精河MS 6.6地震前地下流体异常特征分析

时间：2024-09-03

钟骏王博周志华

中国地震台网中心，北京市西城区三里河南横街5号 100045

0 引言

据中国地震台网测定，北京时间2017年8月9日7时27分52秒，新疆维吾尔自治区博尔塔拉州精河县（44.27°N，82.89°E）发生 MS6.6地震（以下简称精河地震），震源深度约11km。地震发生后，震区周边包括乌鲁木齐、伊犁、博乐、克拉玛依、石河子、昌吉等在内的大部分地区有明显震感，地震造成较大的经济损失。因此，研究与该地震有关的异常现象，可为今后地震预测和震情跟踪工作积累经验。

长期观测实践表明，地震的孕育与发生离不开流体的作用（杜乐天等，1995；刘耀炜等，2006）。深部地下流体是影响地震孕育与发生的重要因素，浅部的则是灵敏地反映地震孕育与发生过程的重要前兆信息载体（Raleigh et al，1976；Thomas，1988；Roeloffs，1998；王博等，2008）。据不完全统计，中国历史地震资料中所记载的地震前兆异常现象中与地下流体有关的约占50%以上（汪成民，1990）。国内外许多研究者对地下流体地震前兆异常特征进行了大量研究，得到许多有意义的结果。Montgomery等（2003）通过研究不同空间尺度地表水和地下水对地震的响应特征发现，地表水变化的响应范围距震中约数十至数百千米，而地下水约为数百到数千千米。付虹等（2008）分析云南M≥5.0地震前兆异常特征时发现，趋势性异常转折结束、新突变异常增多是地震孕育进入短临阶段的标志。高小其等（2012）、杨晓芳等（2013）对新疆及邻区7级大震前地下流体异常特征进行研究发现，震级与异常持续时间和分布范围间成正比；异常的时空分布总体上存在着由外围向震中迁移的现象。刘耀炜等（2015）总结鲁甸6.5级地震震前地下流体典型异常特征后提出，区域应力加载作用可能引起裂隙的开启和闭合，进而导致温泉和井水温、深部气体与承压井水位的持续变化。基于《中国震例》（张肇诚，1988；陈棋福，2008；蒋海昆，2014）研究发现，地下流体前兆异常的时空演化主要表现为“向震中收缩”“构造控制”“相对集中”等3种典型特征，震前异常在数量上主要表现为“持续增长”型和“先增后减”型 2类，且以“先增后减”型居多（孙小龙等，2016）。

新疆地区活动断裂发育，构造运动强烈，强震与大震频发，是世界上大陆地震较为活跃的区域之一（冯先岳，1985）。北天山地区历史上曾发生过1812年尼勒克8.0级、1906年12月23日和静7.7级、1944年3月10日乌苏7.2级、1949年2月24日轮台7.3级等地震（聂晓红等，2010）。通过总结精河地震前的地下流体异常，并对其可能的前兆机理进行初步讨论，可为今后该地区地下流体异常的判定及震情跟踪提供参考性依据。

1 发震构造及地下流体台站概况

精河地震震中位于北天山地区的库松木契克山前断层东段附近，该断裂东起基普克一带，向西经扫子木图沿库松木契克山前及北缘延伸至赛里木湖，总体呈290°～300°方向延伸，长约160km，断面南倾，倾角40°～60°，为全新世活动断裂，性质以逆冲为主，兼右旋走滑（冯先岳等，1991；陈建波等，2007）。

北天山地下流体监测点分布在乌鲁木齐以西、温泉县以东的广大地区，构造位于塔里木古板块与哈萨克斯坦-准噶尔古板块之间，晚更新世以来，区内强震与构造活动颇为活跃（卢静芳等，2002）。域内监测点分布相对密集，监测能力高于新疆其他地区，现有地下流体监测点21个，共51个测项，其中，水温测项10项，水位（及流量）15项，化学（及其他）24项，宏观2项。精河地震前出现并在震后确认的异常共有7项（图1）。异常基本特征见表1。

图1 北天山地区地下流体异常和地震震中分布

表1 精河地震地下流体异常基本特征表

2 前兆异常分析

2.1 乌鲁木齐10号泉He、Rn浓度

乌鲁木齐10号泉位于乌鲁木齐南部的柳树沟-红雁池断裂带与次级断裂交汇部位，泉口出露地层为二迭系砂泥岩、砾岩、灰岩夹少量油页岩（高小其等，2000）。He浓度观测始于1982年，历史资料分析显示，乌鲁木齐10号泉He浓度异常一般出现在震前4～5个月，基本上遵循“背景值—上升—最高值—下降—恢复至背景值”的变化过程，具有较好的重复性（高小其等，2000）。该异常曾对应了2011年11月1日尼勒克MS6.0、2012年6月30日新源MS6.6、2016年12月8日呼图壁MS6.2等6级以上地震。

