劉 磊,張朋濤,蘇維剛,李 霞,趙玉紅,馮麗麗

(1.青海格爾木青藏高原內(nèi)部地球動(dòng)力學(xué)野外科學(xué)觀測研究站,青海 西寧 810001;2.青海省地震局,青海 西寧 810001)

0 引言

據(jù)中國地震臺(tái)網(wǎng)正式測定,2021年5月22日2時(shí)4分,在青海果洛州瑪多縣(34.59°N,98.34°E)發(fā)生M7.4地震,震源深度17 km。地震震中位于瑪多縣黃河鄉(xiāng)附近,距瑪多縣城38 km,果洛州、玉樹州、西寧、蘭州等地有震感。本次地震發(fā)生在巴顏喀拉塊體南邊界帶上,位于可可西里—巴顏喀拉地震構(gòu)造帶,距離震中最近的斷層是NW向以左旋為主的甘德南緣斷裂帶,此次地震的震源機(jī)制解為逆沖型。

溫度是體現(xiàn)物質(zhì)熱狀態(tài)的基本物理量,地震前兆觀測方法中水溫是地球物理場觀測的重要組成部分,不僅對介質(zhì)應(yīng)變狀態(tài)有靈敏響應(yīng),并且觀測數(shù)據(jù)無須進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)處理,通過直觀的形態(tài)變化就能提取異常[1]。由于孕震及發(fā)震過程中地應(yīng)力變化使巖層壓縮或膨脹,引起震區(qū)以至遠(yuǎn)方孔隙水壓力的異常變化。與此相應(yīng),有時(shí)震前地下水化學(xué)成分也會(huì)改變,將其與研究地球熱狀態(tài)相結(jié)合,特別是地表層的熱狀態(tài)及其隨時(shí)間的變化是地震預(yù)報(bào)行之有效的方法之一[2]。共和水溫在瑪多M7.4地震前出現(xiàn)顯著異常形態(tài)。通過地震地球化學(xué)方法,排除觀測資料干擾信息,提取異常,總結(jié)經(jīng)驗(yàn),可為后續(xù)地震前兆異常識(shí)別提供科學(xué)參考依據(jù),同時(shí)也有助于提升該區(qū)震情研判能力[3-6]。

1 共和水溫概況

1.1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

共和水溫觀測點(diǎn)位于共和盆地,地處于昆侖—秦嶺緯向構(gòu)造帶與河西系構(gòu)造復(fù)合部位的沉降帶,其四周被斷褶隆起山地圍限(圖1)。共和盆地主要構(gòu)造體系有西域系、河西系、東西向體系等,共和水溫觀測點(diǎn)主要位于西域系和河西系的交接部位。西域構(gòu)造體系由青海南山褶皺斷裂帶及青海湖、共和盆地組成,青海南山南緣大斷裂,為隱伏斷裂,西起茶卡北山,沿大水橋、甘地,經(jīng)溝后村轉(zhuǎn)為NEE,至次漢達(dá)哇村又折向SE方向。河西構(gòu)造體系由一系列NNW隆起帶及拗陷帶組成,和NWW向斷裂構(gòu)成一系列雁形排列的斷陷盆地,共和盆地即屬這種斷陷盆地。斷裂多發(fā)生在隆起帶的邊緣,為高角度壓扭性斷裂,控制著共和盆地的現(xiàn)今形態(tài)[7]。

圖1 共和水溫觀測點(diǎn)地質(zhì)構(gòu)造圖Fig.1 Geological structure map of Gonghe water temperature observation point

1.2 區(qū)域水文地質(zhì)概況

共和盆地由于第四紀(jì)初期大幅度的沉降,其內(nèi)堆積了厚千余米的下更新統(tǒng)河湖相松散堆積物,為地下水的貯存提供了良好的條件。地下水補(bǔ)給主要為盆地周邊出山口河流的入滲補(bǔ)給,由山前向盆地中心排泄基準(zhǔn)徑流,最終匯于龍羊峽水庫排出區(qū)外和通過茶卡鹽湖蒸發(fā)排泄。共和水溫觀測點(diǎn)地下水主要來源于北部山區(qū)降水、基巖裂隙水及河流在出山口的入滲,另外在較大溝口有部分地下水潛流側(cè)向補(bǔ)給。

該區(qū)潛水主要來源于北部溝后河地表水,恰卜恰河上游的降水、地下水徑流等入滲補(bǔ)給,通過克才和向龍羊峽水庫排泄。承壓水主要來源于西側(cè)塔拉臺(tái)地半承壓水的側(cè)向補(bǔ)給,另外東側(cè)低山丘陵區(qū)半承壓水對河谷承壓水也有一定補(bǔ)給作用,但補(bǔ)給量較西側(cè)小很多,承壓水也基本由中上游向下游徑流,通過克才和向龍羊峽水庫側(cè)向排泄[7]。

