盧國平,黃雷輝,陳幸蓮,胡虹羽,胡曉農(nóng)

（1.暨南大學(xué)地下水與地球科學(xué)研究院,廣州 510632；2.廣東省地球物理探礦大隊, 廣州 510800；3.廣東省陽江地震局,廣東 陽江 529500）

0 前言

震源隱伏在地殼深部,人們不可能直接進入也不可直接觀測地球深部,造成地震認(rèn)識的極大困難[1-2]。大地震造成的重大人員傷亡和財產(chǎn)損失,對地震預(yù)測提出了迫切要求。然而,地震預(yù)測至今仍然是公認(rèn)的世界性科學(xué)難題[3-5]。

地震是由地球內(nèi)巖石的突然斷裂或摩擦滑動引起的。地震發(fā)生的時候,巖石破裂地表斷裂,發(fā)出地震波[6-7],困住在巖石中的應(yīng)力突然釋放[8]。在斷裂滑動的過程中,斷層帶上產(chǎn)生高溫高壓條件可以形成長石納米晶體。在缺乏斷層滑動的地震中如隱爆型古地震震源,隱爆時估計靜巖壓力 286 MPa, 溫度在 247oC ～468oC[9]。類似的摩擦高溫?zé)岱纸?可出現(xiàn)在高速遠(yuǎn)程類型的滑坡,過程中既引發(fā)高速滑動又產(chǎn)生超前氣浪(沖擊波)。重慶武隆縣鐵礦鄉(xiāng)雞尾山滑坡2009年6月5日高速滑動,底部摩擦溫度可達790oC,產(chǎn)生高溫?zé)岱纸?滑石高溫分解產(chǎn)生頑火輝石[10]。

地球上約90%的地震和破壞性最大的地震都屬于“構(gòu)造成因地震”(或“構(gòu)造地震”、“斷層地震”)[11]。非構(gòu)造成因地震包括相變地震[12],地幔對流地震[13],溫度應(yīng)力地震[14],火山地震等。

構(gòu)造地震成因理論已被主流接受,但地震預(yù)測一直未能實現(xiàn)。非構(gòu)造地震成因和在此基礎(chǔ)之上的地震預(yù)測途徑缺少依據(jù)[9]。

對比地震發(fā)生時能量釋放,震前能量積聚也是應(yīng)力應(yīng)變、熱力、地下裂隙孔隙水即空隙水、物理化學(xué)因素狀態(tài)改變過程。其中空隙水的變化往往是區(qū)域應(yīng)力變化緣故,因為應(yīng)力作用使得礦物基質(zhì)及裂隙介質(zhì)骨架發(fā)生形變,從而使空隙水發(fā)生變化。因此,地下水變化是地震先兆反映。我國成功捕捉地震前兆并預(yù)測地震的是1975年海城地震,震中附近地下水位升高或降低發(fā)生地點在時間上由先到后規(guī)律性往震中方向逼近[15]；但對于逐個井位的水位升降特定原因不明,地下水作用的整體原理也缺乏了解。

廣西北流—廣東化州地震震級MS5.2,發(fā)震時間是2019年10月12日。發(fā)震構(gòu)造為北西向巴馬—博白斷裂。震前在化州地區(qū)出現(xiàn)重力異常變化[16]。

本論文研究廣西北流—廣東化州地震引發(fā)的地下水動態(tài)異常,解析為什么地?zé)崽镪P(guān)聯(lián)井孔更有可能指示深部水文環(huán)境條件,從而反映地應(yīng)力作用程度,以便更好了解地震孕育過程中發(fā)生的地下水環(huán)境與變化,為地震先兆與預(yù)測研究提供科學(xué)例子與數(shù)據(jù)。

本論文采用的研究方法是地下水實際觀測與異常成因討論,建立地下水位升高與震前地應(yīng)力因素的關(guān)系。廣東省陽江市新洲地?zé)崽锏年P(guān)聯(lián)地下水井,安置有水位儀監(jiān)測,取得密集間隔的數(shù)據(jù)序列；本研究對有關(guān)數(shù)據(jù)序列進行討論,并對水位異常提出概念模型。

本研究是首次探討深部地?zé)崽镪P(guān)聯(lián)地下水異常作為地震先兆,提出地應(yīng)力作用影響深部地下水流動,從而引起淺層地下水的變化。本文提出深部水文力學(xué)效應(yīng)機制,深部地下水受地震活動影響敏感,通過斷裂影響淺層地下水動態(tài),意義涵及深部水文學(xué)、深部地?zé)?、地震先兆?/p>

1 場地背景

本研究場地是廣東省陽江市新洲地?zé)崽?圖1)。該場地基底是燕山期花崗巖巖基,場地北西側(cè)邊緣與山上震旦系巖系接觸。橫穿場地有近東西向延伸向南傾斜高角度斷層。該斷層在場地東頭出露地表,排泄地?zé)崴?形成冒水池。

