孫小龍，劉耀煒，付 虹，晏 銳

(1.中國地震局地殼應(yīng)力研究所，北京 100085；2.云南省地震局，云南 昆明 650224；3.中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045)

0 引言

自1966年邢臺地區(qū)隆堯6.8級、寧晉7.2級地震發(fā)生后，我國開始了以水文地質(zhì)學(xué)和水文地球化學(xué)為基礎(chǔ)學(xué)科的地震地下流體觀測研究。經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，形成了井水位觀測臺網(wǎng)、井水溫觀測臺網(wǎng)和地球化學(xué)觀測臺網(wǎng)，通過觀測地下水、地下氣和地?zé)岬膭討B(tài)獲取地震孕育、發(fā)生以及成災(zāi)過程中地球物理場和地球化學(xué)動態(tài)的變化，并建立了一套基于理論指導(dǎo)下的經(jīng)驗性地震預(yù)測預(yù)報體系(劉耀煒等，2006)，在我國防震減災(zāi)工作中發(fā)揮著積極作用。

眾所周知，“地震預(yù)測是世界性難題”，無法用現(xiàn)有觀測資料準(zhǔn)確預(yù)測下一次地震“什么時候發(fā)生？”“在哪里發(fā)生？”以及“震級有多大？”，這也是地震預(yù)報工作需要回答的3個關(guān)鍵性問題。雖然在半個世紀(jì)的資料和經(jīng)驗積累過程中有過具有減災(zāi)實效的地震預(yù)測，但不可否認(rèn)，目前的地震預(yù)測現(xiàn)狀也僅限于震前“打招呼”的水平，無法做到地震三要素的準(zhǔn)確預(yù)測，尤其是利用單方法、單手段開展地震預(yù)測實踐時，只能做到為震情分析提供時間、地點(diǎn)和震級三要素中某一方面的判定依據(jù)，地震地下流體也是如此。

隨著我國經(jīng)濟(jì)實力的穩(wěn)步增強(qiáng)，對地震監(jiān)測臺網(wǎng)、觀測技術(shù)的投入也在不斷增長，地下流體監(jiān)測技術(shù)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、自動化水平不斷提升，觀測資料日益豐富。但社會大眾對地下水資源的利用和需求也突飛猛進(jìn)，地震地下流體觀測面臨“干擾嚴(yán)重”的現(xiàn)實問題，特別是一些建在地?zé)岙惓^(qū)、地下水開采區(qū)以及基礎(chǔ)設(shè)施快速發(fā)展區(qū)的觀測井(泉)，其觀測數(shù)據(jù)無法避免地會受到環(huán)境和人為的干擾(孫小龍等，2013)。

因此，地震地下流體學(xué)科的進(jìn)步與發(fā)展，不僅需要思考如何回答地震預(yù)報三要素的科學(xué)問題，更迫切的是要面對以上客觀現(xiàn)實的限制，并為突破這些限制尋找有效的解決方法，這也是2008年汶川8.0級地震震后反思得出的主要認(rèn)識(張肇誠，張煒，2009；劉耀煒，任宏微，2009)。汶川8.0級地震發(fā)生后的十多年中，地震地下流體學(xué)科除了監(jiān)測技術(shù)方法的發(fā)展外，與之相匹配的分析預(yù)報技術(shù)有何進(jìn)展？解決了什么科學(xué)技術(shù)問題？當(dāng)前還存在哪些尚未解決的科學(xué)與技術(shù)問題？本文將從業(yè)務(wù)體系構(gòu)建、新技術(shù)新方法探索、基礎(chǔ)理論研究和震例回顧等方面梳理地下流體學(xué)科分析預(yù)報工作的主要進(jìn)展，并對今后發(fā)展方向做出展望，期望能與地震地下流體同仁們一起思考和討論。

1 業(yè)務(wù)體系構(gòu)建

從世界范圍來看，地震預(yù)報仍處于探索階段，人類尚未完全掌握地震孕育發(fā)展的基本規(guī)律，現(xiàn)有的預(yù)測預(yù)報過程主要是根據(jù)多年積累的觀測資料和震例，進(jìn)行經(jīng)驗性分析與判定。現(xiàn)階段地下流體地震預(yù)報的水平和現(xiàn)狀可以概括為3個特點(diǎn)：①對地震前兆現(xiàn)象有所了解，但遠(yuǎn)沒有掌握其成因機(jī)理與孕震的物理關(guān)系；②在一定條件下能夠?qū)δ承╊愋偷牡卣鹪诙膛R期階段做出震前預(yù)測，但發(fā)震地點(diǎn)和震級判定指標(biāo)不多；③對地震大形勢和年度地震重點(diǎn)危險區(qū)分析能夠發(fā)揮作用，但缺少規(guī)范性的資料分析方法及指標(biāo)判據(jù)。因此，構(gòu)建可操作的地震預(yù)測預(yù)報業(yè)務(wù)體系，就成為2008年汶川8.0級地震后分析預(yù)報工作面臨的主要任務(wù)。

為了從獲取前兆異常的源頭上夯實地震預(yù)測預(yù)報的基礎(chǔ)，從地震孕育的過程中尋找與地震發(fā)生密切相關(guān)的前兆信息，充分發(fā)揮地震監(jiān)測預(yù)報各學(xué)科專業(yè)團(tuán)隊的攻堅作用，中國地震局監(jiān)測預(yù)報司于2014年組織成立了測震、形變、地下流體和電磁4個學(xué)科的分析預(yù)報技術(shù)管理組(中震測函〔2014〕7號)，并授權(quán)各學(xué)科分析預(yù)報技術(shù)管理組組織各省、市地震局分析預(yù)報人員，開展了異?，F(xiàn)場核實、預(yù)報效能檢驗、預(yù)測指標(biāo)梳理、技術(shù)方法整理和會商機(jī)制改革等一系列的分析預(yù)報業(yè)務(wù)能力提升工作。

1.1 強(qiáng)化異?，F(xiàn)場核實分析

當(dāng)前地下流體地震預(yù)測預(yù)報主要是依據(jù)與構(gòu)造活動相關(guān)且能反映孕震過程的異常信息。但要判斷觀測異常是否與構(gòu)造活動及地震孕育過程有物理聯(lián)系，必須對所獲取的觀測異常做進(jìn)一步的現(xiàn)場核實與異常信息的分析判定。2013年開始，學(xué)科組著手推進(jìn)觀測異?，F(xiàn)場核實工作的規(guī)范化工作，強(qiáng)調(diào)異?，F(xiàn)場核實工作中論證過程的科學(xué)性和異常核實報告的規(guī)范性，開展了異?，F(xiàn)場核實報告的評比工作。2013年中國地震局監(jiān)測預(yù)報司下發(fā)地下流體學(xué)科異常變化現(xiàn)場核實報告編寫要求(試行版)(中震測函〔2013〕39號)，2014—2016年推進(jìn)異常核實裝備應(yīng)用與分析方法培訓(xùn)，頒布異?，F(xiàn)場核實工作設(shè)備推薦清單(震應(yīng)便函〔2016〕61號)，推進(jìn)新技術(shù)、新方法的使用，強(qiáng)化異常核實工作的時效性，強(qiáng)調(diào)異常性質(zhì)和異常機(jī)理的分析論證過程與結(jié)論。2019年3月頒布地震行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《地震觀測異?，F(xiàn)場核實報告編寫 地下流體》(DB/T 70—2018)，使地下流體學(xué)科異?，F(xiàn)場核實工作納入行業(yè)規(guī)范化業(yè)務(wù)體系。

1.2 評估觀測資料預(yù)報效能

地下流體作為前兆觀測手段之一，在地震危險性判定中發(fā)揮著不可替代的作用，尤其是短臨預(yù)報。利用地下流體異常變化來判定未來一段時間的地震危險性，主要是通過識別地下流體觀測數(shù)據(jù)中能反映構(gòu)造活動或區(qū)域應(yīng)力調(diào)整狀態(tài)的異常信息，并依據(jù)這些異常變化的時空演化特征分析可能存在的地震危險區(qū)及地震強(qiáng)度。但實際上，并非所有的觀測資料異常信息都能客觀反映構(gòu)造活動或區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)變化，由于受客觀條件的限制，各類觀測資料的數(shù)據(jù)質(zhì)量良莠不齊。為科學(xué)客觀評價地震地下流體觀測資料的預(yù)報效能，地下流體學(xué)科于2013年首次組織了學(xué)科觀測資料預(yù)報效能評估(中震測函〔2013〕157號)，分別從基礎(chǔ)資料、觀測質(zhì)量、影響因素和震例評估等方面對每一項資料進(jìn)行檢驗，并每年對其進(jìn)行動態(tài)跟蹤?？傮w來看，地下流體觀測資料中預(yù)報效能較高的測項約占50%，這些觀測資料及預(yù)報效能檢驗結(jié)果是地震分析預(yù)報工作的重要基礎(chǔ)，也是日常震情跟蹤特別是學(xué)科年度會商結(jié)論的判定依據(jù)。

