2022年1月8日门源M6.9地震前青海地区逸出气氡异常特征分析

刘 磊, 苏维刚, 李 霞, 赵玉红, 冯丽丽, 张朋涛

(青海省地震局, 青海 西宁 810001 )

0 引言

据中国地震台网正式测定,2022年1月8日1时45分,在青海海北州门源县(37.77°N,101.26°E)发生M6.9地震,震源深度10 km。地震震中位于门源县皇城蒙古族乡附近,距门源县城54 km,西宁、兰州等地有明显震感。本次地震发生在青藏高原东北缘,位于柴达木—祁连块体、阿拉善地块和鄂尔多斯地块的交汇处,地处祁连地震构造带,距离最近的断层是冷龙岭断裂带西北端与托莱山断裂的阶区,以左旋为主,震中距约5 km。

氡值变化是与岩石应力改变过程相关性较强的指标,从氡值测量用于地震预报研究的机理分析,在地震孕育时,震源区附近应力增高,导致周围岩石产生裂隙孔隙,从而使深部的氡通过裂隙、孔隙逐渐向地表迁移,致使地震活动区域及其附近中的氡值浓度高于外围地区[1-3]。氡的浓度变化是地球深部信息的重要表现,特别是地震孕育及发生阶段,水中氡的浓度会出现不同程度的异常变化[4],针对氡的异常成因,前人提出了诸如膨胀扩散、破裂混合、热液爆沸、氡团混入、超声振动、岩浆冲熔及水动力作用等机理和模式[5-7]。但是,并不是所有地震孕育过程中的应力集中都会引起氡浓度的高值变化,其中有一部分是因为环境、人为等干扰所致。震前,笔者依据流体异常出现的时间顺序对青海地震台网流体测项出现变化多次开展现场核实,排除了人为、环境和仪器干扰等,确定了乐都、西宁逸出气氡为两项震兆异常。此次门源M6.9地震前,西宁、乐都逸出气氡均出现显著异常形态,震中距分别为133 km和169 km,异常形态表现为西宁逸出气氡在2021年9月22日—11月8日出现下降-上升起伏变化以及乐都逸出气氡于2021年9月15—10月5日出现上升-下降起伏变化,最大幅度分别为14 Bq/L和360 Bq/L。截止2021年11月初两套观测数据均已转平,与历史震例研究结果一致。本文通过氡值异常机理及历史震例研究,综合其水文地球化学的控制因素和影响因素,分析认为该异常是可信的地震前兆异常。该研究工作,可为后续地震前兆异常识别提供科学参考依据,同时也有助于提升该区震情研判能力。

1 研究区地质概况

1.1 区域地质构造

西宁、乐都逸出气氡观测点处在祁吕—贺兰“山”字型构造前弧西冀的达坂山、日月山、拉脊山等隆起带及西宁—民和盆地拗陷带内[8](图1)。其中西宁逸出气氡观测点地处西宁盆地中部,受区域NE向挤压构造应力场的作用,构造形迹主要表现为NW向、NWW向压扭性断裂,其次为近SN向、NE向张扭性断裂。NW向、NWW向为压扭性阻水断裂,近SN向、NE向为张性导水断裂,这两组断裂控制了区内地下热水的分布,交汇部位成为地下热水上涌的主要通道[9]。乐都逸出气氡观测点由于受构造运动的多次影响,所处构造在局域上呈网状分布,位于两组断层交汇处的次级小断层上,岩体破碎。南侧与乐都盆地相邻,其余三面是中高山区。断层出露高100 m左右,破碎带平均宽1.8 m,断层泥及角砾发育。

图1 研究区地质构造图Fig.1 Geological structure map of the study area

1.2 水文地质特征

西宁逸出气氡观测点地处湟水流域,水点岩性为第三系泥质砂岩[8]。水点位于观测室内,水温24 ℃,水头26.93 m,最大涌水量385.26 m3/d。该水源是距药王泉10 m的钻孔水,为孔隙裂隙承压自流水。乐都逸出气氡观测点受控于复杂的地质构造运动和外动力地质作用,形成众多的中小型山间盆地和谷地。各山间盆地周边中高山区的大气降水,为地下水的形成提供了较充沛的补给来源。盆地内碎屑岩类的孔隙裂隙、松散岩类的砂砾卵石及黄土类土的大孔隙则为地下水提供了良好的储存空间,当地下水运移储存其间时,往往构成良好的含水层。各盆地中新生界砂岩、砂砾岩,在盆地边缘多有裸露,有利于接受降水渗入和山区地表水、地下水的直接和间接补给。由于受储水构造、岩性、补给、径流、排泄条件的控制,碎屑岩类裂隙孔隙承压(自流)水的富水程度及水质各地有所差异。

