2022年1月2日寧蒗MS 5.5地震前迪慶流體觀測(cè)井異常分析

楊 黎 張 立 胡小靜 張 翔 李 瓊 高文斐 李 圣

（中國(guó)昆明650224 云南省地震局）

0 引言

準(zhǔn)確識(shí)別地震前兆是地震預(yù)報(bào)科學(xué)難題的瓶頸問題之一，對(duì)提高地震預(yù)報(bào)精準(zhǔn)度具有重要意義。自2013 年開始，異常核實(shí)成為地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)工作條例的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)（郭倩，2015），用于地震預(yù)測(cè)的前兆依據(jù)均需進(jìn)行科學(xué)調(diào)研。云南迪慶地區(qū)位于滇藏地?zé)釒В軒r漿活動(dòng)與深大斷裂影響顯著，水熱活動(dòng)強(qiáng)烈，地下流體循環(huán)活動(dòng)一定程度上反映了深部構(gòu)造活動(dòng)特征，可為地震提供前兆信息，是實(shí)施地下流體前兆觀測(cè)的良好場(chǎng)所。

2022 年1 月2 日，云南寧蒗地區(qū)發(fā)生MS5.5 地震，震中位于云南麗江市寧蒗縣（100.65°E，27.79°N），震源深度10 km。此次地震發(fā)生前，即于2021 年8 月10 日起，香格里拉市迪慶州防震減災(zāi)局迪慶地震流體觀測(cè)井（下文簡(jiǎn)稱迪慶井）水位、水溫測(cè)項(xiàng)出現(xiàn)同步上升變化，與2012 年6 月24 日寧蒗MS5.7 地震（震源深度10.4 km，100.71°E，27.79°N）發(fā)生前的異常特征相似。為確證該異常對(duì)于此次寧蒗MS5.5 地震的前兆意義，筆者對(duì)異常的客觀性、基礎(chǔ)性以及異常的地震前兆意義開展了系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研工作。本文詳細(xì)報(bào)道了本次異常的震前調(diào)研與地震前兆意義論證過程。

1 測(cè)井及區(qū)域水文地質(zhì)概況

迪慶井是云南省地震地球物理觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)滇西觀測(cè)臺(tái)之一，自2011 年以來水位和水溫測(cè)項(xiàng)開展同步數(shù)字化觀測(cè)。該井為自流地震觀測(cè)井，位于香格里拉盆地內(nèi)德欽—中甸及中甸—小中甸斷裂帶交匯處（圖1），地處滇藏地?zé)釒^(qū)域。盆地地層出露以石炭系至三疊系的灰?guī)r、砂礫巖、泥巖、粉砂巖為主，第四系為冰期沉積、冰水沉積、洪積沉積的粘土、砂、礫，斷裂構(gòu)造發(fā)育，伴隨有三疊系基性及中酸性火山巖出露，巖溶地貌發(fā)育。

圖1 迪慶地區(qū)活動(dòng)斷裂及地震分布（數(shù)據(jù)信息來源于云南省地震局）Fig.1 Distribution of active faults and earthquakes in Diqing area（Compiled by Yunnan Earthquake Agency）

香格里拉地下水類型主要有松散層孔隙水、碎屑巖裂隙水、碳酸鹽巖巖溶裂隙水3 類（王宇等，2003；李麗輝等，2004）。迪慶井地下水類型為碳酸鹽巖巖溶裂隙承壓水，1991年10 月17 日成井，孔口海拔高度3 288 m，完鉆井深163.5 m，套管下至井底，井深108.21 m 以上采用鋼管密封，止水情況良好，108.21 m 以下安裝濾水管（圖2）。1993 年7月投入使用，配備SW40-1 型水位觀測(cè)儀和SZW-1A 型水溫觀測(cè)儀進(jìn)行水位、水溫模擬觀測(cè)。2011 年使用DRSW-1 型地?zé)崴痪C合觀測(cè)儀進(jìn)行數(shù)字化水位、水溫觀測(cè)，以分鐘值采樣為主，觀測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)、可靠，該套系統(tǒng)為動(dòng)水位觀測(cè)，溫度探頭置于井下115.3 m 處，水位傳感器下放深度為6 m，探頭至泄流口的距離為4.48 m。

