福建省地震學會

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福建省地震地下流體學科發(fā)展報告

福建省地震學會*

該文回顧了地震地下流體學科的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，闡述了福建省地震地下流體學科當前在地下流體監(jiān)測、科學理論和前兆機理工程實驗等方向研究的情況，并針對目前該學科發(fā)展中存在的不足之處，建議福建省地震地下流體學科未來發(fā)展應加強前兆理論，開展多測項和多學科交叉、加強監(jiān)測臺網(wǎng)能力等方面的研究。

地震 地下流體學科 發(fā)展 福建

1 前言

地震地下流體學科主要是研究地下水含水層彈性孔隙介質(zhì)在地震孕育過程中受力、變形、破壞所引起的其水位、水溫、水氡以及化學組分的變化及其前兆特征。研究表明，地下流體在震前、震時與震后會呈現(xiàn)長—中—短—臨異常變化，可以對地震構(gòu)造運動作出靈敏的響應，通過地震地下流體的研究可以揭示地殼構(gòu)造作用或地球動力學過程與地下水動態(tài)變化之間的相互聯(lián)系的機制，可以研究在不同地質(zhì)構(gòu)造條件下地殼應力應變以及地震活動等與地下水動態(tài)變化的聯(lián)系。

地下流體的異常動態(tài)與地震的孕育和發(fā)生過程之間有著密切的成因上的聯(lián)系。地下流體作為地殼介質(zhì)的一種特殊的、最活躍的組分，觀測的物理量明確，觀測方法簡單直觀，它能夠靈敏地反映地震孕育過程中巖石的應力應變，同時地下流體的動態(tài)變化，對巖石的應力應變過程還產(chǎn)生促進作用，因此它是地殼應力應變狀態(tài)的一種指示器。多年來，地震地下流體學科獲得大量觀測資料，在我國地震預報中起著舉足輕重的作用。根據(jù)1966年～1999年大陸188例Ms≥5.0地震中，共有803項流體異常與其中126例地震相關(guān)。對比各學科前兆異常數(shù)量及其百分比：地下流體105個，50.0%；形變學科72個，34.3%；電磁學科33個，15.7%。另外，1975年～2001年成功預報破壞性地震24次，其中地下流體學科為成功預測提供依據(jù)16次，提供決策性依據(jù)13次，居測震之外的各類前兆學科之首。以上數(shù)據(jù)足可見地下流體學科在地震預報中所處的重要地位。

但是，客觀地說，我們的地震預報水平還很有限，地下流體學科研究工作還有很大困難。王慶良總結(jié)了當前預報水平低的客觀原因：強震發(fā)生概率??；監(jiān)測臺網(wǎng)稀少（許多異常捕捉不到）；震源深，地表干擾大，不能深入地下觀測；地震現(xiàn)象復雜；科學發(fā)展水平有限，地震孕育過程和前兆異常變化機理認識不夠。陳顒院士指出：研究地下流體，特別是研究孔隙流體存在兩方面困難：一是觀測方面，地面上用各種方法觀測到的是巖石作為多相的平均性質(zhì)，根據(jù)這種平均性質(zhì)反推地下流體存在的形式和數(shù)量，屬典型的反演問題；二是存在于固體巖石骨架與流動的孔隙流體的相互作用，這種作用表現(xiàn)為非線性的數(shù)學關(guān)系。因此，地下流體研究工作有更深、更遠、更好的發(fā)展，還需要廣大工作者共同努力。

2 國內(nèi)外地震地下流體學科發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國際地震地下流體學科發(fā)展現(xiàn)狀

早在上世紀30年代以來，西方國家對地下流體的研究，主要興趣放在承壓含水層的井水位變化對體應變固體潮進行響應的觀測分析方面，直到上世紀70～80年代，隨著發(fā)現(xiàn)在大震前地下水氡含量增加，才引起了對地下流體用于地震監(jiān)測的興趣和重視。地震前水位異常的原因很多，除了與地震有關(guān)的構(gòu)造應力引起的變化外，還有固體潮、氣侯變化、人為因素等的影響。而強震震后的水位變化則不同，它直接是由地震的發(fā)生引起的。國外也有很多學者對水震波做過研究，一些學者（Wakita，1975；Quilty，1997）認為幾個震源體范圍內(nèi)的承壓含水層的水位階梯狀變化是由于多孔彈性介質(zhì)對靜態(tài)應力場的響應；Blanchard等(1935)用一個有限開口空腔代表含水層，給出了水位波動振幅與地球縱向位移的比值。Eaton等(1959)通過計算求得了一個開口井水位波動最大振幅，并給出了地震波類型和波長與振幅之間的經(jīng)驗關(guān)系式。Pexin等(1962)建立了一個井孔的響應與遠震之間的關(guān)系，得到“井水地震儀”的放大倍數(shù)與波動周期的關(guān)系。Cooper等(1965)認為開口井孔中水位波動對地震波響應的程度取決于井孔的尺寸、含水層的導水系數(shù)、貯水系數(shù)和孔隙度以及波的類型，任何類型的能夠造成含水層體膨脹或垂直運動的地震波都能引起井水位的波動，但對體膨脹的響應要比對垂直運動的大得多，能同時引起膨脹和垂直運動的瑞雷波造成的井水位波動最大，并給出了不同井孔尺寸和含水層常數(shù)情況下井水位波動幅度曲線。

近幾年來，不斷出現(xiàn)一些井水位對上百公里外的地震持續(xù)單調(diào)變化響應的報道，這種響應是由地震波引起的。單調(diào)變化的持續(xù)時間因地震不同而異，短者可在幾秒內(nèi)突跳到峰值，長的單調(diào)變化可持續(xù)數(shù)天到數(shù)周，水位變化幅度遠遠超出了根據(jù)靜態(tài)應力場計算的結(jié)果(Roeloffset.al，1998；King 1999；Brodsky，2003)。

分析美國、日本、俄羅斯等國家的地震預報研究思路，在理論研究方面重視觀測資料的反演問題，建立模型進一步解釋地殼動力學特征；在分析前兆資料對地震預測的作用方面，注重資料的可靠性和穩(wěn)定性；在觀測技術(shù)方面，重視多手段的比測研究，發(fā)展盡可能避開地表環(huán)境干擾、接近深部物質(zhì)活動的觀測技術(shù)。對地震前兆機理的認識，仍然建立在前兆觀測對構(gòu)造活動應力應變響應的基礎(chǔ)上。

