王博 馬玉川 馬玉虎

1）中國地震臺網(wǎng)中心，北京市西城區(qū)三里河南橫街5號 100045

2）青海省地震局，西寧 810001

0 引言

基于板塊構(gòu)造學(xué)說或斷層面錯動所引起的地震現(xiàn)象，從理論上講，都應(yīng)能觀測到地下物質(zhì)某種程度的變化，這也是地震前兆觀測研究的基礎(chǔ)，地下水即是存在于地殼介質(zhì)中能較靈敏地反映地殼應(yīng)力變化的物質(zhì)。隨著對地震孕育過程研究的不斷深入，關(guān)于地下水溫度變化與地震間關(guān)系的研究也越來越引起研究者的關(guān)注。

我國地震前兆觀測研究已有50年歷史，高精度水溫觀測也開展了30多年。地震前后水溫變化現(xiàn)象在以往的研究中多有涉及，在這些研究中，有的集中研究地震引起的水溫同震變化（楊竹轉(zhuǎn)等，2007；張彬等，2013）；有的對水溫變化的可能機理進行了分析（孫小龍等，2006；石耀霖等，2007）；也有的對地震前水溫觀測曲線形態(tài)及變化幅度等進行了分析（魚金子等，1997；劉耀煒等，2008；車用太等，2014），但對水溫觀測資料在地震前的變化特征研究較少，尤其是缺少同一觀測臺對特定區(qū)域的前兆變化指示性研究。

本文選取玉樹臺水溫井作為研究對象主要基于2個方面的考慮，一是玉樹臺觀測井?dāng)?shù)據(jù)質(zhì)量較好，且地理位置偏遠，基本不受人為活動干擾；二是青藏高原地區(qū)是我國最大的地震活動區(qū)，也是地震活動最強烈、大地震頻發(fā)的地區(qū)，在青藏塊體及周緣發(fā)生的多次大地震（包括汶川、玉樹地震）之前，玉樹井水溫資料都存在較為相似的形態(tài)變化特征（何案華等，2012），故對玉樹臺水溫震前異常變化與周邊大地震間的關(guān)系進行分析，可為前兆觀測研究積累一些經(jīng)驗。

1 觀測井孔概況

玉樹臺（33.01°N，97.02°E）位于青海省玉樹藏族自治州結(jié)古鎮(zhèn)，所在區(qū)域地處巴顏喀拉山南麓及唐古拉山東端，山脈呈NW-ES向展布，以密集發(fā)育的NWW走向并向NE凸起的弧形右旋走滑斷裂為主，主要斷裂構(gòu)造有東昆侖斷裂、達日斷裂、甘孜-玉樹-風(fēng)火山斷裂帶等（圖1）。該區(qū)強烈的新構(gòu)造活動不僅控制了本區(qū)的地貌形態(tài)，而且與區(qū)域構(gòu)造線方向一致，地震活動十分頻繁。故該臺對于監(jiān)測青、川、藏交界地區(qū)的地震活動具有重要意義。

圖1 玉樹臺位置及研究區(qū)內(nèi)M W＞6.5地震分布

玉樹水溫觀測井井深105m，孔口標高3725m。地面至其下0.4m間以粉土為主，夾有小礫石等；0.4～3.6m以碎石為主，骨架顆粒呈交錯式排列，成分主要為花崗巖、石英巖，中等風(fēng)化，粒徑一般20～90mm，棱角狀，充填物為礫砂，含大量泥質(zhì)；3.6m以下為花崗巖，具細品結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要成分為石英，含長石、云母等礦物，巖性完整、堅硬，地下81m處見裂隙水，井孔套管深度11m，探頭深度100m。

2 觀測數(shù)據(jù)

2.1 水溫

玉樹臺水溫觀測使用SZW-1A型數(shù)字式石英溫度計，其分辨率為0.0001℃，觀測精度優(yōu)于0.05℃，短期變化小于0.0001℃／d，長期變化小于 0.001℃／a，傳感器耐壓性大于 10MPa，采樣頻率為1次／min。玉樹臺自2007年8月開始觀測水溫，除了儀器探頭維修及更換的時段外，其他時段內(nèi)水溫觀測資料連續(xù)，整體觀測較好。因儀器維修或更換而導(dǎo)致數(shù)據(jù)空缺的時段為2009年2月6日～4月9日、2009年6月21～25日、2012年6月12日～2013年 7月19日。2012年6月12日儀器探頭損壞，更換同類型備用儀器，經(jīng)儀器重新標定后，改正后的多年水溫觀測曲線如圖2所示。

