四川理塘毛垭51泉水温在青藏高原东南缘中强地震前的异常特征及机理分析*

2022-06-22芮雪莲官致君薛乔文

地震研究 2022年2期

芮雪莲，杨耀，2，官致君，杜方，薛乔文，龙锋，杨星，杨鹏

(1.四川省地震局，四川成都 610041；2.成都理工大学地球科学学院，四川成都 610041；3.甘孜州应急管理局，四川康定 626099)

0 引言

水温监测是地震异常监测的一种重要手段，通过对深井、温泉水温变化的观测与分析，探讨在构造应力作用下热物质运移、介质能量转化和水动力条件改变引起的地壳介质温度变化过程(刘耀炜，2006)，目的是捕捉其在地震孕育、发展和发生过程中的“信号”(张彬等，2014)。我国自1979年开始开展地震地热前兆相关的研究工作(刘耀炜，2006)，经过数十年的积累，获得了丰富的水温前兆异常资料，积累了大量的震例。张彬等(2014)总结了云南地区水温异常与地震的关系，并将震前水温异常形态分为降温型、升温型和畸变型，认为水温异常主要属于地震短临异常，且发震震级越大，异常范围越广；晏锐等(2015)研究认为川西多个温泉水温在2013年芦山7.0地震前均出现了不同程度的异常变化，且距震中较远的温泉表现为中期尺度异常，较近的则表现为短期异常；Ma(2016)研究认为乡城52泉水温在1993年中甸5.8地震前13 d明显上升，表现出短临异常的特征；云南龙陵邦腊掌温泉水温在1976年龙陵7.3、7.4地震前一个多月突升10 ℃，表现出明显的短临异常特征，震例总结分析表明，该泉水温在震前一个月左右偏离背景值上升至90 ℃直至地震发生(李加稳，孙文波，2004)；邓卫平等(2019)通过梳理全国水温台网数据，认为2008年汶川8.0地震前井水温度有一定异常，且分布范围较广，一半观测井的震中距超过1 000 km，异常多表现为短临异常特征，这与王军等(2018)的研究结果一致。此外，2007年宁洱6.4(刘耀炜等，2008)、2010年玉树7.1(何案华等，2012；杨晓霞，屠泓为，2013)、2014年鲁甸6.5(杨竹转等，2018)、2016年门源6.5(杨晓霞等，2016)、2021年漾濞6.4(付虹等，2021；马玉川等，2021)和2021年玛多7.4(刘磊等，2021；苏维刚等，2021)等中强地震前均有水温异常。由于水温受水的运动、气的运动、地热活动性等多方面影响，观测机理较为复杂，目前对于水温异常与地震关系的研究大多数集中在对异常特征的总结，对于水温应力加载响应机理的研究相对滞后，目前国内学者提出的主要模式有：地下热异常上升模式(王林瑛，朱传镇，1984)、温室效应模式(强祖基等，1997)、水动力学模式(鱼金子等，1997)、应力耗散模式(王庆良等，1998)等。

川西地区温泉观测环境较好，温泉水具有深循环特征，能够反映地壳深部及构造变化信息，对区域地震预测研究具有重要的科学和现实意义(晏锐等，2015)。其中，理塘毛垭51泉是川西温泉中映震率较高的温泉，震例统计表明，该温泉异常与川滇地区强震活动之间存在较好的对应关系(李军等，2005；晏锐等，2015；邱桂兰等，2019)。前人分别从水文地球化学、气体地球化学(李军等，1989；Zhou，2017)、水温动态特征(赵庆生等，1989)、地质构造(龙德雄等，2006)等方面对该温泉开展了较为详细的研究。贾晋康等(1996)对1995年毛垭温泉的水温大幅下降的特大异常进行了调查与分析，认为此次异常属于温泉发育中的变化，来自深层循环的裂隙上升泉本身就存在着生产—调整—消亡的过程，其测值极有可能反应了大震孕育信息；李介成(1983)认为1980年毛垭温泉水温曲线上升幅度明显增大是1981年道孚6.9地震的前兆异常；Zhou等(2015)对毛垭温泉逸出气体开展了地球化学分析，结果表明理塘断裂带为地幔深部流体的上涌提供了良好的通道，这些幔源流体对周边中强地震的孕育有重要作用。以往有关该温泉水温的研究缺乏对该温泉的历史资料、映震特征(包括时间、空间特征)和水温异常机理系统的梳理。2021年5月21日，云南漾濞县发生6.4地震，理塘毛垭51泉水温在此次地震之前出现显著的前兆异常，本文拟结合区域地质构造、水文地球化学、气象数据等资料探讨在漾濞6.4地震前理塘毛垭51泉的水温异常特征及可能的异常形成机理。