2.2 國內(nèi)地震地下流體學科發(fā)展現(xiàn)狀

2.2.1臺網(wǎng)建設(shè)與觀測技術(shù)

中國大陸地震地下流體觀測臺網(wǎng)現(xiàn)有專業(yè)觀測臺站（點）350余個，構(gòu)成了以水文地球化學、地下水動態(tài)和地熱3大固定觀測網(wǎng)，觀測項目主要以地下水位、地熱（水溫、地溫）、流量、氡、汞、氫、氦、CO2，以及溶解于地下水離子組分等。觀測點以斷裂帶上出露的溫泉和井深為150～400m的淺層承壓水，以及1500～3500m的深層承壓水為主，同時，還開展活斷層土壤氣（氡、汞、CO2等）的連續(xù)觀測，構(gòu)成深淺結(jié)合的立體觀測技術(shù)體系?！笆濉逼陂g，我國在華北、西北、西南建設(shè)3個流動觀測技術(shù)系統(tǒng)，其任務是進行固定觀測站的背景值觀測；在強震危險區(qū)或危險區(qū)進入短期階段開展加密觀測和宏觀異常的評估；在強震發(fā)生后開展現(xiàn)場觀測。

20世紀80年代開始，我國逐步開展從模擬觀測到數(shù)字化觀測技術(shù)的改造，目前，除水位、水溫、氡、汞等日常觀測項目實現(xiàn)數(shù)字化觀測外，在“九五”、“十五”期間，還開展了二氧化氮、氣體總量、pH值、渾濁度、微流量等新的數(shù)字化儀器的研制。數(shù)字化觀測技術(shù)的應用和推廣標志著我國地震地下流體觀測網(wǎng)在科學技術(shù)上的重大進步。

隨著“九五”、“十五”數(shù)字化進程的不斷推進，數(shù)字化觀測已在全國全面鋪開?！熬盼濉逼陂g已對28個省、市、自治區(qū)114個觀測站進行數(shù)字化技術(shù)改造，其中104個觀測站的水位與水溫（地熱）觀測實現(xiàn)了數(shù)字化、61個人工取樣水氡觀測站改造成數(shù)字化氣氡觀測站、21個人工取樣水汞觀測站改造成數(shù)字化氣汞觀測站、新上了4個數(shù)字化氦氣觀測站、3個數(shù)字化氫氣觀測站。隨著“十五”數(shù)字化進程的推進，又有134個觀測站的水位、141個觀測站的水溫（地熱）、40個觀測站的水氡、30個觀測站的水汞觀測實現(xiàn)數(shù)字化。

目前，觀測技術(shù)的發(fā)展主要體現(xiàn)在高新技術(shù)和綜合技術(shù)的應用方面。如探索研究耐高溫、耐高壓的光纖傳感器、納米技術(shù)傳感器、網(wǎng)絡(luò)傳感器、溫度和水位綜合傳感器、高精度孔隙壓傳感器等。

2.2.2理論方法和機理研究

多年來，地震地下流體學科不斷探索理論方法和地震前兆機理的研究工作。

20世紀80年代，通過對流體前兆機理的研究，李宣瑚提出了地下水氡濃度前兆異常的“擴散—收縮模式”；車用太提出了應用應力—含水層變形—水動力條件改變等作用過程，解釋了地下水位上升、下降的機理，及基于前兆的空間分布特點和在地震預測中的作用，提出了“源兆、場兆與遠兆”的觀點。

朱慶杰（2003）通過地下巖體天然裂縫的數(shù)值模擬及其對流體活動的控制研究，認為斷層、裂縫和區(qū)域不整合面構(gòu)成了流體活動的通道，流體主要分布在通道附近。裂縫的發(fā)育程度決定了巖體流體的儲存能力，從而進一步?jīng)Q定了巖石力學性質(zhì)的變化，是巖石遭受進一步破壞的前提條件。該研究給我們的啟示是：活動斷層中一定富含流體，流體的存在促使了斷層的進一步活動，監(jiān)測流體的動態(tài)變化，對判定斷層活動乃至地震活動是有堅實基礎(chǔ)的。

車用太等人（2003）通過對地殼中流體動力學模型的研究，根據(jù)影響地震流體動力特性的主要因素和介質(zhì)滲透特征，把地殼深流場分為深度小于6km的淺部帶、6～17km的過渡帶和大于17km的深部帶。分析了不同地質(zhì)環(huán)境各種地質(zhì)作用對地震流體系統(tǒng)的作用特征。對地殼中普遍存在的異?？紫秹毫ΜF(xiàn)象，從流體動力學的角度進行了解釋，認為周期性地震活動是形成異常高孔隙壓力的主導因素。

劉耀煒等人（2004）在“十五”國家科技攻關(guān)項目“地下流體短期前兆特征及機理解釋”項目研究中，系統(tǒng)總結(jié)了“單一型”和“復合型”兩類流體短期前兆的“源兆”與“場兆”的特征，提出了流體短期前兆產(chǎn)生的機理和過程模型。提出不同地殼結(jié)構(gòu)類型，直接影響強震孕育過程；由于巖石圈流體通道中的存在，使得中地殼低速高導體容易受到熱擾動影響，由此產(chǎn)生的熱應力與構(gòu)造應力迭加，是地震發(fā)生和派生短期前兆的主要原因之一。對流體短期前兆產(chǎn)生的動力源的分析認為，淺層流體活動和深部熱物質(zhì)的上涌的熱能擾動是流體短期前兆產(chǎn)生的兩個最主要因素。

近年，劉耀偉等通過大量臺網(wǎng)數(shù)據(jù)的掃描處理和震例研究，分析了地下流體強震短期前兆的典型特征，提出了典型短期前兆特征依托的實驗基礎(chǔ)和理論依據(jù)，進行了數(shù)值模擬和理論解釋，通過數(shù)值模擬方法探討了短期地震活動性圖像和強余震觸發(fā)機理。

