2021年青海玛多MS7.4地震前地下流体异常特征分析

2022-01-12钟骏王博周志华晏锐

中国地震 2021年3期

钟骏王博周志华晏锐

中国地震台网中心，北京 100045

0 引言

据中国地震台网测定，北京时间2021年5月22日2时4分青海果洛藏族自治州玛多县(34.59°N，98.34°E)发生MS7.4地震，震源深度17km，震中最高烈度Ⅹ度。此次地震造成数人受伤，大量房屋倒塌，部分道路、桥梁等基础设施被破坏或受损(李智敏等，2021)。地震地下流体是地震前兆观测的重要手段，此次震前是否观测到表征地震即将发生的地下流体异常信号备受关注。

地下流体是地震孕育与发生的主要影响因素，在地震预测研究和震情跟踪工作中发挥着重要作用(王铁城等，1994；Roeloffs，1998；车用太等，2006；孙小龙等，2020)。据不完全统计，中国历史地震资料中与地下流体有关的地震前兆异常占全部异常的50%以上(汪成民，1990)。Montgomery等(2003)通过研究不同空间尺度地下水对地震的响应特征发现，地下水变化的响应范围可达数千千米。李军等(2005)对理塘毛垭温泉三十余年的水温观测资料研究发现，该温泉水温异常与川滇地区的6级以上地震存在较好的对应关系。Ghosh等(2009)指出，土壤气浓度异常变化与地震震级呈正相关，即土壤气异常幅度随着地震震级的上升而增大。刘耀炜等(2015)总结鲁甸MS6.5地震震前地下流体典型异常特征，认为区域应力加载作用可能与断层裂隙的开启和闭合有关，从而引起水位、水温、深部气体以及水化学离子组分发生显著变化。此外，众多学者基于《中国震例》研究发现地下流体前兆异常在时空上具有阶段性和不均匀性，演化过程主要表现为“向震中收缩”“构造控制”“相对集中”等3种典型特征，特别是进入短临阶段后，异常向震源区收缩的趋势更为明显；而震前异常在数量上主要表现为“持续增长”型和“先增后减”型2类，且以“先增后减”型居多，趋势性异常转折结束、新突变异常增多往往是地震孕育进入短临阶段的标志(张肇诚，1988；晏锐等，2004；付虹等，2008；陈棋福，2008；蒋海昆，2018、2019；蒋海昆等，2009；孙小龙等，2016)。

本文通过系统梳理玛多MS7.4地震前地下流体前兆异常，研究这些异常的震前动态演化特征并进行强震异常特征对比，进而积累震例资料，为提升地下流体前兆异常认识水平及未来震情趋势判定提供借鉴和参考。

1 观测资料概述

青藏高原北部地下流体观测点分布不均，主要集中在青藏高原东北缘，其他地区监测能力较弱。玛多MS7.4地震震中200km范围内仅有2个地下流体观测点，500km范围内存在21个地下流体观测点，共38个测项(图1)，其中水温18项，水位8项，气氡7项，水氡5项，以水温观测为主。按照测项预报效能分类，可分为A类1项，B类和C类各12项，D类4项，未评估9项，以B类和C类为主。

图1 玛多MS7.4地震震中距500km范围内前兆异常空间分布震源机制来自全球质心矩张量数据库(GCMT)；蓝色圆圈为MS3.0余震；时间截至2021年8月19日

玛多MS7.4地震前共出现5项地下流体异常，分别为玉树水温、共和水温(2套探头)、共和气氡、佐署水位、门源水位，基本特征见表1。

表1 玛多MS7.4地震震中距500km范围内地下流体异常基本信息

1.1 玉树水温

玉树台位于巴颜喀拉山南麓的甘孜-玉树断裂附近，水温观测井深105m，观测仪器为SZW-Ⅱ型数字水温仪。含水层岩性为中生代侏罗纪花岗岩(杨晓霞等，2016)。自2007年8月开始观测以来，整体呈多年稳定的趋势上升变化，历史资料分析显示，玉树水温异常一般出现在震前1～3个月，异常持续时间在12～41天，基本上遵循“下降—上升”的“V”字形变化过程，重复性较好(王博等，2016)。该异常曾在2008年3月21日新疆于田MS7.3、2008年5月12日四川汶川MS8.0、2010年4月14日青海玉树MS7.1、2015年4月25日尼泊尔MS8.1、2016年1月21日青海门源MS6.4和2016年10月17日青海杂多MS6.2等地震前出现。

