前郭5.8級(jí)震群地下流體異常特征分析

孫旭麗鄒本良唐春呈

1） 中國長春130117吉林省地震局

2） 中國吉林130219長春合隆地震臺(tái)

前郭5.8級(jí)震群地下流體異常特征分析

孫旭麗1）鄒本良2）唐春呈1）

1） 中國長春130117吉林省地震局

2） 中國吉林130219長春合隆地震臺(tái)

分析2013年吉林前郭5.8級(jí)震群地震發(fā)生前后吉林省地下流體前兆異常，結(jié)果表明，距震中300km范圍內(nèi)，豐滿井水氡及氣氡、白城井水溫、乾安井水溫、前郭井水溫及氯離子和鎂離子存在異常。與2006年前郭5.0級(jí)地震地下流體異常進(jìn)行對(duì)比，豐富吉林省研究震例，對(duì)地震預(yù)報(bào)指標(biāo)體系建設(shè)提供重要基礎(chǔ)資料。

5.8級(jí)震群；地下流體；前兆異常；異常特征

0 引言

地震是地球內(nèi)部突發(fā)事件引起的大地振動(dòng)，地球內(nèi)部巖石的孔隙或晶體缺陷充滿流體，深部流體在地震孕育過程中起著重要作用（杜建國等，2000）。地下流體是地殼中的活躍介質(zhì)，是影響地震孕育與發(fā)生的重要因素，對(duì)地震的孕育與發(fā)生過程表現(xiàn)出很強(qiáng)的前兆響應(yīng)能力，具有靈敏的映震能力（劉耀煒等，2004），由于地下流體的普遍性、流動(dòng)性、靈敏性及物質(zhì)和能量的可交換性，使其成為重要的地震前兆手段之一，試圖通過監(jiān)測研究地下流體的物理性質(zhì)和化學(xué)成分的變化來預(yù)測地震。地下流體觀測在中國已有40多年歷史，取得了許多寶貴的觀測資料和震例資料。大量觀測資料研究表明，在地震前，特別是強(qiáng)地震前地下流體出現(xiàn)豐富的趨勢異常（陸明勇等，2013）。

2013年10月31日吉林省前郭發(fā)生5.8級(jí)震群活動(dòng)，在一個(gè)月時(shí)間內(nèi)發(fā)生M≥5地震5次，最大地震為2013年11月23日5.8級(jí)地震，是吉林省自1972年建立地震臺(tái)網(wǎng)以來最強(qiáng)的地震活動(dòng)。此次震群發(fā)生前后吉林省地下流體觀測資料出現(xiàn)一系列異常。本文初步分析前郭5.8級(jí)震群前吉林省地下流體異常特征，識(shí)別和提取前郭5.8級(jí)震群前地下流體中短期和臨震異常指標(biāo)，有助于該省地震預(yù)報(bào)指標(biāo)體系建設(shè)。

1 地下流體異常分析

1.1 流體觀測

吉林省地下流體臺(tái)站相對(duì)較少且分布不均，空間分布上中部較多，西部及東部相對(duì)較少，其中水物理觀測井19口，水化學(xué)觀測井5口。吉林地下流體異常觀測井分布見圖1。此次前郭5.8級(jí)震群前，地下流體異常主要為豐滿井水氡、豐滿井氣氡、白城井水溫、前郭井水溫、前郭井水質(zhì)、乾安井水溫，表現(xiàn)為不同程度的中、短期以及臨震異常。異常測項(xiàng)信息見表1。

表1 吉林省流體異常測項(xiàng)信息Table 1 Information of fluid anomaly test items in Jilin Province

圖1 流體異常觀測井、震中、斷裂分布Fig.1 Distribution map of the anomalous fuid observation wells

1.2 中期異常

前郭5.8級(jí)震群發(fā)生前后，豐滿水氡、氣氡、白城水溫3個(gè)測項(xiàng)表現(xiàn)為中期異常。

（1）豐滿水氡觀測井（靜水觀測井）位于海西期花崗巖山洞，距震中230km，構(gòu)造位置較好，裂隙較發(fā)育。該井水氡自1976年開始觀測，資料連續(xù)性較好，干擾因素少，觀測環(huán)境穩(wěn)定。2008—2011年豐滿水氡年變形態(tài)較好，表現(xiàn)為夏低冬高，動(dòng)態(tài)值在均值線上下波動(dòng)。2012年1—8月氡值變化形態(tài)與年變形態(tài)穩(wěn)合，9月以來出現(xiàn)年畸變變化特征，年變形態(tài)被打破；2013年8月以來多次呈現(xiàn)高值突跳現(xiàn)象，超過2倍均方差；突跳異常最高值達(dá)366 Bq/L，超過均值124 Bq/L，突跳異常較大；地震后，水氡觀測值仍處高值波動(dòng)狀態(tài)，未見明顯恢復(fù)跡象［圖2（a）］。