圖2 迪慶井井孔柱狀圖Fig.2 Borehole column diagram of Diqing well

2 地下流體前兆異常及觀測(cè)系統(tǒng)檢驗(yàn)

2.1 地下流體前兆異常特征

水位、水溫異常作為水文地球動(dòng)力學(xué)前兆，對(duì)地震有一定指示意義（趙洪聲等，2000）。據(jù)迪慶井水位、水溫觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，2021 年8 月10 日—28 日，水位上升0.178 m，后轉(zhuǎn)平并持續(xù)高水位，變化幅度顯著，呈高值上升趨勢(shì)；2021 年8 月10 日—9 月30 日，水溫上升幅度約0.015 ℃，10 月1 日開始轉(zhuǎn)平并緩慢下降。該井水位、水溫測(cè)項(xiàng)出現(xiàn)同步上升異常，后于2022 年1 月2 日發(fā)生寧蒗MS5.5 地震。

為分析迪慶井水位、水溫同步上升變化與2022 年1 月2 日寧蒗MS5.5 地震（震源深度10 km，100.65°E，27.79°N）的關(guān)系，分析該井2011—2022 年水位、水溫觀測(cè)數(shù)據(jù)變化與臨近區(qū)域地震的對(duì)應(yīng)關(guān)系，結(jié)果見圖3，發(fā)現(xiàn)在其中3 次地震發(fā)生前，該井水位、水溫出現(xiàn)與此次寧蒗MS5.5 地震前類似的上升異常，具體表現(xiàn)在：2012 年4—6 月，迪慶井水溫、水位呈上升—上升轉(zhuǎn)緩變化趨勢(shì)，幅度分別為約0.055 ℃、0.127 m，在趨勢(shì)轉(zhuǎn)緩1 個(gè)月內(nèi)，于6 月24 日發(fā)生寧蒗MS5.7 地震（100.71°E，27.79°N），震源深度10.4 km，井震距約98 km；2013 年8 月下旬，迪慶井水溫、水位同步上升，幅度分別為0.035℃及0.026 m，后于8 月28 日發(fā)生德欽MS5.1 地震，于8 月31 日發(fā)生德欽MS5.9 地震（99.40°E，28.20°N），震源深度10 km，井震距約50 km，地震發(fā)生時(shí)水溫測(cè)項(xiàng)出現(xiàn)同震響應(yīng)，上升幅度為0.005 ℃。

圖3 2011—2022 年迪慶井水位、水溫觀測(cè)曲線Fig.3 Water level and water temperature observation curves in Diqing well from 2011 to 2022

經(jīng)核查，發(fā)現(xiàn)：迪慶井水位、水溫觀測(cè)儀和數(shù)采設(shè)備均工作正常；供電設(shè)備和避雷設(shè)備工作狀態(tài)正常；探頭電纜固定裝置符合相關(guān)規(guī)范。對(duì)照溫度數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，迪慶井下層溫度梯度變化恒定在0.01 ℃/m 范圍內(nèi)，溫度隨深度逐漸增加（表1，圖4）。2021 年8 月10 日—28 日，該井水位由0.617 m 上升至0.795 m，幅度0.178 m。以迪慶井溫度梯度為參考，假設(shè)泄流口水流量保持不變，理論水溫測(cè)值約上升0.001 8 ℃，水溫探頭實(shí)測(cè)溫度由10.938 ℃上升至10.953 ℃，而實(shí)際溫度測(cè)值變化為0.015 ℃，理論值與實(shí)際值量級(jí)不同，下層深部熱水涌入的可能性較大。

表1 迪慶井水溫梯度測(cè)試結(jié)果Table 1 water temperature gradient test results of Diqing well

圖4 溫度梯度變化Fig.4 Temperature gradient change

2.2 預(yù)報(bào)效能檢驗(yàn)

參考王曉青（2000）、李瓊等（2000）的分析，根據(jù)震例及地震預(yù)報(bào)的有效性，將迪慶井2012—2022 年水位上升異常與周邊100 km 范圍內(nèi)5 級(jí)以上地震進(jìn)行映震分析，采用趨勢(shì)轉(zhuǎn)折類、閾值類、速率類、破年變類4 個(gè)列裝方法，對(duì)地震預(yù)報(bào)效能進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果見表2，其中破年變法通過了R值檢驗(yàn)，其中R值為0.78、R0值為0.71，對(duì)應(yīng)最佳預(yù)測(cè)時(shí)間為113 天。文中給出采用破年變方法對(duì)迪慶井100 km 范圍內(nèi)的地震預(yù)報(bào)效能檢驗(yàn)結(jié)果，見圖5。為證明異常存在的真實(shí)性，在寧蒗地震發(fā)生前后進(jìn)行水化學(xué)特征對(duì)比分析工作。

