北京五里营井流体前兆观测到的两次异常及讨论

高 玲 邢成起

(北京市地震局，北京 100080)

北京五里营井流体前兆观测到的两次异常及讨论

高 玲 邢成起

(北京市地震局，北京 100080)

分析了延庆五里营井汶川M8.0地震和玉树M7.1地震数字化流体前兆观测资料，对比研究了五里营井流体在2次强震中的响应差异。结果显示，流体异常响应灵敏度与地震震级和观测点震中距有一定关系，地震震级越大，观测点距离震中越近，流体异常响应越灵敏。2次大震前流体前兆都观测到氦气释放活动最先出现异常反应，其释放强度与震级有关，震级越大，异常变化越强烈，其中汶川地震He浓度释放短期内出现较大变化可能与不断的强余震活动和大震后的构造调整有关。2次大震发生后，氦气异常释放反而增加明显，这一过程有异常He的贡献。这一方面可能与6—9月是年变过程有关，另一方面也可能与五里营井热储型气体释放特征有关，地震孕育发生过程中，有大量的深部来源He释放出来进入地热系统并改变整个组成，在时间上较断裂型气体释放晚，并且异常消失的时间也会晚得多。2次强震流体映震响应差异可能与2次地震深部构造背景和动力机制差异有关。处于南北地震带的汶川地震与观测点所在东部地区的关联强于青藏高原内部的玉树地震。氦气可能是观测点所在地区监测地下深部气体异常活动的灵敏指标。

地下流体 响应差异 强震 五里营井

0 引言

地下流体是地震信息的重要载体。中国地震地下流体监测研究始于20世纪60年代。大量的震例显示，地震孕育活动过程中，地下流体多会出现前兆异常，虽然二者之间并不存在确定性关系，但却是经常可见的。前人在地震流体前兆异常、形成机理、与地震孕育、时空关系演化方面开展了大量研究(上官志冠，1995;车用太等，1997;杜建国等，2000;刘耀炜，2000，2009)，取得了明显的进展。这些研究在地震监测、预测中具有重要的意义。20世纪90年代末开始，首都圈作为重点示范区，先后经历了“九五”“十五”观测井数字化改造。数字化观测具有数据信息量大，信息分辨率高，人为操作误差小，实时传输等特点。对于数字化综合观测井而言，当同一地震发生时，水化学观测和水物理观测能够同时记录到地震流体前兆实时变化，这正是数字化观测的优势之一。本文初次利用五里营井数字化流体综合观测资料，对汶川、玉树2次强震多测项表现出的异常特征进行分析，讨论了地震孕育过程中，气体组分氦气、气氡及水温等动态对地震前兆的响应特征及其前兆机理。

1 五里营井基本概况

五里营井位于北京延庆县东五里营村西北约500m处，地理坐标为115.9°E、40.5°N，海拔484m。构造上处于狼岵城断裂与康庄断裂之间的延庆盆地中。五里营井深533.12m，主要观测层为侏罗系与震旦系砾石层。地下裂隙发育，为裂隙承压水。水头目前高2m多。水化学类型为HCO3-Na型。多年观测资料显示，该井地下水动态几乎不受浅层水和大气降水的干扰。

五里营井流体观测始于1985年9月，经历了目视观测、模拟观测到数字化观测。20世纪90年代末对延庆五里营井进行了“九五”数字化改造，2007年8月五里营井作为首都圈重点实验示范区进行了“十五”数字化改造，并在原有观测手段基础上新增了氦气观测仪，实施“一井多项”综合观测，观测效能得到进一步提升。2008年2月开始正常观测，目前主要测项包括氦气、气氡、水位、水温等及其辅助观测。氦气观测使用WGK-1型观测仪，气氡观测使用TDR-25型观测仪，水温观测使用TDT-36观测仪，水位观测使用TDGL-25观测仪。

2 强震数字化地下流体前兆特征

近几年先后发生了2008年5月12日四川汶川M8.0强震和2010年4月14日青海玉树M7.1强震。延庆五里营井数字化观测仪响应特征见图1。

图1 五里营井数字化氦气观测汶川M8.0地震前后动态曲线Fig.1 The dynamic curve of digital Helium observation in Wuliying Well before and after the M8.0Wenchuan earthquake.

