祝濤 沈紅會(huì) 李鴻宇 田韜 繆阿麗 葉碧文

江蘇省地震局，南京 210014

0 引言

流體是地球形成與演化中的主要因素，是物質(zhì)運(yùn)移和能量交換的重要途經(jīng)(車(chē)用太等，2006)。研究表明，地震前后區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的變化會(huì)改變地下流體的循環(huán)體系，并造成流體間的混合或流體和巖石間的相互作用，導(dǎo)致地下流體化學(xué)組分的異常變化(高小其等，2002)。前人針對(duì)異常變化的提取進(jìn)行了探索，并提出了一些分析方法。例如，和宏偉等(1999)以云南地區(qū)5級(jí)以上地震為研究對(duì)象，采用一階差分法對(duì)1987～1997年云南地區(qū)23個(gè)水氡觀測(cè)點(diǎn)的水氡觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，對(duì)應(yīng)率達(dá)到70%左右；范雪芳等(2002)總結(jié)了地下流體中期和中短期前兆異常的4種判定方法；葉秀薇(2004)利用從屬函數(shù)對(duì)粵閩地區(qū)地下流體與地震之間的關(guān)系進(jìn)行了初步研究；楊興悅等(2011)利用從屬函數(shù)、變差率以及趨勢(shì)速率方法提取甘肅東南部水氡資料的地震前兆異常，獲得的異常信號(hào)很好地對(duì)應(yīng)了600km以內(nèi)5.0≤M≤8.0地震。此外，研究中常用到的方法還有高通濾波法、多項(xiàng)式擬合法、經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法、概率密度分布法等(邱澤華等，2010；鐘偉等，2006；Huang et al，1998；Manshour et al，2009、2010)。

長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞地震孕育、發(fā)展、發(fā)生與地下流體的關(guān)系進(jìn)行了探索，提出了不同理論、模式來(lái)進(jìn)行解釋。如，Scholz等(1973)提出了解釋地震成因的膨脹擴(kuò)容模式，米雅奇金(1983)提出了巖石破壞的雪崩不穩(wěn)定裂隙形成模式，郭增建等(1973)提出了能量積累單元與調(diào)整單元構(gòu)成的組合模式。上述模式均在一定程度上解釋了某些大地震前出現(xiàn)的部分異?，F(xiàn)象。

本文采用從屬函數(shù)法和自適應(yīng)閾值法，對(duì)江蘇省鹽城市紡織廠井(以下簡(jiǎn)稱(chēng)鹽紡井)的Ca2+、Cl-濃度觀測(cè)資料進(jìn)行分析，嘗試提取Ca2+和Cl-濃度在地震前的異常變化。

1 鹽紡井簡(jiǎn)介

1.1 水文地質(zhì)概況

鹽紡井位于江蘇省鹽城市大慶中路，測(cè)項(xiàng)為Ca2+、Cl-濃度。觀測(cè)站周?chē)鸀榈谒南蹈采w層，覆蓋層厚度在千米以上，無(wú)基巖出露。測(cè)點(diǎn)地處鹽城斷裂西端，向北毗鄰NE向展布的洪澤-溝墩斷裂，以西靠近涇口-沙溝斷裂，向東為南黃海區(qū)內(nèi)NW向沿海岸線的濱海大斷裂。因此，臺(tái)站受4條斷裂形成的“口”字型構(gòu)造復(fù)合控制(圖1)。地下水類(lèi)型為自流抽水井，采樣深度為600m以下，屬熱水井，水溫最高可達(dá)48℃；水質(zhì)類(lèi)型為HCO3-Na型(表1)。臺(tái)站自1990年開(kāi)始觀測(cè)，原始值為日值。

圖 1 鹽城紡織廠觀測(cè)站及周邊地質(zhì)構(gòu)造

表1 鹽紡井水化學(xué)特征(采樣時(shí)間：1986年5月20日)

1.2 離子測(cè)試方法

根據(jù)《地震水文地球化學(xué)觀測(cè)技術(shù)規(guī)范》(中國(guó)地震局，2014)，Ca2+濃度采用EDTA容量法測(cè)定，Cl-濃度采用硝酸銀容量法測(cè)定。

2 觀測(cè)資料選取和目標(biāo)地震的篩選

2.1 觀測(cè)資料的選取

本文主要分析該測(cè)點(diǎn)2007～2016年的月均值數(shù)據(jù)，Ca2+和Cl-濃度月均值原始曲線如圖2 所示，兩者含量具有一定的準(zhǔn)同步性。