（2）豐滿井氣氡觀測為斷層氣氣體觀測，裝置位于燕山期花崗巖山洞，圍巖為花崗巖，裂隙較發(fā)育。該臺(tái)氣氡自2009年觀測以來，存在一定年變規(guī)律，呈現(xiàn)夏高冬低的特征。觀測背景值范圍3—15 Bq/L，相對(duì)穩(wěn)定。2013年年變形態(tài)與往年相似，但年變幅度較2011—2012年明顯增大，2013年1月后出現(xiàn)破年變特征，震后低值波動(dòng)［圖2（b）］。

圖2 豐滿井水氡、氣氡日值曲線Fig.2 Daily average value curve of water radon and gas radon at Fengman well

（3）白城井處于嫩江斷裂帶東側(cè)，距離震中142km，該井水溫受周邊環(huán)境影響較大，自2008年開始數(shù)字化觀測以來，呈上升趨勢，水溫正常日變幅為0.000 5℃。2013年5月1—11日逐日上升，變幅達(dá)0.005℃，5月11日至6月4日高值波動(dòng)，6月4—7日逐日下降，降幅達(dá)0.002℃，6月7日至8月31日低值波動(dòng)，9月1日至10月17日逐日上升，升幅達(dá)0.005℃，10月17—23日逐日下降，改變以往趨勢上升形態(tài)，10月24日至11月14日平穩(wěn)高值波動(dòng)，期間發(fā)生10月31日5.5級(jí)地震（圖3）。

圖3 白城井水溫日均值曲線（a） 2011年1月—2014年4月；（b） 2013年5月—2014年4月Fig.3 Daily average value curve of water temperature at Baicheng well

1.3 短期異常

前郭觀測井位于扶余—肇東斷裂附近，距震中約73km，水文地質(zhì)條件穩(wěn)定，含水層為白堊系砂巖，出水層水質(zhì)不受外界干擾，自然環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，無明顯干擾。水質(zhì)測項(xiàng)主要包括Cl-、Ca2+、、Mg2+等4種離子，測項(xiàng)由于受換標(biāo)液的影響總體呈現(xiàn)階梯狀變化，無明顯年變。前郭5.8級(jí)震群發(fā)生前后，前郭井氯離子、鎂離子、水溫3個(gè)測項(xiàng)表現(xiàn)為短期異常。

（1）前郭氯離子（Cl-）觀測數(shù)據(jù)自2013年9月中旬緩慢升高，10月8日達(dá)3 421 mg/L，觀測數(shù)據(jù)在高值波動(dòng)，中間出現(xiàn)回落，總體維持在高值，并在10月31日發(fā)生5.5級(jí)地震，之后數(shù)值繼續(xù)升高，最高值達(dá)3 435 mg/L，11月23日發(fā)生5.8級(jí)地震，之后觀測值快速下降，呈低值波動(dòng)變化，基本恢復(fù)正常水平。

（2）前郭鎂離子（Mg2+）于2013年9月—10月21日低值波動(dòng)，2013年10月21日突然升高，較2013年1—10月觀測數(shù)據(jù)平均值高出約0.30 mg/L，之后呈高值波動(dòng)變化，期間發(fā)生10月31日5.5級(jí)和11月23日5.8級(jí)地震，震后維持高值波動(dòng)（圖4）。

（3）前郭井為自流井，水溫自觀測以來呈上升趨勢，日動(dòng)態(tài)表現(xiàn)為起伏型，2013年9月13日逐日上升，19日上升0.02℃，后持續(xù)高值波動(dòng)，10月12日小幅下降，10月31日發(fā)生5.5級(jí)地震，11月20日水溫再次急劇下降，截至21日下降0.02℃，為正常日變幅的4倍，11月23日發(fā)生此次前郭震群最大的5.8級(jí)地震，震后水溫波動(dòng)式上升，異常仍未結(jié)束（圖5）。

圖4 前郭井氯離子、鎂離子日值曲線Fig.4 Curve of chlorine ion and magnesium ion at Qianguo well

圖5 前郭井水溫日均值曲線（a） 2011年1月—2014年4月；（b） 2013年9月—2014年4月Fig.5 Daily average value curve of water temperature at Qianguo well

1.4 短臨異常圖

前郭5.8級(jí)震群發(fā)生前后，乾安井水溫和白城臺(tái)水溫2個(gè)測項(xiàng)表現(xiàn)為短臨異常。

（1）乾安井屬于混水井，位于查干泡—道字井?dāng)嗔驯眰?cè)附近，距震中50km，2008年觀測以來日動(dòng)態(tài)平穩(wěn)，水溫日變幅約0.005—0.001℃。2013年10月18日水溫開始下降，10月22日出現(xiàn)階降，下降幅度達(dá)0.04℃，27日至11月6日緩慢下降，期間發(fā)生前郭5.5級(jí)地震，11月7日至今處于低值平穩(wěn)狀態(tài)，22日、23日略有回升，后發(fā)生前郭5.3級(jí)和5.8級(jí)地震，震后水溫在低值背景變化［圖6（a）］。