新洲地?zé)崽锾烊坏責(zé)崴缙诔善雎?形成澤地。在1983年有詳細(xì)勘探工作,實施有若干鉆探井孔排泄熱水[17]；后來增加2個淺孔,其中1孔揭露達1000 m3/d 的流量,孔口溢流溫度達98oC。2013年新增一個千米鉆孔,穿過上述地?zé)崽飻鄬?在750 m深處截取斷層帶地?zé)崴甗18-19]。該場地斷層構(gòu)成地?zé)崴焖倭鲃油ǖ繹20]。

圖1 廣東省典型深大斷裂地?zé)崽镄轮逌厝恢檬疽鈭D[21-22]Fig.1 Location map for Xinzhou geothermal spring in the typical deep fault geothermal fields,Guangdong Province[21-22]

2 方法或手段

水位監(jiān)測井位于地?zé)崽飯龅乇眰?cè)山腳。水位監(jiān)測采用美國HOBO水位計U20系列探頭。壓力精度1 Pa ,溫度精度0.001oC。監(jiān)測設(shè)定時間間隔為10 min。監(jiān)測起始時間為2019年8月31日。探頭放置于井底,有外層夾套塑料硬殼保護,以免井底淤積物堵塞探頭孔眼。

3 結(jié)果

監(jiān)測井水位數(shù)據(jù)顯示震前兩次水位上涌(圖2)。第一次2019年9月14日的上涌峰值拔高4.0 kPa ,第二次2019年10月7日峰值拔高5.5 kPa。第一次9月14日的上涌時長34 h ,第二次稍長達40 h。以廣西北流—廣東化州MS5.2級地震發(fā)地震時間(2019年10月12日22:55)計算[16],第一次上涌在震前 27 d ,第二次在震前5 d。

圖2 廣東省新洲地?zé)崽镪P(guān)聯(lián)井水水位異常監(jiān)測結(jié)果。Fig.2 Monitoring results for the ground water abnormality at shallow well relevant to Xinzhou geothermal field of Guangdong Province

地下水上涌形成不對稱波峰,水位變化具有對數(shù)正態(tài)分布的特點。上涌曲線上升段均變化陡峭,下降段較緩而且回落終點水位比上涌始點的水位高。

震前相對應(yīng)的水溫響應(yīng)是總體上升0.3oC。在第二次水位上涌的下落時段,有約12 h的0.1oC小幅溫度下降。直至震前約8 h ,有一次約 4 h類似溫度下降。

發(fā)震前約2 h水位指示局部最小值,發(fā)震后緩慢微弱上升并在2 d后達到局部小峰值,接著震后水位則顯示緩慢下降趨勢,一周后無明顯累計下降。與此對應(yīng),水溫在發(fā)震前約13 h即出現(xiàn)下降,在發(fā)震前水溫已下降0.2℃。發(fā)震后的7 d時段,水溫下降約0.5℃,降幅明顯。

4 討論

廣東新洲地?zé)崽镉袟l件接受區(qū)域應(yīng)力應(yīng)變而改變深部水文狀態(tài)環(huán)境。來自北西方向區(qū)域地應(yīng)力形變作用,有利于對地?zé)崽飪?nèi)東西走向斷層產(chǎn)生效應(yīng),繼而引起地?zé)崽锷畈克捻憫?yīng),從而影響淺層地下水。有關(guān)區(qū)域性環(huán)境條件及地?zé)崽矬w系的特征與地震前兆的聯(lián)系討論如下。

4.1 區(qū)域地應(yīng)力作用

廣東省信宜地震臺(圖1)地應(yīng)力觀測表明,粵西地區(qū)地殼應(yīng)變有增加的趨勢,主要表現(xiàn)在北東向穩(wěn)定增加與北向有跳躍式逐漸上升(圖3)。該北東向應(yīng)變程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于北向,因此應(yīng)變的主方向為北北東方向。

該北北東主應(yīng)變方向,大致平行信宜—廉江深大斷裂[23]走向,但卻指向震中以東地區(qū),可能相對震中及發(fā)震構(gòu)造巴馬—博白深大斷裂形成一定扭矩作用[16]。信宜地震臺(圖1) 相距震中大約35 km ,能夠近似北流地震震中近鄰地區(qū)的地殼應(yīng)變。

新洲地?zé)崽锏臄嗔殉蕱|西走向,與北西向區(qū)域主應(yīng)力方向構(gòu)成壓縮—剪切條件。對于地?zé)崽飶埿詳嗔?壓縮—剪切起到縮小斷層破裂面間距作用,因而影響地下水循環(huán)流動。