1 构造背景

距今60～50 Ma前，印度-亚洲板块碰撞造成青藏高原的隆升，碰撞之后，板块之间仍持续汇聚，印度板块仍然以44～50 mm/a的速率俯冲到亚洲板块之下，从而形成了喜马拉雅造山带及几百万平方千米的巨型变形域，青藏高原东部的挤压作用导致川滇菱形块体的形成(许志琴等，1999，2006；张培震，2008)。

川滇菱形块体位于青藏高原东南部，块体及周边区域活动断裂结构复杂，构造活动剧烈，是中国大陆地震活动最强烈的地区之一(图1)。有历史记载以来该区共发生7级以上强震23次，块体北段历史上曾发生过7级以上地震3次，并有大量6级左右地震发生(张培震等，2003)，理塘毛垭51泉位于该块体的中北部。研究区内(图1b)主要发育SN向金沙江断裂带、NW向的理塘断裂带和一些近EW向的次级断裂，理塘断裂带也是调整青藏高原内部物质向东挤出的重要活动断裂之一(周春景等，2015；刘亢等，2021)。发育于理塘盆地内部的NW向义敦—理塘、理塘—德巫断裂属于川滇菱形构造块体内部的活动断裂，这些活动断裂具有较强烈的晚第四纪及现今活动性，平均左旋滑动速率为4 mm/a(徐锡伟等，2005)。理塘断裂带南段的理塘—德巫断裂活动性明显较北段显著，义敦—理塘、理塘—德巫断裂左旋切割了SN向的甘孜—理塘—稻城断裂带及三叠纪等的沉积地层(龙德雄等，2006；马丹等，2014)。理塘毛垭51泉处于义敦—理塘、理塘—德巫断裂与甘孜—理塘—稻城断裂的交汇部位，是比较理想的温泉水温观测点。

图1 研究区域大地构造背景(a)与观测点(b)示意图

理塘毛垭51泉附近出露的地层主要有：上三叠统、古近系、第四系和印支期花岗岩等地层(图2)。上三叠统主要为一套复理石沉积建造，岩性为变质石英砂岩、板岩、灰岩和硅质岩等。古近系主要为冲洪积成因的砾岩、砂砾岩。第四系地层主要沿理塘—德巫断裂带或无量河北东侧分布(龙德雄等，2006)。理塘毛垭51泉西侧展布有大型条带状中生代早期花岗岩体，研究认为沿甘孜—理塘—稻城构造带，三叠纪侵入到中上地壳的酸性花岗岩岩浆和喷出到地表的火山岩为中上地壳残余的岩浆囊或高温地质体，这些是该地区形成温泉群的主要热源之一(李军等，2005；龙德雄等，2006)。

图2 理塘毛垭51泉测点地质构造图(据郑裕民，1984；龙德雄等，2006)

2 水温历史资料分析

理塘毛垭51泉于1975年2月开始成为地震部门的观测点，于1985年经国家地震局验收后纳入国家地震局地下水观测网(李军等，2005)。2013年该测点新增数字监测，观测仪器型号为中科光大ZKGD3000。目前该泉同时开展人工和数字化水温观测，采样率分别为日值、分钟值。由于人工观测数据累计时间较长，资料比较丰富，故本文仅使用理塘毛垭51泉人工观测数据开展相关分析研究。