（2）白城井于2013年6月7日至10月中旬出現(xiàn)中短期低值波動(dòng)異常，11月15日出現(xiàn)階降，截至11月23日，下降降幅0.004℃，為正常日變幅的8倍，后發(fā)生5.8級(jí)地震，震后水溫在低值背景下波動(dòng)變化［圖6（b）］。

圖6 乾安井、白城井水溫日均值曲線Fig.6 Daily mean value curve of water temperature from Qian' an well and Baicheng well

2 流體異常特征

2.1 形態(tài)特征

流體異常形態(tài)各異，可信度不一。從理論與預(yù)測角度，應(yīng)該關(guān)注具有代表性、變化幅度大及可信度較高的異常變化，這類異常變化稱為典型的前兆異常（張立，2010）。從異常所處構(gòu)造、異常時(shí)間及異常形態(tài)分析，認(rèn)為豐滿水氡2012年9月年變形態(tài)被打破，年變規(guī)律不明顯，豐滿水氡2013年存在8次高值突跳現(xiàn)象，超過2倍均方差，表現(xiàn)為中期異常變化特征。而該臺(tái)氣氡2013年變幅度較2011—2012年明顯增大，2013年4月至8月高值波動(dòng)，打破年變形態(tài)，呈現(xiàn)震前中期異常特征。白城水溫2007年觀測以來一直呈趨勢性上升形態(tài)，2013年5月1日急劇上升，10月17日至23日逐日下降，10月24日至11月14日平穩(wěn)波動(dòng)，11月15日至23日連續(xù)下降，每次突降后伴隨小幅上升過程，震前呈現(xiàn)出上升—高值波動(dòng)—突降平緩上升發(fā)震—突降發(fā)震的中期異常特征。前郭水化觀測中，氯離子呈現(xiàn)震前上升—高值徘徊發(fā)震—再上升高值徘徊發(fā)震的短期異常特征；鎂離子急劇上升高值徘徊發(fā)震，呈現(xiàn)震前下降低值徘徊—上升—高值徘徊發(fā)震的短期異常特征。前郭水溫于2013年9月1日急劇上升，高值徘徊，11月20日急劇下降，呈現(xiàn)上升—高值徘徊發(fā)震—急劇下降發(fā)震的短期異常特征。乾安水溫于 2013 年10月22日下降，至26日轉(zhuǎn)平緩變化，呈現(xiàn)發(fā)震前突降的短期異常特征。從此次前郭震群流體各測項(xiàng)資料看出，在震群發(fā)生前一段時(shí)間，流體在時(shí)間、幅度、形態(tài)等方面存在一定差異，見表2。

表2 流體異常Table 2 Statistics table of anomalous fluid

2.2 時(shí)間特征

在時(shí)間上，異常表現(xiàn)為漸進(jìn)式，前郭震群前各項(xiàng)地下流體異常主要集中在震前1—12 個(gè)月內(nèi)，最早出現(xiàn)在震前1年左右，最晚出現(xiàn)在震前1天。化學(xué)測項(xiàng)早于物理測項(xiàng)，其中豐滿水氡及氣氡為破年變異常，前郭井、乾安井和白城井距震中較近，主要表現(xiàn)為臨震異常，且異常出現(xiàn)時(shí)間較集中（表2），先以破年變?yōu)楸憩F(xiàn)方式，逐漸由中期異常向短期異常再向臨震異常變化，臨震異常特征表現(xiàn)為加速轉(zhuǎn)折下降。

2.3 空間特征

此次地震流體異常臺(tái)站均位于吉林省中部，空間分布不均勻，總體呈北西向及北東向的條帶，具有叢集性特點(diǎn)。異常較早出現(xiàn)在距震中較遠(yuǎn)的地方，且同一測點(diǎn)不同測項(xiàng)有一定同步性（圖7）；隨著發(fā)震時(shí)間的臨近，異常震中區(qū)收縮，表現(xiàn)為外圍區(qū)出現(xiàn)異常→異常向震中區(qū)收縮的特征。

圖7 前郭井Cl-、Mg2+、水溫同步變化曲線Fig.7 Synchronous curve of Cl-，Mg2+and water temperature at Qianguo well

