地震前地下流體異常特征研究*

宋 田，馬 永

（天津市地震局，天津 300201）

引言

通過對地下流體水位對構造應力的響應，從而了解地下水位在大地震、強地震形成的過程里面，短期與中期的水位構造力應力的變化響應情況，研究和分析地震發生之前，地下水的水位情況，由中期異常逐漸發展到短期異常的發展變化的過程，并描述其特征情況。研究結果表明，地下水位發生變化時即出現趨勢上升的情況或者是趨勢下降的情況。顯示的異常情況為動態變化的規律異常情況，則是中期異常，一般情況下中期異常時間段為1年至3 年。趨勢的上升或者趨勢的下降發生了很明顯的變化，這種情況則代表中期異常的結束。一旦中期異常發生了轉折的情況，其異常的這一過程中圖像則為上下波動或是拉平的，這期間的異常情況屬于由中期異常發展為短期異常的階段，我們稱之為過渡性異常。水位再次出現十分明顯的轉折，此時便是短期異常的起始階段。而深井水位異常分析圖像中所出現的沿著趨勢持續上升、或沿著趨勢持續下降、打破正常含水年動態變化線的規律及其形態，取決于深水井孔中的含水層處理系統在發生大震動和孕育變化過程的含水應力變化調整再生和積累這一階段所需要處理的部位; 尤其是取決于觀測井點位于地質構造塊體的構造帶上，還是相鄰塊體的構造帶上。水位應力震前異常的地理特征，源于在地震地質孕育反應過程中水位應力異常的自然形成。

1 研究目的與意義

地震通常的情況下都會伴隨地下流體運動前兆異常及其特征發生變化。研究結果表明，地震外圍應力前兆積累監測過程中存在地下水與地下深層含水氣體的地質物理化學性質和流體化學性質之間會相互出現一定程度變化，前兆異常介質變化監測受應力區域內的地質物理構造變化影響，對地震外圍應力區域內的介質異常變化監測反映較為顯著，地下深層流體的異常介質變化監測可以將其作為地震應力前兆異常監測，進行地震前兆的相關預測。如何做到能夠對各種地震發生前兆異常性的特征情況進行合理化的測量對于提高地震前兆預測學的分析技術水平是具有重要現實意義的。國內外眾多科學研究工作人員正在開展關于汶川地震前地下深層流體異常離子前兆濃度研究，監測指標項目主要包括地下深層流體中的異常離子前兆濃度波動變化、地下深層流體中的溫度波動變化、生成地下深層氣體離子組成濃度變化等監測指標，積累了關于震前地下深層流體異常離子前兆濃度變化的大量監測數據。盡管震后地震中的前兆異常變化趨勢并不能直接作為長期預報震前地震的準確數據依據，但對于獲取某些震前顯著的異常變化信息，對于震前異常預測依然具有顯著的學術參考價值。

圖1

2 地震前地下流體異常解釋

根據各大震區地下深層流體出現的前兆異常情況的特征，地震數據的分析匯總采集分析，按照震區時間發展進程將前兆異常地震特征數據劃分并列為三類。一般情況下地震發生前的一至六個月所出現的地震前兆即為短期異常，當出現地震前的半個月時間直到五年時間內出現的異常前兆的情況即為中期異常，而在地震出現之前的五年以上的時間所出現的異常先兆的情況則為長期異常。

地震前兆的監測的主要內容實際上主要就是針對地下流體的深層溫度、地下流體深層水位、地下深層流體中等離子元素含量等階段觀測到的數據情況進行跟蹤分析。研究人員發現，截至2013 年底，川滇西部地區的地下表層流體異常情況，檢測指標包括地下表層流體平均溫度、地下表層流體平均水位、水體密度ph 平均值、水氡等含量，表現為中長期異常檢測趨勢明顯變化。該重點區域短期異常前兆地下流體監測發現趨勢異常，包括地下斷層水位、水體中等離子元素含量、地下層和水體斷層溫度、水體含汞、斷層氣溫和二氧化碳等，異常前兆監測主要集中于滇西與川滇兩省交界東部一帶區域，地震前的一段時間從葫蘆河入河口的地下深層地質水位、流體排水中的氧化鈣和碳酸鎂物質離子、深層地質氣體的氧和二氧化碳含量等各項地震指標都沒有出現發生顯著的較大程度異常變化，指標異常高且程度變化大的地震區域主要還是集中在川滇兩黔三省邊境交界的東南部。這樣的異常情況的發生與地震之前的地下流體出現的異常情況的關系是十分緊密的。

