玛多7.4级地震前后青海地下流体数据响应研究

王永刚，李滔

(青海省地震局西宁地震台，青海 西宁 810008)

0 引 言

地震是地壳介质在构造力的长期作用下，地球内部能量积累到极限而突然释放的过程。在地震孕育期间孕震体介质必然产生形变，后果可能诱发地下流体、形变等学科出现一些相应的异常变化[1]。而且地震的前兆信息不仅存在于震中区，在震中区的周边区域甚至远离震中区的一些特殊地质构造部位也广泛存在[2]。地下水广泛地赋存于地壳岩体的空隙之中，具有可自由流动性，且对地壳应力与固体变形非常灵敏，能够充分反映地壳介质在应力作用下的变化情况的信息[3]。地下流体异常作为可靠的地震前兆，被国内外学者普遍认可[4]，因此被作为探索地震预报科学最有希望的途径之一。近年来，多个中强地震前，地下流体学科都观测到了明显的异常响应。多名学者也对地震的震前异常和同震变化进行过研究。马玉虎等人在对2016年门源6.4级地震的判定依据进行回顾性分析后认为，前兆观测存在门源钻孔应变、湟源倾斜、德令哈水温、平安水位、乐都气氡等多项定点前兆的短临变化[5]。万玉杰、杨晓霞、李滔等人在对2010年玉树7.1级地震、2015年尼泊尔8.0级地震、2019年夏河5.7级地震前的地下流体异常进行分析后，认为这些地震前，多个地下流体测项都出现了前兆异常[6-8]。笔者也对2016年门源6.4级地震的地下流体同震变化进行了研究[9]。

2021年5月22日青海省果洛州玛多县发生Ms7.4地震(以下简称“玛多7.4级地震”)。发震构造为玛多—甘德断裂带，具有左旋走滑兼正断性质。震中最大烈度为Ⅹ度。玛多7.4级地震发生前后，青海省内多个台站地下流体观测出现了明显的震前、同震和震后响应变化。

1 地下流体监测基本情况

青海区域地球物理台网中共有地下流体观测17个台。其中有9个台站15个测项(包括3个同台站钻孔形变测项的辅助测项)在玛多7.4级地震前后，均出现了明显的震前、同震和震后响应变化，出现响应的台站和测项的具体情况见表1和图1。

表1 玛多7.4级地震前后青海省地下流体观测响应台站和测项统计

2 地下流体观测异常变化情况

2021年5月22日玛多7.4级地震前后，青海省地下流体台网中共有9个台站的15个测项出现了不同情况的震前异常、同震变化和震后效应，现分述如下。

○无响应台站 ●有响应台站 ★玛多7.4级地震震中(a)全部台站；(b)震前异常台站；(c)同震变化台站；(d)震后效应台站图1 青海省地下流体观测台站及玛多7.4级地震震中分布

2.1 井水温的异常变化

2.1.1 德令哈井水温

德令哈井内安装了水温1个测项，水温观测从2007年开始，距离玛多7.4级地震震中322 km。从开始测到2014年，水温观测曲线变化形态一直为缓慢上升，年变幅度0.021 2℃，之后转折缓慢下降，期间发生的2008年汶川8.0级和2010年玉树7.1级地震前均有异常变化[10]。2020年底开始，水温测值持续下降，2021年5月10日左右逐渐转为上升变化，上升过程中发生了玛多7.4级地震(图2)。

图2 德令哈水温2021年1月1日～5月27日观测曲线

2.1.2 都兰井地温

都兰井内安装了地温1个测项，距离玛多7.4级地震震中191 km。自2007年始测以来，地温观测曲线变化形态为稳定缓慢上升。2021年5月22日2时5分，该地温观测曲线快速下降并逐渐减缓，到2时40分左右，累计下降 0.005 5 ℃后转为回升，6时左右回升过程结束，转为平稳变化，地温较变化前下降了0.003 ℃。对比玛多7.4级地震的在该台的地震波到时，此次地温变化应为同震引起的变化(图3)。

图3 都兰地温2021年5月1日～27日观测曲线

2.1.3 共和井水温

共和井内安装了水温、动水位、气氡等3个测项，距离玛多7.4级地震震中276 km。该井的水温数据从2021年4月18日开始逐渐下降，19日降至最低，幅度为0.027 ℃，之后转为缓慢上升。之后出现两次幅度为0.011 ℃、0.010 ℃起伏变化。5月22日玛多7.4级地震后， 2时14分～13时40分间出现两次幅度为0.010 ℃的快速回升变化，之后水温恢复正常变化形态(图4)。