通過“九五”、“十五”攻關(guān)研究，提出地下流體儲量變化是地震和多種前兆發(fā)生的附加力源的觀測，提出了流體對孕震過程有控制作用的論點和地殼硬夾層與流體促震假說，對前兆異常產(chǎn)生的機理提出了破裂力學成因、介質(zhì)狀態(tài)變化成因和物質(zhì)運移成因等3種成因類型，提出了前兆的深淺部流體耦合作用伴生模式。

2.2.3同震響應和震后效應

同震響應和震后效應是目前國內(nèi)外學者研究的熱點之一。有關(guān)含水層對地震波的響應研究，國內(nèi)外學者做了大量工作，取得了許多成果。

汪成民等(1988)通過對大量井水位記錄資料的分析研究發(fā)現(xiàn)：震中距大于2000km時以振蕩型為主，震中距小于500km時以階變型為主，震中距為500～2000km時以兩種變化型態(tài)的混合型為主。只出現(xiàn)水位振蕩變化的井孔，地震波引起的水位變化在振蕩過后仍會按照原來的形態(tài)變化;出現(xiàn)水位單調(diào)變化的井孔，其水位埋深有的是永久的改變，不能恢復到震前的狀態(tài)，有些井則在地震之后或快或慢趨向于恢復，恢復調(diào)整過程中的變化形態(tài)不同于正常的水位變化。

丁仁杰(1990)、萬登堡(1992)、魚金子、車用太等(1995)注意到井水位記震能力隨時間的變化，尋找其與含水層應力狀態(tài)的關(guān)系，認為單井及群井井孔水位記震能力的顯著變化與近大地震有一定關(guān)系。

國內(nèi)學者(張昭棟等，2000)對山東5口水井進行SLUG(把一圓柱體迅速放入井水位以下或取出模擬注水、抽水)試驗，認為水井含水層系統(tǒng)對地震波的響應主要取決于水井含水層系統(tǒng)的固有振動周期和振動的阻尼系數(shù)及含水層的滲流特性。固有振動周期越是接近瑞利波的振動周期(20s)，振動的阻尼系數(shù)越小，滲透系數(shù)越大，井水位對地震波的響應越強烈。

大地震發(fā)生后的外圍井點對其響應或被激發(fā)而形成的異常統(tǒng)稱為地下水的震后效應(汪成民，2001)。通過分析大量變化各異的地下水震后效應記錄，可從形態(tài)上將它們分為兩類:快速的振蕩變化和持續(xù)的單調(diào)變化;后一種類型視形成時間的長短又可分為急速的階躍變化和緩變。這三種變化型態(tài)有時候是單個出現(xiàn)，有時候是組合出現(xiàn)。

吳培雅等利用2003年至2005年6月東三旗臺站的GPS、體應變和水位觀測2年半的觀測數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)三種觀測方法不僅能觀測到固體潮與地面沉降，還能觀測地殼變形異常，但在該文中，水化觀測值還是以長度L作為量綱，未能與采用體應變儀得到的體應變值進行對比分析，造成此問題的原因是因為沒有找到一種對井水位觀測值進行標定從而給出其格值的可行方法。

晏銳等人利用昌平井體應變、水位對2004年12月26日印尼8.7級地震的響應特征進行了分析。分析結(jié)果表明，安裝在鉆井中的體應變儀所記錄到的由印尼8.7級地震所引起的體應變最大幅度為1.9222×10-7，而鉆井水位記錄到的水震波最大幅度為102.6mm，因未能得到觀測格值，不能就安裝在井孔中的體應變儀結(jié)果與井水位所得到的結(jié)果進行對比分析。

水位的階躍變化也是一種常見的震后水位變化現(xiàn)象。汪成民等(1988)通過對唐山地震引起的井水位階變異常研究，認為水位階變空間分布基本上反映了地震后構(gòu)造塊體應力調(diào)整圖象；張昭棟等(1994)認為承壓水位是含水層應力應變的反映，與區(qū)域應力場有關(guān)，水位的變化包含有地震前兆信息，進一步分析了井水位階變與含水層所受應力之間的定量關(guān)系，給出了利用承壓井潮汐理論反演含水層應力變化的方法，并估算了日本秋田7.7級地震時引起中國應力場的調(diào)整；李有才(1995)對四川幾口井的資料分析認為，強震同震階變對預報未來的強震有指示意義；王道(2000)認為地下水的階躍變化與地震破裂、構(gòu)造牽動、塊體調(diào)整有關(guān)；黃輔瓊等(2000)認為大震引起的異?？臻g叢集區(qū)，對未來的短期至中短期地震危險區(qū)有指示意義。萬登堡、付虹等(2002)把水震波、階變稱為同震效應，而把地震波經(jīng)過后緊跟的水位異常變化稱為震后效應，提出震后效應的單井、密集、條帶、遷移等空間分布可對老震區(qū)余震、外圍區(qū)及井位附近牽動性后繼地震地點有指示意義。