2021年3月15日玉树水温在正常背景下出现快速下降，幅度约0.0027℃，16日开始转折上升，过程中发生了3月19日西藏比如MS6.1地震，3月21日受异常核实影响再次出现下降，幅度约0.0023℃，3月22日再次转折上升，至4月23日恢复至正常背景，29天后发生玛多MS7.4地震，异常过程整体表现出不规则的“V”字形变化特征(图2(a))。

图2 玛多MS7.4地震地下流体异常时序图

1.2 共和气氡、水温

共和台地处昆仑-秦岭纬向构造带与河西系构造复合部位的沉降带，位于共和盆地北缘断裂与共和盆地南缘断裂之间，观测井深174.35m，气氡和水温(2套探头)观测分别使用BG2015R型数字气氡仪、SZW-I和SZW-Ⅱ型数字水温仪。含水层岩性为砂质黏土、砾石(邱鹏成等，2010)。自2011年开始对共和气氡进行观测，观测数据较稳定，呈现冬高夏低的年变特征，2019年5月因仪器老化对其进行更换，更换后观测时间较短，无正常年变特征；分别于2011年和2015年开始对共和水温2套仪器进行观测，观测数据同步性较好，无年变特征。共和气氡和水温(2套探头)观测数据于2021年2月28日出现同步上升变化，幅度分别为17.4Bq/L、0.047℃和0.07℃。气氡浓度于3月1—10日持续呈小幅波动上升变化，累计上升幅度为29Bq/L，之后开始缓慢下降，73天后发生玛多MS7.4地震，震后气氡浓度维持下降状态(图2(b))；水温于3月1—2日同步下降恢复至变化前的趋势水平，幅度分别为0.072℃和0.21℃，81天后发生玛多MS7.4地震(图2(c)～(d))。

1.3 佐署水位

佐署台位于拉脊山构造带的北缘、日月山断裂和拉脊山断裂交汇区域，观测井深107m，观测仪器为SWY-Ⅱ型数字水位仪。含水层岩性为砂砾岩(张昱等，2008)。自1986年5月开始对佐署水位进行观测，期间受数字化改造、台站改造、仪器故障以及修路施工等影响，水位观测极不稳定，数据质量较差，于2019年10月施工结束后才开始正常观测。自2019年10月观测以来水位呈波动趋势下降变化，直至2021年2月25日出现突降变化，幅度为0.268m，26日开始呈缓慢上升趋势，85天后发生玛多MS7.4地震，并出现幅度为0.097m的同震阶升变化(图2(e))。

1.4 门源水位

门源水位地处北祁连新元古代-早古生代缝合带，达坂山断裂北约15m，观测井深105.4m，观测仪器为SWY-Ⅱ型数字水位仪。含水层岩性为砂岩、间夹泥岩(邱鹏成等，2010；汪发耀等，2020)。自2017年11月开始对门源水位进行观测，观测资料连续稳定，无正常年变特征。2019年9月24日—12月4日门源水位出现大幅上升，幅度约6.85m，12月5日开始转折快速下降，至2020年5月1日恢复至以往平稳变化趋势，累计下降4.14m，异常结束386天后发生2021年5月22日玛多MS7.4地震(图2(f))。

2 异常特征分析

2.1 数量特征

玛多MS7.4地震震中500km范围内共5项异常，约占测项总数的13%。其中，水温异常2项，水位异常2项，气氡异常1项，分别占各观测手段的11%、25%和14%，异常测项以水位和水温为主。震中100km范围内无流体观测；100～200km范围内流体观测2项，无异常；200～300km范围内流体观测5项，异常3项，异常测项比为60%；300～400km范围内流体观测16项，异常1项，异常测项比约为6%；400～500km范围内流体观测15项，异常1项，异常测项比约为7%。综上，异常以震中距200～300km为主(图3)。

图3 不同震中距范围内的地下流体异常测项数、背景测项数及异常测项比

2.2 时间特征

从时间演化上看(图4)，震前地下流体异常主要为3个月内的短期异常，有4项异常在2021年2月之后出现，占异常总数的80%。异常起始和结束时间的阶段性特征明显，仅门源水位1项趋势异常出现在震前19个月，持续213天后，在震前12个月结束；其余4项短期异常均出现在震前3个月内并在震前结束，异常持续时间较短(2～40天)。整个演化过程呈现出异常数量由少增多、在震前3个月内显著加速的特点。

图4 玛多MS7.4地震前地下流体异常时间进程

2.3 时空特征

从时空演化上看，震中距500km范围内的38项地下流体观测主要集中在震中东北方向，震中距200km内仅有的2个地下流体观测点，未出现异常，5项异常均位于震中200km以外，主要集中在200～300km范围内(3项，占异常总数的60%)，表现出流体观测和异常测项存在空间分布上的不均匀性。异常最早出现在距震中较远的位置(门源水位，震中距421km)，随着时间的推移，在震前3个月至震前2个月，震中400km内的异常开始集中出现并向震中位置迁移，其中距震中最近的异常为玉树水温，震中距为213km(图5)。