2017年3月28日该泉He浓度测值由0.029%（V）开始上升，至4月20日达到最高值0.049%（V），累计变幅为0.02%（V）；之后在缓慢波动下降过程中发生精河地震，10月1日开始下降速率加快，10月9日基本恢复至正常水平（图2）。

图2 乌鲁木齐10号泉He旬均值时序曲线

自1983年以来水Rn资料有明显的“夏高冬低”年变特征，正常年变幅度为4～10Bq／L。根据以往震例，中强地震发生前，Rn浓度异常大多出现在3个月内，异常形态多样，包括阶升、大幅波动、趋势性下降和破年变等异常（张学敏等，2003；地里夏提·克尤木等，2008）。

2013年11月30日该泉Rn浓度出现破年变趋势性下降变化，2016年2月28日年变形态恢复正常，12月31日趋势性下降结束，变化幅度达10.32Bq／L，异常持续时间长达1127天，异常结束后第221天发生2017年8月9日精河MS6.6地震（图3）。

图3 乌鲁木齐10号泉Rn浓度5日均值时序曲线

2.2 乌鲁木齐04号泉H2浓度

乌鲁木齐04号泉在构造上处于乌鲁木齐山前拗陷带水磨沟背斜北翼，NE向延伸的水磨沟-白杨南沟断裂与一近SN向分支断裂在温泉区交汇。含水层为二叠系油页岩、硅质砂岩层（李新勇等，2014）。H2浓度观测始于1982年，历史震例显示，H2浓度异常多表现为高值突跳，最大异常量为背景值的10倍之多，且多在高值或高值转折恢复到背景值的过程中发震（韩桂红等，2017）。

2017年4月28日该泉检出H2，6月26日测值逐渐增大，偶有突跳，呈现出活动增强的迹象，7月27～31日，H2浓度连续出现大幅高值突跳异常变化（异常阈值线为0.033%（V）），8月9日震中距383km的精河县发生了6.6级地震，震后H2浓度测值持续增大，至9月13日达到最大值0.18%（V），之后逐渐恢复，至9月24日异常结束（图4）。

图4 乌鲁木齐04号泉H2日值时序曲线

2.3 乌苏艾其沟泥火山

乌苏艾其沟泥火山在构造上位于准葛尔南缘断裂与亚玛特断裂的交汇部位（高小其等，2015a）。从艾其沟泥火山所喷发的气体和水质等成分来看，气、液都来源于地壳深部（王海涛等，2014）。自2013年11月开始观测以来，在距其300km范围内，发生了多次中强以上地震，震前均出现了明显的“背景值—喷涌增大—减小—背景值”的宏观异常变化现象。

2017年1月1日该点出现液面上升，明显可见泥火山流出泥浆的痕迹，之后喷涌量不断增大，达到观测以来最剧烈的喷涌程度，这种现象持续至2017年8月9日精河MS6.6地震发生，地震后艾其沟泥火山仍在间歇性活动，直至2017年9月17日结束（图5）。

2.4 阜康05号井动水位

图5 乌苏艾其沟泥火山喷涌量变化

阜康05号井在构造上处于北天山博格达山山前拗陷带的古牧地背斜轴部，含水层为侏罗系砂岩、泥岩和粉砂岩（高小其等，2001）。自1978年开始水位观测以来，该井多次在地震前（后）发生油井喷涌现象，最大喷射水柱高度可达10m以上，先喷后降，最大降幅超过10m以上。研究表明，井喷后3～6个月发震的可能性较大，其中，优势发震时间为 3个月（高小其等，2006b）。

2017年6月19日该井水位出现快速下降，26日再次出现快速“上升—下降”变化并伴随大量气体释放，之后持续波动下降。因水位探头露出水面，7月25日下放探头至泄流口下7m处，测值恢复正常波动变化，8月9日精河MS6.6地震发生后下降速率进一步减缓，于9月14日结束，变化幅度达5.96m（图6）。

图6 2017年阜康05号井水位时值时序曲线

2.5 博乐32号井静水位

博乐32号井在构造上处于EW向延伸的博尔塔拉隐伏断裂附近。含水层为古生代晚期肉红色粗粒花岗岩（图7）。该井自2008年5月正式用于观测，历史上无震例对应。2013年该井资料正式录入前兆数据库以来，水位测值呈趋势性下降变化，至2017年6月1日出现年变畸变，开始转折上升，持续63天后于精河MS6.6地震发震前6天异常结束。

2.6 伊宁2号井断层氢

伊宁2号井是一个水位和水温综合观测点，在构造上处于伊犁盆地北缘断裂南部。含水层为石炭系棕红色粗面安山岩。断层氢观测点在该井综合观测点旁边，为2017年2月新增的观测手段，资料处于积累阶段。自观测开始，测值在20ppm背景值范围内波动，直至7月23日开始出现高值波动变化，最大变幅为45.8ppm，之后测值逐渐降低，精河MS6.6地震后32天恢复至背景值（图8）。