陳大慶等（2006）總結(jié)出了目前國內(nèi)關(guān)于井—含水層系統(tǒng)對地震波同震響應研究的6個方向的進展：第一是對地震水震波記錄特點的認識，認為同震水震波以記錄淺震為主，單井的水震波記錄通常具有方向性。第二是對井—含水層系統(tǒng)水震波記震能力的研究，認為井—含水層系統(tǒng)對地震波有天然的放大效能，不同井孔的放大倍數(shù)的大小取決于井—含水層系統(tǒng)的多方面因素，而最重要的因素可能是其導水能力，井—含水層的導水系數(shù)越大，其滲透性能越好，對井水位振蕩時產(chǎn)生的阻力越小，對地震波的響應幅度越大，響應次數(shù)越多。第三是區(qū)域應力場變化與井—含水層系統(tǒng)水震波記震能力關(guān)系的研究，認為當?shù)卣鹪杏倪^程使含水層受力狀態(tài)發(fā)生變化時，有可能引起井孔水震波記震能力的顯著變化。當含水層受壓應力作用而空隙率變小，井由此引起滲透性變?nèi)鯐r，井孔水震波記震能力可能降低，記震幅度變小，振蕩持續(xù)時間變短；相反，含水層受張應力作用而空隙率變大，井由此引起滲透性變強時，井孔水震波記震能力可能加強，記震幅度變大，振蕩持續(xù)時間變長。第四是對井—含水層系統(tǒng)響應頻率的研究，認為井—含水層系統(tǒng)對地殼中含水層應力應變的響應頻率域是較廣的，可記錄到地震波中的瑞雷波（周期為10～20s）、潮汐波動（周期為1/3～1/2d）、氣壓波動（周期為數(shù)小時～數(shù)天）。但各井對不同頻帶的信息響應能力是不同的，這種響應能力的差異一般認為取決于井—含水層系統(tǒng)對不同頻率信息的共振周期、放大系數(shù)和阻尼系數(shù)等。第五是同震波產(chǎn)生機理的研究，認為任何類型的能夠造成含水層體膨脹或垂直運動的地震波都能引起水位的波動，水位的波動主要由瑞雷波引起，因為瑞雷波可同時引起膨脹或垂直運動。當這些波通過含水層時，含水層內(nèi)孔隙介質(zhì)發(fā)生體積變化使得水位震蕩。第六是同震氣泡脫逸現(xiàn)象的研究，當水位同震出現(xiàn)水震波時，同井水溫大幅下降，并且在水面能夠觀測到大量的氣泡上涌。因此認為水溫同震下降的機制和井水氣體的釋放有關(guān)，當氣體釋放時，帶走了熱量從而降低了水溫，而水震波的成因也和氣體脫逸有關(guān)。

2.2.4野外實驗和室內(nèi)研究

早在地震科學研究的初期，野外實驗研究就被作為一種非常重要的研究手段?！笆濉逼陂g，我國利用三峽水庫蓄水過程的緩慢加載作用，研究了庫區(qū)周圍水位、水溫以及氣氡連續(xù)變化的過程；在甘肅利用井下爆破實驗，開展了地聲、流量、深井溫度以及水化學組分的應力加載實驗，對比5臺強震記錄，進行了振動能量定量分析研究，研究應力加載過程中的流體前兆機理。

目前，實驗地球化學對高溫高壓下超臨界物質(zhì)的研究，以及流體本身的動力學作用受到地學界的關(guān)注。針對性地進行以驗證地震科學某些理論觀點的流體實驗研究，是地震流體學科基礎(chǔ)研究的重要部分。地下流體的實驗研究不僅重視前兆異常信息形成的機理，還注意信息的傳遞與表現(xiàn)機理的研究，如利用水動力學模型完成了地下水化學和逸出氣異常信息遷移的實驗研究等。

2.2.5預報方法和實踐

在我國，地震預報基本可以歸納為兩個階段，即經(jīng)驗預報階段和由經(jīng)驗預報向統(tǒng)計概率預報發(fā)展階段。在此期間，許多學者對如何應用流體觀測資料進行地震預報作了大量的研究，從“七五”到“十五”，研究并完善了一系列地下流體預報指南，建立了強地震流體異常短期預報思路與方法，完成了水位水化短臨預報綜合判定方法軟件、地熱（水溫）前兆數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)。

從開展地震地下流體研究40年來，在地震預報實踐中做了大量的工作，并取得了一定成效。40年來，利用地下流體異常對我國大陸發(fā)生的一些強震作出了較好的預測意見，如1976年龍陵7.4級地震（水氡、水溫）、松潘7.2級地震（水位、水氡、水化組分）、1990年青海共和7.0級地震（水氡）、1994年云南瀾滄7.4級地震（水溫）、1998年張北6.4級地震（水氡、水溫、二氧化碳）等。根據(jù)1966年～1999年大陸188例Ms≥5.0地震中，共有803項流體異常與其中126例地震相關(guān)。另外，1975年～2001年成功預報破壞性地震24次，其中地下流體學科為成功預測提供依據(jù)16次，提供決策性依據(jù)13次，居測震之外的各類前兆學科之首。

另外許多學者應用現(xiàn)有的觀測資料，對地下流體預報工作做了大量的嘗試。簡春林（2004）根據(jù)《中國震例》（1969年～1999年）在中國大陸發(fā)生Ms≥5.0地震188次震例資料，將其中與流體異常相關(guān)的126個震例中的803項流體異常按異常出現(xiàn)、異常轉(zhuǎn)折至發(fā)震隨時間變化和異常數(shù)量隨震中距距離變化分布的時、空特征進行統(tǒng)計、分析。研究結(jié)果表明，無論是趨勢性異常還是短臨異常，在不同的時間段中，異常數(shù)量呈現(xiàn)出明顯的階段性分布特征；異常數(shù)量空間分布會隨震中距的變化而不同。在統(tǒng)計研究中還表明，兩者在時、空分布方面有較好的一致性。

晏銳等（2004）對中國大陸1969年以來11次7級強震前地下流體前兆觀測資料分階段進行統(tǒng)計分析，并選用雷達圖描述了中國大陸7級強震前地下流體前兆異常的時空特征，認為其特征主要表現(xiàn)在：異常出現(xiàn)時間上的階段性與不均勻性，中長期趨勢性異常分散，短臨異常相對集中，且各占總異常比例的50%左右；震前異常集中在一定的范圍內(nèi)，沿活動斷裂呈現(xiàn)出一定的集中性；中長期趨勢異常較早出現(xiàn)在震源區(qū)附近，并呈現(xiàn)出由震源區(qū)向外圍擴散—收縮—擴散—收縮的過程，特別是進入短臨階段后，異常向震源區(qū)收縮的趨勢更為明顯；在震源區(qū)（或在距震源較近的范圍內(nèi)）異常所占的比例大，遠離震源區(qū)所占比例小，且有由震源區(qū)向外圍逐漸減小的趨勢。

3 福建省地震地下流體學科發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 福建省地下流體監(jiān)測

福建省地下流體監(jiān)測臺網(wǎng)建立了一套地下水化學動態(tài)以水氡為主，水化學組分為背景性監(jiān)測；地下水物理動態(tài)以水位為主，流量、水溫相互配合的綜合觀測臺網(wǎng)。監(jiān)測水點的布設(shè)思路是，一方面根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造、水文條件、地震活動及觀測要求，按淺、中、深不同井深布設(shè)井泉，和監(jiān)測主要地震活動區(qū)域的前兆信息需要，沿長(樂)詔(安)斷裂和我省主要幾條北西向斷裂帶的交匯處地區(qū)以及其它地震活動區(qū)域布設(shè)地下流體監(jiān)測水點。