图5 玛多MS7.4地震前地下流体异常时空演化特征

2.4 形态特征

前人通过震例研究发现，部分流体异常形态存在明显的重现性(王博等，2016；Sunetal，2018；苏维刚等，2021)。玉树水温异常在周边MS6.0以上地震以及巴颜喀拉块体边界附近发生的多次MS7.0以上地震前重复出现，异常形态主要表现为幅度不同的“下降—上升”的“V”字形变化(图6)，该测项在玛多MS7.4地震前出现同样的异常形态，对于地震的时、空、强判定有一定的指示意义(表2)。而共和气氡、共和水温、佐署水位和门源水位异常属于观测以来首次出现的前兆异常变化，相关异常特征及震例信息有待积累和进一步验证。

图6 玉树水温2007—2021年观测曲线

表2 玉树水温异常变化与对应地震的关系

3 讨论

截至2021年8月，玛多MS7.4地震是继汶川MS8.0地震之后发生在中国大陆的最大地震，震中位于青藏高原北部巴颜喀拉块体内部的昆仑山口-江错断裂(王未来等，2021)。该断裂整体走向N230°W～270°，倾向NE，倾角80°，运动方式以左旋走滑为主，兼有少量正断分量(华俊等，2021)。历史上，巴颜喀拉块体周边活动断裂发育，构造运动剧烈，强震频繁发生，尤其是巴颜喀拉块体东边界附近曾多次发生MS7.0以上地震，如1973年四川炉霍MS7.6、1976年四川松潘MS7.2、1990年青海共和MS7.0、2008年四川汶川MS8.0、2010年青海玉树MS7.1、2013年四川芦山MS7.0和2017年四川九寨沟MS7.0地震等(朱亚戈等，2021)。根据震例总结统计(张肇诚，1988；蒋海昆，2018、2019；晏锐等，2018；中国地震台网中心，2019)，这些地震震前500km内均存在一定的地下流体异常变化(表3)。

表3 巴颜喀拉块体东边界MS7.0以上地震震中距500km范围内地下流体异常情况

其中，1973年炉霍MS7.6地震前流体异常仅有1项，为姑咱水氡，震中距为220km；1976年松潘MS7.2地震前流体异常共4项，分别为江油水位、理塘水温、松潘水氡和姑咱水氡，震中距范围50～460km；1990年共和MS7.0地震前流体异常共13项，分别为佐署水位、湟源流量、湟源水氡、西宁水氡、长宁水氡、乐都水氡、民和水氡、张掖水氡、山丹水氡、五泉山水氡、格尔木水氡、松潘拱北水氡和山丹气汞，震中距范围110～495km；2008年汶川MS8.0地震前地下流体异常共24项，分别为水富水位、蒲江水位、德阳水位、小金水位、泸州水位、邛崃水位、二道桥水位、北川水位、巴塘水温、理塘水温、乡城水温、龙头沟水温、道孚水温、二道桥水温、大足水温、武都殿沟水氡、武山1号泉水氡、武山22号井水氡、清水温泉水氡、天水花牛水氡、昭觉CO2、普格CO2、布拖CO2、龙头沟气体总量，震中距范围71～492km；2010年玉树MS7.1地震前流体异常共2项，为玉树水温和德令哈水温，震中距分别为22～480km；2013年芦山MS7.0地震前流体异常共10项，分别为邛崃水位、泸州水位、理塘水温、二道桥水温、龙头沟水温、泸定水温、理县水氡、普格CO2、布拖CO2和盐源CO2，震中距范围27～350km；2017年九寨沟MS7.0地震前流体异常共14项，分别为干盐池水位、大足水位、北碚水位、清水李沟流量、二道桥水温、干盐池水温、泸定水温、巴塘水温、理塘水温、武都殿沟水氡、武山1号泉水氡、武山22号井水氡、勉县水氡和洋县水氡，震中距范围108～493km。

用浓度为0.1%的MKnO4对厚萼凌霄种子消毒10 min，然后用流水冲洗。将海水配制成1%、5%、10%、20%、30%、40%的6组浓度梯度，供实验备用。在每个干燥洁净的培养皿中放入滤纸2张和经灭菌处理的厚萼凌霄种子100粒。其中，实验组培养皿分别加入6个不同浓度梯度的海水，对照组培养皿加入蒸馏水。将实验组、对照组培养皿置于光照培养箱中培养种子，培养条件均为25℃、12 h光照（1 000 lx）和12 h黑暗，并在实验组培养皿中定期添加适量相应浓度的海水，以保证种子被充分浸润。

