玉树台井水温变化及其与青藏块体周缘大地震间的关系

2016-09-03王博马玉川马玉虎

中国地震 2016年3期

王博马玉川马玉虎

1）中国地震台网中心，北京市西城区三里河南横街5号 100045

2）青海省地震局，西宁 810001

0 引言

基于板块构造学说或断层面错动所引起的地震现象，从理论上讲，都应能观测到地下物质某种程度的变化，这也是地震前兆观测研究的基础，地下水即是存在于地壳介质中能较灵敏地反映地壳应力变化的物质。随着对地震孕育过程研究的不断深入，关于地下水温度变化与地震间关系的研究也越来越引起研究者的关注。

我国地震前兆观测研究已有50年历史，高精度水温观测也开展了30多年。地震前后水温变化现象在以往的研究中多有涉及，在这些研究中，有的集中研究地震引起的水温同震变化（杨竹转等，2007；张彬等，2013）；有的对水温变化的可能机理进行了分析（孙小龙等，2006；石耀霖等，2007）；也有的对地震前水温观测曲线形态及变化幅度等进行了分析（鱼金子等，1997；刘耀炜等，2008；车用太等，2014），但对水温观测资料在地震前的变化特征研究较少，尤其是缺少同一观测台对特定区域的前兆变化指示性研究。

本文选取玉树台水温井作为研究对象主要基于2个方面的考虑，一是玉树台观测井数据质量较好，且地理位置偏远，基本不受人为活动干扰；二是青藏高原地区是我国最大的地震活动区，也是地震活动最强烈、大地震频发的地区，在青藏块体及周缘发生的多次大地震（包括汶川、玉树地震）之前，玉树井水温资料都存在较为相似的形态变化特征（何案华等，2012），故对玉树台水温震前异常变化与周边大地震间的关系进行分析，可为前兆观测研究积累一些经验。

1 观测井孔概况

玉树台（33.01°N，97.02°E）位于青海省玉树藏族自治州结古镇，所在区域地处巴颜喀拉山南麓及唐古拉山东端，山脉呈NW-ES向展布，以密集发育的NWW走向并向NE凸起的弧形右旋走滑断裂为主，主要断裂构造有东昆仑断裂、达日断裂、甘孜-玉树-风火山断裂带等（图1）。该区强烈的新构造活动不仅控制了本区的地貌形态，而且与区域构造线方向一致，地震活动十分频繁。故该台对于监测青、川、藏交界地区的地震活动具有重要意义。

图1 玉树台位置及研究区内M W＞6.5地震分布

玉树水温观测井井深105m，孔口标高3725m。地面至其下0.4m间以粉土为主，夹有小砾石等；0.4～3.6m以碎石为主，骨架颗粒呈交错式排列，成分主要为花岗岩、石英岩，中等风化，粒径一般20～90mm，棱角状，充填物为砾砂，含大量泥质；3.6m以下为花岗岩，具细品结构，块状构造，主要成分为石英，含长石、云母等矿物，岩性完整、坚硬，地下81m处见裂隙水，井孔套管深度11m，探头深度100m。

2 观测数据

2.1 水温

玉树台水温观测使用SZW-1A型数字式石英温度计，其分辨率为0.0001℃，观测精度优于0.05℃，短期变化小于0.0001℃／d，长期变化小于 0.001℃／a，传感器耐压性大于 10MPa，采样频率为1次／min。玉树台自2007年8月开始观测水温，除了仪器探头维修及更换的时段外，其他时段内水温观测资料连续，整体观测较好。因仪器维修或更换而导致数据空缺的时段为2009年2月6日～4月9日、2009年6月21～25日、2012年6月12日～2013年 7月19日。2012年6月12日仪器探头损坏，更换同类型备用仪器，经仪器重新标定后，改正后的多年水温观测曲线如图2所示。

图2 玉树台井水温观测数据

2.2 研究区内地震

青藏高原是中国现代新构造活动与地震活动最强烈的地区（邓起东等，2002），青藏高原从南缘喜马拉雅板块边界构造带北至北缘河西走廊的广大地区，自有历史记载以来已发生8.0级以上地震18次，7.0～7.9级地震100余次，其中，8.0级以上地震全部发生在喜马拉雅板块边界构造带、青藏断块区边界构造带及板内次级断块的边界活动构造带上，且具有分布广、频度高、强度大、震源浅的特点（邓起东等，2014）。