1.3 觀測系統(tǒng)

共和水溫觀測點(diǎn)位于共和縣上塔邁村,成井于1983年,井深174.35 m,屬第三系承壓水層中的自流水,水流穩(wěn)定,受外界干擾較小。觀測井孔淺部11.5 m為風(fēng)積成因的砂質(zhì)黏土,其下發(fā)育厚度為94 m的砂質(zhì)黏土、粉砂、黏土質(zhì)砂互層,113.5～141.9 m為青灰色黏土,厚度為28.4 m,以下為粗砂加小礫石及粉砂層,有少量的原生和次生裂隙發(fā)育[8]。

該觀測點(diǎn)于2011年8月完成改造。共和水溫兩套儀器分別從2011年、2015年開始觀測,所用儀器分別為SZW-1A和SZW-Ⅱ型水溫儀,各探頭深度位置為:105 m、65 m,具有觀測時(shí)間長,數(shù)據(jù)同步性好,無年變趨勢的特性(圖2)。

圖2 共和水溫年尺度觀測圖Fig.2 Annual observation curve of Gonghe water temperature

2 異常特征分析

2.1 干擾因素

由于水溫觀測會(huì)受到氣象、環(huán)境等因素的影響,所以在提取異常信息時(shí),需要對可能的干擾因素進(jìn)行排除。共和水溫觀測點(diǎn)所在區(qū)域?qū)俑咴箨憵夂?干旱少雨、日照充足,晝夜溫差大,年平均地溫6.34 ℃,極端最高氣溫34 ℃,極端最低氣溫為-23.8 ℃,年平均降水為250～420 mm,年蒸發(fā)量在1 400～2 400 mm ,年平均相對濕度48.9%,潮濕系數(shù)為0.17,降水多集中于6、7、8三個(gè)月。本次異常出現(xiàn)前后,氣溫、降雨量無顯著變化。經(jīng)調(diào)查,該觀測點(diǎn)附近無礦山開采及鐵路修建工程,無新開采水井及灌溉抽水行為,可以排除環(huán)境干擾[9]。

2.2 異常性質(zhì)分析

共和水溫(兩套儀器)2021年2月28日出現(xiàn)同步上升變化,最大上升幅度分別為0.047 ℃和0.007 ℃,3月1日至3日數(shù)據(jù)同步下降,幅度分別為0.075 ℃和0.24 ℃。截至3月21日,兩套觀測數(shù)據(jù)均已轉(zhuǎn)平,一套已恢復(fù)至原有水平(圖3)。

圖3 共和水溫觀測原始曲線圖Fig.3 Original observation curve of Gonghe water temperature

異常出現(xiàn)后,2021年3月10日對共和水溫觀測井進(jìn)行水化學(xué)組分取樣分析,5月22日瑪多地震發(fā)生后,于6月1日再次取樣,將兩次數(shù)據(jù)與震前(2018年5月13日)數(shù)據(jù)對比分析,以期為異常性質(zhì)判定提供流體地球化學(xué)方面的佐證,樣品委托中國地震局地殼應(yīng)力研究所地殼動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國地震局地震預(yù)測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室依據(jù)《地下水質(zhì)檢測方法標(biāo)準(zhǔn)》DZ/T 0064—1993測試分析,具體分析結(jié)果列于表1。

圖4 離子分布星狀圖Fig.4 Ion distribution map

表1 水化組分結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Table 1 The analysis results of hydrochemical components

2Na++H4Al2Si2O9+4SiO2

綜上所述,地下水循環(huán)在經(jīng)過部分中等礦化水混入后,對觀測水體離子含量造成明顯影響。

圖5 水化組分Piper圖Fig.5 Piper diagram of hydrochemical components

表2 TDS、電導(dǎo)率及Na-K-Ca熱儲(chǔ)溫度匯總表Table 2 Summary of heat storage temperature for TDS,conductivity,and Na-K-Ca

由表2可知,在熱儲(chǔ)深部,由于熱水在上升過程中與圍巖發(fā)生水巖作用,并受到冷水的混入,導(dǎo)致地?zé)崴腡DS更高,加之其他陰陽離子的混入,導(dǎo)致電導(dǎo)率一并升高(共和2021-03-10)。共和2021-06-01樣品顯示出Na-K-Ca熱儲(chǔ)溫度明顯低于共和2018-05-13及共和2021-03-10樣品溫度,說明低礦化水補(bǔ)給過程中含量甚微的K+帶入而導(dǎo)致熱儲(chǔ)溫度下降,亦可理解為震后地下水恢復(fù)平衡狀態(tài)的緩慢過程。