圖3 廣東省信宜地殼應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)Fig.3 Crustal strain observation data in Xinyi,Guangdong

4.2 深部地?zé)崴h(huán)與淺層地下水

廣東陽江新洲地?zé)崽?圖1)地?zé)崴w系的等勢測壓水位面呈穹隆狀[18-19]。穹隆面在地?zé)崽镏胁克疄轫旤c,高出地面7.5 m ,而在東部的冒水池水面在地面下約一米多,而在本文的監(jiān)測井冷水水位埋深則可達5 m多。穹隆面上每點的水位相同,因此,地?zé)峋唤档?冷水井地下水可以向地?zé)崽镏胁苛鲃樱环粗?地?zé)崽镏胁繅毫υ龃?地?zé)崽锏責(zé)崴渌鲃印?/p>

監(jiān)測井冷水水位出現(xiàn)上涌,是由于深部地下水壓力。受到區(qū)域地應(yīng)力影響,深部地下水遭受擠壓而壓力上升。另一種解釋是斷層受到地應(yīng)力而壓縮,流動通道變窄,地下水壓力增大。地下水受到擠壓和流動通道變窄都合理解釋監(jiān)測井地下水上涌。

4.3 地下水水位異常與水溫

觀測井對應(yīng)溫度變化是有微弱的升高,在異常時段總體升幅大約為0.2oC。升幅不突出,但是升高趨勢明顯。該時段大氣溫度呈下降的趨勢,從8月10日的日平均氣溫31.9oC到25.1oC。該監(jiān)測井井筒口徑達0.65 m寬,從水面到井底水柱達3.7 m ,對溫度有明顯緩沖作用。

對地?zé)崽锏叵滤?地?zé)崴畬鷰r壓力的變化尤其敏感。地應(yīng)力增加,使得斷層受到壓縮,導(dǎo)水通道受到擠壓。因此,地?zé)崴纳仙艿阶璧K而四周發(fā)散流動加強。換句話來說,地?zé)崽镞吘壥艿降責(zé)崴挠绊懺黾?溫度有所上升,對淺層地下水頂托或甚至補給。地?zé)崴幱谏细矞\層地下冷水的下方,處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在此過程中,地?zé)崴猩仙髩毫档?溶解于其中氣體成分釋放成氣相。氣體積聚到一定程度后與地下水一起上涌排泄到井孔中。

地?zé)崴仙綔\層部位,停留若干天時間之后,溫度差別明顯消失[18]。這解析為什么上涌的地下水沒有顯示顯著的增加。這有別于一般的地下水受地震活動影響而溫度有所增加的情形[24-25]。

4.4 深部地下水與地震先兆關(guān)聯(lián)災(zāi)害研究

本文討論的淺層地下水水位變化直接受深大斷裂地?zé)崴目刂?。新洲地?zé)崽锷畈康責(zé)崴w系受地殼深部高溫軟流圈帶的熱力的影響[19]。熱力作用使得深部地?zé)崴诟×Φ尿?qū)動下沿斷裂帶這樣的優(yōu)先流動通道快速上升。

在應(yīng)力變動的條件下,地?zé)崴乃蛔儎佑葹槊黠@。對深度達500 m的地?zé)崴w系,累加效應(yīng)使得浮力發(fā)生顯著變化[18]。這也是地?zé)崴c冷水的明顯差別之處。

對于觀測到的上涌水量,有待通過水文地質(zhì)試驗確定。水文地質(zhì)試驗可以是抽水試驗或注水試驗。有關(guān)試驗可以確定地下水變化具有可觀測性的水文地質(zhì)環(huán)境條件。換句話說,地下水異常出現(xiàn)要求滿足什么水文地質(zhì)體系特征。

5 結(jié)語

本文討論廣西北流—廣東化州MS5.2級地震前,廣東陽江新洲地?zé)崽镪P(guān)聯(lián)井水位的異常情況。研究結(jié)果表明：水位異常說明深部水文環(huán)境狀態(tài)改變,導(dǎo)致淺層地下水改變。廣西北流—廣東化州MS5.2級地震發(fā)震前北西向的應(yīng)力積聚影響新洲地?zé)崽飽|西向斷層導(dǎo)水,引起淺層地下水受到增強的深層地下水上升流動所影響而導(dǎo)致井水位升高。表明井孔地下水位動態(tài)受深部水文地質(zhì)體系影響,深部水文狀態(tài)條件受到地應(yīng)力作用而改變,因此合適布置的井孔能夠監(jiān)測地下水的地震先兆信號。目前缺乏該井孔的水文地質(zhì)參數(shù),待在將來工作實現(xiàn)水文地質(zhì)試驗補充。

華南地區(qū)地震目錄（ML ≥3.0，2020-01～2020-06）