2 异常特征分析

2.1 异常特征

西宁逸出气氡自2021年9月22日开始出现快速下降波动变化,截止2021年11月5日最大降幅27 Bq/L。2021年11月6—8日出现明显上升变化,最大变幅16.2 Bq/L,随后数据逐渐恢复,总体呈现下降-上升起伏变化。

乐都逸出气氡2021年9月15—21日出现大幅上升变化,截止21日,最大上升幅度约为360 Bq/L。22日起数据呈波动下降趋势,截至10月5日,数据下降幅度约为298 Bq/L,10月6日开始数据恢复正常(图2)。

图2 逸出气氡2021年以来原始曲线Fig.2 Original curve of radon in escape gas since 2021

异常变化出现后笔者进行了现场核实,发现:仪器工作状态正常,附近无施工及修建工程,无新开采水井及灌溉抽水情况,异常出现前,气温、降雨量无显著变化。基本排除了人类活动和自然环境造成的干扰。

2.2 流体地球化学样品采集及分析

2018—2021年,笔者曾多次对两处观测点进行水化学组分取样分析,2022年1月8日门源地震发生后,于2022年1月13日再次取样,将地震前后数据对比分析,以期为异常性质判定提供流体地球化学方面的佐证[10-14]。样品委托中国地震局地壳应力地壳动力学重点实验室、中国地震局地震预测重点实验室、中国科学院青海盐湖研究所分析测试中心依据《地下水质检验方法(DZ/T 0064—1993)》测试分析,具体分析结果列于表1。

表1 水化组分结果统计表

H4Al2Si2O9+4SiO2

图3 西宁采样点离子分布星状图Fig.3 Star-shaped diagram of ion distribution at sampling points in Xining

图4 乐都采样点离子分布星状图Fig.4 Star-shaped diagram of ion distribution at sampling points in Ledu

乐都逸出气氡采样点异常形态结束后的两次分析结果显示,离子分布与2018年取样结果基本均衡,无明显差异性,仅Mg2+浓度在异常形态结束后有所升高,表明地下水径流途径较短。由于乐都逸出气氡采用的是流体空吸原理,利用集气装置进行气体采集分析,不与水体直接接触,所以乐都逸出气氡水体采样点是距观测点50 m处的自来水厂抽水井(井深270 m),为本次研究提供流体地球化学数据支撑与参考。

综上所述,西宁、乐都逸出气氡采样点在异常出现前及异常持续过程中均有地下水循环径流途径较短的低矿化水混入,从而导致采样点不同时段离子浓度含量的差异性[15-19]。

结合所得实验数据,依据舒卡分类法,将所采集的水样划分为两种水化学类型(图5):西宁逸出气氡采样点水化学类型为Na-SO4;乐都逸出气氡采样点水化学类型为Na-Cl。均表明补给区主要补给来源的大气降水或冰雪融水在径流过程中受到蒸发作用、水岩相互作用入渗,导致水体中各主要离子质量浓度改变,是西北干旱区地下水的特征,通过计算,得出不同时段采样点的TDS、电导率及Na-K-Ca热储温度(表2)。

图5 水化组分Piper图Fig.5 Piper diagram of water chemical composition

由表2可知,在热储深部,上升过程中的热水与围岩发生水岩作用,接受低温水体补给,从而导致地热水TDS更高,该过程中不同阴阳离子的混入,也使得电导率一并升高。西宁、乐都逸出气氡不同时段采样点除西宁2018年采样的Na-K-Ca热储温度较高外,其他时段无显著差异,显示出深部水体交换不明显的特征[20]。

Na-K-Mg三角形图解法由Giggenbach于1988 年提出,用来评价水-岩平衡状态和区分不同类型的水样,大致分为三个阶段:地热水在上升过程中与围岩发生离子交换反应达到平衡即为完全平衡水;热水与围岩中部分矿物的离子交换反应到达平衡即为部分平衡水;热水与围岩矿物发生的离子交换反应未到达平衡则为未成熟水[21]。

将西宁、乐都逸出气氡不同时段采样点的Na+、K+、Mg2+含量数据点计算处理后绘制Na-K-Mg三角图(图6),显示出西宁逸出气氡不同时段采样点集中分布于部分平衡水区域,表明该区地下水径流途径较长,循环深度较深。乐都逸出气氡不同时段采样点集中分布于未成熟水区域,并且位于Mg2+端元,表明水样与周围环境的水-岩反应程度较弱,循环深度较浅。

图6 水化组分Na-K-Mg三角图Fig.6 Triangle diagram of water chemical composition Na-K-Mg

2.3 异常特征对比分析及震例讨论

2015年以前,西宁逸出气氡观测点为模拟水氡观测,在2000年9月6日、7日测值高达109.3 Bq/L和95 Bq/L,其中6日高出正常值90 Bq/L(图7),相对变化幅度约500%,出现巨变异常变化。

