引 言

地震地下流體前兆的映震機理中存在應(yīng)力—應(yīng)變的機理和應(yīng)力—滲流耦合機理，即在地殼應(yīng)力作用下地下流體滲流場狀態(tài)的變化引起的地下流體物理化學(xué)動態(tài)變化。震例與現(xiàn)場觀測證明井泉流量是映震靈敏的地下流體觀測項目之一，國內(nèi)外一些專家主張加強井泉流量觀測[1-3]。云南省地震局局屬部分有條件的專業(yè)臺站和地方局臺站于2016年陸續(xù)安裝了應(yīng)急管理部國家自然災(zāi)害防治研究院(原中國地震局地殼應(yīng)力研究所)研制的DLZ-1型四電極測量結(jié)構(gòu)電磁法流量儀[4],2018年11月9日在云南省保山市滇14井安裝了此型號流量儀。

滇14井流量投入觀測至今，周邊120 km范圍內(nèi)發(fā)生4.7～6.4級地震共3次，分別為2020年4月16日緬甸Ms5.8級地震、2021年5月13日11時保山市施甸縣Ms4.7級地震和5月21日21時48分34秒云南省大理州漾濞縣Ms6.4級地震。為了更好地使用滇14井水流量觀測資料，通過系統(tǒng)清理近年來該井流量觀測資料，歸納出井流量正常動態(tài)類型，排除各種干擾之后，發(fā)現(xiàn)井水流量在緬甸、施甸、漾濞等中強以上地震前井水流量短臨低值異常非常顯著。梳理總結(jié)出了滇西及滇緬交界地區(qū)中強地震前滇14井水流量觀測具有短臨異常特征，為地震預(yù)測研究與實踐積累了資料、奠定了基礎(chǔ)。

1 云南滇14井概況

1.1 滇14井水文地質(zhì)概況

滇14井位于云南省保山市隆陽區(qū)市地震局院內(nèi)，處于怒江及瀾滄江兩條深大斷裂帶中間。其構(gòu)造骨架，按構(gòu)造形跡劃分為“歹”字型構(gòu)造、徑向構(gòu)造、環(huán)狀構(gòu)造體系。其中屬“歹”字型構(gòu)造，展布于隆陽區(qū)東部，西界與徑向構(gòu)造之柯街?jǐn)嗔褞嘟?，東界延至臨滄，自西向東主要構(gòu)造形跡的昌寧斷裂帶、瀾滄江斷裂帶屬主干斷裂帶。滇14井地質(zhì)構(gòu)造圖見圖1。

圖1 滇14井周邊地質(zhì)構(gòu)造

圖2 漾濞地震與滇14井地理位置

1.2 滇14井概況

滇14井于2016年底開始打井，2017年5月成井，成井深度764 m，出口水溫46 ℃，出口流量0.15 L/s，井中逸出氣1.5 L/min。2017年8月開始試測水溫、水位，后陸續(xù)增加了氣氡、氣汞觀測。該井是一個綜合觀測井，到目前為止，已開展數(shù)字化水位、水溫、流量、氣氡、氣汞、氫、氦、CO2、氣象三要素和模擬水汞、pH值、F-離子觀測。

該井于2018年11月9日開始安裝使用應(yīng)急管理部國家自然災(zāi)害防治研究院(原中國地震局地殼應(yīng)力研究所)研制的DLZ-1型四電極測量結(jié)構(gòu)電磁法流量儀進(jìn)行流量觀測，該儀器解決了不同材料的管道中不同流量大小、不同觀測環(huán)境下的流量動態(tài)自動觀測技術(shù)，儀器采樣率為1 次/min，量程0～10 L/S，測量精度±0.5%。

2 滇14井流量的動態(tài)特征分析

2.1 流量的正常動態(tài)特征分析

滇14井流量自投入觀測以來儀器工作狀態(tài)正常無故障(2019年9月13日至10月15日因重新改造井口裝置，造成儀器停測缺數(shù))，干擾因素較少，儀器數(shù)據(jù)于2019年1月接入云南省局?jǐn)?shù)據(jù)庫進(jìn)行管理。流量正常背景值約為0.15 L/s左右，正常日動態(tài)為隨機起伏型，伴隨脈沖或階變，日變幅約0.002 4 L/s(圖3a)；月動態(tài)類型可歸納為起伏緩降型，月變幅約0.002 8 L/s(圖3b)；年動態(tài)可歸納為平穩(wěn)緩降型，年變幅約0.003 5 L/s(圖3c)。日變化幅度很小說明觀測含水層受外界影響較小，封閉性較好，數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠。