圖2 玉樹臺井水溫觀測數(shù)據(jù)

2.2 研究區(qū)內(nèi)地震

青藏高原是中國現(xiàn)代新構(gòu)造活動與地震活動最強烈的地區(qū)（鄧起東等，2002），青藏高原從南緣喜馬拉雅板塊邊界構(gòu)造帶北至北緣河西走廊的廣大地區(qū)，自有歷史記載以來已發(fā)生8.0級以上地震18次，7.0～7.9級地震100余次，其中，8.0級以上地震全部發(fā)生在喜馬拉雅板塊邊界構(gòu)造帶、青藏斷塊區(qū)邊界構(gòu)造帶及板內(nèi)次級斷塊的邊界活動構(gòu)造帶上，且具有分布廣、頻度高、強度大、震源淺的特點（鄧起東等，2014）。

青藏塊體是我國板內(nèi)6個I級塊體之一，也是中國地震活動最為強烈的塊體。喜馬拉雅板塊邊界構(gòu)造帶為其南部邊界，青藏塊體內(nèi)又分為Ⅱ級塊體，分別為拉薩、羌塘、巴顏喀拉、東昆侖-柴達木、祁連等塊體（張培震等，2003）。本研究中對青藏高原的分塊即采用了張培震等（2003）的研究結(jié)果，具體范圍為 25°～40°N、75°～105°E，地震目錄及震源機制解均采用哈佛大學(xué)目錄（http：／／www.globalcm t.org／）（Dziewonski et al，1981；Ekstr?m et al，2012），時間調(diào)整為北京時間。2007年9月～2015年10月上述區(qū)域共發(fā)生9次 MW＞6.5地震，詳見圖 1、表 1。

表1 研究區(qū)內(nèi)地震

3 水溫異常及其與地震間的關(guān)系

3.1 水溫多年及震前短期變化

水溫的多年觀測資料表明，玉樹臺井水溫呈穩(wěn)定的小幅上升變化。由2008～2015年同期觀測資料的對比可見（圖3），水溫觀測值呈逐年增大的趨勢，2010年之前年增幅較大，2010～2012年增幅較小。這種水溫逐年上升的趨勢性變化在我國其他地區(qū)的多口地震地下流體觀測井中也被觀測到（馬玉川等，2015）。以往的研究認為，井水溫的多年趨勢性變化，可能是由觀測儀器存在的“零飄”所致（車用太等，2013），但也不排除氣溫逐年升高的可能性。扎西尼瑪?shù)龋?009）通過對玉樹地區(qū)近50年氣溫資料的分析得出，年平均氣溫以0.23℃／10a的速度升高，該變化速率與本文中玉樹臺觀測井水溫的上升速率（約0.03℃／a）較接近。此外，在我國其他地區(qū)也觀測到了類似的氣溫逐年上升的現(xiàn)象（施能等，2001；于淑秋等，2003），雖然沒有證據(jù)表明100m深的地溫變化與大氣溫度變化間有直接聯(lián)系，但它們的熱量來源應(yīng)都為地球內(nèi)部放射性元素產(chǎn)生的熱以及太陽輻射熱，前述觀測事實或許表明兩者間有一定的關(guān)聯(lián)性。

圖3 玉樹臺井水溫逐年對比觀測曲線（時值）

玉樹臺井水溫多年觀測曲線共出現(xiàn)5次明顯起伏變化，即2007年10月4～13日、2008年3月21～27日、2009年 11月 24～29日、2010年 1月 23日～2月 2日的下降變化，以及2015年3月13～17日的上升變化。除2009年11月24～29日的變化沒有大震對應(yīng)外（該變化與后面的另一次變化時間上較為接近），其它幾次起伏變化與研究時段內(nèi)的7.0級以上地震均對應(yīng)較好（表2）。

