玛多7.4级地震和门源6.9级地震前佐署地下流体异常特征分析

2022-06-08苏维刚孙玺皓

地震工程学报 2022年3期

苏维刚,刘磊,孙玺皓

(青海省地震局,青海西宁 810001)

0 引言

地震活动过程中常伴有地下流体的水温和水位变化,地下水具有流动性、难压缩等特点,通过地下水微动态观测,可以研究含水岩体受力、变形、破坏过程等现象[1]。地下水的水温、水位观测目前是我国地震地下流体观测中重要的观测项目,已开展了30多年[2-3]。水温、水位变化机理[4-6]、同震响应[7-10]等现象受到有关学者的关注,汶川8.0,玉树7.1,九寨沟7.0等多次强震前均有水温、水位的异常变化出现[11-13],目前针对地震前水温、水位前兆异常已有较多的研究成果,包括地震前的区域水温异常特征、单一水温测项在不同地震前的异常变化以及水温、水位异常变化的可能机理等[11,14-17]。

2021年5月22日青海果洛州玛多县发生MS7.4地震,震中位于34.59°N,98.34°E,震源机制解显示为高倾角走滑型地震[18]。发震构造为昆仑山口—江错断裂,地震震中位置在佐署地震台SW方向,震中距210 km,2022年1月8日青海海北州门源县发生MS6.9地震,震中位于37.77°N,101.26°E。发震构造为冷龙岭断裂,此次地震发震位置处于佐署台的NW方向,距台站132 km(图1)。两次地震前青海西宁佐署地震台水温、水位都有不同程度不同形态的异常变化出现,而且两次地震发生时水温、水位出现不同程度的同震阶升响应。佐署观测井是唯一在两次地震前均出现异常响应,震时出现显著同震阶跃的测点,作为两次地震前最为优势的响应测点,深入分析佐署地下流体异常特征对于认识这两次地震的孕震过程及其之间的动态联系具有重要意义。本文通过地球化学取样分析、异常特征对比分析,同震响应及震后调整性异常特征分析等多角度对佐署水温、水位异常资料进行深入分析,期望认识异常资料变化、同震响应等特征与两次地震之间的关系,同时为震前前兆异常信息的提取和震后趋势判定提供参考依据。

图1 佐署地震台观测井地质概况[20]Fig.1 The geological overview of observation well at the Zuoshu seismological station

1 观测台站及测项概况

佐署地震台所处大地构造位置属于秦祁昆造山带中段,地质构造复杂,变形变质作用较为强烈。台站位于日月山断裂和拉脊山断裂交汇区域,其北侧为达坂山构造带,西侧为日月山构造带,南侧为拉脊山构造带[19]。台站所在地区属于高原大陆性气候,具有四季不分明、冬长夏短、昼夜温差大及干旱多风的特点。区内水系发育,支流均常年流水,但水量受季节影响明显,水流流入湟水河,台站地处湟水流域,台址岩性为砂岩。观测井属自流井,井深107 m,套管下设深度100 m,水头约15 m,属深层层间承压水。含水层岩性为砂砾岩,上覆隔水层主要以砂质泥岩为主,厚度约95 m。

佐署台自2016年架设SWY-2型水位仪和SZW-Ⅱ型水温仪,进行动水位和水温观测,二者为同井观测,仪器均为分钟值采样,水位探头距离泄流口中心线8.4 m,水温探头位于井下约100 m的位置。观测资料一直受到高速路施工干扰(距台站直线距离不到50 m),2019年10月施工结束,数据恢复正常观测。动水位自稳定观测以来呈缓慢下降变化,年降幅约0.5 m,水温自稳定观测以来呈缓慢上升变化,年增幅约0.03 ℃(图2)。台站周边无河流经过,但临近高速公路,容易受施工影响,此外有泄洪渠从台站前经过,可能会受降水影响。2021年8月16日水位下降至泄流口以下,泄流口无水流出,2021年8月20日架设一套SWY-2型水位仪进行动水位对比观测。

2 佐署水位、水温异常特征

佐署动水位自2021年2月25日21～24时出现突降变化,最大下降幅为0.27 m,2021年5月22日发生玛多MS7.4地震,震后50天,即7月10佐署动水位和水温同步出现趋势转折变化,动水位呈趋势下降,水温呈趋势上升。2021年8月25日动水位出现突降变化,最大降幅0.27 m,2022年1月8日发生门源MS6.9地震(图2)。

图2 水位水温2020年以来整点值曲线Fig.2 Integral hour value curves of water level and water temperature since 2020

异常出现后进行现场核实:2021年8月20日架设动水位对比观测仪器,两套动水位观测资料连续稳定,变化同步一致,表明仪器工作状态正常;此外通过台站周边调查,附近无施工和灌溉抽水情况,最近的环境干扰源高速公路处于正常通行状态,无施工干扰;最后分析气象资料,在2021年全年日均降水量最大(3 mm)的时段(2021年7月20日至23日)水温、水位均未出现变化,表明佐署观测井受到降水的影响较小,并且2021年1月以来气温、气压和降水观测资料变化稳定,未出现比较极端的寒冷天气和大范围降水天气,基本排除了观测系统、人为活动和自然环境造成的干扰[21]。

3 佐署水位水温异常演化与两次地震的响应关系

3.1 地球化学特征分析

2021年3月、7月和8月分别在佐署观测井进行水样采集,每次采集水样50 mL,密封低温保存并及时送往中国科学院青海盐湖研究所分析测试中心进行测试[22],结果列于表1。3次采样期间均无降水情况。

表1 佐署地震台观测井水样结果对比(单位:mg/L)Table 1 Comparison between observation results of different water samples at Zuoshu seismic station (unit:mg/L)