2008年5月12日汶川M8.0地震发生前，五里营井流体多个测项分别在不同时段出现前兆异常，其中氦气观测最早出现异常，呈明显大幅度脉冲式突跳(图1)，持续2个月。5月10日回落，5月12日发震。2010年4月14日青海玉树M7.1地震五里营井只观测到氦气有小幅度的前兆异常变化。图2显示，背景值异常始于3月19日，呈小幅波动，地震发生后，短期内出现大幅度脉冲式正异常，5月9日回落。汶川地震发生前，五里营井气氡出现短临突跳(图3)，异常持续时间8d，5月4日恢复至背景值，5月12日发震。水温(深层)观测显示5月12日当天出现明显同震效应，升高0.1℃(图4)。五里营井水位“十五”改造以来背景值变化平稳，始终保持在(2.5±0.3)m左右，5月4日出现小幅震荡，5月10日水位突然下降至10m左右，现场手工测钟测量连续观测①杨明波、林元武，2008，延庆五里营井异常落实报告。显示背景值始终保持在2.45m，并未出现高值异常，说明系仪器探头故障导致观测曲线失真(图5)。需要注意的是玉树地震气氡、水位、水温并未出现明显异常反应(图6，7，8)。

图2 五里营井数字化氦气观测玉树M7.1地震前后动态曲线Fig.2 The dynamic curve of digital Helium observation in WuliyingWell before and after the M7.1Yushu earthquake.

图3 五里营数字化气氡观测汶川M8.0地震前后动态曲线Fig.3 The dynamic curve of digital Radon observation in Wuliying Well before and after the M8.0Wenchuan earthquake.

图4 五里营井数字化水温观测M8.0地震同震效应Fig.4 The coseismic effect of digitalwater temperature observation in WuliyingWell before and after the M8.0Wenchuan earthquake.

图5 五里营井数字化动水位观测汶川M8.0地震前后动态曲线Fig.5 The curve of digital dynamic water level observation in WuliyingWell before and after the M8.0Wenchuan earthquake.

3 讨论

汶川M8.0地震和玉树M7.1地震前后，延庆五里营井流体测项记录到了强震流体前兆的完整过程，但二者表现出不同的变化特征。汶川地震前后，该井流体测项氦气、气氡、深层水温先后出现异常变化，其中氦气最先出现异常反应，其次是气氡、水温地震前兆异常变化。而玉树M7.1地震前兆流体观测只有氦气出现了小幅度异常反应，气氡、水温、水位异常变化不明显。

图6 五里营井数字化气氡观测玉树M7.1地震前后动态曲线Fig.6 The dynamic curve of digital Radon observation in Wuliying Well before and after the M7.1Yushu earthquake.

图7 五里营井数字化动水位观测玉树M7.1地震前后动态曲线Fig.7 The curve of digital dynamic water level observation in WuliyingWell before and after the M7.1 Yushu earthquake.

He属稀有气体，化学性质稳定，扩散力强;3He/4He比值是公认的识别氦气物质来源的有效指示剂。一般He同位素值＞1Ra(1.399×10-6)，即显示有深部幔源气体的加入。五里营井3He/4He比值为2.45Ra(2.43×10-6)，明显有深源气体的加入(王广才，2003;李营，2009)。2008年5月12日汶川M8.0地震前3月中旬开始，He浓度释放强度持续增大。显示这期间研究区内深部地壳应力应变可能出现了显著的异常变化，致使观测点氦气体异常释放活动持续达2个月。需要指出，汶川地震发生后，先后发生了多次强余震，其中6级以上多达10余次，研究显示，氦气释放与地震活动呈正相关(孔令昌，2007)，地震活动越强，氦气释放越强烈。图1所示，汶川大震后，He浓度释放短期内出现较大的变化，可能与不断的强余震活动和大震后的构造调整有关。2010年4月14日玉树M7.1地震前五里营井氦气体异常释放活动持续约1个月，异常持续时间明显较汶川地震前短，异常变化幅度也较汶川地震小。值得注意的是，氦气观测显示，2次强震在主震发生后，在地震活动趋势逐渐减弱过程中，异常释放反而增加明显(图1，2)，并在当年9月中下旬恢复至背景值，这一过程有异常He的贡献。这一方面反映出可能与6—9月是年变过程有关，另一方面也可能与五里营井热储型气体释放特征有关(高玲，2010)。因为就热储型气体释放而言，壳内异常气体组分挥发释放进入地热系统并改变其整个组成，在时间上较断裂型气体释放要晚，而异常消失的时间也会晚得多。研究显示，对观测环境特殊的井点，例如火山、断裂带处热储型流体观测点都显示出此类型特征。我们的资料还显示，观测点氦气体释放活动与震级、震中距有关，震级越大，震中距越近，异常变化越强烈 (图1，2)。