1.3 構(gòu)建學(xué)科異常知識庫

為了提高對地下流體異常識別的可操作性和規(guī)范化程度，保持異常判定方法的繼承性，明確異常判定指標(biāo)的意義，自2015年以來，地下流體學(xué)科逐步完善了學(xué)科預(yù)測業(yè)務(wù)體系。地下流體預(yù)測業(yè)務(wù)體系幾乎涵蓋了地下流體學(xué)科所有業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)，主要通過梳理各類異常核實報告、年度會商報告、《中國震例》、論文論著等，整理成相關(guān)數(shù)據(jù)庫供學(xué)科分析預(yù)報人員在日常震情跟蹤分析和年度會商工作中參考使用。內(nèi)容主要包括：①建立學(xué)科異常特征庫，為異常性質(zhì)和信度判定提供參考依據(jù)和實例；②建立學(xué)科異常方法庫，為異常核實與分析提供方法支撐和案例；③建立學(xué)科異常指標(biāo)庫，為異常識別和震情判定提供分析指標(biāo)和依據(jù)。需要明確的是，雖然學(xué)科預(yù)測業(yè)務(wù)體系已初步形成，但是隨著震例和觀測資料的不斷積累，當(dāng)前所建立的異常特征庫、異常方法庫和異常指標(biāo)庫，也要動態(tài)調(diào)整變化，以滿足實際業(yè)務(wù)需求，正所謂預(yù)測業(yè)務(wù)體系永遠(yuǎn)在路上，需要不斷地總結(jié)和完善。

1.4 研發(fā)會商技術(shù)方法

在日常跟蹤工作中，分析預(yù)報人員要處理觀測數(shù)據(jù)、繪制時序曲線和空間圖，還要對各類異常進(jìn)行統(tǒng)計分析等，這一系列繁瑣的工作耗費(fèi)時間、人力。為了將分析預(yù)報人員從此類簡單重復(fù)的繁雜事務(wù)中解放出來，使其更加集中精力于異常分析和震情判定，自2016年以來，中國地震局監(jiān)測預(yù)報司組織學(xué)科力量，整合異常核實、異常分析和日常會商中常用且相對成熟的方法，基于Datist數(shù)據(jù)專家系統(tǒng)，開發(fā)相關(guān)技術(shù)方法，搭建會商技術(shù)系統(tǒng)平臺，將全國各省局分析預(yù)報人員研發(fā)的各類技術(shù)流程及時上線并運(yùn)行，實現(xiàn)資源和產(chǎn)品共享。地下流體學(xué)科也不例外，現(xiàn)已集成并上線試運(yùn)行的流程包括：全國異常零報告表自動統(tǒng)計、異常核實報告自動統(tǒng)計、常用異常核實方法、典型異常提取方法、觀測曲線自動繪圖以及觀測資料效能檢驗等。以上各類流程在日常震情跟蹤和會商中給分析預(yù)報人員帶來了極大的便利，并在業(yè)務(wù)工作中發(fā)揮了積極的作用。

1.5 推進(jìn)年度學(xué)科會商機(jī)制改革

2010年中國地震局監(jiān)測預(yù)報司首次組織召開了定點(diǎn)前兆學(xué)科(形變、流體、電磁)綜合會商會，流體學(xué)科基于年度內(nèi)出現(xiàn)的異常特征，主要使用異常集中性、異常數(shù)量加速性、準(zhǔn)同步群體異常等，給出了未來1～3年地震趨勢判定意見。2011—2016年，地下流體學(xué)科年度學(xué)科會商會機(jī)制逐步完善，形成了以年度異常梳理、異常信度判定及異常特征總結(jié)為目的的學(xué)科會商機(jī)制，并及時產(chǎn)出地下流體學(xué)科年度會商報告，為全國地震大形勢會商會和全國年度危險區(qū)分析提供參考依據(jù)。2016年之后，隨著構(gòu)造地球化學(xué)?？茣毯蛯W(xué)科指標(biāo)體系工作的不斷推進(jìn)，學(xué)科年度會商會在繼承原有機(jī)制的基礎(chǔ)上，廣泛吸收?？茣毯椭笜?biāo)體系成果，除了給出年度異常信度和異常特征外，嘗試性地對未來一年的地震形勢做出判定，并形成相應(yīng)的危險區(qū)分析與判定意見。

2008年汶川8.0級地震發(fā)生后，為了反思吸取以往的經(jīng)驗教訓(xùn)、彌補(bǔ)地震預(yù)報業(yè)務(wù)體系中存在的短板，經(jīng)過十多年的努力完善和會商機(jī)制改革，地震預(yù)報業(yè)務(wù)框架體系已初步構(gòu)建，形成了“宏微觀異常零報告登記-異常現(xiàn)場核實與分析-震情監(jiān)視跟蹤與會商研判”的業(yè)務(wù)鏈條。地下流體學(xué)科工作也是該鏈條中的組成部分之一，相關(guān)的技術(shù)方法、異常分析和判定指標(biāo)在整個業(yè)務(wù)體系中發(fā)揮的作用越來越重要。

2 新技術(shù)、新方法探索

21世紀(jì)初，針對觀測井孔和觀測儀器老化、觀測技術(shù)水平跟不上技術(shù)現(xiàn)代化發(fā)展要求的現(xiàn)狀，中國地震局在“九五”“十五”期間實施了前兆臺站觀測技術(shù)改造工程，對全國前兆觀測井進(jìn)行了數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化改造。經(jīng)歷了十幾年的資料積累與實踐，數(shù)字化觀測的優(yōu)勢逐漸被行業(yè)內(nèi)同行所認(rèn)可，與之前的模擬觀測相比，數(shù)字化觀測具有數(shù)據(jù)傳輸速度快、數(shù)據(jù)信息量豐富、人為誤差少等優(yōu)點(diǎn)(孫小龍等，2016a)。為了使這些豐富的觀測資料得到更廣泛的應(yīng)用，與觀測技術(shù)相對應(yīng)的分析預(yù)報方法，如觀測資料信號分解方法、高頻信息異常識別方法、資料預(yù)測效能檢驗方法、異常核實分析技術(shù)等也有了相應(yīng)進(jìn)步。

2.1 數(shù)據(jù)處理與異常識別方法

地下流體觀測技術(shù)經(jīng)歷了數(shù)字化改造后，觀測設(shè)備采樣率明顯提高，除了常采用的月均值、旬均值和日均值外，還出現(xiàn)了整點(diǎn)值、分鐘值、秒值以及更高頻的數(shù)據(jù)，為捕捉地震孕育及發(fā)生過程中的異常信息提供了更豐富的資料。為了挖掘以及更充分地利用這些異常信息，近年來分析預(yù)報人員不斷總結(jié)探索，提出了諸多數(shù)據(jù)處理和異常識別的技術(shù)方法。

區(qū)域構(gòu)造作用既有長期的緩慢加載作用，也有短期的加速變化特征，這些作用會引起淺層地殼介質(zhì)相應(yīng)的地殼變形，進(jìn)而會影響地下流體觀測數(shù)據(jù)的長期趨勢變化或短期異常波動(孫小龍等，2011)?；诖苏J(rèn)識，分析預(yù)報人員常常對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行信號分解，從原始觀測數(shù)據(jù)中剝離出長周期的趨勢變化項和短周期的高頻波動項。傳統(tǒng)的方法主要有線性擬合、平滑濾波、矩平分析、Fourier變換等(賈化周，楊玉榮，1985)。隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的不斷發(fā)展，地下流體學(xué)科也引入了小波分析、經(jīng)驗?zāi)B(tài)分析等方法，并取得了較好的應(yīng)用效果(晏銳等，2011；孫小龍等，2016a)。小波分析是當(dāng)前應(yīng)用數(shù)學(xué)和工程學(xué)科中一個迅速發(fā)展的新領(lǐng)域，與Fourier變換相比，小波變換是空間(時間)和頻率的局部變換，因而能有效地從信號中提取信息。地下流體觀測井所處的井-含水層系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，是典型的具有非線性、非平穩(wěn)特征的時間序列。近年出現(xiàn)的經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法是一種新型的非線性信號處理方法，該方法可將不同時間尺度的波動逐級分離出來，不同尺度的波動稱為固有模態(tài)函數(shù)，接著再對其進(jìn)行Hilbert變換，稱為HHT變換。此方法既吸取了小波變換多分辨率的優(yōu)點(diǎn)，又克服了小波變換中選擇小波基的困難，因此，可適用于非線性、非平穩(wěn)信號的濾波和去噪。該方法在對流體數(shù)據(jù)進(jìn)行多尺度變化分析時具有良好的效果，可用于提取流體資料中的趨勢變化項和短期高頻波動信息(孫小龍等，2011)。

