都蘭臺深井地溫的同震變化研究

李滔 宋秀青 王秋寧

1）青海省地震局，西寧市興海路1號 810001

2）上海市地震局，上海 200026

3）陜西省地震局，西安 710068

0 引言

地熱用于地震前兆觀測在我國已有幾十年的歷史。許多專家對地熱（水溫）變化的特征和機理進行過專門的研究。陳沅俊等（1992）通過研究1989年大同-陽高地震前的水溫異常認為，斷層蠕動作為一種剪切摩擦滑動必然產生一定的熱量，故有可能利用水溫變化來研究斷層在震前的加速蠕動并進行地震預測。姚寶樹（2004）則通過對三馬坊水溫井的觀測結果進行研究后認為，地震發生后地震波的波動改變了區域地應力場的作用，使巖體周圍受力平衡再次發生改變，巖體圍壓發生變化，巖體內裂隙、節理、孔隙壓等也隨之發生變化，巖體裂隙、孔隙里的地下流體也發生變化，地下水受壓上升，受張下降，流體的溫度隨之發生變化。楊竹轉（2011）研究認為，同一口井的水位同震變化是水溫同震變化的必要條件，水溫同震響應總是出現在地震波到達和水位同震變化開始之后；且水溫同震變化的幅度受震級、井震距、季節、地溫梯度、探頭放置位置等因素的影響。張彬等（2013）對2008年汶川 MS8.0地震、2010年玉樹MS7.1地震和2013年蘆山MS7.0、岷縣MS6.6地震引起的中國大陸井水溫同震響應現象進行了研究，認為水溫同震變化的幅度不僅受動力加載作用強弱（距離）的影響，而且很可能與區域構造活動狀態有關，應力狀態的變化會直接影響到含水層孔隙度等，因而直接導致地下水動力特征的變化。

“十五”數字地震觀測網絡項目以來，青海省先后建成了地熱觀測井孔14個，其中，水溫觀測井孔10個，另外4個井孔沒有深層地下水，為地溫觀測。2015年4月25日尼泊爾8.1級地震時，大部分井孔的水溫觀測數據沒有同震變化反應，只有都蘭臺深井地溫（簡稱都蘭地溫，下同）觀測數據出現了明顯的同震變化。本文即對都蘭地溫觀測數據的同震變化情況進行了總結，分析了同震變化特征，并探討了地溫同震變化發生的機理。

1 基本情況

1.1 井孔

都蘭地溫觀測井位于柴達木盆地南部，可可西里-巴顏喀拉、柴達木2大地震帶之間（圖1）。井孔深105.30m，其中，0.50m以上為粉土，含砂礫，0.50～＜44.80m為坡積角礫，44.80～＜105.30m為坡積角礫巖。井中沒有地下水，為干井。溫度探頭置深為100m，以觀測井底地層的溫度變化（圖2）。

圖1 都蘭井地質構造位置

1.2 儀器

都蘭地溫觀測井安裝的儀器為中國地震局地殼應力研究所研制的SZW-1A數字式溫度計，安裝時間為2007年6月20日。儀器自從安裝以來觀測數據一直不正常，背景噪聲非常大，數據經常出現大幅度的臺階和突跳，動態極不穩定。2013年5月儀器出現故障，經維修后，2013年6月1日起恢復正常。

圖2 都蘭地溫觀測井井孔柱剖面圖及探頭位置示意圖

1.3 長期觀測動態變化特征

2013年6月1日儀器恢復正常工作后，都蘭地溫觀測曲線的背景噪聲明顯變小，動態變化也相對穩定，呈現出緩慢上升態勢，并在緩慢上升的過程中疊加了一些小幅度的起伏和毛刺。背景干擾的幅度由約 0.006℃下降到 0.0001℃，日變幅約為 0.0003℃，年變幅約為0.021℃（圖 3）。

盡管2013年6月1日以后都蘭地溫曲線較以往變化平穩，但從日變化形態來看，仍存在一些短時間的小幅度變化，變化形態以向下—回升居多，但也有少量上升—下降的變化（圖 4）。

2 同震變化

2013年6月1日都蘭地溫儀器正常觀測以來，盡管存在許多不明原因的短期變化，但仍在震后多次觀測到了明顯的同震變化。2013年6月1日～2015年5月31日，全球共發生MS≥7.0地震48次，我國共發生MS≥5.0地震85次。對這132次地震（其中1次地震在2個目錄中均有）發生前后都蘭地溫觀測數據進行分析發現，有8次地震記錄到了明顯的同震變化過程（圖5、6）。這8次地震的參數和分布情況見表1。