图8 延庆五里营井数字化水温玉树M7.1地震前后动态曲线Fig.8 The dynamic curve of digitalwater temperature observation in Wuliying Well before and after the M7.1 Yushu earthquake.

五里营井属自流井，井水处于不断的泄流状态，水温(深层)观测在汶川大震5月12日当天出现明显的同震效应，升高0.1℃(图4)。显示井孔含水层受到地震波的巨大作用，对流加速，深部大量热水上涌是导致水温升高的原因之一。上述特征说明地震孕育过程中最先是深部应力活动不断增强，其后才是浅层的应力应变活动逐渐增强。这一过程使得地下裂隙中原先存储的气体逐渐溶解到地下水中，具体表现为浅层气Rn及水物理观测映震响应(图3，4)。

需要特别指出，玉树M7.1地震过程中，流体观测只有氦气出现明显的前兆异常变化。气氡、水位、水温均未出现明显的前兆变化。这可能与2次强震深部构造背景和触发机制有关。震源机制结果显示，汶川地震是逆冲型为主兼有少量走滑分量的地震(http:∥www.csi.ac.cn/sichuan)，玉树地震是断层走滑型地震(http:∥www.csi.ac.cn/yushu)。汶川地震发生在青藏高原东缘与华南地块交界的南北地震带中段的龙门山断裂带。该带地质结构复杂，是东部薄壳向西部急剧加厚陡变带。汶川地震的发生是印度板块向北推挤，青藏块体地壳物质向东方向增生过程中，受到东部大陆华南地块的强烈阻挡背景下发生的，显示青藏块体和华南块体相互作用是其主要动力来源(张培震等，2008)。有关南北地震带对东部大陆的影响研究一直在持续开展，多有报道。2008年华北GPS监测数据显示，汶川地震的影响主要体现在华北地区西南区域的山西断陷带(杨国华等，2008)。历史上南北地震带7级以上强震迁移规律揭示，一定时间段内，南北地震带的地震活动与东部地区地震活动有一定的关联，如1969至1978年是南北地震带中南段与华北地块强震频发时段(汪一鹏等，2007)。研究显示南北地震带与华北地区的关系较为密切，汶川地震震源机制显示(张勇等，2008)，发震部位块体相互作用中，受到了东部大陆的强烈阻力，因而所产生的应力活动对东部大陆的传递更近，华北地区五里营井流体观测记录到的汶川震前特征就是一个很好的例子。

而玉树地震发生在青藏高原中部的甘孜-玉树断裂带上，震源机制结果显示，其发震断裂带在与周围块体运动过程中未受到明显的阻挡，青藏高原中部平均海拔在4,000m以上，地壳厚度较周围高20～30km，其动力作用可能主要与持续隆升的高原自重引起重力坍塌产生相应的地壳减薄和地形释放有关(徐继人等，2006)。因而玉树与华北地区的构造联系相对较弱，同时震级也较汶川震级低，加之震中距较远，其流体异常反应较小也是可以理解的。

4 结论

(1)延庆五里营井汶川M8.0地震和玉树M7.1地震流体前兆特征显示，氦气释放活动最先出现异常反应;其释放强度与震级有关，震级越大，异常变化越强烈。

(2)五里营井观测资料还显示，流体异常响应灵敏度与地震震级和观测点震中距有一定关系，地震震级越大，观测点距离震中越近，流体异常响应越灵敏。

(3)延庆五里营井汶川M8.0地震与玉树M7.1地震流体异常变化特征存在明显差异，这可能与2次地震深部构造背景和动力机制差异有关。五里营井流体异常特征显示，处于南北地震带的汶川地震与观测点所在东部地区的关联强于青藏高原内部的玉树地震。

