2022年1月2日宁蒗MS 5.5地震前迪庆流体观测井异常分析

杨 黎 张 立 胡小静 张 翔 李 琼 高文斐 李 圣

（中国昆明650224 云南省地震局）

0 引言

准确识别地震前兆是地震预报科学难题的瓶颈问题之一，对提高地震预报精准度具有重要意义。自2013 年开始，异常核实成为地震监测预报工作条例的基础环节（郭倩，2015），用于地震预测的前兆依据均需进行科学调研。云南迪庆地区位于滇藏地热带，受岩浆活动与深大断裂影响显著，水热活动强烈，地下流体循环活动一定程度上反映了深部构造活动特征，可为地震提供前兆信息，是实施地下流体前兆观测的良好场所。

2022 年1 月2 日，云南宁蒗地区发生MS5.5 地震，震中位于云南丽江市宁蒗县（100.65°E，27.79°N），震源深度10 km。此次地震发生前，即于2021 年8 月10 日起，香格里拉市迪庆州防震减灾局迪庆地震流体观测井（下文简称迪庆井）水位、水温测项出现同步上升变化，与2012 年6 月24 日宁蒗MS5.7 地震（震源深度10.4 km，100.71°E，27.79°N）发生前的异常特征相似。为确证该异常对于此次宁蒗MS5.5 地震的前兆意义，笔者对异常的客观性、基础性以及异常的地震前兆意义开展了系统的现场调研工作。本文详细报道了本次异常的震前调研与地震前兆意义论证过程。

1 测井及区域水文地质概况

迪庆井是云南省地震地球物理观测台网滇西观测台之一，自2011 年以来水位和水温测项开展同步数字化观测。该井为自流地震观测井，位于香格里拉盆地内德钦—中甸及中甸—小中甸断裂带交汇处（图1），地处滇藏地热带区域。盆地地层出露以石炭系至三叠系的灰岩、砂砾岩、泥岩、粉砂岩为主，第四系为冰期沉积、冰水沉积、洪积沉积的粘土、砂、砾，断裂构造发育，伴随有三叠系基性及中酸性火山岩出露，岩溶地貌发育。

图1 迪庆地区活动断裂及地震分布（数据信息来源于云南省地震局）Fig.1 Distribution of active faults and earthquakes in Diqing area（Compiled by Yunnan Earthquake Agency）

香格里拉地下水类型主要有松散层孔隙水、碎屑岩裂隙水、碳酸盐岩岩溶裂隙水3 类（王宇等，2003；李丽辉等，2004）。迪庆井地下水类型为碳酸盐岩岩溶裂隙承压水，1991年10 月17 日成井，孔口海拔高度3 288 m，完钻井深163.5 m，套管下至井底，井深108.21 m 以上采用钢管密封，止水情况良好，108.21 m 以下安装滤水管（图2）。1993 年7月投入使用，配备SW40-1 型水位观测仪和SZW-1A 型水温观测仪进行水位、水温模拟观测。2011 年使用DRSW-1 型地热水位综合观测仪进行数字化水位、水温观测，以分钟值采样为主，观测数据连续、可靠，该套系统为动水位观测，温度探头置于井下115.3 m 处，水位传感器下放深度为6 m，探头至泄流口的距离为4.48 m。

图2 迪庆井井孔柱状图Fig.2 Borehole column diagram of Diqing well

2 地下流体前兆异常及观测系统检验

2.1 地下流体前兆异常特征

水位、水温异常作为水文地球动力学前兆，对地震有一定指示意义（赵洪声等，2000）。据迪庆井水位、水温观测数据显示，2021 年8 月10 日—28 日，水位上升0.178 m，后转平并持续高水位，变化幅度显著，呈高值上升趋势；2021 年8 月10 日—9 月30 日，水温上升幅度约0.015 ℃，10 月1 日开始转平并缓慢下降。该井水位、水温测项出现同步上升异常，后于2022 年1 月2 日发生宁蒗MS5.5 地震。