近年來，復(fù)雜動力系統(tǒng)的臨界慢化現(xiàn)象在不同的學(xué)科領(lǐng)域都受到了普遍關(guān)注，對地下流體觀測資料的臨界慢化現(xiàn)象的研究，無論在提高前兆觀測資料的認(rèn)識水平、判定前兆異常所處的階段，還是拓展地震前兆資料用于地震預(yù)測預(yù)報研究的技術(shù)手段等方面都具有一定的現(xiàn)實意義和科學(xué)價值。晏銳等(2011)基于巖石破裂實驗結(jié)果并結(jié)合臨界慢化理論，在分析臨界慢化現(xiàn)象可能導(dǎo)致的自相關(guān)系數(shù)和方差增大現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，將其應(yīng)用于水氡濃度觀測資料的處理中，以龍門山斷裂周邊地區(qū)4個水氡觀測點(diǎn)資料為例介紹了臨界慢化的計算方法，并結(jié)合汶川8.0級地震前全國模擬水氡觀測資料的計算結(jié)果討論了可能存在的臨界慢化現(xiàn)象，研究結(jié)果表明：汶川8.0級地震前，不同臺站的水氡濃度都存在明顯的臨界慢化現(xiàn)象。將臨界慢化理論引入地震前兆資料的研究，對深入認(rèn)識地震前兆機(jī)理、判定前兆異常所處階段以及提高地震預(yù)測水平都具有重要的現(xiàn)實意義和科學(xué)價值。

與臨界慢化原理類似，地下流體觀測資料中長周期的趨勢變化項受構(gòu)造環(huán)境和水文地質(zhì)條件的影響較大(郭增建等，1974；楊明波等，2009)，而其短周期的高頻信息在無其它干擾因素的條件下，多表現(xiàn)為一種服從正態(tài)分布的隨機(jī)信號。從統(tǒng)計的角度分析，在去除趨勢變化后，且無其它影響因素存在的條件下，觀測資料變化值服從正態(tài)分布。但是，如果存在某種干擾(如構(gòu)造活動、應(yīng)力變化或接近發(fā)震時刻)，其高頻信息就會發(fā)生波動，并且波動會依干擾強(qiáng)度的變化而發(fā)生變化。因此，在理想狀態(tài)下，觀測資料中含有的高頻信息的概率密度分布應(yīng)符合正態(tài)分布N(0，σ)，高頻信息的標(biāo)準(zhǔn)差σ相對穩(wěn)定，干擾信息強(qiáng)度λ值接近于零。如果存在干擾因素，如在地震孕育期間構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，σ值就會發(fā)生變化，那么觀測資料中含有的高頻信息的概率密度分布就會偏離正態(tài)分布，λ值就會大于零。孫小龍等(2016a)引入概率密度分布法，分析了2008年汶川8.0級地震前南北地震帶及其附近區(qū)域72個測點(diǎn)的數(shù)字化水位和水溫分鐘值采樣高頻觀測資料，結(jié)果顯示：地震前有16個測點(diǎn)水位和14個測點(diǎn)水溫出現(xiàn)高頻異常信息，且這些觀測點(diǎn)多集中在滇西南構(gòu)造帶，異常出現(xiàn)的時間呈現(xiàn)出由南向北推移的特征。因此概率密度分布法在流體資料的高頻異常信息提取方面具有一定的可靠性與適用性，可為數(shù)字化高頻觀測資料異常識別提供借鑒。

2.2 資料預(yù)測效能檢驗方法

Molchan圖表法是目前國際上“地震可預(yù)測性合作研究”計劃(Collaboratory for the Study of Earthquake Predictability，簡稱CSEP)(1)http：//www.cseptesting.org.中采用的6種統(tǒng)計檢驗方法之一，它能客觀和科學(xué)地進(jìn)行地震預(yù)測評估，還能解決固定研究區(qū)域內(nèi)地震時間預(yù)測問題，并給出相應(yīng)的概率解釋(Jordan，2006)，已被廣泛應(yīng)用于常規(guī)的確定性和概率性預(yù)測的統(tǒng)計檢驗和效能評估中(Zechar，Jordan，2008)。Molchan圖表法，主要是針對預(yù)測值與目標(biāo)地震差異度的檢驗(Molchan，1990)，它既能直觀地反應(yīng)觀測資料的整體預(yù)報效能對其進(jìn)行評估，又能定量地分析異常，提取最佳閾值所對應(yīng)的異常判定指標(biāo)。王博等(2018)首次將該方法引入地下流體資料的預(yù)測效能評估，其主要參量包括：漏報率v(預(yù)測無震而實際發(fā)震的數(shù)量與總的實際發(fā)震數(shù)之比)和異常的時空占率τ(不同的閾值提取異常的時空范圍與總的時空范圍之比)。利用此方法對某個觀測點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)預(yù)測效果進(jìn)行檢驗時，僅需考慮時間占有率，所有異常時間及其有效預(yù)測期所累積的總時間長度(去重復(fù))除以被檢驗數(shù)據(jù)的總時間長度，通過不斷降低預(yù)測的“警報”閾值，分別計算異常在時間上的占有率τ和相應(yīng)的漏報率v，得到Molchan圖表中的τ-v曲線。曲線與圖表的邊界線所包圍的面積大小代表檢驗的預(yù)測效果，面積越小預(yù)測效果越好。另外還需考察概率增益Gain：

(1)

Gain的數(shù)值越大時，預(yù)測效果越好，若Gain=1，τ-v曲線接近直線時，表示無統(tǒng)計意義。實際檢驗的具體過程為：在給定閾值后，超出閾值的數(shù)據(jù)為異常值，地震發(fā)生在異常值所在時間段及其有效預(yù)測期之外時，為漏報；反之，為報準(zhǔn)。

孫小龍等(2018)利用Molchan圖表法對云南會澤井水位的預(yù)測效能進(jìn)行定量檢驗，結(jié)果顯示：會澤井水位異常的整體預(yù)測效能較好，對地震發(fā)生的時間和地點(diǎn)具有一定的指示意義；地震對應(yīng)優(yōu)勢預(yù)測時間段為3個月以內(nèi)，優(yōu)勢預(yù)測地區(qū)為川滇菱形地塊以東區(qū)域。

2.3 地球化學(xué)分析方法

地球化學(xué)是研究地球的化學(xué)組成、化學(xué)作用和化學(xué)演化的學(xué)科。地球化學(xué)基于研究目的可分為元素地球化學(xué)、氣體地球化學(xué)、同位素地球化學(xué)、構(gòu)造地球化學(xué)、水文地球化學(xué)等。近年來，隨著便攜式化學(xué)測試儀器的普及，又衍生出構(gòu)造地震地球化學(xué)，即依據(jù)氣體地球化學(xué)、同位素地球化學(xué)及水文地球化學(xué)相關(guān)理論方法，來分析斷裂帶不同區(qū)段的深淺部流體地球化學(xué)特征及不同組分的物質(zhì)來源，構(gòu)建斷裂帶活動的流體運(yùn)移動力學(xué)模型，通過示蹤性元素及源解析方法，獲得有關(guān)地球化學(xué)背景值和斷裂帶活動性分段特征，為震情趨勢跟蹤研判提供依據(jù)(高小其等，2018)。近年來，地下流體學(xué)科逐步將地球化學(xué)分析方法引入學(xué)科異常核實、震情跟蹤等，并取得了良好的實踐效果。

研究表明，地震孕育、發(fā)生過程中的氣體地球化學(xué)參量變化，可以有效揭示地殼內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)與斷層開啟，從而對可能的地震破裂區(qū)給出較明確的判定依據(jù)。斷裂帶是地殼放氣的通道，通過觀察斷裂帶土壤氣中的Rn，Hg，CO2和H2等氣體組分的時空變化特征，能靈敏地反映所在區(qū)域的地殼放氣情況，洞察地下物理、化學(xué)變化和區(qū)域應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，從而對構(gòu)造活動提供地球化學(xué)信息(汪成民等，1991；Ciotolietal，2007；Zhouetal，2017；Yangetal，2018；耿杰等，2019)。研究斷層土壤氣與斷層運(yùn)動和應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)系，為分析斷層位置、活動性、啟閉性提供了模型與判據(jù)(Annunziatellisetal，2008；Baubronetal，2002)；土壤氣氡的動力加載特征(劉耀煒等，2009)、汞的深部作用特征(Zhangetal，2014；Zhouetal，2017)、氫的斷層新破裂面示蹤(范雪芳等，2016)等方面研究取得的顯著進(jìn)展，為地震重點(diǎn)危險區(qū)判定和地震大形勢研究提供了有效途徑(李營等，2009；孫小龍等，2016b；周曉成等，2017)。