自开展观测以来，理塘毛垭51泉水温在时间上表现为阶段性特征(赵庆生等，1989)：1975年1月至2008年12月温泉水温较高，保持在40℃～66.1 ℃，为中温温泉(1995年8月至1997年2月温泉断流无数据)，2009年1月至2017年2月，该温泉水温变化范围为32℃～41 ℃，变为低温温泉，2017年2月至今温泉水温长期保持低于32 ℃，2020、2021年最低温度仅有17.4 ℃(图3a)。

图3 理塘毛垭51泉水温月均值时序曲线(a)及水温特征统计(b)

理塘毛垭51泉水温月均值时序曲线(图3a)表明，该泉水温变化有以年为周期的规律，具体表现为1—6月水温整体逐步升高，夏季(6—8月)水温整体保持在相对高的水平，9—12月水温呈现下降的趋势，多年数据统计结果表明温泉水温高值多在6—8月，约为57%，水温低值多在12月至次年2月，为66%(图3b)。水温正常波动情况下平均年变化幅度为8.3 ℃。

3 数据处理及异常提取

3.1 数据处理方法

本文选取1975年2月1日至2021年10月31日理塘毛垭51泉水温人工观测日值数据，在46年多的观测时间内，除1995—1997年由于温泉断流造成观测数据缺失较多外，其余时间观测资料连续可靠，完全满足本文研究的要求。

本文采用一阶差分的方法对以上观测数据进行分析。一阶差分是抑制较长周期、突出短临前兆信息的有效方法，表示曲线变化的速率，可能反应了地壳介质应力变化过程中的较高频的扰动部分，多属短临异常。理塘毛垭51泉人工观测水温数据为每日一值序列{}，(=1，2，…，)，对该序列按照下式进行一阶差分计算：

Δ=+2-(=1，2，…，)

(1)

式中：为水温观测值；Δ为水温观测值两天的差值，即水温变化速率，若Δ>0表示水温观测值相对上升，Δ<0则表示相对下降。

3.2 异常提取

研究表明温泉水温异常在震前多表现为温度升高(刘耀炜等，2008；晏锐等，2015)，结合前人研究结果(李介成，1983；李军等，1989，2005)及不同时段内温泉水温的平均温度，本文定义理塘毛垭51泉水温异常标准为：根据式(1)计算该温泉日值数据，1975年2月至2008年12月异常阈值为Δ=8.0 ℃；2009年至今，考虑到该泉的水温背景值降低，异常阈值则相应降低至Δ=6.0 ℃。根据以上异常标准将时间连续的超阈值异常视为一组水温上升异常，最终得到理塘毛垭51泉水温上升幅度超阈值异常共计29次(图4)。

图4 理塘毛垭51泉水温一阶差分结果

4 水温异常特征分析

4.1 中短期异常映震特征分析

为了研究理塘毛垭51泉水温异常变化与周边地震之间的关系，本文选取1975年2月—2020年12月青藏高原东南缘≥5.5地震共33次(不含余震，1995—1997年由于温泉断流，该时间段内发生的地震未统计在内)开展统计分析工作。根据3.2节提取的水温异常结果，对其后发生的地震及对应情况进行梳理，结果见表1。图5显示在提取的29次异常中有11次异常有效期内无对应地震发生。水温虚报主要集中在1976—1983年，虚报数为7，占所有虚报数的64%。2009—2020年理塘毛垭51泉水温达到异常阈值后均有地震对应，且其中3次异常后，短时间内预测区均发生了2次≥5.5地震。此外，水温一阶差分值超阈值幅度与地震震级之间无明显的对应关系。