早期的水氡臺網(wǎng)均以FD—125氡釷觀測儀工作，上世紀80年代至90年代中期，福建水氡臺網(wǎng)的觀測系統(tǒng)處于全國水氡觀測臺網(wǎng)的先進行列，其中福州、漳州兩個專業(yè)臺站1989年均被中國地震局列入全國地下流體基本臺網(wǎng)，其余水氡觀測點均系省屬網(wǎng)點；1994年9月由蔡詩凰同志主持(與漳州地震臺張遠城同志及廈門大學)的“逸出氡氣電離法連續(xù)自記儀研制”的國家地震局臺站“三結(jié)合”課題被批準，資助研究經(jīng)費3000元。1998年6月，省局水化中心站由曾飛同志主持的在福州的烏鴉嘴泉結(jié)合國家地震局“131”工程配備的SD—3型自動測氡儀開展試觀測研究，其結(jié)果表明：只要研制宜于脫氡的泉口觀測裝置，在泉點低水頭觀測條件下，也是可以開展逸出氡數(shù)字化觀測；該實驗還對氡氣流徑與排放，泉點周邊基建、排污等影響作了較有特色的研究。長樂土壤氡氣觀測點(原采用FD—3017RaA氡釷觀測儀，后先后采用了國家地震局分析預報中心申春生等人研制的ZHNC—2型智能多路測量儀和北京市射線研究中心生產(chǎn)的RCM—2型氡連續(xù)監(jiān)測儀，2000年初因儀器故障停測)雖未列入省屬網(wǎng)點，就其觀測環(huán)境和監(jiān)測方式均為全國少有的幾個跨斷層、監(jiān)測條件較好的土壤氡氣觀測點。

早期的水位臺網(wǎng)均以SW40—1型機械式水位儀開展監(jiān)測，我省各省屬水位觀測臺站上世紀80年代初均被列為全國水位基本觀測點；1996年全國地下流體學科協(xié)調(diào)組組織全國觀測資料評比時，將福清市地震辦的龍?zhí)镉^測站納入省局水化中心站，組成福州地下流體綜合觀測臺，同樣列入省局水化中心站的全國地下流體基本臺，該井以響應潮汐變化著稱，日潮差列全國之最；永安井屬我國南方少數(shù)千米井深的地震監(jiān)測專用井；南靖湯坑群孔水位觀測網(wǎng)點也屬我國極少幾個跨斷層地震監(jiān)測專用井群之一。

1997年初，福州市地震局在福清市地震辦龍?zhí)锼挥^測站將原來的SW40—1型機械式水位儀更換為國家地震局分析預報中心申春生同志研制的DSF型流體綜合數(shù)字遙測系統(tǒng)開展水位監(jiān)測，該系統(tǒng)于1998年4月13日通過省局驗收。在一年多較為穩(wěn)定的觀測情況下，省局和福州、三明兩市地震局于1998年11月在福州市平潭北霧里井(該井系將原來的SW40—1型機械式水位儀更換為DSF型流體綜合數(shù)字遙測系統(tǒng))，閩清縣的梅埔井(該井也系將原來的SW40—1型機械式水位儀更換為DSF型流體綜合數(shù)字遙測系統(tǒng)，該水點屬地方臺網(wǎng)，但屬省局95—01—02課題水口項目水位監(jiān)測點)，三明市尤溪縣的喑坑井(該井系新建水點，該水點屬地方臺網(wǎng)，但屬省局95—01—02課題水口項目水位監(jiān)測點)安裝了該系統(tǒng)，試觀測期間運行情況不佳，3臺觀測系統(tǒng)均告停測。國家地震局分析預報中心鄂秀滿、申春生等同志先后于1999年7月和12月兩次到上述3個水點維修該系統(tǒng)，但該系統(tǒng)運行仍不是很正常。在閩清縣梅埔井安裝的該系統(tǒng)于2000年5月12日通過省局驗收。

近年來，省局和有關(guān)地市地震局進一步開展了地下流體數(shù)字化觀測的應用工作探索，水化中心站由曾飛同志主持在省局機關(guān)大院原宿舍區(qū)溫泉用水井——華林1號井用SW40—1型機械式水位儀于1999年8月27日開展了試觀測，2000年3月17日對該井開展了水氡、PH、HCO3-、CO32-、F-、水電導、Cl-、可溶性SiO2測試，4月底對該井進行水溫梯度實驗。根據(jù)省局監(jiān)測處的安排，建材設(shè)計院鉆機隊于5月18日開始對華林1號井進行清孔，后發(fā)現(xiàn)50米變徑處有滯留小口徑套管，因而停止清孔；7月21日省第二水文隊鉆機隊開始在華林1號井東側(cè)約0.7米左右，重開一口井深171米的中深井(后稱華林2號井)。9月30日完鉆。10月31日LN—3型數(shù)字式水位儀在華林2號井開始試測，2000年11月3日，華林2號井通過省局驗收。1999年7月，泉州市地震局晉江市地震辦在其大院鉆一口100米左右的專用井，用于地震地下流體數(shù)字化綜合觀測，由于SW40—1型水位儀試測效果不佳，2000年4月省局水化中心站到晉江對該井進行用SZW—1A型數(shù)字式水溫儀進行試測，效果不錯(不受抽水影響)。泉州市地震局惠安縣地震辦于2000年9月在該縣小學院內(nèi)鉆一口100多米專用井，用于地震地下流體數(shù)字化綜合觀測。泉州市地震局南安市地震辦于2000年2月向省局提出在南安市羅東鎮(zhèn)小羅溪溫泉井建立地震前兆觀測站，擬開展地震地下流體數(shù)字化綜合觀測。寧德市地震辦于1998年9月在原4號泉附近鉆一口61米多的專用井，用于地震地下流體數(shù)字化綜合觀測，該辦由蔡作馨同志主持在該井采用SW40—1型水位儀、FD—125氡釷觀測儀開展了“單井綜合觀測雙循環(huán)系統(tǒng)”的實驗研究，2000年3月通過省局組織的驗收。該辦又在上述研究的基礎(chǔ)上，加上SD—3型自動測氡儀進行試測，水流循環(huán)范圍也局限于觀測層，進一步開展“采用循環(huán)法實現(xiàn)靜水位水化單井綜合觀測”研究，該井于2000年7月開始正式用SW40—1型水位儀、FD—125氡釷觀測儀開始觀測水位、水氡。福州市地震局福清市地震辦于2000年8月在江兜井(井深120米)進行擴孔改造(擴孔至58米，下套127毫米套管)，擬用于地震地下流體數(shù)字化綜合觀測。福州市地震局擬在新建的局大院內(nèi)鉆一口200米左右的專用井，用于地震地下流體數(shù)字化綜合觀測。近幾年福清市地震辦龍?zhí)?、江兜水位觀測站；平潭北霧里井；尤溪縣的喑坑井都已改裝LN—3型數(shù)字式水位儀進行地震地下水位觀測。