圖 2 鹽紡井Ca2+(a)和Cl-(b)濃度月均值曲線

2.2 目標(biāo)地震的篩選

目標(biāo)地震選取震中距200km范圍內(nèi)ML≥4.0的地震，若一年內(nèi)在同一區(qū)域多次發(fā)生中強(qiáng)地震，則以震級(jí)較大的地震為主，最終選取的地震見(jiàn)表2。

表2 2007～2016年鹽紡井200km范圍內(nèi)ML4.0以上地震目錄

3 資料分析與異常提取

選取鹽紡Ca2+和Cl-離子2007～2016年的月均值為數(shù)據(jù)序列，依次用從屬函數(shù)和自適應(yīng)閾值等方法進(jìn)行異常的提取與分析。

3.1 利用從屬函數(shù)法進(jìn)行資料分析

(1)計(jì)算：從屬函數(shù)法公式為

(1)

(2)

其中，μi為從屬函數(shù)值；ki為觀測(cè)時(shí)間序列M(t)的斜率；γi為M(t)與t的相關(guān)系數(shù)；α為經(jīng)驗(yàn)函數(shù)，由小到大進(jìn)行選取，直至異常表現(xiàn)突出；擬合窗長(zhǎng)為n=5；由于鹽紡井離子濃度上升為異常，因此只取ki>0的μi來(lái)描述，記作Vi。

(2)異常指標(biāo)：當(dāng)鹽紡離子濃度的從屬函數(shù)值V≥0.5時(shí)，視為異常。

(3)異常特征：在統(tǒng)計(jì)時(shí)間段內(nèi)，鹽紡井Ca2+離子濃度出現(xiàn)了6次異常，Cl-離子濃度出現(xiàn)了4次異常，異常特征及其對(duì)應(yīng)地震見(jiàn)圖3 和表3。

鹽紡井Ca2+離子濃度從屬函數(shù)異常持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)為11個(gè)月，最短為3個(gè)月；鹽紡井Cl-離子濃度從屬函數(shù)異常持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)為13個(gè)月，最短為3個(gè)月。異常的持續(xù)時(shí)間與震級(jí)之間沒(méi)有明顯的數(shù)量關(guān)系。

(4)對(duì)應(yīng)地震情況：在統(tǒng)計(jì)時(shí)間段內(nèi)，鹽紡井Ca2+離子的6次異常有4次對(duì)應(yīng)地震，對(duì)應(yīng)率為60%，漏報(bào)率為20%，虛報(bào)率為40%。鹽紡Cl-離子的4次異常均對(duì)應(yīng)地震，對(duì)應(yīng)率為100%，漏報(bào)率為20%，虛報(bào)率為0。

圖 3 鹽紡井Ca2+(a)和Cl-(b)濃度從屬函數(shù)曲線

表 3 鹽紡井Ca2+、Cl-濃度從屬函數(shù)異常特征及對(duì)應(yīng)地震

3.2 利用自適應(yīng)閾值法進(jìn)行異常提取

(1)計(jì)算：自適應(yīng)閾值法公式為

(3)

(2)異常指標(biāo)：當(dāng)鹽紡離子濃度的自適應(yīng)閾值超過(guò)其2倍均方差時(shí)，視為異常。

(3)異常特征：在統(tǒng)計(jì)時(shí)間段內(nèi)，鹽紡井Ca2+離子、Cl-離子濃度均出現(xiàn)了5次異常，異常特征及其對(duì)應(yīng)地震見(jiàn)圖4 和表4。

圖 4 鹽紡井Ca2+(a)和Cl-(b)濃度自適應(yīng)閾值曲線

表 4 鹽紡井Ca2+、Cl-濃度自適應(yīng)閾值異常特征及對(duì)應(yīng)地震

注：間隔時(shí)間負(fù)號(hào)表示異常出現(xiàn)在地震之后。

鹽紡井Ca2+離子濃度自適應(yīng)閾值異常持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)為3個(gè)月，最短為2個(gè)月；鹽紡井Cl-離子濃度從屬函數(shù)異常持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)為6個(gè)月，最短為1個(gè)月。異常的持續(xù)時(shí)間與震級(jí)之間沒(méi)有明顯的數(shù)量關(guān)系。

(4)地震對(duì)應(yīng)情況：在統(tǒng)計(jì)時(shí)間段內(nèi)，鹽紡井Ca2+、Cl-離子濃度均出現(xiàn)5次異常，有4次異常發(fā)生后對(duì)應(yīng)地震，有1次異常發(fā)生在震后，對(duì)應(yīng)率為80%，漏報(bào)率為20%，虛報(bào)率20%。