將每次異常出現(xiàn)前、后31天的數(shù)據(jù)進行對比分析可知（圖4），除2015年4月25日尼泊爾MW7.9地震以外，其它幾次地震前玉樹臺井水溫觀測曲線都出現(xiàn)非常類似的下降-緩升變化形態(tài)，下降幅度為0.018～0.029℃。何案華等（2012）曾對該臺井水溫異常出現(xiàn)前、后約20天的數(shù)據(jù)進行過相關(guān)性分析，得到的相關(guān)系數(shù)均大于0.95，這表明異常曲線的變化形態(tài)具有高度相似性，僅在幅度上存在一定的差異。2015年4月25日尼泊爾 MW7.9地震前，玉樹臺井水溫變化與以往相比呈不同形態(tài)，具體表現(xiàn)為快速上升，并且異常持續(xù)時間較短，僅為5天。對于這種變化是否與地震震中位置和震源機制解等有關(guān)，由于研究樣本較少，不能給出定論。但在所有對應(yīng)較好的震例中，除玉樹地震之外，其他3次7.0級以上地震都分布在中國Ⅰ級構(gòu)造塊體邊緣地區(qū)，表明玉樹臺井水溫對Ⅰ級構(gòu)造塊體邊緣的大地震有較好的響應(yīng)。

表2 玉樹臺井水溫異常變化與大地震間的關(guān)系

為探究玉樹臺井水溫對中等地震響應(yīng)的靈敏性，筆者分析了2007年8月1日～2015年10月 31日青海及鄰區(qū)（32°～40°N，90°～102°E）31次MS≥5.0地震。除2009年12月 21日青海德令哈5.0級地震前出現(xiàn)了與2009年11月24～29日類似的下降變化外，其他地震前玉樹臺井水溫均無異常。由此可見，玉樹臺井水溫對周邊中等及以下地震的前兆響應(yīng)并不靈敏，但對青藏高原及周邊強震的前兆響應(yīng)較好，且對應(yīng)性也較好。這很可能表明大震前兆響應(yīng)的區(qū)域相關(guān)性以及大的構(gòu)造塊體邊界的特殊性，即表現(xiàn)為一定的場兆信息（車用太等，1997）。

3.2 異常變化與震級、井震距間的關(guān)系

由上述4次變化的水溫變化幅度與震級、井震距間的關(guān)系可見（表2），水溫變化幅度與震級間并沒有較好的線性關(guān)系，但隨著井震距的減小，水溫變化幅度明顯增大。但是由于樣本量很小，該結(jié)論還有待更多類似變化的檢驗。如果上述結(jié)論正確的話，則玉樹臺井水溫變化幅度的大小對未來地震地點的判定具有較好的指示意義，即如果玉樹臺井水溫變化幅度較大，則地震發(fā)生地點可能距玉樹井較近；反之，則地震發(fā)生地點可能距玉樹井較遠。

由異常變化開始距地震發(fā)生的時間與震級、井震距間的關(guān)系可見，異常從出現(xiàn)到發(fā)震的時間與井震距間的統(tǒng)計關(guān)系并不顯著，但從與震級間的關(guān)系來看，震級較大的地震通常在異常出現(xiàn)后很短的時間內(nèi)發(fā)生，譬如，2008年5月12日汶川MW7.9地震前，異常從出現(xiàn)最大變化到地震發(fā)生只有46天；2015年4月25日尼泊爾MW7.9地震前，只有39天。從局限于本文統(tǒng)計的結(jié)果來看，異常變化起始時間與地震震級間可能有較好的相關(guān)性。

由此，根據(jù)玉樹井水溫變化幅度和異常出現(xiàn)的時間，似可以分別對地震發(fā)生的地點和震級作較好的判定，從而明確玉樹井水溫變化的前兆指示意義，為判定青藏塊體及周邊地區(qū)大震提供流體前兆依據(jù)。