3.2 福建省地震地下流體科學研究

自福建省地震局創(chuàng)建以來，廣大地震地下流體工作者憑著對人民、事業(yè)極端負責的敬業(yè)精神，在地下流體監(jiān)測、科研、預報、工程實驗、技術(shù)改造等諸多方面做出了大量且卓有成效的工作，涌現(xiàn)出一批在全國頗具影響力的科研成果。通過20多年的努力，省地震局地下流體工作者在水氡、水位、水質(zhì)、氣體等各類流體觀測技術(shù)方面，全省地球化學背景場的綜合分析研究方面、觀測資料分析處理方面、環(huán)境影響與干擾研究方面，流體監(jiān)測與地震活動方面等等，做了大量深入細致的分析研究，發(fā)表了一大批科研論文與成果。如《地震水文地球化學前兆機理的清理和攻關(guān)總結(jié)》、《福建沿海水文地球化學特征及震兆標志》、《閩東南地區(qū)無震期水氡正常動態(tài)的變化》、《閩贛部份地下水位觀測井對1986年11月15日臺灣地震異常反映》、《研究深井水位動態(tài)信息，監(jiān)測預報臺灣地震》、《福建省水氡監(jiān)測臺網(wǎng)對臺灣強震的前兆響應研究》等；由中國地震局出版的許多有影響力的專著引用了福建省地震局地下流體工作者研究的各種成果。如《水文地球化學預報地震的原理和方法》、《水文地球化學地震前兆觀測與預報》、《地震地下水手冊》、《中國地震地下水動態(tài)觀測網(wǎng)》、《地震預報方法實用化研究文集(水位水化專輯)》、《地震地下水動態(tài)及其影響因素的分析》、《地震地下水動態(tài)觀測》等。

主要成果有：1984年12月，蔡詩凰同志主持的《江西永平爆破水文地球化學效應的研究》獲國家地震局省部級科技進步三等獎；1995年12月，蔡詩凰、林家濤、莊光國等同志參加國家地震局清理攻關(guān)研究，分別獲國家地震局清理攻關(guān)專項二等獎3項，三等獎2項；1988年12月，蔡詩凰同志主持的《水壓致裂水文地球化學效應實驗研究》獲國家地震局省部級科技進步三等獎；1989年9月，蔡詩凰同志主持的《水壓致裂水文地球化學效應實驗研究》被納入國家科委“科學技術(shù)研究成果公報”（1989年第9期）中；1989年12月，省局水化中心站《福州烏鴉嘴泉地震水文地球化學觀測資料(1982—1997)》獲國家地震局省部級科技進步二等獎；1991年3月，蔡詩凰同志與國內(nèi)有關(guān)專家合作研究的《水文地球化學學科地震預報方法指南及實用軟件系統(tǒng)》獲國家地震局分析預報中心省局級科技進步一等獎；1992年11月，蔡詩凰同志主持的《水文地球化學地震監(jiān)測預報研究》獲國家地震局省部級科技進步一等獎；1994年6月，我局蔡詩凰同志的《水文地球化學地震監(jiān)測預報研究》獲國家科委國家級科技進步三等獎；1994年6月，蔡詩凰同志主持的《水文地球化學地震監(jiān)測預報研究》被納入國家科委“科學技術(shù)研究成果公報”（1994年第6期）中；1994年10月，省局水化中心站《福州烏鴉嘴泉地震水文地球化學觀測資料(1988—1992)》獲國家地震局省部級科技進步三等獎；1996年8月，莊光國同志撰寫的《海潮、固體潮的迭加對深井水位動態(tài)的影響》被收入《中國科學技術(shù)文庫》(No.1902416)等等。省局水化中心站水化學觀測資料自1982年至1995年連續(xù)14年參加全國評比獲優(yōu)秀獎前三名。2000年5月，由省局水化中心站曾飛同志主持的《水氡觀測資料應用多層次跟蹤分析法在地震預報中的研究》中國地震局臺站“三結(jié)合”課題被批準，資助研究經(jīng)費5000元。

鄭小菁等利用福建省數(shù)字地下流體網(wǎng)對2004年12月26日印尼8.7級地震的映震能力進行了分析，發(fā)現(xiàn)福建數(shù)字地下流體臺網(wǎng)對遠處大震映震能力很好，由于當時未能進行標定，僅能就波形進行定性分析。

劉序儼等在對2008年5月12日四川汶川8.0級大震的映震分析時，由于解決了井水位觀測格值問題，從而對福建有關(guān)5口水井的井水位觀測資料得到了對汶川大震所引起的體應變數(shù)值，并由體應變求出了汶川大震對福建5口水井所在地所產(chǎn)生的靜水壓力，該壓力與固體潮應力相當。

降水對井水位的變化會產(chǎn)生很大的影響，如何分析降水對井水位的影響。鄭小菁等利用主成分分析方法對此進行了分析，從此，福建省地震局對井水位觀測研究，由定性分析走向了定量分析，消除了阻礙地下流體動態(tài)變化作定量分析的瓶頸。開辟了地下流體與其他學科進行對比分析與綜合分析的思路。