4 鹽紡井Ca2+、Cl-映震機(jī)理討論

由于鹽紡井僅僅開(kāi)展了Ca2+和Cl-離子觀測(cè)，沒(méi)有其它測(cè)項(xiàng)可以協(xié)助開(kāi)展機(jī)理分析，相鄰地區(qū)也無(wú)其它流體觀測(cè)手段，因此，本文以2012年高郵ML5.3地震為例，以鹽城臺(tái)(距鹽紡井約10km)的波速比和地磁諧波振幅比為主要依據(jù)，使用膨脹擴(kuò)容(DD)模式討論鹽紡井Ca2+和Cl-離子的映震機(jī)理。

4.1 鹽城臺(tái)波速比

利用2009年1月～2013年12月鹽城臺(tái)120km范圍內(nèi)的地震目錄資料，計(jì)算單臺(tái)波速比，計(jì)算方法為

(4)

式中，tPi為P波走時(shí)，Δti為P波和S波的走時(shí)差，i=1，2，…，n(n為每次地震到時(shí)的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù))。

計(jì)算波速比的約束條件為：Δt≤15s，相關(guān)系數(shù)R≥0.95，波速比誤差估計(jì)σ≤0.05，震級(jí)下限ML1.5，選擇視窗18個(gè)月的窗口，逐月滑動(dòng)時(shí)間窗，計(jì)算得到波速比(vP/vS)隨時(shí)間的變化。

圖 5為參與計(jì)算的地震分布情況，圖6 為波速比計(jì)算結(jié)果。由圖6 可見(jiàn)，在2012年7月20日高郵地震前，鹽城臺(tái)波速比出現(xiàn)了顯著的下降變化，并于震后迅速恢復(fù)，具體過(guò)程可以分為3個(gè)階段。第一階段(2010年8月～2011年2月)，隨著應(yīng)力的積累，新的微裂隙產(chǎn)生或原有裂隙擴(kuò)張，巖體發(fā)生膨脹和擴(kuò)容，波速比開(kāi)始下降，巖體的擴(kuò)容導(dǎo)致了本身的孔隙壓降低，孔隙中的流體呈現(xiàn)不飽和狀態(tài)，深部的鹵水開(kāi)始滲入到裂隙中；第二階段(2011年3月～2012年6月)，由于鹵水的滲流速度較慢，因此波速比到達(dá)最低點(diǎn)后將在低值波動(dòng)一段時(shí)間；第三階段(2012年7月～2012年8月)，隨著深部鹵水的滲入，巖體的孔隙壓和彈性模量增大，波速比回升，巖體加速破裂進(jìn)而發(fā)震。

圖 5 參與計(jì)算的地震分布

圖 6 鹽城臺(tái)波速比計(jì)算結(jié)果

4.2 地磁諧波振幅比

地磁諧波振幅比YZHx(NS)和YZHy(EW)的定義為

(5)

(6)

其中，Z(ω)、Hx(ω)、Hy(ω)分別為地磁場(chǎng)的垂直分量、南北和東西向水平分量的頻譜，ω為圓頻率。

馮志生等(2013)指出，對(duì)于隨時(shí)間周期變化的不均勻場(chǎng)源，在地球介質(zhì)為均勻各向同性的平面導(dǎo)體的條件下YZHx(NS)和YZHy(EW)與地下介質(zhì)的電阻率ρ呈正比，即YZHx(NS)和YZHy(EW)的變化可以近似反映地下介質(zhì)電阻率ρ的變化。

利用諧波振幅比研究鹽城臺(tái)周邊地下介質(zhì)的電阻率變化，資料選取、處理和計(jì)算過(guò)程為：①選取鹽城臺(tái)地磁三分量F、H、D相對(duì)觀測(cè)資料，并轉(zhuǎn)換成Z、Hx、Hy；②利用富式擬合去噪聲，加漢寧窗去高頻干擾，窗長(zhǎng)為6h；③計(jì)算每分鐘的三分量富氏譜Z(ω)、Hx(ω)、Hy(ω)；④計(jì)算10～60min共6個(gè)頻帶的地磁諧波振幅比，并使用年滑動(dòng)平均法去年變化，計(jì)算結(jié)果如圖7 所示。

圖 7 鹽城諧波振幅比結(jié)果

鹽城臺(tái)諧波振幅比在多個(gè)周期內(nèi)出現(xiàn)了下降—轉(zhuǎn)折—恢復(fù)的變化特征。下降的起始時(shí)間約在2010年7月～2011年2月，轉(zhuǎn)折時(shí)間均集中在2012年1～3月，恢復(fù)所用的時(shí)間不完全一致，跨度較短的于2012年10月恢復(fù)，跨度較長(zhǎng)的在2014年才緩慢回升。