3 討論

以往研究認(rèn)為，強(qiáng)地震前地下流體趨勢異常具有時(shí)空轉(zhuǎn)移特征（陸明勇等，2013）。本文研究發(fā)現(xiàn)，前郭5.8級(jí)震群前300km范圍內(nèi)地下流體長趨勢異常發(fā)展的時(shí)間進(jìn)程是：異常最早（2012年9月）出現(xiàn)在豐滿臺(tái)（吉林中部），距震中區(qū)230km，之后出現(xiàn)在相距142km的白城臺(tái)（吉林西部），后集中出現(xiàn)在震區(qū)附近。表現(xiàn)為外圍區(qū)出現(xiàn)異常→異常向震中區(qū)收縮的特征，對(duì)于判定未來地震的震中有一定幫助（高小其等，2007）。

通過此次前郭5.8級(jí)震群與以往東北中強(qiáng)地震流體異常對(duì)比發(fā)現(xiàn)：乾安井水溫、白城井水溫、前郭井水溫在東北幾次中強(qiáng)地震前均未出現(xiàn)明顯的前兆異常變化；前郭水質(zhì)具備一定映震能力，東北幾次中強(qiáng)地震發(fā)生前后有一定異常顯示；豐滿水氡具有映震敏感點(diǎn)特征，大部分異常出現(xiàn)在時(shí)間上與東北及華北的中強(qiáng)地震以及西太平洋地震帶北段等地區(qū)的強(qiáng)震活動(dòng)相關(guān)聯(lián)、反映出大量與地震活動(dòng)有關(guān)的信息，尤其是發(fā)生在強(qiáng)震前的水氡突跳異常更是該測項(xiàng)的一個(gè)突出的特征。

此次地震前流體異常與2006年前郭5.0級(jí)地震地下流體異常有所不同，2006年四平地溫、白城水汞、四平水位、敦化水氡、前郭水質(zhì)均出現(xiàn)明顯的前兆異常特征，表現(xiàn)為中、短期異常特征，一般震前下降，并在上升過程中發(fā)震。上述異常主要集中在伊舒斷裂帶、松花江斷裂帶附近，距震中約300km的敦化臺(tái)最早出現(xiàn)異常，距震中較近臺(tái)站異常出現(xiàn)較晚（張洪艷等，2007）。此次地震的流體學(xué)科異常既有中期趨勢異常變化，也有短臨前兆變化，多數(shù)異常的可靠性均較高，表現(xiàn)為在震前高值和下降過程中發(fā)震。在時(shí)間節(jié)點(diǎn)上，前郭水溫測項(xiàng)異常變化與氯離子及鎂離子的高值異常變化具有同步特征。從地質(zhì)構(gòu)造看，異常位于伊通—舒蘭斷裂及松遼盆地西部嫩江斷裂、中部松原—肇東斷裂、第二松花江斷裂、克山—大安斷裂附近。結(jié)合地震前兆異常機(jī)理，表明在松遼盆地及附近地區(qū)，局部構(gòu)造應(yīng)力場有增強(qiáng)趨勢，初步推斷此次地震的發(fā)生與北東向的松原—肇東斷裂活動(dòng)有關(guān)。

本文僅對(duì)所轄的地下流體前兆異常進(jìn)行總結(jié)，并與2006年前郭5.0級(jí)地震地下流體異常進(jìn)行對(duì)比分析，豐富了吉林省研究震例，對(duì)吉林省地震前兆異常數(shù)據(jù)庫及地震預(yù)報(bào)指標(biāo)體系建設(shè)，提供了重要基礎(chǔ)資料。

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Analysis on characteristics of underground fluid anomalies of Qianguo MS5.8 earthquake swarm

Sun Xuli1），Zou Benliang2），Cao Rongji1）and Tang Chuncheng1）
1） Earthquake Administration of Jilin Province，Changchun 130117，China
2） Helong Seismic Station，Jilin Province 130219，China

The subsurface fluid precursor anomalies in the Jilin province before and after Qianguo MS5.8 earthquake swarm occurred in 2013 are systematically summarize.The results show that the existent anomalies include water radon and gas radon anomalies of Fengman well，water temperature anomalies of Baicheng well，water temperature anomalies of Qian'an well，water temperature、chloride ion and magnesium ion anomalies of Qianguo well.The subsurface fuid precursor anomalies in the province have both the medium-term anomalies and the short-term and impending anomalies.In the space，they show the contractive specifc character from the periphery to the epicenter area.In the paper，the subsurface fluid precursor anomalies which caused by Qianguo MS5.0 earthquake in 2006 are contrasted.These works both enriched the earthquake case study of Jilin province，and offered important basic data to the earthquake prediction indicator system construction of Jilin province.

MS5.8 earthquake swarm，subsurface fuid，precursor anomaly，anomaly character

10.3969/j.issn.1003-3246.2015.05.012

孫旭麗（1968—），女，本科，工程師，現(xiàn)主要從事地震分析預(yù)報(bào)工作。E-mail：260225844@qq.com

本文收到日期：2015-04-07