为分析迪庆井水位、水温同步上升变化与2022 年1 月2 日宁蒗MS5.5 地震（震源深度10 km，100.65°E，27.79°N）的关系，分析该井2011—2022 年水位、水温观测数据变化与临近区域地震的对应关系，结果见图3，发现在其中3 次地震发生前，该井水位、水温出现与此次宁蒗MS5.5 地震前类似的上升异常，具体表现在：2012 年4—6 月，迪庆井水温、水位呈上升—上升转缓变化趋势，幅度分别为约0.055 ℃、0.127 m，在趋势转缓1 个月内，于6 月24 日发生宁蒗MS5.7 地震（100.71°E，27.79°N），震源深度10.4 km，井震距约98 km；2013 年8 月下旬，迪庆井水温、水位同步上升，幅度分别为0.035℃及0.026 m，后于8 月28 日发生德钦MS5.1 地震，于8 月31 日发生德钦MS5.9 地震（99.40°E，28.20°N），震源深度10 km，井震距约50 km，地震发生时水温测项出现同震响应，上升幅度为0.005 ℃。

图3 2011—2022 年迪庆井水位、水温观测曲线Fig.3 Water level and water temperature observation curves in Diqing well from 2011 to 2022

经核查，发现：迪庆井水位、水温观测仪和数采设备均工作正常；供电设备和避雷设备工作状态正常；探头电缆固定装置符合相关规范。对照温度数据发现，迪庆井下层温度梯度变化恒定在0.01 ℃/m 范围内，温度随深度逐渐增加（表1，图4）。2021 年8 月10 日—28 日，该井水位由0.617 m 上升至0.795 m，幅度0.178 m。以迪庆井温度梯度为参考，假设泄流口水流量保持不变，理论水温测值约上升0.001 8 ℃，水温探头实测温度由10.938 ℃上升至10.953 ℃，而实际温度测值变化为0.015 ℃，理论值与实际值量级不同，下层深部热水涌入的可能性较大。

表1 迪庆井水温梯度测试结果Table 1 water temperature gradient test results of Diqing well

图4 温度梯度变化Fig.4 Temperature gradient change

2.2 预报效能检验

参考王晓青（2000）、李琼等（2000）的分析，根据震例及地震预报的有效性，将迪庆井2012—2022 年水位上升异常与周边100 km 范围内5 级以上地震进行映震分析，采用趋势转折类、阈值类、速率类、破年变类4 个列装方法，对地震预报效能进行检验，结果见表2，其中破年变法通过了R值检验，其中R值为0.78、R0值为0.71，对应最佳预测时间为113 天。文中给出采用破年变方法对迪庆井100 km 范围内的地震预报效能检验结果，见图5。为证明异常存在的真实性，在宁蒗地震发生前后进行水化学特征对比分析工作。

表2 预报效能检验结果Table 2 The evaluation results of prediction ability

图5 迪庆井破年变方法预报效能检验Fig.5 Prediction efficiency test map of anomalous annual variation for Diqing well

3 水化学特征对比分析

选取2018 年6 月15 日—2022 年1 月19 日不同时间及位置采集的迪庆井水样，并与同期水厂（迪庆井东南向145.55 m 龙潭湖出水点）及小中甸温泉台阵水样，进行水化学成分及氢氧同位素组成检验（表3），综合分析迪庆井、水厂、小中甸温泉台阵流体特征，以进一步判断迪庆井映震异常特征。

表3 迪庆地区流体采样点水化学测试结果（离子组分及氢氧同位素）Table 3 Hydrochemical test results of sampling sites in Diqing area(ionic components and hydrogen and oxygen isotopes)

3.1 水质类型

迪庆井水样的pH 为8.06、TDS（溶解性固体总量）为141 mg/L、COND（电导率）为307 μs/cm，水厂水样的pH为7.95、TDS 为59 mg/L、COND 为109 μs/cm，表明两者无明显水力联系，水厂蓄水对迪庆井无法造成显著干扰；采用AqQA 软件，结合表3 所示8 个水样的Na+、K+、Mg2+、SO42-、Cl-等离子数据，绘制迪庆地区水化学Na-K-Mg 三角图及氢氧同位素组分图，并采用其中的5 个水样数据绘制Piper 三线图，结果见图6、图7、图8。

图6 迪庆地区水化学Na-K-Mg 三角图Fig.6 The hydrochemistry of Na-K-Mg in Diqing area

依据Na-K-Mg 三角图解（Giggenbach，1988），由图6 可知，迪庆井、水厂及小中甸温泉点水样水—岩化学平衡状态均分布在未成熟水端元，表现为弱水—岩反应，循环深度较浅。迪庆地区小中甸温泉点与迪庆井均为Ca-HCO3型水，水样中碱土金属离子（Mg2+、Ca2+）比碱金属离子（Na+、K+）比重大，碳酸盐硬度均大于50%，Piper 图显示，二者流体元素富集有所不同（图7），迪庆井Na+、K+含量偏高。在2022 年1 月2 日宁蒗MS5.5 地震前，小中甸温泉点与迪庆井K+、Na+总含量明显升高（表3）。

