2021年5月22日青海瑪多M7.4地震前共和水溫異常分析研究

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部地球動力學野外科學觀測研究站,青海 西寧 810001;2.青海省地震局,青海 西寧 810001)

0 引言

據中國地震臺網正式測定,2021年5月22日2時4分,在青海果洛州瑪多縣(34.59°N,98.34°E)發生M7.4地震,震源深度17 km。地震震中位于瑪多縣黃河鄉附近,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,此次地震的震源機制解為逆沖型。

溫度是體現物質熱狀態的基本物理量,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,不僅對介質應變狀態有靈敏響應,并且觀測數據無須進行復雜的數學處理,通過直觀的形態變化就能提取異常[1]。由于孕震及發震過程中地應力變化使巖層壓縮或膨脹,引起震區以至遠方孔隙水壓力的異常變化。與此相應,有時震前地下水化學成分也會改變,將其與研究地球熱狀態相結合,特別是地表層的熱狀態及其隨時間的變化是地震預報行之有效的方法之一[2]。共和水溫在瑪多M7.4地震前出現顯著異常形態。通過地震地球化學方法,排除觀測資料干擾信息,提取異常,總結經驗,可為后續地震前兆異常識別提供科學參考依據,同時也有助于提升該區震情研判能力[3-6]。

1 共和水溫概況

1.1 區域地質構造

共和水溫觀測點位于共和盆地,地處于昆侖—秦嶺緯向構造帶與河西系構造復合部位的沉降帶,其四周被斷褶隆起山地圍限(圖1)。共和盆地主要構造體系有西域系、河西系、東西向體系等,共和水溫觀測點主要位于西域系和河西系的交接部位。西域構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,經溝后村轉為NEE,至次漢達哇村又折向SE方向。河西構造體系由一系列NNW隆起帶及拗陷帶組成,和NWW向斷裂構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今形態[7]。

圖1 共和水溫觀測點地質構造圖Fig.1 Geological structure map of Gonghe water temperature observation point

1.2 區域水文地質概況

共和盆地由于第四紀初期大幅度的沉降,其內堆積了厚千余米的下更新統河湖相松散堆積物,為地下水的貯存提供了良好的條件。地下水補給主要為盆地周邊出山口河流的入滲補給,由山前向盆地中心排泄基準徑流,最終匯于龍羊峽水庫排出區外和通過茶卡鹽湖蒸發排泄。共和水溫觀測點地下水主要來源于北部山區降水、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向補給。

該區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給,通過克才和向龍羊峽水庫排泄。承壓水主要來源于西側塔拉臺地半承壓水的側向補給,另外東側低山丘陵區半承壓水對河谷承壓水也有一定補給作用,但補給量較西側小很多,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向排泄[7]。

1.3 觀測系統

共和水溫觀測點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,水流穩定,受外界干擾較小。觀測井孔淺部11.5 m為風積成因的砂質黏土,其下發育厚度為94 m的砂質黏土、粉砂、黏土質砂互層,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育[8]。

該觀測點于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,具有觀測時間長,數據同步性好,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

由于水溫觀測會受到氣象、環境等因素的影響,所以在提取異常信息時,需要對可能的干擾因素進行排除。共和水溫觀測點所在區域屬高原大陸氣候,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,年蒸發量在1 400～2 400 mm ,年平均相對濕度48.9%,潮濕系數為0.17,降水多集中于6、7、8三個月。本次異常出現前后,氣溫、降雨量無顯著變化。經調查,該觀測點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,可以排除環境干擾[9]。

2.2 異常性質分析

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

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

異常出現后,2021年3月10日對共和水溫觀測井進行水化學組分取樣分析,5月22日瑪多地震發生后,于6月1日再次取樣,將兩次數據與震前(2018年5月13日)數據對比分析,以期為異常性質判定提供流體地球化學方面的佐證,樣品委托中國地震局地殼應力研究所地殼動力學重點實驗室、中國地震局地震預測重點實驗室依據《地下水質檢測方法標準》DZ/T 0064—1993測試分析,具體分析結果列于表1。

圖4 離子分布星狀圖Fig.4 Ion distribution map

表1 水化組分結果統計表Table 1 The analysis results of hydrochemical components

2Na++H4Al2Si2O9+4SiO2

綜上所述,地下水循環在經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、電導率及Na-K-Ca熱儲溫度匯總表Table 2 Summary of heat storage temperature for TDS,conductivity,and Na-K-Ca

由表2可知,在熱儲深部,由于熱水在上升過程中與圍巖發生水巖作用,并受到冷水的混入,導致地熱水的TDS更高,加之其他陰陽離子的混入,導致電導率一并升高(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,說明低礦化水補給過程中含量甚微的K+帶入而導致熱儲溫度下降,亦可理解為震后地下水恢復平衡狀態的緩慢過程。

Na-K-Mg三角形圖解法由Giggenbach于1988 年提出,用來評價水-巖平衡狀態和區分不同類型的水樣,大致分為三個階段:地熱水在上升過程中與圍巖發生離子交換反應達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到達平衡即為部分平衡水,熱水與圍巖礦物發生的離子交換反應未到達平衡則為未成熟水。

將三次水樣的Na+、K+、Mg2+含量數據點計算處理后繪制Na-K-Mg三角圖(圖6),顯示出三個水樣分布在部分平衡水區域和未成熟水區域兩個區域內。共和2021-03-10分布在部分平衡區,表明有部分平衡水的混入,循環深度較深。共和2018-05-13及2021-06-01分布在未成熟水區,表明水樣與周圍環境的水-巖反應程度較弱,循環深度較淺。這進一步說明與佐證共和水溫異常出現后(共和2021-03-10),中深部地下水與圍巖反應不充分,熱水在向地表上升的過程中流經巖石地層時受到中等礦化的部分平衡水混入,從而使正常時段(共和2018-05-13)的水體礦化度及水化組分發生顯著變化,造成水樣由未成熟水達到部分平衡狀態,進而在地震發生后(共和2021-06-01),由于區域應力恢復及中深部中等礦化水混入減少的作用下,逐漸恢復至正常時段的未成熟水狀態過程。

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,背景值穩定,但不具明顯年變形態,觀測系統穩定性高,不易受周邊環境干擾,本次異常出現前,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反向凹字形變化,恢復后161天發生井震距440 km的四川九寨溝M7.0地震;(2)2018年3月9日水溫兩套數據出現反向波動變化,恢復后25天發生距觀測點420 km的青海稱多M5.3地震;(3)2019年7月24日水溫兩套數據出現反向突跳變化,恢復后48天發生距觀測點230 km的甘肅夏河M5.7地震;具體地震參數及異常特征見表3、圖7。

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

表3 地震參數及水溫變化統計表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,在正常觀測時間段內,構造相關區域4次5級以上地震前3次有異常反應,形態均為兩套儀器反向變化,持續時間以20～46天為主,異常結束后25～161天內發生目標地震,優勢地點為青海南部及鄰近地區。本次異常持續時間22天,異常結束后62天發生瑪多地震,與歷史震例研究結果一致。

3 討論及結論

本次異常出現前后,氣溫、降雨量無顯著變化,觀測點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,結束于震前62天,異常持續時間22天,異常結束后發生瑪多M7.4地震,排除環境干擾的情況下,增加了該異常的可信度。