表2 預(yù)報(bào)效能檢驗(yàn)結(jié)果Table 2 The evaluation results of prediction ability

圖5 迪慶井破年變方法預(yù)報(bào)效能檢驗(yàn)Fig.5 Prediction efficiency test map of anomalous annual variation for Diqing well

3 水化學(xué)特征對(duì)比分析

選取2018 年6 月15 日—2022 年1 月19 日不同時(shí)間及位置采集的迪慶井水樣，并與同期水廠（迪慶井東南向145.55 m 龍?zhí)逗鏊c(diǎn)）及小中甸溫泉臺(tái)陣水樣，進(jìn)行水化學(xué)成分及氫氧同位素組成檢驗(yàn)（表3），綜合分析迪慶井、水廠、小中甸溫泉臺(tái)陣流體特征，以進(jìn)一步判斷迪慶井映震異常特征。

表3 迪慶地區(qū)流體采樣點(diǎn)水化學(xué)測(cè)試結(jié)果（離子組分及氫氧同位素）Table 3 Hydrochemical test results of sampling sites in Diqing area(ionic components and hydrogen and oxygen isotopes)

3.1 水質(zhì)類型

迪慶井水樣的pH 為8.06、TDS（溶解性固體總量）為141 mg/L、COND（電導(dǎo)率）為307 μs/cm，水廠水樣的pH為7.95、TDS 為59 mg/L、COND 為109 μs/cm，表明兩者無明顯水力聯(lián)系，水廠蓄水對(duì)迪慶井無法造成顯著干擾；采用AqQA 軟件，結(jié)合表3 所示8 個(gè)水樣的Na+、K+、Mg2+、SO42-、Cl-等離子數(shù)據(jù)，繪制迪慶地區(qū)水化學(xué)Na-K-Mg 三角圖及氫氧同位素組分圖，并采用其中的5 個(gè)水樣數(shù)據(jù)繪制Piper 三線圖，結(jié)果見圖6、圖7、圖8。

圖6 迪慶地區(qū)水化學(xué)Na-K-Mg 三角圖Fig.6 The hydrochemistry of Na-K-Mg in Diqing area

依據(jù)Na-K-Mg 三角圖解（Giggenbach，1988），由圖6 可知，迪慶井、水廠及小中甸溫泉點(diǎn)水樣水—巖化學(xué)平衡狀態(tài)均分布在未成熟水端元，表現(xiàn)為弱水—巖反應(yīng)，循環(huán)深度較淺。迪慶地區(qū)小中甸溫泉點(diǎn)與迪慶井均為Ca-HCO3型水，水樣中堿土金屬離子（Mg2+、Ca2+）比堿金屬離子（Na+、K+）比重大，碳酸鹽硬度均大于50%，Piper 圖顯示，二者流體元素富集有所不同（圖7），迪慶井Na+、K+含量偏高。在2022 年1 月2 日寧蒗MS5.5 地震前，小中甸溫泉點(diǎn)與迪慶井K+、Na+總含量明顯升高（表3）。

圖7 迪慶地區(qū)地下水Piper 圖Fig.7 The Piper diagram of underground water in Diqing area

氫氧同位素顯示，迪慶井、水廠及小中甸溫泉點(diǎn)水樣來源有所不同，但均靠近大氣降水線（Craig，1961），3 者來源以大氣降水所產(chǎn)生的氫氧同位素為主（圖8），2021 年迪慶井流體中δD 波動(dòng)明顯，6 月相對(duì)富集輕的氫同位素，9 月相對(duì)富集重氫，結(jié)合小中甸溫泉流體的δD 高于迪慶井（-123.64‰＞-131.71‰— -129.94‰），表明迪慶井流體中混入了其他熱源物質(zhì)（如硅酸鹽礦物發(fā)生熱液蝕變）或H2S 發(fā)生同位素交換反應(yīng)（張磊等，2016；金憶農(nóng)等，1998）。