图4 共和水温2021年4月26日～5月27日观测曲线

2.1.4 玉树井水温

玉树井内安装了水温和静水位2个测项，距离玛多7.4级地震震中214 km。该井水温观测数据从2021年3月15日15时38分起发生突降并逐渐减缓，16日2时左右下降结束转为回升，累计下降幅度约为0.003 ℃。3月19日14时11分在西藏那曲市比如县发生6.1级地震。3月21日因异常核实干扰，导致数据再次出现突降—回升的“V”型变化，4月下旬回升过程基本结束，并在缓升后发生玛多7.4级地震(图5)。

图5 玉树水温2021年1月1日～5月27日观测曲线

2.1.5 佐署井水温

佐署井内共安装有水温、动水位2个测项，距离玛多7.4级地震震中373 km。该水温观测数据2021年5月22日2时13分出现一次幅度为0.025 2 ℃的起伏变化。变化结束后，水温变化转为平稳，但并未完全回落，与之前相比，整体上升了约0.01 ℃，水温整体升高属于震后响应(图6)。

图6 佐署水温2021年1月1日～5月27日观测曲线

2.1.6 门源井水温

门源井内安装有水温和静水位2套仪器，距离玛多7.4级地震震中400 km。井孔附近的钻孔形变观测井中有辅助观测钻孔水位和钻孔温度2个测项。2021年5月22日玛多7.4级地震后，钻孔内的温度数据自2时9分起出现快速下降并逐渐减缓，到3时7分左右下降过程结束，转为平稳变化，累计下降幅度约为0.002 ℃，属震后响应(图7)。而该台的井水温在这次地震前后均无响应。

图7 门源钻孔温度2021年5月1日～5月27日观测数据曲线

2.1.7 乐都井水温

乐都井中只安装了1套水温观测仪器，距离玛多7.4级地震震中427 km。该井水温观测数据2021年4月17～20日出现幅度为0.001 ℃的加速上升变化，之后数据逐渐转为平稳变化(图8)，之后发生玛多7.4级地震。

图8 乐都水温2021年1月1日～5月27日观测数据曲线

2.2 井水位的异常变化

2.2.1 共和井水位

该井的动水位观测数据在玛多7.4级地震当日，1时至2时水位有小幅下降—回升变化。玛多7.4级地震后，2时5分出现幅度为0.008 m的向下突跳。结合该台的玛多7.4级地震波到时分析，此次突降变化应为同震变化(图9)。

图9 共和动水位2021年5月22日01～04时观测曲线

2.2.2 玉树井水位

该静水位观测数据在玛多7.4级地震后，2时8分起快速下降并逐渐减缓，到9时整累计下降0.32 m，转为回升，该变化为玛多7.4级地震引起震后响应(图10)。

图10 玉树静水位2021年5月1日～5月27日观测曲线

2.2.3 佐署井水位

该井动水位观测数据从2021年2月25日21时9分起出现快速下降并逐渐减缓，到26日2时左右，下降过程基本结束，动水位逐渐转为平稳，累计下降幅度约为0.165 m。玛多7.4级地震后，2时23分起，动水位出现一次幅度为0.036 m的起伏变化后，水位持续上升并逐渐减缓，到4时左右，水位累计上升了约0.196 m后，上升过程基本结束，水位转为平稳变化(图11)。

图11 佐署动水位2020年10月1日-5月27日观测曲线

2.2.4 门源井水位

该井的静水位和钻孔水位从2019年9月起同步出现上升变化，2019年12月份转为回落并逐渐减缓，到2020年11月再次转为上升，2021年1月份开始缓慢回落。2021年5月17日左右，转为缓慢上升。但上升幅度很小，从长期趋势上看，并不明显。两测项均处于相对高值起伏的过程中发生玛多7.4级地震(图12)。

图12 门源静水位和钻孔水位2019年1月1日～5月27日观测曲线

2.2.5 格尔木井水位

格尔木井孔内有水温、动水位、气氡3个测项，距离玛多7.4级地震震中375 km。井水位在2021年5月1～13日水位出现上升，13～22日之间水位有明显起伏变化。其中，水位在玛多地震后，2时5分～15分记录到水震波，最大变化幅度为0.011 2 m，不仅出现了震前异常，也出现了震后响应(图13)。水温和气氡在这次地震前后均无响应。

图13 格尔木动水位观测曲线

2.2.6 湟源井水位

湟源井中安装有水温1个测项，该井孔附近的钻孔形变观测井中有辅助观测钻孔水位测项。湟源流体观测井距离玛多7.4级地震震中约为345 km。湟源钻孔水位2021年3月，由之前的持续下降逐渐转为上升，且23日出现幅度为0.006 m的上升变化。与此同时，水温也出现加速上升变化。4月28日～5月3日和5月3日～5月14日两测项又先后出现“U”字型变化。(图14)