佐署水位水温观测井井水-岩化学平衡(图3)显示:玛多MS7.4地震前2021年3月测试结果在“未成熟水”范围内,表明其为浅层地下水,主要接受大气降水的补给,循环周期相对较快,水-岩之间尚未达到离子平衡状态,水岩作用仍在进行[23]。2021年7月测试结果在“部分平衡水”范围,表明水-岩作用程度变高,Piper图(图4)显示水化学类型从Na-Cl型转变为Na-HCO3型,震前震后的水化学类型和水-岩反应程度均出现明显变化表明含水层补给发生变化,2021年8月测试结果接近“部分平衡水”与“完全平衡水”的交界区域,水-岩反应程度进一步变高,说明佐署观测井受到玛多MS7.4和门源MS6.9地震的显著影响。而且自2021年3月以来佐署观测井水体中的HCO3-浓度持续增大,考虑其水体溶解的CO2浓度增加,可能指示区域存在断裂活动增强的迹象[24],随后在2021年5月22日和2022年1月8日分别发生玛多MS7.4和门源MS6.9地震。

图3 佐署观测井水-岩化学平衡图Fig.3 Water-rock chemical equilibrium diagram of Zuoshu observation well

图4 佐署观测井水化学Piper图Fig.4 The hydrochemical Piper map of Zuoshu observation well

3.2 异常特征对比分析

佐署地震台动水位测项自2020年正常观测以来,异常变化一共出现3次,异常开始时间分别为2021年2月25日、2021年7月10日和2021年8月25日。为获得更为明确的时空强指示信息,以本次“突降”的异常形态对震例进一步梳理,异常变化共出现2次,异常对应率100%,对应于M6.5以上地震(图5),加入模拟观测资料的震例结果,列于表2,可见:震例指示异常开始的4个月内青藏高原次级地块边界及其附近的M6.5以上地震。

图5 佐署动水位异常整点值曲线Fig.5 Integral hour value curve of dynamic water level anomalies at Zuoshu station

表2 佐署动水位震例统计Table 2 Statistics of earthquake cases corresponding to dynamic water level anomalies at Zuoshu station

地震后区域应力调整、应力转移而引起应力场扰动,可能引起井孔-含水层变形、孔隙压力变化[25-27],因此震后短时间内相应震级对应范围内出现的异常变化称之为震后调整性异常或震后效应。付虹等[26]通过对云南 20余年记录到的地震后效井孔及后继震的特征分析发现震后效应与后继震有一定关系,前期地震后效井与后继震具有地震地质构造的紧密联系。佐署水位水温在玛多MS7.4地震后不足50天水位水温同步出现趋势性异常变化,考虑该变化为震后的调整性异常变化即震后效应,佐署观测井作为玛多MS7.4地震的后效井,其与2022年1月8日门源MS6.9地震的关系列于表3。

表3 地震后效与后继地震结果统计Table 3 The statistical results of post-earthquake effect and subsequent earthquakes

通过对比可以看出佐署观测井作为后效井,其与门源MS6.9地震同处于祁连次级块体,异常出现距发震时间与震中距分别为6个月和132 km,与前人研究结果的时空尺度相当[26]。

3.3 同震响应特征分析

地下流体同震效应能够有效、直接揭示地壳介质对应力-应变的响应[8,26,28],地震引发的水位同震阶升地区可能是构造应力集中的脆弱区,存在地震危险性[29]。玛多MS7.4和门源MS6.9地震发生后,佐署水位水温观测均发现明显的同震阶升现象(图6),且同震响应还未恢复,其中佐署水位在两次地震时的同震阶升幅度分别为0.11 m和0.31 m,水温的同震阶升幅度均为0.01 ℃,因此需要关注与佐署地震台构造相关联的区域地震危险性。

图6 佐署观测井在玛多MS7.4和门源MS6.9地震时的同震响应特征Fig.6 The coseismic response characteristics of Zuoshu observation well during the Maduo MS7.4 and Menyuan MS6.9 earthquakes

4 水位水温异常机理讨论

在地震孕育过程中,区域应力应变状态发生改变,在应力加载作用下,含水层岩体变形、相应的孔隙压力发生变化,导致井-含水层系统水动力条件改变[2,4,16]。通过地球化学分析结果来看,玛多MS7.4地震前后,佐署观测井水-岩反应程度明显增大,水质类型也发生明显变化,表明地震改变了井-含水层的水动力环境,2021年8月的水样结果指示水-岩反应程度仍处于部分平衡水至完全平衡水边界,说明水动力环境并未恢复至原来状态,而且有进一步改变的迹象,可能表征区域应力增强的状态并未缓解,之后发生门源MS6.9地震。在玛多MS7.4和门源MS6.9地震孕震后期临近发震时,可能造成佐署地震台所在区域的瞬时应力加载作用,浅层隔水层破裂,使不同含水层串联混通,因此造成震前短期内水位的突降,之后井-含水层系统趋于稳定,水位保持稳定的变化趋势。

玛多MS7.4地震后在部分区域造成动态的应力加载和卸载[30],断裂力学性质改变或者发生调整,引起流体不同方向的运移,导致水位、水温等在震后出现调整性异常变化。玛多MS7.4地震后,通过梳理甘青两省具有同震响应变化的地球物理场观测台站,发现同震响应优势区域主要集中在青海东部至甘青交界区域,佐署地震台在优势区范围内,而且佐署水位、水温在玛多MS7.4地震中出现明显的同震阶升响应,因此玛多MS7.4地震后可能造成佐署台所在区域的应力加载,使得水位、水温出现趋势性调整性异常变化。