(4)氦气可能是观测点所在地区监测地下深部气体异常活动的灵敏指标，今后应当继续加强观测和研究。

致谢 上官志冠研究员对本文提出了修改意见，在此深表感谢。

车用太，鱼金子.1997.地下流体的源兆、场兆、远兆及其在地震预报中的意义［J］.地震，17(3):283—289.

CHE Yong-tai，YU Jin-zi.1997.The focal precursors，fluid precursors and remote precursors of ground fluid before strong earthquakes and their significance in the earthquake prediction ［J］.Earthquake，17(3):283—289(in Chinese).

杜建国，康春丽.2000.强震活动中地壳深部流体的作用研究进展［J］.地震，20(3):95—101.

DU Jian-guo，Kang Chun-li.2000.Characteristics of earthquake precursors and its geological significance ［J］.Earthquake，20(3):95—101(in Chinese).

高玲，上官志冠，魏海泉.2010.长白山天池火山口内湖滨温泉地球化学［J］.矿物岩石地球化学通报，29(3):244—249.

GAO Ling，SHANGGUAN Zhi-guan，WEIHai-quan.2010.Geochemistry features of the Hubin springs in the northern caldera lake of the Tianchi volcano，Changbaishan ［J］.Bulletin of Mineralogy，Petrology and Geochemistry，29(3):244—249(in Chinese).

孔令昌，王桂清，王志敏，等.2007.观测井氦含量异常与地震关系的研究［J］.地震地磁观测与研究，28(6):33—36.

KONG Ling-chang，WANG Gui-qing，WANG Zhi-min，et al.2007.Research on the relationship between the Helium anomaly in observed well and earthquakes［J］.Seismological and Geomagnetic Observation and Research，28(6):33—36(in Chinese).

李营，杜建国，王富宽，等.2009.延怀盆地土壤气体地球化学特征［J］.地震学报，31(1):82—91.

LIYing，DU Jian-guo，WANG Fu-kuan，etal.2009.Gas geochemical features of soil in Yan Huai Basin［J］.Seismologica Acta Sinica，31(1):82—91(in Chinese).

刘耀炜，施锦.2000.强震地下流体前兆信息特征［J］.地震学报，22(1):59—64.

LIU Yao-wei，SHI Jin.2000.Information characteristics of ground fluid precursor on continental strong earthquakes［J］.Acta Seismologica Sinica，22(1):59—64(in Chinese).

刘耀炜，任宏微.2009.汶川8.0级地震氡观测值震后效应特征初步分析［J］.地震，29(9):121—131.

LIU Yao-wei，REN Hong-wei.2009.Preliminary analysis of the characteristics of post-seismic effect of radon after the M8.0Wenchuan earthquake［J］.Earthquake，29(9):121—131(in Chinese).

上官志冠.1995.地热流体溶解二氧化碳总量参数的地震前兆特征［J］.科学通报，49(9):814—817.

SHANGGUAN Zhi-guan.1995.Earthquake precursor character on total quantity parameter of geothermal fluid disoluted carbon dioxide［J］.Chinese Science Bulletin，49(9):814—817(in Chinese).

汪一鹏，马瑾，李传友，等.2007.南北地震带强震迁移特征及其与南亚地震带的联系［J］.地震地质，29(1):1—14.

WANG Yi-peng，MA Jin，LIChuan-you，et al.2007.The migration characteristics of strong earthquake on the northsouth seismic belt and its relation with the south Asia seismic belt［J］.Seismology and Geology，29(1):1—14(in Chinese).

王广才，张作辰，汪民，等.2003.延怀盆地地下热水与稀有气体的地球化学特征［J］.地震地质，25(3):421—429.

WANG Guang-cai，ZHANG Zuo-chen，WANG Min，et al.2003.Geochemistry of geothermal water and noble gases in Yanhuai Basin，China［J］.Seismology and Geology，25(3):421—429(in Chinese).