但是，僅僅通過土壤氣濃度含量判定活動斷裂帶的構(gòu)造活動性是不夠的，因為活動斷裂帶的流體可能有多種來源(Yangetal，2005；Giammancoetal，2008)，除了大氣降水(包括海水)向深部循環(huán)導(dǎo)致斷裂帶含有流體之外，巖石成巖、進(jìn)變質(zhì)及剪切加熱造成的礦物脫水也可能是淺層活動斷裂帶流體的一個來源(Hickmanetal，1995)。另外，深源巖漿排出的流體或幔源流體也是斷裂帶流體可能的來源(Kennedyetal，1997)。地下深部流體作為地球內(nèi)部物理、化學(xué)變化的產(chǎn)物，攜帶著大量深部信息被帶到地表，同時，這些流體在整個循環(huán)運(yùn)移的過程中，可能與圍巖發(fā)生相互作用，不僅自身的很多理化性質(zhì)會發(fā)生變化，也會引起圍巖的蝕變，導(dǎo)致某些元素的富集和礦物的形成(趙軍等，2009)。因此，斷裂帶幔源氣體可為斷裂帶深部地質(zhì)構(gòu)造研究提供有科學(xué)價值的信息和有效的研究途徑(Kennedyetal，1997；陶明信等，2005)。流體地球化學(xué)參量攜帶著深部流體運(yùn)動及流體-巖石相互作用的大量信息，是指示深部構(gòu)造活動的重要因子。在構(gòu)造活動強(qiáng)烈期及地震活動時期，地殼介質(zhì)中水-巖之間原有的平衡狀態(tài)也會被打破，出現(xiàn)地球化學(xué)異常，可為地震短臨預(yù)報提供證據(jù)?；顒訑嗔褞У叵铝黧w常表現(xiàn)出很多地球化學(xué)異?，F(xiàn)象，可以為斷裂帶內(nèi)的斷層活動性及其構(gòu)造狀態(tài)研究提供新的證據(jù)(Quattrocchietal，2000)。

識別斷裂帶流體的物質(zhì)來源，是利用流體地球化學(xué)異常判別斷裂帶活動特性的關(guān)鍵技術(shù)。幔源氣體包含著豐富的地球深部信息，其脫氣并運(yùn)移上升需要在一定的構(gòu)造條件下才會發(fā)生，故有可能反映深部的地質(zhì)構(gòu)造問題。隨著新的觀測技術(shù)和理論的發(fā)展，地震斷裂帶同位素分析技術(shù)為研究微量氣體來源示蹤提供了技術(shù)支撐(Dario，Paolo，1999；Chingetal，2008；李其林等，2019)。殼源和上地幔源氦的3He/4He值相差達(dá)3個數(shù)量級，且He為惰性化學(xué)元素，故He同位素是一種判識幔源氣體最靈敏的地球化學(xué)示蹤指標(biāo)(陶明信等，2005)。H2，CH4，CO2是斷裂帶氣體中的主要組分，其C，H，O同位素組成也是判識氣體成因與來源的常用地球化學(xué)指標(biāo)，但由于其影響因素較多且具多解性(陶明信，陳發(fā)源，1995)，因此，與稀有氣體同位素等地球化學(xué)指標(biāo)結(jié)合進(jìn)行綜合判識則更具科學(xué)性。杜建國和劉叢強(qiáng)(2003)論述了流體同位素地球化學(xué)的基本原理及其在地震活動過程中的變化特征、異常判識的同位素地球化學(xué)方法及其在地震預(yù)測方面的應(yīng)用；劉耀煒等(2009)介紹了穩(wěn)定同位素2H，18O以及放射性同位素3H，14C的特征與示蹤技術(shù)，并分析了該技術(shù)在研究地下水對構(gòu)造活動發(fā)生和對應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)等方面的應(yīng)用；張磊等(2016)對氫氧同位素方法在地下水水位、水溫、化學(xué)組分和宏觀異常中的使用進(jìn)行了討論，認(rèn)為該方法的廣泛使用，有助于識別地下水異常的構(gòu)造與非構(gòu)造影響因素。

除了利用同位素示蹤技術(shù)外，也嘗試運(yùn)用斷裂帶地下水體中的化學(xué)離子組分，并結(jié)合同位素特征，來識別斷裂帶流體的來源及其是否受大氣降水的影響。在水循環(huán)過程中，水化學(xué)成分環(huán)境同位素作為水循環(huán)研究中的示蹤劑，在一定程度上記錄著水分運(yùn)移、轉(zhuǎn)化的歷史，可以有效地揭示流域內(nèi)地表水和地下水之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系(聶振龍等，2005；宋獻(xiàn)方等，2007)。地下水中的離子交換反應(yīng)(Ca/Mg，Na/K和TDS等)能指示地下水、河水和地表徑流之間的關(guān)系(Grasbyetal，1999)。將同位素技術(shù)和水化學(xué)方法結(jié)合起來，將會提高斷裂帶流體來源深度分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性(蘇小四等，2009)。周志華等(2014)通過對遼寧中南部地下井泉水的物理化學(xué)性質(zhì)、水化學(xué)組成和水中逸出氣體組成的測定，討論了研究區(qū)內(nèi)各種地下水體的化學(xué)組成類型和形成過程；蘇鶴軍等(2010)利用水化學(xué)分析、氫氧與氦同位素組成特征初步分析了祁連山斷裂帶地下水成因、水質(zhì)類型、循環(huán)速度及循環(huán)深度，為研究地下流體地震前兆異常提供了參考；孫小龍等(2016b)以海原斷裂帶為研究對象，利用氫氧同位素及水化學(xué)組分分析得出研究區(qū)地下水與圍巖水巖相互作用程度、水巖平衡狀態(tài)、地下水循環(huán)深度、地下水補(bǔ)給來源、水循環(huán)周期以及新老水體交換情況。

3 基礎(chǔ)理論研究

3.1 井水位對周期性加載的響應(yīng)

地下水是反映地殼應(yīng)力與固體變形最敏感的物質(zhì)之一，當(dāng)井-含水層系統(tǒng)處于封閉性良好的承壓體系中時，該系統(tǒng)即為一個天然體應(yīng)變儀。井-含水層系統(tǒng)對地殼應(yīng)變響應(yīng)的靈敏度與井孔特征和含水層水文參數(shù)密切相關(guān)，不同的井-含水層系統(tǒng)對相同的周期性加載具有不同的響應(yīng)。水文地質(zhì)學(xué)家們經(jīng)常通過分析固定周期的加載作用對井水位的影響，來探討井水位對地殼應(yīng)力、應(yīng)變之間的響應(yīng)機(jī)制。自然界中，最常見的周期性加載作用主要有固體潮、地震波和氣壓波動。這些具有固定周期的加載，為研究井-含水層系統(tǒng)的動力響應(yīng)機(jī)制(Roeloffs，1996；Elkhouryetal，2006；Shietal，2013；Yanetal，2016)、獲取含水層系統(tǒng)水文參數(shù)(Xueetal，2013；Mangaetal，2016；Shi，Wang，2016)等提供了便利條件。有時還可根據(jù)井孔是否對周期性荷載作用具有靈敏響應(yīng)來確定監(jiān)測井是否能夠探測到流體前兆信息(Roeloffs，1988)。

地震波加載是最常見的一種周期性加載作用，井水位對其的響應(yīng)常表現(xiàn)為水震波。由于地震事件與地下水響應(yīng)之間的確定性和相關(guān)性，同震響應(yīng)的研究是地震水文學(xué)研究的重要方向之一(Shietal，2018)，尤其以井水位和泉水流量的研究最為常見，為此，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究，并取得了豐富的研究成果(Brodskyetal，2003；Elkhouryetal，2006；Mangaetal，2012；Shietal，2013；Sunetal，2015；Nayaketal，2018；毛巍穎，2018)。近年來，隨著井水位觀測技術(shù)的進(jìn)步，秒采樣的水位觀測數(shù)據(jù)為更細(xì)化的同震響應(yīng)研究提供了便利條件(Sunetal，2015；向陽等，2017)。地震波加載周期約為幾秒到幾十秒，相對來說是一種高頻加載，與之相似但較為低頻的另一種加載為固體潮加載作用，它是一種由于日、月引力變化引起的固體周期性變形作用，具有較為固定的加載周期，如日波、半日波變化，它引起的井水位周期變化即為水位固體潮響應(yīng)。井水位對地震波和固體潮的響應(yīng)，從機(jī)理來說并無太大差異，其響應(yīng)特征均與井孔條件和含水層滲透性參數(shù)(導(dǎo)水系數(shù))密切相關(guān)(Sunetal，2019)。