圖3 2013年6月1日～2015年5月31日都蘭井地溫長期變化

圖4 都蘭井溫短期變化

圖5 2013年 6月 1日～2015年 5月 30日全球 M S≥7.0、我國M S≥5.0地震及都蘭井地溫同震響應地震震中分布

圖6 都蘭井地溫同震響應地震的震源機制解及空間分布

表1 都蘭井地溫觀測數據出現同震變化的地震目錄（以震中距排序）

由表1和圖5、6可見，都蘭地溫同震響應的地震都集中在中國大陸及周邊，距離最遠的為2015年5月30日日本小笠原群島8.0級地震（Δ＝4079km）。出現同震響應的最小震級地震為2014年10月2日烏蘭5.3級地震（Δ＝31km），最大的為2015年4月25日尼泊爾8.2級地震（Δ＝1553km）。這些地震均為相同震中距范圍內震級最大或較大的地震。另外，2013年8月1日18：24墨西哥海岸遠海 7.5級（Δ＝13852km）、2013年 11月 17日 17：04斯科舍海7.8級（Δ＝16352km）2次地震后地溫數據也有變化，但是墨西哥7.5級地震在都蘭地震臺及周邊臺站均未記錄到振動波形，表明該地震的地震波到達都蘭臺時已經完全衰減，無法引起同震變化，故同時段的地溫變化應該不是該地震的同震變化；斯科舍海7.8級地震后的地溫變化比地震的面波晚到將近半個小時，而其他各次地震的同震變化開始時間均在面波（烏蘭地震為S波）到達后1～10min之內，故此次變化應該也不是斯科舍海7.8級地震的同震變化。

3 典型同震變化及特征

3.1 典型同震變化

3.1.1 甘肅岷縣6.7級地震

2013年7月22日 07：52，都蘭地溫數據出現明顯下降，08：12數據下降減緩，至 17：04數據下降到最低值，累計下降幅度為0.0008℃。之后，數據變化轉平，并在低值持續約5hr后重新開始緩慢上升。測震記錄波形顯示，都蘭臺岷縣6.7級地震P波到時07：47，S波到時07：48，面波到時07：48。都蘭地溫值的下降，是在面波到達4m in后開始的，其變化應是面波到達后所引起的變化（圖7（a））。

3.1.2 新疆于田7.3級地震

2014年2月12日17：31，都蘭地溫觀測數據出現下降，至 17：34累計下降 0.0003℃，17：34～17：47數據持平，到17：48數據小幅度回升并轉平，18：37起再次緩慢小幅度下降至19：18轉平，之后恢復數據緩慢上升的正常動態變化。測震記錄波形顯示，都蘭臺于田7.3級地震P波到時17：22，S波到時 17：25，面波到時17：27。都蘭地溫值的下降，是在面波到達4m in后開始的，其變化應是面波到達后所引起的變化（圖7（b））。

3.1.3 尼泊爾8.2級地震

2015年4月25日14：20，都蘭地溫觀測值出現快速下降，至14：28下降到最低值，下降幅度達0.0028℃。14：31數值開始回升，到16：13基本恢復到下降前的水平。整個過程持續114min。測震記錄波形顯示，都蘭臺尼泊爾8.1級地震 P波到時14：14，S波到時 14：17，面波到時14：19。都蘭地溫值的下降，是在面波到達1m in后開始的，其變化應是面波到達后所引起的變化（圖 7（c））。

3.1.4 日本小笠原群島8.0級地震

2015年5月 30日 19：41，都蘭地溫觀測值出現明顯下降，至 19：52下降幅度達0.0003℃，之后緩慢恢復，20：16恢復到下降前的水平。整個過程持續35m in。測震記錄波形顯示，都蘭臺日本8.0級地震P波到時19：29，S波到時19：34，面波到時19：37，最大面波在19：43～19：47出現。都蘭地溫值的下降，是在面波到達后開始的，其變化應是面波到達4min后所引起的變化（圖 7（d））。