徐纪人，赵志新.2006.青藏高原及其周围地区区域应力场与构造运动特征［J］.中国地质，33(2):275—285.

XU Ji-ren，ZHAO Zhi-xin.2006.Characteristics of the regional stress field and tectonic movement on the Qinghai-Tibet plateau and in its surrounding areas［J］.Geology in China，33(2):275—285(in Chinese).

杨国华，杨博，张凤双，等.2008.汶川地震对华北地区水平形变场影响及有关含义的讨论［J］.地震，29(1):1—14.

YANG Guo-hua，YANG Bo，ZHANG Feng-shuang，et al.2008.Influence ofWenchuan earthquake on the horizontal deformation field in North China and its implication［J］.Earthquake，29(1):1—14(in Chinese).

张培震，徐锡伟，闻学泽，等.2008.汶川8.0级地震发震的滑动速率、复发周期和构造成因［J］.地球物理学报，51(4):1066—1073.

ZHANG Pei-zhen，XU Xi-wei，WEN Xue-ze，et al.2008.Slip rates and recurrence intervals of the Longmenshan active fault zone，and tectonic implications for mechanism of the May 12 Wenchuan earthquake，2008，Sichuan，China［J］.Chinese Journal of Geophysics，51(4):1066—1073(in Chinese).

张勇，许力生，陈运泰.2008年汶川大地震震源机制的时空变化［J］.地球物理学报，52(2):379—389.

ZHANG Yong，XU Li-sheng，CHEN Yun-tai.2008.Rupture process of the 2008 greatWenchuan earthquake from the analysis of the Alaskaarray data［J］.Chinese Journal of Geophysics，52(2):379—389(in Chinese).

TWO ABNORMALITIES IN FLUID PRECURSOR OBSERVATION
IN BEIJING WULIYING WELL AND RELATED DISCUSSION

GAO Ling XING Cheng-qi
(Earthquake Administration of Beijing，Beijing 100080，China)

The precursor response characteristics of digital fluid caused by Wenchuan M 8.0 and Yushu M 7.1 earthquakes are studied，and the response difference of the observations ofWuliyingWell to the two strong earthquakes is compared.The result shows that the abnormal fluid response has a certain relationship with earthquake size and epicenter distance.The greater the earthquake，and the closer to the epicenter from the observatory，themore sensitive the response will be to fluid anomalies.Abnormal Helium release was the first to be observed before both strong earthquakes in the fluid precursor observation.The release intensity is related to earthquakemagnitude，the larger themagnitude of earthquake，the stronger the abnormal change.The large change in He release in a short period after the Wenchuan earthquakemay be related to continuous activity of strong aftershocks and the structural adjustmentafter the earthquake.Helium release increased significantly after both earthquakes，as contributed by the abnormal deep-sited Helium release.However，this processmay be connected with the annual change from July to September on the one hand，and related to the hot-reservoir type gas release in Wuliying well on the other hand.In the earthquake preparation process，a large number of deep-derived Helium is released into the geothermal system and the entire composition is changed.Temporally，this gas release appears later than fault-type gas release，and the vanishing time of this anomaly is alsomuch later.The response difference of fluid precursor to the two strong earthquakesmay be related to differences of deep structural setting and dynamicmechanism.It also shows there is stronger correlation to the Wenchuan M 8.0 earthquake in South-North earthquake belt and North-China region than to the Yushu M 7.1 earthquake in internal Qinghai-Tibet Plateau.Helium gas can be a sensitive indicator formonitoring abnormal deep-gas activity of the region where the observation station locates.Hence，observation and research should be strengthened in the future.

underground fluid，response difference，strong earthquake，Wuliying Well

P315.72+3

A

0253-4967(2011)03-0644-09

10.3969/j.issn.0253-4967.2011.03.013

2011-04-02收稿，2011-05-29改回。

北京市地震局局长基金(2011)资助。

高玲，女，1973年生，2006年毕业于中国地震局地质研究所，获得硕士学位，助理研究员，现主要从事地下流体地震监测预报研究工作，电话:010-63377939 E-mail:gaoling@bjseis.cn。