3 地震前地下流體異常分布規律

以黃驊冀19 井井水位異常為例，黃驊冀19 井井深1250m，觀測到表層巖石系黃河奧陶系灰巖泥質裂隙斷層承壓下的含泥積水層，于1100m 深處徑向穿越黃河羊二莊斷裂帶，斷層兩側泥質地層結構差異較大，構成了黃河流體徑向運動的主要通道。水位微體潮動態清晰，潮差精度達9cm 的清晰水位固體潮，同震振動效應明顯，系統對水位自動觀測靈敏度高點位。受全球地質生態結構氣候變化因素影響較為靈敏。2012 年5 月黃驊冀19 井井水位階變出現多次水位階變異常，從唐山井井地震前后水位觀測數據結果分析來看，唐山井井地震異常正是多次出現在異常水位階變大的時間段內，如圖1 所示。

黃驊冀19 井水溫度異常，觀測黃驊冀19 井底的水溫與地下水位溫度同步時會發生溫度階變異常，地下水流體溫度的異常響應變化主要體現在對斷層地質結構斷裂和巖層構造應力溫度疊加的同時響應，溫度發生階變異常的同時出現，是一個區域性的地質斷層構造溫度出現異常變化的地質加載應力響應，能夠由此互相關聯觀測出地下水水流體在特大地震發生前兆異常溫度變化的發展趨勢，如圖2 所示。

4 地下流體異常的影響

區域內地質的構造應力的不斷變化性也是可能導致地下地質流體異常流動特性發生變化的主要組成原因之一。地震前，川滇地區的循環井中含水位異常太高、井水加載溫度及深井式循環井的泉水加載溫度異?？焖僮兓染砻髁嗽撎幚韰^域井水地質表層結構的壓應力及水加載溫度分布的異常變化。而唐山、黃驊及其外環渤海等等區域內的水位異常高度變化有可能認為是該降水區域整體地質生態結構降水活動異常導致。

圖2

區域性的地質地貌構造降水活動變化導致地下淺層流體的活動能力增強，地下淺層水體中的等離子化學成分出現異常濃度變化。首要的原因是因為地震發生前和過程會導致低層含水壓裂，導致地下流體接觸到巖石的地下，增強巖水反應，促使地下水的離子含量發生變化；另外一點是由于地震活動導致新出露的礦物產生，巖石中含水的離子滲透力增強，不同的親水離子融合或置換，使地下水體離子發生異常變化。

5 結束語

趨勢構造應力能夠讓地下水位出現明顯的地震學科專業反映，構造塊體運動出現的相應的反映結果是一種地質上的自然且具體的表現。地震的發生是十分復雜的地殼運動情況，而且地震的發生在時間上也明顯的與地下水位異常有著緊密的聯系，正是因為地殼運動使得構造塊體、構造帶以及構造段出現的力是存在很大差異的，地震的時間關系的不同引起了不同含水層應力調整階段的水位異常。通過對地震前水位異常與應力調整階段的情況進行分析總結，對于預測地震發生時間是有極大的可能性的。

通過現有的實際發生過的地震案例來分析中期異常情況，時間基本都在一年以上。從中期異常發展到短期異常普遍時間都在半年到一年，水位情況在過渡異常的這個階段基本上沒有明顯的變化。但是如果水位變化出現再次不規律的情況，從圖像來看水位情況有轉折或者加速甚至井噴等的情況發生，則表示了短臨異常到來了，此時便要格外的小心地震的發生。根據我國現有的地下水觀測點的情況來看，我國的西部地區相對來說監測地震發生的能力還比較薄弱，甚至有的震區沒有地下水觀測點的存在，由此可見，想要準確的對地震的發生做出預警是件十分困難的事情。

通過對震例的研究發現，地震前的地下深層流體在長期和中期都不具有異常的流體特征，其中以一個距離該地震中心500 公里的地下深層流體特征為主。在當前地震的異常前兆現象觀察觀測范圍內，獲得地下水流體異常觀測指標的實時變化，可以及時提供震前震例預測的基礎數據分析支持，雖然不能對當前地震震例進行精確度的預測，但對當前震例的分析總結，完善我國地震震前預測基礎理論，具有重要的可參考研究意義。