3.2 同震變化特征

各次同震變化的具體特征見表2。由表2可見，都蘭地溫的同震變化具有以下特征：①變化形態主要有2種：下降—回升（6次）、下降—轉平（2次）。都蘭地溫同震變化第1階段的變化形態均為下降，之后的變化形態則有低值回升和低值轉平2種。②尼泊爾8.2級地震的同震變化的幅度最大，達0.0028℃，其他幾次地震的同震變化幅度均小于0.001℃，其中，烏蘭5.3級地震的同震變化僅在其背景變化基礎上下降了0.0001℃，這應與震級較小有關系。③除烏蘭5.3級地震外，其他地震幾乎都是在面波到達后才出現同震變化反應。其原因應是面波振幅遠大于體波，比體波攜帶了更多的能量，因而其更易于引起同震變化。烏蘭5.3級地震震中距僅有31km，未記錄到面波，盡管震級不大，但其體波也對都蘭地溫造成了小幅度的影響。④各次同震變化與該次地震面波（烏蘭地震為S波）到達臺站的時間差為1～10m in。其中，4個地震的同震變化發生在面波到達后4min，2個地震分別為3、5m in，尼泊爾8.2級、巴基斯坦7.9級地震則分別為1、10m in。⑤下降—回升形態變化的持續時間大多為幾十分鐘，僅有尼泊爾8.2級地震因震級較大，變化幅度大，持續時間近2hr。下降—轉平形態變化的持續時間均較長，為5～7hr。

圖7 都蘭井地溫典型同震變化

表2 都蘭井地溫同震變化特征

4 同震變化幅度特征分析

4.1 同震變化幅度與地震波振幅的關系

表3統計了都蘭臺測震儀記錄到的各次地震的最大振幅，并分別計算了最大振幅與同震變化幅度之間的擬合相關系數。由表3可見，各分量振幅與同震變化幅度的擬合相關系數均大于0.800，表明同震變化幅度與地震波最大振幅之間有較好的線性關系，其中，水平分量合成振幅的擬合情況最好，擬合系數為0.924，三分量合成和NS分量的相似程度也較好，擬合系數都大于0.88。

上述分析均間接證明，都蘭地溫一系列的以下降為主要特征的異常變化，確實是上述地震的地震波振動所引起的同震變化。同震變化的幅度，更多地受水平方向合成振動的影響。

4.2 同震變化幅度與震級的關系

由同震變化幅度與震級間的關系可見（表3），同震變化的幅度對于同一震中距而言，隨著震級的增大而增大；震級相近時，則隨著震中距的增大而減小。如2015年4～5月的3次尼泊爾地震，震中距相同，同震變化的幅度隨著震級的變化而不同。尼泊爾8.2級、日本小笠原群島8.0級地震，震級相差雖然不大，但前者比后者震中距要小，其同震變化的幅度也比后者要大。巴基斯坦7.9級、日本小笠原群島8.0級地震，前者震級和震中距均略小于后者，二者的同震變化幅度基本相同。

由此可見，同震變化幅度與震級間的線性關系并不明顯。由于單臺計算地震震級的大小不僅取決于單臺記錄到的地震波的振幅大小，而且取決于震中距的遠近，因此，二者的擬合相關系數不大，僅為0.437。

5 變化形態及原因分析

于田7.3級、岷縣6.7級2次地震與其他地震的都蘭地溫同震變化形態有所不同，均為下降—轉平形態（圖7）。這表明在地溫同震下降后，探頭處溫度未恢復，而是達到了新的熱力學平衡。

表3 都蘭井地溫同震變化與地震波振幅間關系的統計

從空間分布來看，于田7.3級地震發生在巴顏喀拉地塊西邊界附近的硝爾庫勒盆地南緣，為巴顏喀拉地塊向東擠出的構造響應和應變調整所致（吳傳勇等，2014）；岷縣6.7級地震震中位于巴顏喀拉塊體東北緣附近的臨潭-宕昌斷裂帶中東段，青藏高原東北部東昆侖斷裂的向北擠壓和向東的運動是該地區構造應力集中的主要動力（鄭文俊等，2013）。因此，這2次地震都是青藏高原北部塊體向北和向東的擠壓作用所導致的。都蘭井位于青藏高原北部的東昆侖-柴達木地塊內，地塊南緣與巴顏喀拉塊體相鄰，與這2次地震震中一樣都位于青藏高原北部的重要活動斷裂——庫瑪斷裂帶北側附近。因而，這2次地震所產生的應力變化，都對都蘭井造成了直接的影響，導致其地溫同震變化后無法恢復原狀，發生了類似“塑性”的變化。