4.3 膨脹擴(kuò)容(DD)模式

根據(jù)Scholz等(1973)提出的膨脹擴(kuò)容模式，孕震過(guò)程可以分為彈性應(yīng)變、膨脹裂隙形成和地下水?dāng)U散3個(gè)階段。如圖8 所示，2012年高郵ML5.3地震孕震過(guò)程與這一模式較為符合，具體的過(guò)程如下：

圖 8 膨脹擴(kuò)容模式示意圖

(1)彈性應(yīng)變階段(2010年8月之前)，該階段還未出現(xiàn)前兆現(xiàn)象。

(2)膨脹裂隙形成階段(2010年8月～2012年2月)，因膨脹而新形成的裂隙中，由于流入了流體，導(dǎo)致震源區(qū)的介質(zhì)處于不飽和的狀態(tài)，引起鹽城臺(tái)的波速比和諧波振幅比(深部電阻率)出現(xiàn)明顯的下降變化。

(3)地下水?dāng)U散階段(2012年2月～2012年7月)，由于地下水的進(jìn)一步擴(kuò)散，膨脹巖石的物理性質(zhì)恢復(fù)，使得波速比、電阻率等轉(zhuǎn)折回升；當(dāng)?shù)V化度較高的深層鹵水?dāng)U散至淺層，并與淺層地下水混合后，鹽紡水化站的Ca2+、Cl-濃度上升；由于流體的滲入，破裂過(guò)程得以加速，進(jìn)而發(fā)震。

5 結(jié)論與討論

5.1 地震中短期指示意義

通過(guò)對(duì)鹽紡井Ca2+和Cl-離子濃度進(jìn)行的異常提取，結(jié)果顯示Ca2+和Cl-離子濃度異常出現(xiàn)時(shí)間多在震前半年左右，對(duì)臺(tái)站200km范圍內(nèi)的地震具有較好的中短期指示意義。

5.2 映震靈敏性成因分析

中國(guó)地震局地下流體學(xué)科技術(shù)管理組于2015年和2016年對(duì)鹽紡井進(jìn)行了水化學(xué)成分測(cè)試，獲得了水質(zhì)、氫氧同位素和氦同位素結(jié)果(1)高小其，2016，2016年華東流體異?，F(xiàn)場(chǎng)核實(shí)工作匯報(bào)，中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所內(nèi)部資料.。測(cè)試結(jié)果顯示，鹽紡井離子特征與該地區(qū)地下水特征基本一致，但是總?cè)芙夤腆w(TDS)特征低于區(qū)域地下水特征，表明該井屬于較封閉的地下水環(huán)境；Na-K-Mg三角圖顯示該井水屬于部分平衡水范疇(圖9)，表明該井水的水-巖反應(yīng)相對(duì)較為充分，水流系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定；地?zé)釡貥?biāo)顯示該井水的熱儲(chǔ)溫度介于71～150℃之間，熱儲(chǔ)深度大致在2.3～5km；氫氧同位素測(cè)值顯著偏離全球大氣降水線(圖10)，其氧同位素富集可能表明該井水為大氣降水補(bǔ)給，且水體經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)距離的運(yùn)移和蒸發(fā)作用，與該井水較低TDS、時(shí)間序列無(wú)明顯年變特征一致，2015年測(cè)量的3He/4He結(jié)果也顯示該井水殼源He同位素貢獻(xiàn)率高達(dá)62%，大氣He同位素貢獻(xiàn)率為38%。

圖 9 鹽紡井Na-K-Mg三角圖

圖 10 鹽紡井氫氧同位素圖

地下水地球化學(xué)成因數(shù)據(jù)顯示該井地下水補(bǔ)給循環(huán)較深，不易受淺層降水及環(huán)境干擾。波速比和地磁諧波振幅比的結(jié)果表明，鹽紡井Ca2+、Cl-離子濃度在震前的快速上升可能與深部流體上涌有關(guān)。井水的水-巖反應(yīng)程度適中，比較適合開(kāi)展地震地下流體地球化學(xué)觀測(cè)，較易獲取地震前兆異常信息，這可能是該井Ca2+和Cl-具有較好映震靈敏性的原因。

然而，本文研究處于初步階段，仍然存在不足之處，比如每一次地震前是否均會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似于2012年高郵ML5.3地震前的3個(gè)階段，還有待進(jìn)一步深入研究。

致謝：中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所高小其教授在鹽紡井水文地球化學(xué)資料收集過(guò)程中給予了支持和幫助，并對(duì)論文撰寫(xiě)給予指導(dǎo)，在此表示感謝。