图7 兴海地震前西宁水氡异常曲线图Fig.7 Abnormal curve of water radon in Xining before Xinghai earthquake

2000年9月12日发生兴海6.6级地震。

自2015年12月西宁逸出气氡数字化观测以来,数据观测连续稳定,并且具体一定的年变形态,但在门源6.4、九寨沟7.0、甘州5.0和玛多7.4级地震前均无异常反应,仅在夏河5.7级地震前出现下降-上升的一个“U”字型变化(图8)。根据模拟资料和数字化资料的震例总结[22],西宁逸出气氡的时空强判定指标,主要指示异常出现之后1个月内的中强以上地震,地点主要关注祁连带和柴达木块体中东部区域。结合以上震例,西宁逸出气氡在模拟观测时,主要是以高值变化为地震前兆异常,数字化观测后是以低值转折回升背景值为地震前兆异常。

图8 西宁逸出气氡原始曲线图Fig.8 Original curve diagram of radon in escape gas in Xining

乐都逸出气氡稳定观测至今,共出现两次明显破年变异常,两次异常前后依据流体异常出现的时间顺序多次开展现场核实,排除了人为、环境和仪器干扰,第一次开始于2015年12月19日,截至2016年1月9日达到最高,涨幅约150 Bq/L。第二次开始于2017年10月30日,截至2017年11月3日上升到543 Bq/L,涨幅达到418 Bq/L。两次异常具有极其类似的形态(图9)。

图9 乐都逸出气氡破年变原始曲线图Fig.9 Original curve diagram of radon in escape gas in Ledu

第一次破年变异常后一个月,发生门源6.4级地震,该异常据震中约140 km,从震前、震中、震后异常变化形态及现场异常核实来看,认为乐都逸出气氡异常具有很高信度,可以判定为门源6.4级地震前兆异常。

第二次破年变异常后,无震例对应。

综合以上震例分析可知,西宁、乐都逸出气氡排除仪器故障及干扰,在正常观测时间段内,对祁连带6级以上地震有较好的前兆异常变化指示意义,形态为下降-上升或上升-下降的突变,持续时间以一个月内为主,异常结束后三个月内发生目标地震。本次西宁逸出气氡及乐都逸出气氡分别在异常结束后60天、93天发生门源地震,与历史震例研究结果一致[23]。

3 讨论及结论

(1) 通过对正常观测时段、异常出现后及震后的水化组分对比分析,讨论其差异性,笔者认为西宁、乐都逸出气氡采样点在异常出现前及异常持续过程中均有地下水循环径流途径较短的低矿化水混入,西宁逸出气氡不同时段采样点集中分布于部分平衡水区域,表明该区地下水径流途径较长,循环深度较深。乐都逸出气氡不同时段采样点集中分布于未成熟水区域,并且位于Mg2+端元,表明水样与周围环境的水-岩反应程度较弱,循环深度较浅。

(2) 比较乐都、西宁逸出气氡在2022年1月8日门源MS6.9地震与2016年1月21日门源MS6.4地震前的异常差异性,可知:乐都逸出气氡在两次地震前均表现出上升-下降的异常形态,持续时间基本一致,显著不同是异常幅度、异常对应时间的差异,两次异常幅度分别为256 Bq/L、360 Bq/L,门源MS6.4地震在异常结束21天后发生,门源MS6.9地震在异常结束93天后发生。西宁逸出气氡在门源MS6.4地震前无异常变化,但在门源MS6.9地震前异常变化显著,考虑到两次地震震源机制解不同(门源MS6.4地震为逆冲型、门源MS6.9地震为走滑型),加之两个异常观测点所处构造位置不一,笔者认为异常幅度、异常对应时间的差异性可能是区域应力加载响应不一致所引起。

(3) 震前的区域应力加载导致周围岩石产生裂隙孔隙,从而使地球物理观测测项发生持续变化,同一时段的水岩反应加剧,使得水化学离子组分浓度亦发生相应变化。具体表现为西宁、乐都逸出气氡震前不同形态的异常变化以及水化学组分的不均一性。

综合分析认为,西宁逸出气氡在2021年9月22日—11月8日出现的下降-上升起伏变化以及乐都逸出气氡2021年9月15—10月5日出现的上升-下降起伏变化,是可信的地震前兆异常。乐都逸出气氡断层气观测是西部地区特色的观测项,门源两次地震前该测项均有很好的前兆异常反应,该异常提取,可为后续地震前兆异常识别提供科学参考依据,同时也有助于提升该区震情研判能力。