图7 迪庆地区地下水Piper 图Fig.7 The Piper diagram of underground water in Diqing area

氢氧同位素显示，迪庆井、水厂及小中甸温泉点水样来源有所不同，但均靠近大气降水线（Craig，1961），3 者来源以大气降水所产生的氢氧同位素为主（图8），2021 年迪庆井流体中δD 波动明显，6 月相对富集轻的氢同位素，9 月相对富集重氢，结合小中甸温泉流体的δD 高于迪庆井（-123.64‰＞-131.71‰— -129.94‰），表明迪庆井流体中混入了其他热源物质（如硅酸盐矿物发生热液蚀变）或H2S 发生同位素交换反应（张磊等，2016；金忆农等，1998）。

图8 迪庆地区氢氧同位素组成Fig.8 The composition of hydrogen and oxygen isotopes in Diqing area

3.2 水化学组分演化特征

根据对2021—2022 年迪庆井、水厂及小中甸温泉点水样的测试结果（表3），对比分析迪庆地区地下流体水化学组分变化，结果见图9。

图9 不同采样时段迪庆地下流体水化学组分对比Fig.9 Comparison of chemical components of groundwater in subsurface fluids observation wells in Diqing area in different sampling periods

由图9 可知，与小中甸温泉点及水厂水样中的SO42-含量相比，迪庆井SO42-含量偏高。相关研究表明，流体中SO42-来源主要为矿物的溶解及人类活动（李瑞等，2015；Huang et al，2016；魏兴等，2019）。迪庆露天水厂的水源为地表水，其水样中SO42-含量主要受大气降水影响，其SO42-数值偏低，表明迪庆地区人类活动对硫酸根离子的浓度影响较小。结合表3 可知，在2021 年9 月，小中甸温泉点及迪庆井水样中的SO42-含量明显升高，计算迪庆井流体中(Ca2++Mg2+)/(HCO3-+SO42-)的毫克当量浓度平均值，数值约为0.73 ≠1，说明该井流体水化学组分除受到碳酸盐岩与石膏溶解共同控制外（袁建飞等，2017），还受到其他外源物质影响，是否为前兆异常有待后续深入研究。

在热水化学组分中，若Cl-、F-、Na+等离子浓度较高，则表明热源与岩浆热扩散有关（龙汨，2015）。迪庆区域Cl-含量低于20 mg/L，说明流体中碱金属和卤族元素不可能来自沉积地层中的卤水，而迪庆井水样中Cl-含量在此次宁蒗MS5.5 地震发生后明显升高，说明流体中混入了深部物质元素；临震前期，小中甸温泉点与迪庆井水样中Mg2+含量均有所升高，反映了离子含量的区域性异常特征。

4 结论

地下流体前兆异常可揭示深部流体的特征变化，观测井地下流体异常常伴随水温、水位持续变化。由于观测数据易受泄流口堵塞、设备故障等影响，运用对比观测实验、预报效能检验、地球化学等方法，可在前兆异常识别中排除干扰，明确前兆异常的真实性。本文针对观测井前兆异常，通过预报效能检验、迪庆地区水化学特征分析，得到以下认识：

（1）2012 年以来，迪庆井水位、水温同步上升变化映震效果显著，2021 年水位破年变通过了R值检验，2022 年1 月2 日宁蒗MS5.5 地震的发生，进一步表明，迪庆井流体观测异常对周边100 km 范围内5 级以上地震的发生具有较好的指示意义。

（2）2022 年1 月2 日宁蒗MS5.5 地震发生前，迪庆地区流体中Na+、K+、Mg2+的含量出现上升变化，可能有深部热液混入浅表，并与围岩接触过程中发生水—岩反应，改变了流体中元素的含量。

（3）氢氧同位素向上偏移特征指示，宁蒗MS5.5 地震发生前，观测点周边区域硅酸盐矿物发生热液蚀变，或流体循环过程中地热水携带H2S 发生同位素交换反应，使得流体中相对富集重同位素，对地震的发生有一定指示意义。