Na-K-Mg三角形圖解法由Giggenbach于1988 年提出,用來評價(jià)水-巖平衡狀態(tài)和區(qū)分不同類型的水樣,大致分為三個(gè)階段:地?zé)崴谏仙^程中與圍巖發(fā)生離子交換反應(yīng)達(dá)到平衡即為完全平衡水,熱水與圍巖中部分礦物的離子交換反應(yīng)到達(dá)平衡即為部分平衡水,熱水與圍巖礦物發(fā)生的離子交換反應(yīng)未到達(dá)平衡則為未成熟水。

將三次水樣的Na+、K+、Mg2+含量數(shù)據(jù)點(diǎn)計(jì)算處理后繪制Na-K-Mg三角圖(圖6),顯示出三個(gè)水樣分布在部分平衡水區(qū)域和未成熟水區(qū)域兩個(gè)區(qū)域內(nèi)。共和2021-03-10分布在部分平衡區(qū),表明有部分平衡水的混入,循環(huán)深度較深。共和2018-05-13及2021-06-01分布在未成熟水區(qū),表明水樣與周圍環(huán)境的水-巖反應(yīng)程度較弱,循環(huán)深度較淺。這進(jìn)一步說明與佐證共和水溫異常出現(xiàn)后(共和2021-03-10),中深部地下水與圍巖反應(yīng)不充分,熱水在向地表上升的過程中流經(jīng)巖石地層時(shí)受到中等礦化的部分平衡水混入,從而使正常時(shí)段(共和2018-05-13)的水體礦化度及水化組分發(fā)生顯著變化,造成水樣由未成熟水達(dá)到部分平衡狀態(tài),進(jìn)而在地震發(fā)生后(共和2021-06-01),由于區(qū)域應(yīng)力恢復(fù)及中深部中等礦化水混入減少的作用下,逐漸恢復(fù)至正常時(shí)段的未成熟水狀態(tài)過程。

圖6 水化組分Na-K-Mg三角圖Fig.6 Triangle diagram of Na-K-Mg

2.3 震例分析

共和水溫自2016年觀測以來,背景值穩(wěn)定,但不具明顯年變形態(tài),觀測系統(tǒng)穩(wěn)定性高,不易受周邊環(huán)境干擾,本次異常出現(xiàn)前,共和水溫觀測已取得43次較好的典型震例,分別為:(1)2017年2月8日兩套水溫觀測資料出現(xiàn)反向凹字形變化,恢復(fù)后161天發(fā)生井震距440 km的四川九寨溝M7.0地震;(2)2018年3月9日水溫兩套數(shù)據(jù)出現(xiàn)反向波動(dòng)變化,恢復(fù)后25天發(fā)生距觀測點(diǎn)420 km的青海稱多M5.3地震;(3)2019年7月24日水溫兩套數(shù)據(jù)出現(xiàn)反向突跳變化,恢復(fù)后48天發(fā)生距觀測點(diǎn)230 km的甘肅夏河M5.7地震;具體地震參數(shù)及異常特征見表3、圖7。

圖7 共和水溫異常曲線圖Fig.7 Abnormal curve of Gonghe water temperature

表3 地震參數(shù)及水溫變化統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistical table of seismic parameters and water temperature changes

綜合以上震例分析可知,共和水溫排除儀器故障及干擾,在正常觀測時(shí)間段內(nèi),構(gòu)造相關(guān)區(qū)域4次5級(jí)以上地震前3次有異常反應(yīng),形態(tài)均為兩套儀器反向變化,持續(xù)時(shí)間以20～46天為主,異常結(jié)束后25～161天內(nèi)發(fā)生目標(biāo)地震,優(yōu)勢地點(diǎn)為青海南部及鄰近地區(qū)。本次異常持續(xù)時(shí)間22天,異常結(jié)束后62天發(fā)生瑪多地震,與歷史震例研究結(jié)果一致。

3 討論及結(jié)論

本次異常出現(xiàn)前后,氣溫、降雨量無顯著變化,觀測點(diǎn)附近無礦山開采及鐵路修建工程,無新開采水井及灌溉抽水行為。異常開始于震前84天,結(jié)束于震前62天,異常持續(xù)時(shí)間22天,異常結(jié)束后發(fā)生瑪多M7.4地震,排除環(huán)境干擾的情況下,增加了該異常的可信度。