这两个测项井孔位置邻近，变化也有一定的同步性，但水温比钻孔水位变化略有滞后，表明其受到同一因素的影响。这两次变化都发生在玛多地震前，应为此次地震的震前异常变化。

3 综合分析

青海省地球物理台网共有17个地下流体台站。其中出现异常响应的台站有9个，共12个测项，全部为地下流体物理量观测。另外，作为钻孔形变辅助观测的钻孔水位、钻孔温度等测项中也有3个测项出现了震前异常或震后响应，出现异常响应的台站，全部为物理量测项。以上测项所在观测井除都兰地温为干井外，其余全部为有水井。其中震中距最近的是都兰井(震中距191 km)，最远的是乐都井(震中距426 km)。

青海地球物理台网地下流体对于玛多7.4级地震的响应方式有震前异常、同震变化和震后响应三种。出现震前异常的有9个测项，出现同震变化的有3个测项，出现震后效应的有5个测项。其中有2个测项既出现了震前异常，也出现了震后效应。

3.1 震前异常

青海省地下流体测项共记录到9项前兆异常。最早出现震前异常的是门源静水位，该异常于2019年9月开始，2019年10月28日发生了甘肃夏河5.7级地震。之后异常持续，2020年虽有回落，但仍未恢复到正常值。青海省地震局预报中心(现青海地震台)认为异常仍持续至发生玛多7.4级地震。

玉树水温在周边多次中强地震前，都出现的突降到回升的“V”字型变化[10]。青海省地震局预报中心(现青海地震台)专家经过现场核实，并结合以往震例分析，认为2021年3月15日开始的此次变化，可能为地震前兆异常。3月19日发生了西藏比如6.1级地震(418 km)，比如6.1级地震后再次对该井异常跟踪分析，研究认为异常持续有效其后仍有发生较大地震的可能。

其余的震前异常在2021年3～5月份依次出现。异常出现的时间、幅度、形态等与地震台站的构造位置等均没有明显的规律性。另外，湟源和门源两个地震台，分别都有不同井孔的两个测项同步记录到震前异常和震后响应，进一步映证了这一过程中较大区域的应力场的变化。

3.2 同震变化

青海省地下流体共有3测项记录到同震变化。分别为格尔木水位、共和水位和都兰地温。其中，格尔木水位记录到的是典型的水震波。共和水位仅记录到单点突跳，可能与震中距比较近，以及井水对于地震波的响应方式有关。根据李滔等人的研究成果，都兰地温在较大地震时多产生同震变化，且巴颜喀拉块体周边的地震，其同震变化多为下降后不回升或不完全回升，其他区域的地震则均为下降后回升[11]。玛多7.4级地震的同震变化也符合这一特征。

3.3 震后效应

玛多7.4级地震后，青海省地下流体台网有5个测项记录到震后响应。震后响应开始的时间在发震后的2时8分～23分之间，均晚于地震波到达该井孔的时间。但各测项震后响应开始的时间，与其震中距并没有明显的关系。其中，佐署同一井孔的水温和水位，震后都出现了起伏-回升的震后响应变化，但水温的变化要早于水位约10分钟。共和水温和佐署水位则是在震前的4月份先后出现快速下降，震后出现快速回升。玉树水位在震后发生突降。

4 结论与讨论

(1)青海地球物理台网观测在玛多7.4级地震前后，有15个地下流体测项记录到异常响应变化。响应的方式有震前异常、同震变化、震后响应三种。其中9个测项有震前响应，3个测项有同震变化，5个测项有震后响应，还有2个测项既有震前异常又有震后响应。

(2)同一台站(如湟源地震台、门源地震台)不同测项的震前异常基本同步，同井孔(如佐署地震台)不同测项观测到的震后响应却相差了10分钟。这表明，不同井孔、不同测项对于区域应力场变化的响应情况既有联系，又有差异。但同步发生的异常可以相互映证，进一步增加了异常的可靠性。

(3)地下流体观测异常响应的时间、形态、变化幅度等，跟井孔所处构造位置、震中距等均无明显关系。(表2、图1)变化形态的差异可能是各井孔的构造位置不同，导致其对应力场变化的响应情况也不同所致。

表2 玛多7.4级地震前后青海省地下流体观测响应情况统计

(4)无论震前异常、同震变化或震后响应，青海省地下流体测项对玛多7.4级地震出现响应的多为有水井。表明赋存于地壳深部的流体(水、气、油)作为弹性介质，对深层地壳应力的分布、变化、转移过程及地震孕育、发生等有着较为灵敏的反映[12]。

(5)玛多7.4级地震前后，青海区域出现异常响应的地下流体测项全部为物理量测项，化学量测项则全部没有明显的反应。分析可能与地下流体化学量对于区域应力场的响应方式较物理量更为复杂有关，需要进行进一步的研究。