3.3 福建省地震地下流體前兆機理工程實驗研究

為了探索地震地下流體前兆機理，福建省地震局地下流體工作者開展了多次大規(guī)模模擬地震孕育、發(fā)生的爆破、井下爆破和水壓致裂等地震地下流體前兆機理工程實驗研究。從1975年至1978年由國家地震局科研處組織，福建省地震局承辦，會同天津、河北、廣東、浙江、江西省地震局辦、中科院上海有機化學研究所、北京261廠、無錫縣無線電廠、以及國家地震局地質(zhì)研究所等10個單位，在江西永平銅礦于1975年10月15日、10月20日以及1978年12月6日開展了3次“爆破水文地球化學效應的研究”，其中1978年12月6日為千噸爆破。該工程實驗研究開展了地震前兆水化學組分的模擬研究，探討了爆破后形成的水化學效應以及它們與作用力、地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、地球化學環(huán)境等的關(guān)系。在江西永平地表松動爆破研究的基礎(chǔ)上，福建省地震局又于1982年12月開展了福建龍海紫泥井下爆破(分別在地下十幾米深0.35噸爆炸量和地下30多米深0.65噸爆炸量的二次井下爆破)，這二次井下爆破的實驗研究取得了比江西永平地表松動爆破更為明顯的水文地球化學效應效果。為了探索地震孕育過程觀測場對地震前兆的響應，用水壓致裂技術(shù)模擬野外自然狀態(tài)下應力逐漸積累過程，觀測周圍鉆孔水中的物理、化學參數(shù)及土壤氣體含量的變化，進而研究地震地下流體前兆機理。在國家地震局科技監(jiān)測司的組織下，我局于1985年11月至12月間在福建南靖湯坑，會同國家地震局分析預報中心、國家地震局地質(zhì)研究所、國家地震局蘭州地震研究所、國家地震局地殼應力研究所、天津、山東省地震局以及地礦部物化探研究所和福建省煤田勘探公司等單位，開展了“水壓致裂水文地球化學效應實驗研究”。該項研究在湯坑地熱區(qū)選擇了7個鉆孔和2個泉點，同時在壓裂孔周圍布設(shè)了若干條土壤氣觀測剖面，觀測了20多個項目，它們是氡含量(采用7種不同儀器做了對比觀測)；水中溶解氣體H2、He、Hg、Ar、CO2、CH4；水質(zhì)成分K+、Na+、Ca2+、Mg2+、SO24-、CO23-、HCO-3、Cl-、F-、可溶性SiO2；微量組分Sb、As以及pH值、Eh值、電導、水位、井下電流等。水壓致裂實驗給人們的最大啟示是，試驗證明，當?shù)貙邮艿侥撤N足夠大的附加應力后(地殼表層至少為35×105帕/厘米2)，人們可以觀測到相應的水化學效應。這對我們開展的諸項水化學觀測，從力學基礎(chǔ)上給予了肯定的支持，同時對今后選擇較靈敏的項目和靈敏的觀測點都具有理論及實際的指導意義。

4 福建省地震地下流體科學發(fā)展存在的問題

4.1 觀測水點監(jiān)測能力退化

我省目前除少數(shù)幾個觀測點外，多數(shù)觀測點不同程度受周邊環(huán)境或人為因素的影響，國家流體基本觀測臺的福州烏鴉嘴泉、ZⅢ—6鉆孔和漳州龍師1號井因處于市區(qū)內(nèi)，受城市采水及工業(yè)排水影響；1996年2月，寧德4號泉斷流停測，2000年7月恢復觀測。模擬監(jiān)測儀器均屬上世紀70、80年代購置的，老化嚴重，目前處于淘汰更新階段，省局水化中心站承擔全省水質(zhì)陽離子監(jiān)測的WFX—1B型原子吸收分光光度計，福州ZⅢ—6鉆孔溫泉氣體監(jiān)測103型氣相層析儀老損停測，我省從此損失了水質(zhì)陽離子和溫泉氣體監(jiān)測項目。我省流體臺網(wǎng)布局不合理、監(jiān)測項目結(jié)構(gòu)有待進一步優(yōu)化(如高精度水溫監(jiān)測，抗干擾強的井下大地微電流監(jiān)測等項目我省均未開展)和監(jiān)測設(shè)施整體水平相對落后等原因造成了我省各觀測水點監(jiān)測能力退化。

4.2 流體監(jiān)測隊伍建設(shè)有待加強

由于上世紀70、80年代開始從事地下流體的老前輩陸續(xù)退離了工作崗位，新上崗的流體科技人員業(yè)務、技能生疏，對“觀測規(guī)范”的了解熟悉不夠，觀測、記錄、報送等各個環(huán)節(jié)監(jiān)測工作執(zhí)行得不夠規(guī)范，部分監(jiān)測單位疏于管理，對流體觀測資料質(zhì)量把關(guān)不嚴。我省地下流體觀測資料質(zhì)量下降，流體學科科研成果明顯減少，在全國頗具影響力的科研、實驗成果幾乎難以尋覓，科研經(jīng)費投入和培養(yǎng)、激勵機制不足不同程度影響了流體學科拔尖人才的脫穎而出，流體學科監(jiān)測、儀修、科研、預報、管理等各類拔尖人才短缺問題嚴重。

5 福建省地震地下流體學科未來發(fā)展重點

5.1 加強地下流體前兆理論的研究

5.1.1地下流體異常產(chǎn)生的機理

目前已有的各種異常機理，實質(zhì)上大都屬于某種科學的假設(shè)。為此，仍然需要深入研究地下流體的前兆異常機理問題，提出能夠解釋實際觀測到的異常變化的新理論，即研究中要力求理論與實際相結(jié)合。

5.1.2地下流體動態(tài)變化與地殼結(jié)構(gòu)活動的關(guān)系

地殼現(xiàn)代構(gòu)造活動具有多種形式，一方面要研究在各種構(gòu)造變形中地下流體的效應，另一方面，更要研究地下流體的動態(tài)變化對構(gòu)造活動的作用和影響。

5.1.3地下流體對巖石的化學腐蝕作用

地下流體是一種化學成分復雜的天然的氣—液相物質(zhì)，因此要研究流體對巖石的各種力學參數(shù)的影響，研究其使巖石結(jié)構(gòu)破壞和強度下降等問題。