青藏块体是我国板内6个I级块体之一，也是中国地震活动最为强烈的块体。喜马拉雅板块边界构造带为其南部边界，青藏块体内又分为Ⅱ级块体，分别为拉萨、羌塘、巴颜喀拉、东昆仑-柴达木、祁连等块体（张培震等，2003）。本研究中对青藏高原的分块即采用了张培震等（2003）的研究结果，具体范围为 25°～40°N、75°～105°E，地震目录及震源机制解均采用哈佛大学目录（http：／／www.globalcm t.org／）（Dziewonski et al，1981；Ekström et al，2012），时间调整为北京时间。2007年9月～2015年10月上述区域共发生9次 MW＞6.5地震，详见图 1、表 1。

表1 研究区内地震

3 水温异常及其与地震间的关系

3.1 水温多年及震前短期变化

水温的多年观测资料表明，玉树台井水温呈稳定的小幅上升变化。由2008～2015年同期观测资料的对比可见（图3），水温观测值呈逐年增大的趋势，2010年之前年增幅较大，2010～2012年增幅较小。这种水温逐年上升的趋势性变化在我国其他地区的多口地震地下流体观测井中也被观测到（马玉川等，2015）。以往的研究认为，井水温的多年趋势性变化，可能是由观测仪器存在的“零飘”所致（车用太等，2013），但也不排除气温逐年升高的可能性。扎西尼玛等（2009）通过对玉树地区近50年气温资料的分析得出，年平均气温以0.23℃／10a的速度升高，该变化速率与本文中玉树台观测井水温的上升速率（约0.03℃／a）较接近。此外，在我国其他地区也观测到了类似的气温逐年上升的现象（施能等，2001；于淑秋等，2003），虽然没有证据表明100m深的地温变化与大气温度变化间有直接联系，但它们的热量来源应都为地球内部放射性元素产生的热以及太阳辐射热，前述观测事实或许表明两者间有一定的关联性。

图3 玉树台井水温逐年对比观测曲线（时值）

玉树台井水温多年观测曲线共出现5次明显起伏变化，即2007年10月4～13日、2008年3月21～27日、2009年 11月 24～29日、2010年 1月 23日～2月 2日的下降变化，以及2015年3月13～17日的上升变化。除2009年11月24～29日的变化没有大震对应外（该变化与后面的另一次变化时间上较为接近），其它几次起伏变化与研究时段内的7.0级以上地震均对应较好（表2）。

将每次异常出现前、后31天的数据进行对比分析可知（图4），除2015年4月25日尼泊尔MW7.9地震以外，其它几次地震前玉树台井水温观测曲线都出现非常类似的下降-缓升变化形态，下降幅度为0.018～0.029℃。何案华等（2012）曾对该台井水温异常出现前、后约20天的数据进行过相关性分析，得到的相关系数均大于0.95，这表明异常曲线的变化形态具有高度相似性，仅在幅度上存在一定的差异。2015年4月25日尼泊尔 MW7.9地震前，玉树台井水温变化与以往相比呈不同形态，具体表现为快速上升，并且异常持续时间较短，仅为5天。对于这种变化是否与地震震中位置和震源机制解等有关，由于研究样本较少，不能给出定论。但在所有对应较好的震例中，除玉树地震之外，其他3次7.0级以上地震都分布在中国Ⅰ级构造块体边缘地区，表明玉树台井水温对Ⅰ级构造块体边缘的大地震有较好的响应。

表2 玉树台井水温异常变化与大地震间的关系

为探究玉树台井水温对中等地震响应的灵敏性，笔者分析了2007年8月1日～2015年10月 31日青海及邻区（32°～40°N，90°～102°E）31次MS≥5.0地震。除2009年12月 21日青海德令哈5.0级地震前出现了与2009年11月24～29日类似的下降变化外，其他地震前玉树台井水温均无异常。由此可见，玉树台井水温对周边中等及以下地震的前兆响应并不灵敏，但对青藏高原及周边强震的前兆响应较好，且对应性也较好。这很可能表明大震前兆响应的区域相关性以及大的构造块体边界的特殊性，即表现为一定的场兆信息（车用太等，1997）。

3.2 异常变化与震级、井震距间的关系

由上述4次变化的水温变化幅度与震级、井震距间的关系可见（表2），水温变化幅度与震级间并没有较好的线性关系，但随着井震距的减小，水温变化幅度明显增大。但是由于样本量很小，该结论还有待更多类似变化的检验。如果上述结论正确的话，则玉树台井水温变化幅度的大小对未来地震地点的判定具有较好的指示意义，即如果玉树台井水温变化幅度较大，则地震发生地点可能距玉树井较近；反之，则地震发生地点可能距玉树井较远。