井水位對周期性加載作用的放大因子，與含水層導(dǎo)水系數(shù)的大小直接相關(guān)，尤其在地震波作用周期段，導(dǎo)水系數(shù)越大，對加載作用的放大因子越大，而在固體潮加載周期段則不太明顯。因此，如果井孔觀測含水層導(dǎo)水系數(shù)過小，則對地震波加載作用的放大因子小于1，也即抑制作用，這也是部分地下流體觀測井記錄不到同震水震波卻有清晰的固體潮響應(yīng)的主要原因。除水震波和固體潮外，氣壓加載也是一種常見的周期加載作用，只是氣壓加載的頻段要更為寬泛，可以從幾秒到幾十天。井水位的氣壓響應(yīng)機(jī)理更為復(fù)雜，既有氣壓從井水面到含水層的壓力傳遞，也有通過地面到觀測含水層的壓力傳遞，以及二者的相互平衡。Sun等(2019)分析了會澤臺相鄰不到10 m的兩口井的水位對不同來源的周期性加載的響應(yīng)特征，通過井水位頻譜特征、氣壓傳遞函數(shù)、潮汐響應(yīng)和微水試驗等，分析了兩口井的井水位對周期性加載響應(yīng)的靈敏性。結(jié)果顯示：由于井-含水層系統(tǒng)自身的差異，井水位對周期性加載的響應(yīng)完全不同，這種差異性與觀測含水層的承壓性及滲透性密切相關(guān)。如果含水層過于接近地表或承壓性不好，淺地表干擾信息會淹沒井-含水層系統(tǒng)對周期性加載作用的響應(yīng)，這種井水位不利于捕捉微弱的構(gòu)造應(yīng)力變化。因此，在確定地震地下水監(jiān)測井的合理位置的時候更應(yīng)該考慮井-含水層系統(tǒng)所在的水文地質(zhì)條件及構(gòu)造條件。

3.2 地震引起的介質(zhì)滲透率變化

斷層活動導(dǎo)致斷裂帶裂隙廣泛發(fā)育，使其成為地殼中流體運(yùn)移與聚集的有利通道和場所(Byerlee，1993)。斷裂帶可作為通道、屏障或通道與屏障的組合系統(tǒng)，增強(qiáng)或阻礙地下流體的流動(Caineetal，1996)。水力傳導(dǎo)能力良好的斷裂帶，可連接淺層和深部地質(zhì)環(huán)境(Benseetal，2013)，并影響一系列的地質(zhì)過程，如區(qū)域地下水流動、油氣運(yùn)移和熱液循環(huán)；也會影響部分工業(yè)活動，如核廢料儲存和二氧化碳封存等。上地殼斷裂帶中流體的流動特性取決于斷裂帶物質(zhì)結(jié)構(gòu)特征和滲透性參數(shù)(Hincksetal，2018)，斷裂帶滲透率是評估斷裂帶對流體運(yùn)移模式影響的關(guān)鍵參數(shù)(段慶寶，楊曉松，2014)。地震孕育和發(fā)生過程中產(chǎn)生的靜態(tài)或動態(tài)應(yīng)力作用有時會引起斷裂帶滲透率的變化(Kinoshitaetal，2015)，進(jìn)而引起地下水流狀態(tài)的改變(Wangetal，2013)，通過監(jiān)測斷裂帶上井水或泉水的物理和化學(xué)參量變化，可有效捕捉斷裂帶滲透率變化信息(Yanetal，2016)。因此，監(jiān)測斷裂帶及其附近區(qū)域地下水對地震加載作用的動態(tài)響應(yīng)，可為獲取斷裂帶滲透率時空變化以及識別斷裂帶流體活動狀態(tài)提供有效途徑(Shietal，2018)。

Jonsson等(2003)認(rèn)為井水位同震響應(yīng)是由斷層破裂過程中產(chǎn)生的同震庫侖應(yīng)力所引起，即同震體應(yīng)變是水位同震響應(yīng)的主要原因，并提出了應(yīng)變四象限模式。近些年的研究結(jié)果顯示這種模式只適用于近場水位的同震響應(yīng)，無法解釋遠(yuǎn)場地震引起的水位同震響應(yīng)，因為遠(yuǎn)場同震體應(yīng)變值過小，無法引起較大幅度的井水位同震響應(yīng)，其真正的原因是地震波作用使含水層巖體的滲透率發(fā)生了變化(Elkhouryetal，2006)，大量野外觀測和巖石實驗也證明了這一認(rèn)識(Elkhouryetal，2011；Massart，Selvadurai，2012)。Roeloffs(1998)認(rèn)為井水位的緩慢變化是由同震引起的孔隙壓變化所致；Brodsky等(2003)認(rèn)為是瑞利波引起的水流作用誘使含水層孔隙壓或裂隙網(wǎng)絡(luò)發(fā)生重新分布，進(jìn)而增強(qiáng)了含水層的滲透率；Wang等(2009)研究發(fā)現(xiàn)，由于瞬時應(yīng)力加載作用，S波和Love波也可引起滲透率的變化。地震誘發(fā)或地震波引起的地殼變形和地面振動，一方面可使含水層固體骨架發(fā)生變形、巖體出現(xiàn)裂隙(Montgomery，Manga，2003；Prideetal，2004)，另一方面在地震波驅(qū)使下的周期性水流作用可使含水層孔隙或裂隙介質(zhì)中的填充物被沖刷走或重新排列(Wangetal，2004；Mays，2010)，這些作用均可使含水層中滲透性發(fā)生變化。這種觀點(diǎn)被普遍認(rèn)可，特別是針對近場以外的同震水文響應(yīng)(Shietal，2015；Yanetal，2016；Mohretal，2017)。

野外觀測和模擬實驗表明，在構(gòu)造作用活躍的地區(qū)，斷裂帶似乎更具滲透性，最接近最大水平應(yīng)力方向或剪切應(yīng)力與正應(yīng)力之比較高的裂隙介質(zhì)通常具有較高的滲透性(Henningsetal，2012；Langetal，2018)?？梢?，區(qū)域應(yīng)力場及其調(diào)整對斷裂帶滲透率的影響較為明顯。不論是近場地震產(chǎn)生的靜態(tài)應(yīng)力，還是遠(yuǎn)場地震引起的動態(tài)應(yīng)力，均可導(dǎo)致淺層地殼介質(zhì)滲透率的變化(Wang，Manga，2010；Mangaetal，2012；Laietal，2016)。地震引起的地殼變形和地面振動，可以通過地表沉積物固結(jié)、固體巖石破裂、含水層骨架變形、裂隙填充物清除等方式改變斷裂帶及其周圍巖土介質(zhì)的滲透率(Montgomery，Manga，2003)。另外，在背景構(gòu)造應(yīng)力較高的活動斷裂帶中，破碎巖體對動態(tài)應(yīng)力的擾動更為敏感(Shalevetal，2016)，斷裂帶內(nèi)的流體活動局限在高滲透率的破碎帶中(陳建業(yè)等，2011)。在同樣的動力加載作用下，相比斷裂破碎帶以外的含水層介質(zhì)，斷裂破碎帶內(nèi)的巖體介質(zhì)更易受損、滲透率更易發(fā)生變化(Yanetal，2016)。而且，動態(tài)應(yīng)變引起的滲透率變化不僅與體積應(yīng)變有關(guān)，而且與偏應(yīng)變有關(guān)，地震引起的偏應(yīng)變可引起斷層破碎帶上的含水層產(chǎn)生微破裂，進(jìn)而引起孔隙度和滲透率的變化(Shalevetal，2016)。巖石實驗結(jié)果顯示，剪切應(yīng)力作用更容易使裂隙巖石的滲透率出現(xiàn)增強(qiáng)的現(xiàn)象(Faoroetal，2012；Ishibashietal，2018)。

大多數(shù)地下水同震響應(yīng)現(xiàn)象所反映的含水層滲透率變化均表現(xiàn)為不同程度的增強(qiáng)(Elkhouryetal，2006；Shi，Wang，2014；Wangetal，2016)，早期的水文地質(zhì)學(xué)家和地球物理學(xué)家們傾向于把滲透率增強(qiáng)視作一個重要因素來進(jìn)行風(fēng)險評估，如地震對地下垃圾填埋場的影響、供水安全、油井產(chǎn)量提升、觸發(fā)地震和地?zé)衢_發(fā)等。而巖石實驗則表明，在動態(tài)應(yīng)力作用下滲透率降低也是可能的(Liu，Manga，2009)，該認(rèn)識近期得到了野外觀測結(jié)果的支持(Rutteretal，2016；Shietal，2018)。除了井水位或泉水流量對地震作用的動態(tài)響應(yīng)研究之外，地震引起的地下水化學(xué)測項的動態(tài)響應(yīng)變化也同樣被大家所關(guān)注(Reddy，Nagabhushanam，2012；Rosenetal，2018)，這些水化學(xué)組分的動態(tài)變化亦可歸因于地震引起的斷裂帶/含水層應(yīng)力狀態(tài)的改變或滲透性結(jié)構(gòu)的變化(Skeltonetal，2014；Barberioetal，2017)。由此可見，地震引起的地下水動態(tài)響應(yīng)研究，為斷裂帶應(yīng)力狀態(tài)和滲透性結(jié)構(gòu)識別提供了可靠的分析手段。