圖8 迪慶地區(qū)氫氧同位素組成Fig.8 The composition of hydrogen and oxygen isotopes in Diqing area

3.2 水化學(xué)組分演化特征

根據(jù)對(duì)2021—2022 年迪慶井、水廠及小中甸溫泉點(diǎn)水樣的測(cè)試結(jié)果（表3），對(duì)比分析迪慶地區(qū)地下流體水化學(xué)組分變化，結(jié)果見圖9。

圖9 不同采樣時(shí)段迪慶地下流體水化學(xué)組分對(duì)比Fig.9 Comparison of chemical components of groundwater in subsurface fluids observation wells in Diqing area in different sampling periods

由圖9 可知，與小中甸溫泉點(diǎn)及水廠水樣中的SO42-含量相比，迪慶井SO42-含量偏高。相關(guān)研究表明，流體中SO42-來源主要為礦物的溶解及人類活動(dòng)（李瑞等，2015；Huang et al，2016；魏興等，2019）。迪慶露天水廠的水源為地表水，其水樣中SO42-含量主要受大氣降水影響，其SO42-數(shù)值偏低，表明迪慶地區(qū)人類活動(dòng)對(duì)硫酸根離子的濃度影響較小。結(jié)合表3 可知，在2021 年9 月，小中甸溫泉點(diǎn)及迪慶井水樣中的SO42-含量明顯升高，計(jì)算迪慶井流體中(Ca2++Mg2+)/(HCO3-+SO42-)的毫克當(dāng)量濃度平均值，數(shù)值約為0.73 ≠1，說明該井流體水化學(xué)組分除受到碳酸鹽巖與石膏溶解共同控制外（袁建飛等，2017），還受到其他外源物質(zhì)影響，是否為前兆異常有待后續(xù)深入研究。

在熱水化學(xué)組分中，若Cl-、F-、Na+等離子濃度較高，則表明熱源與巖漿熱擴(kuò)散有關(guān)（龍汨，2015）。迪慶區(qū)域Cl-含量低于20 mg/L，說明流體中堿金屬和鹵族元素不可能來自沉積地層中的鹵水，而迪慶井水樣中Cl-含量在此次寧蒗MS5.5 地震發(fā)生后明顯升高，說明流體中混入了深部物質(zhì)元素；臨震前期，小中甸溫泉點(diǎn)與迪慶井水樣中Mg2+含量均有所升高，反映了離子含量的區(qū)域性異常特征。

4 結(jié)論

地下流體前兆異常可揭示深部流體的特征變化，觀測(cè)井地下流體異常常伴隨水溫、水位持續(xù)變化。由于觀測(cè)數(shù)據(jù)易受泄流口堵塞、設(shè)備故障等影響，運(yùn)用對(duì)比觀測(cè)實(shí)驗(yàn)、預(yù)報(bào)效能檢驗(yàn)、地球化學(xué)等方法，可在前兆異常識(shí)別中排除干擾，明確前兆異常的真實(shí)性。本文針對(duì)觀測(cè)井前兆異常，通過預(yù)報(bào)效能檢驗(yàn)、迪慶地區(qū)水化學(xué)特征分析，得到以下認(rèn)識(shí)：

（1）2012 年以來，迪慶井水位、水溫同步上升變化映震效果顯著，2021 年水位破年變通過了R值檢驗(yàn)，2022 年1 月2 日寧蒗MS5.5 地震的發(fā)生，進(jìn)一步表明，迪慶井流體觀測(cè)異常對(duì)周邊100 km 范圍內(nèi)5 級(jí)以上地震的發(fā)生具有較好的指示意義。

（2）2022 年1 月2 日寧蒗MS5.5 地震發(fā)生前，迪慶地區(qū)流體中Na+、K+、Mg2+的含量出現(xiàn)上升變化，可能有深部熱液混入淺表，并與圍巖接觸過程中發(fā)生水—巖反應(yīng)，改變了流體中元素的含量。

（3）氫氧同位素向上偏移特征指示，寧蒗MS5.5 地震發(fā)生前，觀測(cè)點(diǎn)周邊區(qū)域硅酸鹽礦物發(fā)生熱液蝕變，或流體循環(huán)過程中地?zé)崴當(dāng)y帶H2S 發(fā)生同位素交換反應(yīng)，使得流體中相對(duì)富集重同位素，對(duì)地震的發(fā)生有一定指示意義。