5.1.4地下流體在孕震過程中的應力應變效應

在地殼的孕震層及其下層范圍內(nèi)存在地下流體。因此，研究地殼前部和孕震層的地下流體在震源巖體變形破裂過程中所起的作用，以及研究地下流體的應力應變效應，成為地下流體前兆理論探索中的核心問題。

5.2 開展多測項和多學科的綜合研究

震源應力場、區(qū)域應力場以及其他環(huán)境因素的綜合作用，是地下流體的各種測項以及其他多種手段的前兆異常產(chǎn)生的共同原因。水位、水化及地熱的前兆異常之間，流體與其他手段的前兆異常之間，存在著內(nèi)在的成因聯(lián)系。因此我們需要開展水位、水化及地熱的前兆異常的成因關(guān)系研究和流體與形變、地電、地應力、重力等前兆異常的成因關(guān)系研究。

5.3 加強地下流體監(jiān)測臺網(wǎng)的建設(shè)

5.3.1流體井網(wǎng)布局以優(yōu)化為主，注意控制臺網(wǎng)的整體規(guī)模

臺網(wǎng)調(diào)整優(yōu)化以提高現(xiàn)有臺網(wǎng)監(jiān)測能力，特別是提高短臨預報效能為目標，改造堅持注重投資效益的原則；積極配合中國地震局臺站分級管理制度的改革，在臺網(wǎng)優(yōu)化調(diào)整中，注意培植地區(qū)中心臺成為臺站分級管理的骨干臺站，優(yōu)化臺網(wǎng)效能的發(fā)揮；注意適當補充臺網(wǎng)在湄州灣、閩西北地震活動頻繁地區(qū)流體監(jiān)測水點建設(shè)；有規(guī)劃地鼓勵、指導有條件的地方地震局辦爭取地方財政投入，參與我省流體臺網(wǎng)的調(diào)優(yōu)改造工作，逐步完善流體井網(wǎng)的合理布局，使臺網(wǎng)監(jiān)測能夠為我省特別是閩東南地區(qū)的防震減災服務，為國民經(jīng)濟建設(shè)保駕護航。

5.3.2提高現(xiàn)有骨干臺站的綜合化水平

綜合觀測應以獲取多測項的震兆信息，提高異常的可信度和綜合監(jiān)測預報效能，提高地震預報的準確度，有利于地震預報的綜合決策和地震預報科學的深入研究；推進臺網(wǎng)的綜合管理、信息交流與傳遞，避免重復觀測，最大限度地提高投入產(chǎn)出比，達到優(yōu)質(zhì)高效的產(chǎn)出觀測資料；推進臺網(wǎng)的調(diào)整優(yōu)化及觀測技術(shù)的配套，提高臺網(wǎng)的綜合監(jiān)測能力為目的。骨干臺站的單井綜合觀測應包括水位、流量、水化、地下氣體和地熱等5種以上測項。但綜合觀測應因地制宜，不能生搬硬套，關(guān)鍵是體現(xiàn)水文地球物理、化學動態(tài)監(jiān)測的綜合性。

5.3.3福建省地下流體臺網(wǎng)測項的發(fā)展方案

加強高精度水溫、流量觀測，從近年來省局水化中心站在福州、泉州兩地市對受抽水影響的井孔進行高精度水溫觀測情況看，高精度水溫觀測效果優(yōu)于水位觀測。這幾年國內(nèi)外地震監(jiān)測研究學者們認為：流量動態(tài)中信息量豐富，它可能也是地下流體諸多前兆的信息源；我省永春水化觀測點的流量變化在一定程度上對應臺灣強震有效應。加強氣體動態(tài)觀測，進一步開展地下氣體組分的觀測；多年觀測資料表明：氣體組分(地下水中溶解氣、逸出氣和斷層土壤氣)能靈敏地反映地殼介質(zhì)溫度和壓力條件的變化；據(jù)蔡詩凰同志研究，福州ZⅢ—6鉆孔溫泉的H2氣體對應臺灣強震有一定的效應。中國地震局地震地下流體學科組近年來對H2、He、CO2等氣體觀測開展了大量卓有成效的研究，并研制了相應的數(shù)字化監(jiān)測儀器。加強抗干擾監(jiān)測儀器的試觀測實驗工作。目前中國地震局地震地下流體學科組擬在福建實驗井下大地微電流數(shù)字化監(jiān)測儀的觀測實驗工作，該儀器具有不受地下水變化的影響，有一定的抗干擾性能。

[1] 中國地震局監(jiān)測預報司.強地震短期前兆異常的物理解釋[M].北京:地震出版社, 2004.

[2] 中國地震局監(jiān)測預報司.地下流體地震預報方法[M]. 北京:地震出版社,1997.

[3] 中國地震局監(jiān)測預報司.地震地下流體理論基礎(chǔ)與觀測技術(shù)[M]. 北京:地震出版社,2007.

[4] 劉耀偉,陳華靜,車用太,等.我國地震地下流體觀測研究40年發(fā)展與展望[J].國際地震動態(tài),2006,(7):3-12.

[5] 陳大慶,劉耀偉,等.我國在井含水層系統(tǒng)對地震波同震響應方面的研究進展[J].國際地震動態(tài), 2006,(7):3-12, 27-31.

[6] 晏銳,黃輔瓊,顧瑾平,等.中國大陸7級強震前地下流體前兆時空特征[J].地震,2004,(1):126-131.

[7] 簡春林.中國大陸地震地下流體異常特征研究[J]. 地震, 2004,24(1):42-49.

[8] 張清秀,陳小云,陳瑩,等. 福建省數(shù)字化水位、水溫資料的遠場效應研究[J].華北地震科學,2007,(4):49-53.

課題組成員：

1、鄭小菁，福建省地震學會秘書長，高級工程師。

2、林思誠，福建省地震局，研究員。

3、劉序儼，福建省地震局，研究員。

4、王林，福建省地震學會，秘書。

5、陳瑩，福建省地震局，工程師。

* 第一執(zhí)筆人：鄭小菁，福建省地震學會秘書長，高級工程師。