3.3 斷裂帶土壤氣逸出機(jī)制及影響因素

隨著地球化學(xué)新方法在地下流體學(xué)科業(yè)務(wù)工作中的不斷引進(jìn)與深入，地球化學(xué)參量在構(gòu)造和地震活動中的變化特征及機(jī)理研究也在不斷推進(jìn)，尤其是斷裂帶土壤逸出氣的應(yīng)用與研究。研究表明，地表的土壤氣濃度與所處位置的裂隙發(fā)育程度密切相關(guān)，而裂隙發(fā)育程度又與其區(qū)域應(yīng)力作用直接相關(guān)，因此，不同構(gòu)造作用環(huán)境中的斷層帶，其跨斷層土壤氣濃度的分布也不盡相同。裂隙或斷層在氣體運(yùn)移過程中扮演著重要的角色，不同結(jié)構(gòu)特征的斷層為氣氡運(yùn)移提供了不同的逸出通道。根據(jù)斷裂帶的變形程度，可將其細(xì)分為核部、破裂帶和圍巖(Yehuda，Charles，2003)，它們在流體運(yùn)移過程中起著不同的作用。斷裂帶核部可能表現(xiàn)為一個滑動面，也可能由富粘土的斷層泥組成，甚或形成高度固結(jié)的碎裂巖帶，核部厚度很窄，小斷層可能只有2～3 mm，大斷層約10～20 cm，盡管斷裂帶核部寬度普遍很窄，但卻吸收了斷裂帶大部分的變形。破裂帶規(guī)模比起核部來說相對較大，寬度約數(shù)百米，但變形程度相對較弱。在破裂帶中，小斷層、裂隙以及小褶皺比較發(fā)育。而分布在破裂帶之外的圍巖，基本不發(fā)生變形。

根據(jù)斷裂帶核部在流體運(yùn)移中所起的作用(導(dǎo)管或隔層)，斷裂帶可分為4類：局部導(dǎo)水?dāng)鄬訋?、?dǎo)水?dāng)鄬訋?、局部隔水?dāng)鄬訋Ш蛯?dǎo)水-隔水復(fù)合斷層帶，分別代表了斷層演化過程中的流體運(yùn)移的幾個理想階段(Caineetal，1996)。新形成的斷層可能只有一個破裂面，位移距離也很小，因此流體沿著該破裂面的滲透率較大，從而形成了局部導(dǎo)水?dāng)鄬訋?；隨著斷層的擴(kuò)展，沿主破裂面兩側(cè)可能形成了格網(wǎng)狀的破裂帶，使得該斷層帶的滲透率增高，形成導(dǎo)水?dāng)鄬訋?；但也可能破裂帶并不發(fā)育，而僅形成核部的斷層泥和碎裂巖等，成為流體運(yùn)移的屏障，形成局部隔水?dāng)鄬訋?；但在自然界中最常見的為?dǎo)水-隔水復(fù)合斷層帶，其核部的斷層泥和碎裂巖等對流體起阻隔作用，而兩側(cè)的破裂帶則滲透率較高。斷層核和破碎帶不同的組成結(jié)構(gòu)，直接影響到深部氣體向地表或大氣的逸出效率。破碎帶裂隙發(fā)育、斷層核滲透率較高的結(jié)構(gòu)，就會為氣體逸出提供更好的通道，其土壤氣的濃度值也就會較高，反之，如果破碎帶無裂隙發(fā)育、斷層核隔水，那么氣體就沒有向上逸出的通道，土壤氣的濃度值就會偏低。

淺地殼介質(zhì)中新裂隙的產(chǎn)生一方面可以產(chǎn)生更多的氣體(如氣氡、氫氣等)，另一方面也為氣體的遷移提供通道。但是，如果原本處于開啟狀態(tài)的裂隙受到應(yīng)力作用而發(fā)生閉合，氣體遷移的通道就會被阻斷，不利于氣體遷移。因此，如果斷層及其破碎帶受到不同方向的應(yīng)力作用，其裂隙的開戶與閉合狀態(tài)也會不同，進(jìn)而其地表土壤氣濃度的分布也會不同。不同的區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力方向直接影響到斷層的運(yùn)動方向、變形特征以及裂隙狀態(tài)，進(jìn)而會影響斷層核部及破碎帶的滲透率。當(dāng)然，斷裂帶土壤氣體濃度除了受裂隙發(fā)育程度、區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力作用的影響外，也受到其它一些因素的影響，如基巖性質(zhì)、土壤濕度、溫度等，不同的氣體其富集與運(yùn)移機(jī)制也不盡相同，在實際應(yīng)用中要具體分析。

3.4 流體活動與誘發(fā)地震

地震一般發(fā)生在構(gòu)造活動區(qū)，并沿板塊邊界或變形構(gòu)造帶分布，在這些變形區(qū)域，彈性應(yīng)變能在地殼中積累，并以地震的形式得以釋放(Ellsworth，2013)。在板塊內(nèi)部，盡管其變形速率很低，但是如果剪切應(yīng)力水平達(dá)到地殼破裂臨界值，也可能發(fā)生地震(Townend，Zoback，2000)，在這種情況下，極小的擾動就會引起斷層錯動而發(fā)生地震，如利用高壓向基巖注水即可誘發(fā)地震(Zoback，Harjes，1997；Evansetal，2012)。近年來，注水誘發(fā)地震一直是相關(guān)學(xué)者們的研究熱點(diǎn)(Zhangetal，2012；Ellsworth，2013；Sumyetal，2014)。要確定一個地震是誘發(fā)地震還是天然地震并非易事，為此學(xué)者們一直致力于天然地震和誘發(fā)地震的流體觸發(fā)機(jī)制研究(Zoback，Harjes，1997；Shapiroetal，2002；Faulkneretal，2010；Bachmannetal，2012)，關(guān)注點(diǎn)主要集中在流體作用產(chǎn)生的外部擾動能量是否足以誘發(fā)地震或使地殼應(yīng)力狀態(tài)從亞失穩(wěn)變?yōu)槭Х€(wěn)，即觸發(fā)地震。

在工業(yè)領(lǐng)域里，人工加壓注水方法已廣泛應(yīng)用于采油、采氣、采鹽及廢水處理等方面，高壓注水會導(dǎo)致小震活動的增強(qiáng)(Atkinsonetal，2015)。注水誘發(fā)地震的機(jī)制分間接作用和直接作用兩類(Ellsworth，2013)，直接作用主要表現(xiàn)為注水過程中的流體壓力擴(kuò)散，即流體通過注水井直接進(jìn)入滲透性的含水層或油氣儲層，并通過裂隙或孔隙介質(zhì)擴(kuò)散至周邊斷層，增加斷層面上的孔隙壓力，進(jìn)而誘發(fā)地震；間接作用主要為孔隙彈性介質(zhì)的重力加載，即反復(fù)的注/抽水過程中含水層或儲層的體積和質(zhì)量會發(fā)生變化，對周邊斷層的加/卸載作用也會發(fā)生變化，進(jìn)而引起斷層活動或地震。針對注水誘發(fā)地震，前人結(jié)合鉆孔注水試驗結(jié)果和理論推導(dǎo)，提出了觸發(fā)地震的流體擴(kuò)散系數(shù)方法，并研究了誘發(fā)地震的時空分布特征，認(rèn)為誘發(fā)地震活動分為水壓致裂造成的快速過程和孔隙壓力擴(kuò)散的慢速過程，隨著注水時間的加長，地震活動范圍也逐漸擴(kuò)大，注水停止后地震空間分布范圍也會隨之收縮(Parotidisetal，2003；Shapiroetal，2002)。Shapiro等(2006)進(jìn)一步研究表明，只有在孔隙中水達(dá)到飽和后，才能觸發(fā)地震。

荷載與孔隙壓力是目前公認(rèn)的2個水庫誘發(fā)地震的可能機(jī)理。其中，荷載對誘發(fā)地震的作用已有很多研究，但普遍認(rèn)為，孔隙壓力的作用可能更重要。由于直接觀測孔隙壓力擴(kuò)散過程很困難，有關(guān)孔隙壓力作用的討論仍在繼續(xù)深入。深入探討孔隙壓力的作用，探索測算孔隙壓力擴(kuò)散系數(shù)的方法，尋找其時空演化過程是深入認(rèn)識孔隙壓力在水庫誘發(fā)地震中作用的關(guān)鍵科學(xué)問題(劉遠(yuǎn)征，2015)。另外，雖然注水活動或水庫蓄水誘發(fā)的地震多數(shù)震級較小，但隨著注水和蓄水作用的持續(xù)，誘發(fā)地表有感地震或具有破壞性地震的可能性也是存在的。McGarr(2014)研究表明，注水誘發(fā)地震的最大震級與注水量密切相關(guān)，其最大地震矩、累積地震矩和注水量存在一定的線性關(guān)系。

4 震例回顧總結(jié)