图7 博乐32号井水位时值时序曲线

图8 2017年伊宁2号井断层氢时值时序曲线

3 异常特征分析

3.1 时间特征

从时间分布来看，震前地下流体异常以1～8个月的异常为主，出现异常的7个测项中有6个异常出现在2017年，约占85.7%。异常的起始、结束时间具有阶段性，仅乌鲁木齐10号泉Rn浓度异常出现在震前45个月，结束于震前8个月，其他异常均出现在震前8个月内，且突出表现为震前3个月内的短期异常。除博乐32号井水位年变畸变异常在震前6天结束，其余异常震后才结束（图9）。

3.2 空间演化特征

从空间分布来看，在距精河MS6.6地震震中400km范围内新疆地下流体监测测项共有51个，其中，7个测项在震前出现异常，约占13.7%，说明精河地震对应的异常项数较少。震前异常分布在距震中150km以内和380km以外，震中距为150～380km的其他流体监测点无异常出现，表现出空间分布的不均一、不连续性，且异常出现时间与震中距间的关系不明显，呈现一定的“场兆”效应（高小其等，2006a）。异常点所在的局部构造均表现出近EW走向的特点，反映出北天山地区EW向构造较为活跃，异常受断层走向控制明显。

图9 精河地震前地下流体异常时间进程

3.3 形态特征

研究历史震例发现，异常形态特征具有明显的重现性。如乌鲁木齐新10泉 He浓度（图2）在中强地震前多次呈现“大幅上升—下降”异常形态（高小其等，2002）；乌鲁木齐04号泉H2在中强地震前表现为高值异常，异常形态为突跳上升（图4）；乌苏艾其沟泥火山（图5）在6级地震前喷涌量明显增大（王道，2000）。这3项异常在精河 MS6.6地震前出现同样的异常形态，对于地震的时、空、强判定有一定的指示意义。

博乐32号井水位、伊宁2号井断层氢异常属于观测以来首次出现的前兆异常，异常特征及震例信息有待积累。乌鲁木齐新10泉Rn浓度和阜康05号井水位异常虽然对应了此次精河MS6.6地震，但该异常变化与以往震例异常的形态特征不同，其动态特征及异常成因有待进一步研究。

4 讨论

地震的孕育、发生一般被认为是震源区及其邻近区应力、应变的积累、释放的过程（梅世蓉等，1993）。根据岩石力学实验，当地壳特殊部位上的应力-应变达到地壳的极限值而产生破裂面滑动之前，岩石内部存在非稳态破裂过程（张国民等，2001）。精河MS6.6地震前，天山中段9套钻孔应变资料中有5套（分别为尼勒克、新源、巩留、小泉沟、巴仑台等分量钻孔应变）出现不同程度的前兆异常现象（图10），异常特征表现为压缩-拉张、压缩速率变快、高频抖动信息、压性脉冲及压性台阶等变化，这与岩石力学实验结果相吻合（赵彬彬等，2017），说明天山地区区域构造应力水平较高。

当地下应力、应变发生变化时，由于不同岩性含水层的弹性模量不同，地下水与地下深层气体的物理化学动态平衡状态被打破（李圣强等，1998；王博等，2017）。乌鲁木齐10号、04号泉所在位置断裂发育（图11），相互交汇，对周围应力变化反应灵敏。溶解气体在震前出现大幅度的异常变化，表明了孕震过程中的区域应力、应变过程使断层或岩石裂隙封闭性改变，促使深部富集的气体随深部地热水向地表浅部加速运移（鱼金子等，1998；Woith et al，2013），从而形成 He、H2浓度测值增大的异常。

图10 部分钻孔应变异常

泥火山是在特定地质构造及水文地质环境下产生的一种构造流体地质现象（王道，2000）。当地层受到地下压力时，比较松软的物质就会沿着裂缝或断层上升，并在地下水或天然气的挟带下穿透地表喷出，将携带的泥沙等溅落到地面，形成泥火山（刘嘉麒，2003）。北天山泥火山均处于背斜轴部，背斜轴部岩层常常较为破碎，有许多裂隙或断层，为泥浆的上涌提供了通道（杨晓芳等，2014）。在通常情况下，泥火山喷发具有一定的准周期性，当区域地壳构造应力不断增强时，封闭构造中岩石的孔隙压力逐渐增大，当压力达到泥火山喷发条件时，泥火山就打破原有周期而重新活动，这也是地震前泥火山活动增强的一个可能原因。但由于泥火山活动与地震间的关系可能相当复杂，目前，很难用某一种简单的模式对其加以总结或科学解释（高小其等，2015b）。

图11 乌鲁木齐04、10泉地质构造（据新疆维吾尔自治区地震局（2005）修改）