数量特征上(图7)，震前异常数量小于5个的地震有3次，分别为炉霍地震、松潘地震和玉树地震，其中，松潘地震与玛多地震异常数量相近，观测手段相同，相似性较好；时间特征上(表3，图8)，除玛多地震外，震前短期异常占比超过80%的仅有炉霍地震和玉树地震(均为100%)，但这两次地震前流体异常数较少，时间特征统计意义较弱。其余地震短期异常占比均小于30%，震前3个月内短期异常加速特征不显著。时空特征上(图8)，共和地震和汶川地震前6个月，异常存在由外围向震中收缩的迁移特征。进入震前6个月内，迁移特征消失，异常在距震中不同范围内均有出现，与玛多地震由外围向震中收缩的迁移特征差异较大。其余地震异常时空演化特征不明显。形态特征上，如前面所述，玉树水温在汶川地震和玉树地震均出现“V”字形变化，与玛多地震前形态十分相似(图6)。因此，从整体异常特征上看，玛多地震MS7.4震前地下流体异常和松潘MS7.2、玉树MS7.1地震相似性较高。

图7 MS7.0以上地震震中距500km范围内地下流体异常数量对比

图8 MS7.0以上地震500km范围内地下流体异常时空对比

研究认为，流体前兆响应和地震孕育过程中的区域应力加载作用密切关系(车用太等，1999)。一般情况下，7级左右地震在地下流体方面的异常持续时间一般在1年左右，甚至更短(蒋海昆等，2009)。松潘地震地下流体异常的持续时间基本在1年左右，与前人经验一致。玛多地震前1年尺度的前兆异常仅有门源水位1项，玉树地震前无1年尺度的异常信息出现，可能反映了此时段处于应力加载初期缓慢的弹性积累阶段，异常现象并不突出。随着应力的不断积累，进入长期应力加载后的岩石膨胀阶段，短期前兆异常开始集中显现直至地震发生(张学民等，2018)。而玛多地震和玉树地震震中附近台站稀少，可能是临震破裂阶段震源区附近未观测到异常现象的主要原因。整体上看，玛多地震和玉树地震震中空间位置较为接近、构造环境类似，震前3个月内地下流体短期异常在时空分布上也具有较好的相似性，可能具有类似的应力加载过程。而松潘地震相对较远且震前无短期异常出现，说明其孕育过程可能存在一定的差别，需要进一步深入研究。

玛多MS7.4地震前，中国地震台网中心预报部地下流体研究室依据玉树水温异常的高重现性、高映震率以及相对固定的震例发生地点等优势给出了明确预报意见，证明了地下流体异常在短期地震预测预报中发挥着不可替代的作用。虽然此次玉树水温异常幅度较以往小一个数量级，导致预报震级偏低，但共和气氡、共和水温以及佐署水位等3项短期异常的集中出现以及玛多地震的发生，很可能说明震前出现的这些地下流体短期异常与地震孕育过程存在某些有待探索的物理联系。结合历史震例对比结果，认为即使地下流体异常个数较少或异常测项比较低，巴颜喀拉块体发生MS7.0以上地震的可能性仍然较高，特别是出现类似玉树水温这种关键性短期异常，以及出现群体异常集中分布或由外围向震中收缩等，这些特征对于未来地震趋势研判均具有重要的参考意义。

在过去的半个多世纪里，我国地震地下流体观测网从无到有、由点及面，观测台站数量逐年增多，已发展成为世界上规模最大、地震监测能力最好的现代化地震地下流体观测网(车用太等，2017)。然而，研究表明，绝大多数地震前的地下流体异常数量占比较低，基本不超过20%(张立，2013；孙小龙等，2016；杨晓霞等，2016；钟骏等，2018；王俊等，2020)，根据震前捕捉到的流体异常提出预测意见的地震次数更是不到10%(王广才等，2003)。这一事实固然与地震的孕震环境不同以及观测井孔所在构造条件不同有关，但更突出反映了现有地下流体观测网空间分布明显存在不均匀的弊端。同时，本次地震震中500km范围内测项的预报效能主要为B类和C类，其次为D类，而A类仅有1项，未评估甚至高达9项，说明该区域内地下流体观测资料的预报能力整体偏弱，导致监测预报水平十分有限，远不能满足防震减灾的需求。因此，有必要进一步优化与升级，尤其是在台网布局上，亟需增强地震弱监视区的监测水平，并从基础资料、观测质量、影响因素和震例信息等方面对每个测项的预报效能进行常态化动态评估，从而不断提升我国地下流体台网的监测预报水平以及地震分析预报能力。