《中國震例》(張肇誠，1988；陳棋福，2008；蔣海昆，2014)，收錄了自1966年以來典型震例資料總結(jié)研究報告中的所有信息，以及在震例總結(jié)研究過程中收集的臺站信息、定點(diǎn)觀測項目、異常統(tǒng)計和統(tǒng)計匯總，其中包括大量的地下流體前兆信息。孫小龍等(2016c)基于《中國震例》記錄的1966年以來的歷史震例，按異常測項和變化類型分類統(tǒng)計了與地下流體相關(guān)的異常數(shù)量與震級、震中距、持續(xù)時間之間的相關(guān)性。結(jié)果顯示：中國大陸6.5級以下地震的地下流體異常數(shù)量與震級無相關(guān)性；6.5級以上地震，隨震級的增大流體異常增多，異常時空演化主要表現(xiàn)為“向震中收縮”“構(gòu)造控制”和“相對集中”3種典型特征，震前異常數(shù)量主要表現(xiàn)為“持續(xù)增長”型和“先增后減”型兩類，且以“先增后減”型居多。

2008年汶川8.0級地震后，中國大陸相繼發(fā)生了多次6級以上地震，其中震前存在流體異常的有2013年蘆山7.0級地震，2014年魯?shù)?.5級、景谷6.6級地震，2018年精河6.6級地震以及2018年九寨溝7.0級地震。有學(xué)者針對可能與這些地震有關(guān)的地下流體異?，F(xiàn)象做了相應(yīng)的梳理與總結(jié)，并對其可能的前兆機(jī)理進(jìn)行了討論，這些工作對于積累震例、提高地震預(yù)測分析水平有重要意義。本文對這些成果進(jìn)行了整理匯總，以期為今后監(jiān)測預(yù)報工作提供相關(guān)實踐經(jīng)驗和理論基礎(chǔ)，也可為今后地下流體異常的判定及震情跟蹤提供參考性依據(jù)。

4.1 2008年汶川8.0級地震

汶川8.0級地震是新中國成立以來發(fā)生過的破壞力最大的地震，也是唐山大地震后傷亡最嚴(yán)重的一次地震。程萬正等(2013)研究給出了汶川8.0級地震前四川地區(qū)地下水位、溫泉水溫、水化學(xué)和氣體組分觀測異常，其中有井水位異常4項、溫泉水溫異常5項、水氡出現(xiàn)短期異常1項、氣體4項，同時對疑似或有爭議的異常測項進(jìn)行了分析說明，并指出汶川8.0級地震前觀測到地下流體異常的地區(qū)，并不是分布在龍門山斷裂帶。分析認(rèn)為，此次地震前四川地區(qū)的異常數(shù)量較少，異常種類和長、中、短、臨異常的配套性不明顯。晏銳等(2018)基于中國地震地下流體前兆觀測臺網(wǎng)資料，系統(tǒng)收集了汶川8.0級地震前可能的地下流體前兆異常，分析了這些異常的空間展布、時空演化以及形態(tài)等總體變化特征，結(jié)果表明：收集到的68項異常均位于10-8應(yīng)變量范圍內(nèi)，59項異常位于汶川8.0級地震3倍破裂區(qū)(約900 km)范圍內(nèi)，占異?？倲?shù)的87%，這與國內(nèi)外已發(fā)表的地下流體前兆異?？臻g分布范圍和震級之間的關(guān)系相符，說明汶川8.0級巨大地震的前兆觀測范圍至少包含該地震3倍破裂尺度甚至更大；異常出現(xiàn)時間總體呈現(xiàn)出臨近地震異常數(shù)量增多的特點(diǎn)，但異常數(shù)量并非逐漸增多，而是在震前5個月和1個月突然增多；異常形態(tài)特征復(fù)雜，水氡和水位總體呈現(xiàn)出趨勢性異常特征，水溫總體表現(xiàn)出短臨變化特征，主要表現(xiàn)為震前1～3個月突升、突降或波動異常變化。此外，晏銳等(2018)還結(jié)合國內(nèi)外已發(fā)表的地震地下流體前兆異常以及地震孕育理論，討論了異常的空間分布、時間尺度與未來震中的關(guān)系，這對深入認(rèn)識地下流體前兆異常及產(chǎn)生機(jī)理都具有重要的現(xiàn)實意義和科學(xué)價值。

4.2 2013年蘆山7.0級地震

2013年蘆山7.0級地震與2008年汶川8.0級地震震中同處于龍門山斷裂，前者位于龍門山斷裂南段，后者位于龍門山斷裂中北段，2次地震時間間隔5年，震中位置相距90 km，2次地震的余震密集區(qū)中心相距50 km。邱桂蘭(2015)對比分析了蘆山7.0級地震與汶川8.0級地震前的異常，結(jié)果顯示相比汶川8.0級地震，蘆山7.0級地震前出現(xiàn)的地下流體異常數(shù)量相對較少，比較顯著的異常主要有：瀘州川-13井水位在持續(xù)多年高水位狀態(tài)下出現(xiàn)了短期的單邊上升異常；康定龍頭溝川-57溫泉水溫出現(xiàn)了高位持續(xù)波動型異常；理塘川-51溫泉水溫在多年長趨勢下降的背景下出現(xiàn)了“m”型中期波動異常，但其短期異常不明顯；理縣水氡在蘆山7.0級地震前出現(xiàn)了測值偏高的現(xiàn)象，與汶川8.0級地震前出現(xiàn)的測值下降后緩升明顯不同，此外，蘆山7.0級地震前康定二道橋溫泉水溫出現(xiàn)了異常波動的宏觀異常現(xiàn)象。

4.3 2014年魯?shù)?.5級、景谷6.6級地震

2014年魯?shù)?.5級地震發(fā)生在中國地震局確定的2014年度6～7級地震危險區(qū)，同時滇東北地區(qū)也是地下流體學(xué)科2014年度震情跟蹤的重點(diǎn)地區(qū)之一(劉耀煒等，2015)。魯?shù)榈卣鹬埃?014年2月劉耀煒等赴滇東北地區(qū)進(jìn)行異?，F(xiàn)場核實，確定了麗江井水溫、會澤井水位、魯?shù)榉x子以及昭通井水位等一批信度較高的前兆異常，并將該地區(qū)作為震情危險區(qū)進(jìn)行異常跟蹤。魯?shù)?.5級地震發(fā)生后，2014年8月下旬和10月初，劉耀煒等2次赴昭通、魯?shù)?、巧家、大關(guān)及四川寧南等地開展現(xiàn)場考察工作，進(jìn)一步對顯著流體異常點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場采樣、觀測與分析，對這些典型地下流體異常現(xiàn)象進(jìn)行分析和梳理，為總結(jié)魯?shù)榈卣鸬膹?qiáng)化跟蹤過程提供重要的觀測分析資料。截至2013年底，川滇地區(qū)的地下流體異常主要表現(xiàn)為長期和中期趨勢背景異常，異常測項有深循環(huán)溫泉水溫、井水位、水氡、pH值等，表明具有發(fā)生強(qiáng)震的背景。在震前6個月左右開始出現(xiàn)短期趨勢異常，集中分布在川滇交界東部和滇西地區(qū)，主要是水化學(xué)離子(氟離子、鎂離子、鈣離子、碳酸氫根和硫酸根)、水汞、泉水溫、斷層氣CO2和井水位等，表現(xiàn)出強(qiáng)震孕育由中期向短期過渡的特點(diǎn)。在震前1個月左右開始出現(xiàn)如四川寧南葫蘆口斷層氣CO2、云南東川水位、巧家鈣離子、會澤井水位快速升高等臨震異常，均分布在川滇交界東部地區(qū)。震前20天內(nèi)，位于魯?shù)榭h西南文屏鎮(zhèn)安閣村陸家龍?zhí)都棒數(shù)楹暧^震中的龍頭山鎮(zhèn)冒沙泉均出現(xiàn)了泉水嚴(yán)重渾濁的宏觀異?，F(xiàn)象。

2014年景谷6.6級地震前，云南地下流體前兆呈現(xiàn)不同測點(diǎn)同測項同步性異常和同測點(diǎn)不同測項同步性異常的短臨異?，F(xiàn)象(楊芬，王軍，2017)。洱源20號井和洱源臺水汞、鶴慶和洱源固體二氧化碳呈現(xiàn)不同測點(diǎn)同測項短臨同步性異?，F(xiàn)象，龍陵流量和水溫呈現(xiàn)同測點(diǎn)不同測項短臨同步性異?，F(xiàn)象，騰沖水氡呈現(xiàn)持續(xù)性高值異常。