由异常变化开始距地震发生的时间与震级、井震距间的关系可见，异常从出现到发震的时间与井震距间的统计关系并不显著，但从与震级间的关系来看，震级较大的地震通常在异常出现后很短的时间内发生，譬如，2008年5月12日汶川MW7.9地震前，异常从出现最大变化到地震发生只有46天；2015年4月25日尼泊尔MW7.9地震前，只有39天。从局限于本文统计的结果来看，异常变化起始时间与地震震级间可能有较好的相关性。

由此，根据玉树井水温变化幅度和异常出现的时间，似可以分别对地震发生的地点和震级作较好的判定，从而明确玉树井水温变化的前兆指示意义，为判定青藏块体及周边地区大震提供流体前兆依据。

3.3 异常变化分析

在一定深度下，温度受太阳辐射的影响会变得很小，观测井的温度主要取决于地球由内部向外部的热释放，而对于含水的观测井，井-含水层中水体的流动会对水温产生一定的影响，故一些观测井的水温与水位间相关性较好。2014年6月，玉树台开始水位观测，但前期水位测值不稳定，由2015年1～9月玉树台井水位、水温观测数据可见（图5），水位显示较好的固体潮形态，表明该井承压性较好，但水温变化与水位变化间的相关性不好。对于观测井中水温变化的原因，车用太等（2008）总结出了3种可能的作用机制，即含水层受力变形引起的水流运动产生的热对流作用、观测井所在地区大地热流的上涌变化、断层活动产生的摩擦热作用等。玉树台井水温在多次地震前的变化，很可能表明了应力的缓慢变化过程，由于裂隙出现在80m左右，而水温探头放置在100m处，故当应力发生变化、井底下部水有微弱流动时，或水平向水流速度远大于垂向时，部分水从裂隙流出，引起局部热交换，导致水温发生变化，但水位并未随之改变。对这种由水温探头置深不同所引起的同井水位、水温观测曲线的对比已有报道（杨竹转，2011；张慧等，2013）。由玉树台成井时实测水温随探头埋深的变化可见（图6），在观测井深度范围内，随着深度的增加，地下水温度逐渐降低，在80m深之下，温度变化幅度逐渐减小。依此，则玉树井在多次地震前出现的水温下降-回返过程可能表明探头下方存在部分低温水的混合，推测在于田、汶川、玉树等地震前玉树附近地区受挤压作用；而在尼泊尔地震前，水温出现的上升变化或许表明附近地区受拉张作用。

图5 2015年玉树台观测曲线

4 结论与讨论

在青藏块体及周边多次大地震之前，玉树台井水温都出现较为显著的、呈重复性的前兆短临异常变化。玉树台井水温具有逐年小幅上升的特点，对周边中等地震响应并不灵敏，但对青藏块体及周缘地区MW≥7.0地震响应较为灵敏，在震前1～2个月到半年时间，会出现较为明显的幅度约为0.02℃的异常变化。

玉树台井水温异常变化幅度与井震距间有较好的线性关系。井震距越小，水温变化幅度越大，故由水温变化幅度可较好地推断地震发生地点的远近。

水温异常从开始出现到地震发生的时间与地震震级间有较好的相关性，震级越大，从异常出现到地震发生的时间间隔越短。

本文通过对玉树台井水温在青藏块体及周缘地区几次大地震前的异常变化进行分析认为，两者具有较好的对应关系。但地震前兆研究是一个较为复杂的过程，尤其是水温前兆机理的研究仍存在很多不确定性。受限于观测数据和周边大地震次数，本文统计样本较少，因此对玉树台井水温的大震前变化特征仍有待更多的观测数据来验证。一般来说，水温变化的原因有2个方面：一是介质中水的运移引起不同温度水的混合；二是由于介质受力状态变化引起的，前人通过对理想材料和岩石样本的实验研究得出，体应变等会引起岩石介质温度的增加，且在康定地温的观测研究中得出应力调整引起温度变化的结论（陈顺云等，2009、2013）。由于玉树台在成井时并没有水位的同步观测，所以，玉树台井水温变化的具体原因仍有待水位资料的积累及更多的研究工作。但对玉树台井水温震前典型异常变化的研究，可明确该变化特征作为前兆异常的可靠性，进而为其他水温观测提供参考，也可为青藏块体及周缘大地震的发生提供流体判定依据。