圖3 滇14井流量正常動態(tài)數(shù)據(jù)曲線

2.2 流量觀測數(shù)據(jù)異常特征

2020年4月11日06時至2020年4月16日06時，滇14井流量出現(xiàn)低值異常，2020年4月16日發(fā)生緬甸Ms5.8級地震，數(shù)據(jù)曲線形態(tài)見圖4a；2021年5月3日02時至5月8日3時滇14井流量又一次記錄到多個低值脈沖異常，隨后于5月13日11時42分36秒在保山市施甸縣發(fā)生Ms4.7級地震(圖4b)；5月15日0時至5月20日18時，再次記錄到低值異常形態(tài)，隨后于5月21日21時48分34秒在云南省大理州漾濞縣發(fā)生Ms6.4級地震(圖4b)。同井觀測的水溫、水位、氣氡、氣汞記錄數(shù)據(jù)，在此次地震過程中，沒有明顯的異常變化(圖5)。

圖4 滇14井流量異常曲線

圖5 流量與水位、水溫、氣汞、氣氡記錄對比曲線(20210415～20210610)

漾濞6.4級地震發(fā)生前，2021年5月3日02時至2021年5月8日3時滇14井流量儀記錄到多個低值脈沖異常數(shù)據(jù)形態(tài)，變化最大幅度0.012 L/s，是正常年變幅的342%，隨后于5月13日11時42分36秒在保山市施甸縣發(fā)生Ms4.7級地震；2021年 5月15日0時至2021年5月20日18時，又一次記錄到低值異常形態(tài)，變化最大幅度0.006 2 L/s，是正常年變幅的177%，隨后于5月21日21時48分34秒在云南省大理州漾濞縣發(fā)生Ms6.4級地震。類似異常形態(tài)還有2020年4月16日緬甸Ms5.8級地震發(fā)生前，2020年4月11日06時至2020年4月16日06時低值異常，變化最大幅度0.007 6 L/s，是正常年變幅的217%。三次異常均十分顯著，持續(xù)時間在5～11天左右，形態(tài)重現(xiàn)總體一致。

由表1可以看出，地下水流量動態(tài)的映震特征主要表現(xiàn)為短臨異常，異常變化幅度相對較大，異常時間出現(xiàn)在震前幾天至十幾天，短臨特征顯著。

表1 流量異常數(shù)據(jù)統(tǒng)計

該井同井觀測的水溫、水位、氣氡、氣汞記錄數(shù)據(jù)，在此次地震過程中，沒有明顯的異常變化。出現(xiàn)同井觀測的變化差異，可能是各測項本身對構(gòu)造應(yīng)力的敏感程度、儀器對異常信息的捕捉能力及傳感器安裝位置等因素造成。有學(xué)者在這方面的實驗研究[5-8]也證明了地下水流量對地殼應(yīng)變的反映能力可能要比地下水位、水溫度、水化學(xué)組分等的反映能力強。

3 討論和結(jié)論

滇14井流量觀測清晰的記錄到緬甸、施甸、漾濞地震前的短臨異常形態(tài)，得到以下認(rèn)識：

(1)地下水動態(tài)前兆異常信息可能與含水巖體的微破裂發(fā)展有關(guān)。不同溫度與圍壓條件下巖石變形破壞的試驗結(jié)果表明[9]，無論是巖石的屈服強度還是峰值強度都是隨著有效圍壓的增加而變大，隨著溫度的升高而變小。即溫度越高,有效圍壓越小，巖石越容易變形和破裂。滇14井是成井較深的自流井，水頭高度大于12 m，初始孔壓較大，在等深度的含水層中其有效圍壓變小。另外，該井的井口溫度值為45.0 ℃，屬高溫溫泉井，相對而言熱水層巖土比冷水層巖土更容易發(fā)生變形和破壞。據(jù)此從其巖土力學(xué)的機制上，對流量動態(tài)能夠靈敏反映地震的原因，得到了合理的解釋。

(2)從水動力學(xué)機制上講，由于該井的井口溫度值為45.0 ℃，屬高溫溫泉井，其粘滯性比非自流的冷水要小得多，所受到的運動阻力也就相對減弱，相同的孔隙壓力作用下更容易在井孔—含水層之間發(fā)生流動，因而對于地殼內(nèi)部的孕震信息具有反應(yīng)靈敏、傳遞速度快等特點。另外，該井的井口逸出氣量是1.5 L/min，含氣量較大，比重輕，相等隙壓力變化下等效水柱高度偏大，因而流量的異常幅度較大、形態(tài)清晰、容易識別。

(3)從不同研究者在不同地區(qū)通過不同的途徑進(jìn)行試驗觀測的結(jié)果都表明，地下水流量觀測無論是對地殼應(yīng)變的反映還是對地殼破裂的反映，都優(yōu)于地下水壓力與溫度的觀測，也優(yōu)于地下水化學(xué)組分的觀測。許多震例資料都充分表明，流量動態(tài)異常特征能較好的反映地震前的狀態(tài)，這是一種有可能捕捉到地震前短臨信息的預(yù)測方法。

由于目前井(泉)水流量連續(xù)自動觀測在云南還較少，附近地區(qū)并無臺站進(jìn)行流量觀測，因此無法作資料對比分析，異常信度還有待進(jìn)一步的資料積累來證實。