3.3 異常變化分析

在一定深度下，溫度受太陽輻射的影響會變得很小，觀測井的溫度主要取決于地球由內(nèi)部向外部的熱釋放，而對于含水的觀測井，井-含水層中水體的流動會對水溫產(chǎn)生一定的影響，故一些觀測井的水溫與水位間相關(guān)性較好。2014年6月，玉樹臺開始水位觀測，但前期水位測值不穩(wěn)定，由2015年1～9月玉樹臺井水位、水溫觀測數(shù)據(jù)可見（圖5），水位顯示較好的固體潮形態(tài)，表明該井承壓性較好，但水溫變化與水位變化間的相關(guān)性不好。對于觀測井中水溫變化的原因，車用太等（2008）總結(jié)出了3種可能的作用機制，即含水層受力變形引起的水流運動產(chǎn)生的熱對流作用、觀測井所在地區(qū)大地?zé)崃鞯纳嫌孔兓?、斷層活動產(chǎn)生的摩擦熱作用等。玉樹臺井水溫在多次地震前的變化，很可能表明了應(yīng)力的緩慢變化過程，由于裂隙出現(xiàn)在80m左右，而水溫探頭放置在100m處，故當(dāng)應(yīng)力發(fā)生變化、井底下部水有微弱流動時，或水平向水流速度遠大于垂向時，部分水從裂隙流出，引起局部熱交換，導(dǎo)致水溫發(fā)生變化，但水位并未隨之改變。對這種由水溫探頭置深不同所引起的同井水位、水溫觀測曲線的對比已有報道（楊竹轉(zhuǎn)，2011；張慧等，2013）。由玉樹臺成井時實測水溫隨探頭埋深的變化可見（圖6），在觀測井深度范圍內(nèi)，隨著深度的增加，地下水溫度逐漸降低，在80m深之下，溫度變化幅度逐漸減小。依此，則玉樹井在多次地震前出現(xiàn)的水溫下降-回返過程可能表明探頭下方存在部分低溫水的混合，推測在于田、汶川、玉樹等地震前玉樹附近地區(qū)受擠壓作用；而在尼泊爾地震前，水溫出現(xiàn)的上升變化或許表明附近地區(qū)受拉張作用。

圖5 2015年玉樹臺觀測曲線

4 結(jié)論與討論

在青藏塊體及周邊多次大地震之前，玉樹臺井水溫都出現(xiàn)較為顯著的、呈重復(fù)性的前兆短臨異常變化。玉樹臺井水溫具有逐年小幅上升的特點，對周邊中等地震響應(yīng)并不靈敏，但對青藏塊體及周緣地區(qū)MW≥7.0地震響應(yīng)較為靈敏，在震前1～2個月到半年時間，會出現(xiàn)較為明顯的幅度約為0.02℃的異常變化。

玉樹臺井水溫異常變化幅度與井震距間有較好的線性關(guān)系。井震距越小，水溫變化幅度越大，故由水溫變化幅度可較好地推斷地震發(fā)生地點的遠近。

水溫異常從開始出現(xiàn)到地震發(fā)生的時間與地震震級間有較好的相關(guān)性，震級越大，從異常出現(xiàn)到地震發(fā)生的時間間隔越短。

本文通過對玉樹臺井水溫在青藏塊體及周緣地區(qū)幾次大地震前的異常變化進行分析認為，兩者具有較好的對應(yīng)關(guān)系。但地震前兆研究是一個較為復(fù)雜的過程，尤其是水溫前兆機理的研究仍存在很多不確定性。受限于觀測數(shù)據(jù)和周邊大地震次數(shù)，本文統(tǒng)計樣本較少，因此對玉樹臺井水溫的大震前變化特征仍有待更多的觀測數(shù)據(jù)來驗證。一般來說，水溫變化的原因有2個方面：一是介質(zhì)中水的運移引起不同溫度水的混合；二是由于介質(zhì)受力狀態(tài)變化引起的，前人通過對理想材料和巖石樣本的實驗研究得出，體應(yīng)變等會引起巖石介質(zhì)溫度的增加，且在康定地溫的觀測研究中得出應(yīng)力調(diào)整引起溫度變化的結(jié)論（陳順云等，2009、2013）。由于玉樹臺在成井時并沒有水位的同步觀測，所以，玉樹臺井水溫變化的具體原因仍有待水位資料的積累及更多的研究工作。但對玉樹臺井水溫震前典型異常變化的研究，可明確該變化特征作為前兆異常的可靠性，進而為其他水溫觀測提供參考，也可為青藏塊體及周緣大地震的發(fā)生提供流體判定依據(jù)。

圖6 玉樹臺水溫梯度

致謝：中國地震局地殼應(yīng)力研究所何案華在水溫數(shù)據(jù)改正方面提供了幫助，青海省地震局楊曉霞提供了玉樹臺井孔的部分資料，兩位審稿人對本文的修改提出了較好建議，在此一并致謝。