表1 理塘毛垭51泉水温异常及对应地震统计

图5 不同时段内理塘毛垭51泉水温异常与地震对应关系图

表1显示，理塘毛垭51泉水温异常和地震除了一一对应关系外，还存在以下特征：①一次地震前有2次水温异常。如四川盐源6.7、云南禄劝6.3、西藏妥坝5.6地震前均发生了2次水温异常；②一次异常后对应2次地震。如2003年6月22日、2012年6月9日等4次水温达到或超过阈值后在异常有效期内均发生了2次≥5.5地震。自开展观测以来，理塘毛垭温泉水温共有18次水温异常对应≥5.5地震19次，虚报11次，对应率为66%。对应发生的19次地震中，多集中分布在川滇交界西侧(图6中黑色虚线范围)，周边其他区域较为分散。除2009年姚安6.0地震外，其余地震均发生在异常开始后180 d之内，最短时间为15 d，表明该泉水温异常对青藏高原东南缘发生的地震具有较好的中短期指示意义，优势预测地点为川滇交界西侧地区。2021年5月21日漾濞6.4地震满足2020年12月20日水温异常所指示的时、空、强三要素特征，故认为此次异常对应漾濞6.4地震。

图6 理塘毛垭51泉水温异常对应

4.2 漾濞MS6.4地震前水温异常分析

4.2.1 水温异常特征

2021年5月21日21时48分34秒，在云南省大理州漾濞县(25.67°N，99.87°E)发生6.4地震，震源深度8 km，震中位于维西—乔后断裂附近，理塘毛垭51泉距地震震中约480 km。2020年12月20—22日该温泉水温连续上升，幅度为6.0 ℃，水温一阶差分值达到异常阈值，其后又多次出现较为明显的小幅变化，但均未达到异常阈值。逐一分析排查该泉观测环境及气象等各方面的干扰因素，未发现任何干扰，确认此次异常为地震前兆异常。异常开始152 d之后发生漾濞6.4地震，理塘毛垭51泉水温在震前达到了异常阈值，表现出中期异常特征(图7)。

图7 2020-01—2021-10理塘毛垭51泉水温差分曲线

4.2.2 水温与气象关系

(1)长期背景分析

本文收集2010—2021年理塘地区降雨、气温日值数据，计算二者与水温日值变化之间的相关关系，其中降雨与水温之间的相关计算结果表达式为：

=3134+016(±0017)

(2)

其相关系数=0.14，说明降雨对水温变化的影响较小，二者无显著相关关系，这与前人的研究结果(李军等，2005；龙德雄等，2006)一致。气温与水温之间的相关计算结果表达式为：

=3043+025(±0012)

(3)

其相关系数=0.29，较降雨与水温之间的线性相关显著，但值仍相对较小，说明温泉水温受气温的干扰较小。

以上统计结果说明从长期变化趋势来看，温泉水温测值基本上不受地表降雨的干扰，但气温变化对水温测值存在一定的影响。

(2)短期变化分析

为进一步研究气温与温泉水温之间的短期变化特征，明确2020年12月水温异常是否为气温异常所致，笔者对2018年1月至2021年10月的气温和温泉水温资料进行统计，如图8所示。图中显示短时间内气温与水温整体趋势上具有同步性变化的特征。对2018—2019年水温正常变化期间的气温、水温变化幅度进行相关计算，结果表明：气温、水温变化幅度之间线性拟合相关系数=-0.01，说明气温上升幅度与水温上升幅度之间并非简单的线性相关，二者只是变化趋势存在同步性，无法根据气温变化的幅度计算水温的理论变化幅度。2020年12月水温快速上升期间(图8中阴影部分)，气温仍然维持年变下降的趋势，未出现气温异常上升情况。故认为此次水温异常升高并非气温干扰所致，可能与观测泉区域构造应力发生变化有关。