4.4 2017年精河6.6級地震

2017年精河6.6級地震震中位于北天山地區(qū)的庫松木契克山前斷層?xùn)|段附近，鐘駿等(2018)對精河地震周邊地下流體異常進(jìn)行了分析和總結(jié)。結(jié)果表明，精河地震對應(yīng)的異常項數(shù)較少，距精河6.6級地震震中400 km范圍內(nèi)僅存在7項異常：新10泉氦氣濃度測值高值、新10氡濃度破年變趨勢性下降、新04氫氣高值突跳、艾其溝泥火山噴涌量不斷增大、阜康05井水位快速下降、博樂32井水位破年變轉(zhuǎn)折上升。此次地震前的流體異常持續(xù)時間具有階段性的特點(diǎn)，以1～8個月的異常為主。異常在空間上分布不均一、不連續(xù)，異常出現(xiàn)時間與震中距間的關(guān)系不明顯。部分異常形態(tài)特征具有明顯的重現(xiàn)性。

4.5 2017年九寨溝7.0級地震

九寨溝7.0級地震發(fā)生在青藏高原東緣巴顏喀拉塊體的北邊界東昆侖斷裂帶東端與東邊界岷山構(gòu)造帶交匯區(qū)域(易桂喜等，2017)。張小濤等(2018)對此次地震前不同震中距前兆異常的時空演化過程進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示，震中距100 km范圍內(nèi)無前兆異常，前兆異常主要分布在震中距100～500 km范圍內(nèi)的四川、甘肅、寧夏、陜西和重慶境內(nèi)。從構(gòu)造塊體看，前兆異常主要位于塊體的邊界，如青藏一級塊體的東北緣、華北和華南一級塊體的交界部位及川滇菱形二級塊體的東北邊界；從異常出現(xiàn)時間來看，九寨溝地震前1年內(nèi)異常主要分布于甘東南地區(qū)。距震中500 km范圍內(nèi)共有流體異常20項，且多為趨勢性背景異常，短臨異常數(shù)量較少，其中1年以上的異常19項，3個月至1年的異常僅有洋縣水氡1項，無3個月內(nèi)的短臨異常。

值得一提的是，在九寨溝7.0級地震發(fā)生前甘東南地區(qū)出現(xiàn)了多項流體異常，包括武山22號井、武山1號泉、禮縣流量、清水李溝流量、溫泉水氡和臨夏折橋水溫。為此，地下流體分析預(yù)報技術(shù)管理組和甘肅省地震局相關(guān)分析預(yù)報人員專門組織了相關(guān)力量開展過現(xiàn)場核實和專題研討。在充分了解并掌握甘東南地區(qū)流體觀測異常變化情況后，認(rèn)為武山22號井、武山1號泉、禮縣流量、清水李溝流量和溫泉水氡異常均存在一定程度的干擾因素，作為地震前兆異常的可信度較低；禮縣流量觀測資料的趨勢下降變化雖受附近地區(qū)降雨影響，但2017年高值異常不完全受區(qū)域降水量變化影響，認(rèn)為是地震前兆異常的可能性較大。九寨溝7.0級地震發(fā)生后，地下流體學(xué)科進(jìn)行了認(rèn)真總結(jié)與反思，雖然在回顧整個異常核實與判定過程后依然認(rèn)為多項異常為干擾異常，但不得不面對的一個現(xiàn)實是：基于現(xiàn)有技術(shù)和理論水平，尚無法明確地識別出各類干擾因素中可能夾雜的構(gòu)造活動信息，這也是多年以來困擾地下流體分析預(yù)報人員的關(guān)鍵技術(shù)問題。技術(shù)環(huán)節(jié)遇到的困難，直接反映出一個亟需解決的科學(xué)問題，即傳統(tǒng)的地下流體井(泉)水定點(diǎn)監(jiān)測模式是否適應(yīng)干擾日益增多的現(xiàn)實情況需要認(rèn)真思考，且任重而道遠(yuǎn)。

5 發(fā)展趨勢展望

劉耀煒曾于2005年提出我國地震地下流體學(xué)科發(fā)展方向：以防震減災(zāi)事業(yè)的需要，作為學(xué)科發(fā)展的機(jī)遇；以觀測技術(shù)的突破，提升原始創(chuàng)新和集成創(chuàng)新能力；以解決關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題為核心，充分利用學(xué)科交叉研究成果，提高基礎(chǔ)研究科技水平；以團(tuán)隊人才的成長，夯實學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)，促進(jìn)學(xué)科的可持續(xù)發(fā)展。地下流體學(xué)科經(jīng)過十多年的發(fā)展，雖然在業(yè)務(wù)體系構(gòu)建、新技術(shù)新方法探索和基礎(chǔ)理論建設(shè)方面取得了一定的成績，但當(dāng)前適逢國家應(yīng)急管理體系和能力建設(shè)改革，在“防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)”機(jī)制改革新形勢下，地下流體學(xué)科的發(fā)展除了堅持原有方針不變外，還需要謀求新的著力點(diǎn)，以適應(yīng)“大應(yīng)急”體系新要求。具體包括以下幾個方面：

(1)斷裂帶是地殼流體活動的主要通道，也是地震活動集中的區(qū)域。地下流體的研究應(yīng)聚焦于活動斷裂帶內(nèi)的流體運(yùn)移特征。加速推進(jìn)斷裂帶高密度、低成本地震觀測臺陣建設(shè)，發(fā)展深淺部流體活動示蹤技術(shù)，探索用以揭示深淺部流體活動特征及物質(zhì)來源的新方法理論，構(gòu)建表征斷裂帶活動區(qū)段與活動強(qiáng)度的流體指標(biāo)體系。

(2)地下流體學(xué)科的發(fā)展要更多地與其它新興學(xué)科交叉融合，結(jié)合高光譜、熱紅外衛(wèi)星觀測技術(shù)，探索“天-空-地-井”協(xié)同化觀測新模式是今后發(fā)展方向之一。適時建設(shè)地震地球化學(xué)數(shù)據(jù)庫平臺、研發(fā)空間-淺地表流體多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)、建立深淺部流體溯源模型，可為地震監(jiān)測預(yù)測業(yè)務(wù)需求提供新的技術(shù)支撐與業(yè)務(wù)產(chǎn)品。

(3)地下流體與地震活動之間的相互關(guān)系比較復(fù)雜，地震可以引起地下流體的響應(yīng)，反過來斷層上的流體活動又會誘發(fā)地震。隨著工業(yè)活動的增強(qiáng)，流體誘發(fā)地震逐漸成為社會公眾關(guān)注的熱點(diǎn)話題之一。除了地震孕育和發(fā)生過程中的流體響應(yīng)機(jī)理研究外，流體活動對地震的觸發(fā)機(jī)理及潛在危險性評價也將成為地下流體學(xué)科研究的熱點(diǎn)。

(4)推進(jìn)業(yè)務(wù)體系現(xiàn)代化建設(shè)。地下流體學(xué)科的發(fā)展以提高地震監(jiān)測預(yù)測業(yè)務(wù)能力為目標(biāo)，科學(xué)技術(shù)研究是業(yè)務(wù)體系現(xiàn)代化的先導(dǎo)，必須面向業(yè)務(wù)需求和業(yè)務(wù)能力建設(shè)。依托當(dāng)前流體臺站標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)和地震科學(xué)實驗場平臺，地下流體分析預(yù)報業(yè)務(wù)工作需繼續(xù)推進(jìn)數(shù)據(jù)處理、干擾識別、異常識別、指標(biāo)應(yīng)用等環(huán)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)化和流程化。

6 結(jié)語

流體是能流動的物質(zhì)，它是一種受到任何微小剪切力的作用都會連續(xù)變形的物體，是液體和氣體的總稱，其中，液體可壓縮性很小，而氣體的可壓縮性較大。地下流體是溝通地殼應(yīng)力與固體變形之間關(guān)系最敏感的物質(zhì)，地震地下流體的研究，主要聚焦于地震孕育和發(fā)生過程中的流體作用與響應(yīng)機(jī)理，直接面向地震監(jiān)測預(yù)測業(yè)務(wù)需求，而地下流體分析預(yù)報研究工作，更是以回答地震預(yù)報三要素為己任。

幾十年的探索與實踐表明，地下流體在地震預(yù)測預(yù)報中發(fā)揮了一定的積極作用?；仡櫧嗄甑叵铝黧w分析預(yù)報工作在業(yè)務(wù)體系構(gòu)建、新技術(shù)新方法探索、基礎(chǔ)理論研究等方面的進(jìn)展，縱然已取得了鼓舞人心的進(jìn)步和具有實用價值的成果，但距離當(dāng)前業(yè)務(wù)需求和社會公眾的期望尚有不少差距。尤其是在國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)突飛猛進(jìn)的新形勢下，地下流體觀測環(huán)境越來越受限制，工業(yè)和人類活動的干擾越來越嚴(yán)重，給地下流體分析預(yù)報工作帶來了新的挑戰(zhàn)。本文梳理了地下流體學(xué)科分析預(yù)報工作近十年發(fā)展取得的進(jìn)展，供各位讀者思考與探討，旨在鼓勵廣大地下流體同仁們能堅定信心、直面困難、迎接挑戰(zhàn)，繼續(xù)為推進(jìn)我國地震地下流體學(xué)科的發(fā)展做出自己的貢獻(xiàn)！