其他幾次引發同震變化的地震，如烏蘭5.3級地震震中距雖近但震級較小，同震的影響也很小；其他地震雖然震級都大于7級，但震中距都較大，發震構造也與都蘭井沒有直接的聯系，其同震變化均為下降，并在之后的較短時間內恢復原狀（圖7），這種變化類似“彈性”的變化。

對比以上2種變化形態可見，當地震發震構造與都蘭井之間有相對直接的構造聯系且震級較大時，就會導致都蘭地溫發生“塑性”變化；而當地震的發震構造與都蘭井沒有相對直接的構造聯系或震級較小時，就會導致都蘭地溫發生“彈性”變化。

6 結論和討論

6.1 結論

（1）在井孔周邊一定范圍內且震級較大的地震發生后，都蘭深井地溫觀測數據出現同震變化，變化形態有下降-回升和下降-轉平2種。

（2）都蘭深井地溫同震變化均在都蘭臺所記錄到的最大振幅地震波（近距離地震為S波，遠距離地震為面波）到達1min后出現。

（3）都蘭地溫同震變化幅度與最大地震波幅度有關，相關性大于80%，但與震級的線性相關性不明顯。

6.2 地溫同震變化機理探討

水溫同震變化是由于地震發生后地震波的波動改變了區域地應力場的作用，使巖體圍壓發生變化，導致巖體內裂隙、節理、孔隙壓也隨之發生變化，從而使得巖體裂隙、孔隙里水的流動和匯集方式發生變化所致。但是對于都蘭井這種無水的地溫觀測井，其變化的機理尚需要進一步的探討。

對于一般的彈性系統的熱力學狀態，可用應力σ、應變ε和溫度T等3個參量描述，寫成微分形式（謝銳生，1980）為 dσ＝E dε＋βd T，其中，E為楊氏模量，β為熱應力系數。此狀態方程經常用來研究熱脹冷縮引起的應力問題，但涉及應力引起溫度變化的研究則很少。對于等溫情況（d T＝0），上式變為胡克定律 dσ＝E dε，也即為彈性力學側重研究的內容。在絕熱情況下，固體彈性變形的狀態方程不再是胡克定律，受熱膨脹的材料也會受壓升溫（對于一維情況：ΔT＝aTΔσ，其中，T為初始溫度，a為與材料性質有關的熱物理常數）。實際上，對于緩慢過程，可近似為等溫過程。對于快速變化（如地震），更接近絕熱過程，溫度與應力變化相關聯，除了可以通過變形測量獲得應力外，還可以通過溫度測量來獲得應力變化狀態（陳順云等，2013）。尤其是對于彈性模量大的介質，即使應力變化很大，變形也可能較小，應力的變化則可通過溫度的變化來體現。

由此可見，都蘭深井地溫觀測數據的同震變化，可能正是由于地震波所攜帶的能量使得井孔介質的應力狀態發生改變，而這種應力狀態的改變導致井孔周邊的熱力場分布發生了明顯的變化。

都蘭井的井孔基質為坡積角礫巖，質地較堅硬，基巖疏松。這樣的介質并不屬于上文中提到的彈性模量大的物質。這種介質是否能夠更好地感應應力的變化，尚未見相關報道。但從目前的情況來看，青海省其他地熱觀測井孔都位于基巖之中，卻沒有明顯的同震反應。而都蘭井這一介質相對疏松的井孔，卻觀測到了清晰的同震變化。這與其構造位置有關，還是與其井孔介質有關，需要在以后的研究中逐步深入探討。

6.3 其他需要進一步研究的問題

都蘭地溫的動態變化背景存在許多不明原因的短時間上升或下降變化，其中，多數下降變化與同震變化的形態和幅度都非常類似（圖4）。盡管通過上述分析后認為，都蘭地溫在震后發生的這種變化與地震之間確實存在明顯的聯系，但僅從變化形態和幅度上進行分析，大部分無法明確地直接判斷是否為同震變化，必須結合地震目錄及該臺地震記錄波形才能進行準確判斷。因此，對于都蘭地溫這種不明原因的短期變化，建議開展相關研究，盡可能給出其原因并予以排除。