图8 2018-01—2021-10气温(a)、水温(b)观测曲线日值

4.2.3 水化学特征

4.3 水温异常机理分析

理塘毛垭51泉水温上升异常与青藏高原东南缘中强地震具有较好的对应率，这与该温泉观测点所处的构造位置密切相关。研究区处于青藏高原“东构造结”的东北缘，地中海—喜马拉雅地热活动带的最东端(张健等，2017)。新生代以来印度板块与欧亚板块间的持续碰撞与推挤导致了青藏高原的形成(Tapponnier，1986；Yin，Harrison，2000；许志琴等，2016)，同时也控制着青藏高原内部和周边构造变形与地壳物质的运动(Royden，1997，2008；Clark，Royden，2000；Tapponnier，2001)，中下地壳在重力荷载以及高温高压的条件下具有流变的特征(嵇少丞等，2008)，中上地壳与下地壳或上地幔解耦，导致青藏高原物质在差应力作用下向东南方向逃逸(侧向挤出)。GPS、构造与古地磁研究均表明青藏高原地壳物质向东南方向逃逸过程中受到四川盆地和华南块体的阻挡，围绕喜马拉雅东构造结做顺时针运动(陈智梁等，1998；邓起东等，2002；Zhang，2004；Shen，2005；Otfuji，2010；Jin，2019)，形成了一些大型走滑断裂，同时制约着侧向挤出块体群(许志琴等，2016)。一方面，地壳物质在逃逸过程在上地壳或近地表部分表现为刚性地块，沿着走滑断裂带进行运动，变形和应力主要集中在边界断裂上；另一方面，青藏高原中下地壳在高温高压的作用下存在低粘度的地壳流，具有高温流动特征，并富含流体(Royden，1997，2008；嵇少丞等，2008；Zhao，2008；杜乐天，2009)。地壳流从藏南拉萨块体经东构造结流向川滇菱形块体内部理塘—雅江，然后又从理塘南北两个方向分流，一个向南经川滇菱形块体流向保山—思茅块体，另一个则向北经巴颜喀拉块体前缘(龙门山断裂带)流向祁连山(Clark，Royden，2000；杨文采等，2017)。地球物理学研究表明，中强地震多发生在高泊松比、低波速的异常体附近(Lei，2009，2012；刘文玉等，2017；王志等，2017)，中下地壳乃至上地幔的深部流体对地震的孕育和发生起到重要的控制作用(Zhou，2015，2017)。

表2 理塘毛垭51泉及附近水体水化学成分及同位素分析结果

图9 理塘毛垭51泉及河水水样测试结果分析图

F1：东昆仑断裂；F2：玉树—鲜水河断裂；F3：龙门山断裂；F4：嘉黎断裂；F5：安宁河断裂；F6：小江断裂；F8：金沙江断裂

理塘毛垭51泉出露于川滇菱形块体内部的理塘断裂带上，对该断裂带上温泉溢出气体的地球化学分析表明(Zhou，2017)，理塘断裂带为来自地幔以及中下地壳的深层流体向上迁移的通道，地幔流体来源的占比可达11.1%，这些深部流体对川滇地区中强地震的孕育发挥了重要的作用。张健等(2017)分析了川西高温水热活动去壳幔热流结构和深部地热特征，结果表明理塘地区热流通量较高，具有较高的大地热流值。此外，地震S波速度反演结果表明，理塘地区下方20～30 km处存在S波低速区，说明下方可能存在地壳物质熔融区，为温泉地热水提供热源。当青藏高原东南缘发生强震之前，除在孕震区出现应力集中的现象，中下地壳广泛存在的高温孕震流体也会发生物理和化学变化(例如水温上升和水化组分改变等)，理塘毛垭51泉所在理塘断裂带又为这些孕震流体提供向地表迁移的通道。此外，该温泉位于理塘盆地北缘，该盆地为一大型断陷盆地，受区域构造活动增强作用的影响，高温热水受静水压力和水热对流作用增强。因此，在青藏高原东南缘中强地震发生之前，可监测到温泉水温上升的短临异常信息。