2. 中国地震台网中心, 北京 100045
2. China Earthquake Network Center, Beijing 100045, China
2008年5月12日14时28分,四川汶川(30.95°N,103.40°E)发生里氏8.0级强烈地震,造成重大人员伤亡和财产损失.地震发生后,对震前可能的短临(胡小刚和郝晓光,2008;钱复业等,2009)、中期(祝意青等,2009;Du,2011;Huang,2011)和长期尺度(蒋长胜和庄建仓,2010)上的地震活动异常现象已有诸多回溯性研究.然而,作为地震前兆观测重要手段之一的地下流体观测,在过去10年的研究中,重点关注某一局部区域、某一观测手段或某些“敏感”测点异常的研究,而对震前流体异常的总体变化特征以及形成机理仍是亟待探讨的科学问题之一.
在过去近10年的研究中,多数研究者针对地下流体单台单测项、或单台多测项异常开展了深入研究工作,如:何案华等(2012)、Sun等(2017)针对青海玉树井水温在汶川8.0级、玉树7.1级等几次大震前出现的“V”字形异常了开展深入的研究工作;刘冬英(2008)、邱永平(2013)分析了浙江宁波台水氡、水温在汶川8.0级地震前的短临异常形态特征,该台水氡在2011年日本9.0级地震前再次出现形态相似的“V”字形异常变化;高玲和邢成起(2011)研究了北京五里营自流井气氡、氦、水温在汶川地震前和同震时的异常变化特征;杨晓霞和屠泓为(2013)研究了青海德令哈水温在汶川8.0级地震前2天出现的短临上升异常;邢西淳等(2009)、张世民等(2009)对陕西周至井水位、流量等数字化资料分钟值的毛刺现象进行了深入研究,认为2008年3—5月出现的毛刺增多现象可能是汶川8.0级地震的短期前兆;赵小茂等(2010)分析了该台气汞在汶川8.0级主震(震前12天)和几次强余震前(震前3天)的短临下降异常.
一些研究者针对局部区域某一观测手段异常进行了研究.如:陈梅花等(2011)、邓志辉等(2014)研究了汶川8.0级和芦山7.0级两次地震前龙门山断裂带及附近的水汽异常变化特征;杨马陵等(2011)分析了龙门山断裂带附近的四川中坝气田气井井口压力数据,发现汶川地震前,多口气井出现井口压力异常升降变化;Ye等(2015)基于原始水氡观测资料,在对比降雨等干扰因素后,分析了汶川8.0级和芦山7.0级地震前水氡异常变化特征,认为汶川8.0级和芦山7.0级地震前一些测点的水氡存在异常变化,但没有发现震前水氡的变化规律,说明水氡地震前兆变化较复杂;王永刚等(2012)研究了青海地区水温正常动态后,提出西宁、德令哈和乐都在汶川8.0级地震前1个月内均存在短临异常变化;孔令昌等(2012)对比分析了汶川8.0级和玉树7.1级地震前鲜水河断裂带上部分温泉流体的异常特征;邱鹏成等(2010)对汶川8.0级地震震中周围800 km范围内73个井孔的水温资料进行了分析,提出了9项水温异常.
一些研究者还针对某一观测手段异常提取的方法进行了研究.如:晏锐等(2011)利用临界慢化方法,研究了汶川8.0级地震前水氡的临界慢化现象,认为汶川地震前震中及附近地区多台水氡均出现了异常;孙小龙等(2016a)利用概率密度分布法,分析了汶川地震前南北地震带及其附近区域72个测点水位、水温的高频信息,认为汶川8.0级地震前有16个测点水位和14个测点水温出现高频异常信息,空间上多集中在滇西南构造带,异常出现的时间呈现出由南向北迁移的特征;蒲小武等(2014)利用差分、变差率、从属函数、趋势速率等前兆异常信息提取方法,对甘东南的成县、樊坝、清水温泉、两水4口井水温微异常开展了研究;王小娟等(2014)在回顾前人提出异常的基础上,利用从属函数方法对部分异常进行了分析.
还有一些研究者针对局部区域多手段观测资料开展了综合分析研究.如:程万正等(2011, 2013)、刘成龙(2012)分析了汶川地震前四川地区水位、水温、水质和气体组分等不同测项的异常形态、时间演化、空间分布等特征,认为汶川地震前异常数量少,长、中、短、临异常的配套性不明显;程万正(2012)还对比分析了1976年松潘7.2级和2008年汶川8.0级地震的前异常变化特征,认为两次地震的前兆存在显著差别;王燕等(2009)、张昱等(2009)、姚玉霞等(2014)分析了甘东南地区多台水氡、水温和流量等不同测点、不同测项在震前、震时和震后的异常表现形式;车用太等(2008, 2011)针对汶川地震前出现的部分流体异常开展了深入的现场调查研究,提出了地下水干扰识别的4条基本准则(即:成因上的相关性、空间上的相关性、时间上的相关性与强度上的相关性);邱永平和杨钢宇(2009)报道了浙江省地下水观测网在汶川地震前及同震时的异常变化特征.
有少部分研究者针对不同学科、多手段观测资料进行了综合分析研究,如:晏锐(2009)汇总分析了汶川地震前南北地震带异常变化特征,认为这些异常可能与汶川地震的孕育与发生有时间、空间和成因的关联性;Ma和Wu(2012)从多学科交叉的角度,对汶川地震前的异常进行了统计分析;付虹和赵小艳(2013)从大地震的孕育范围出发,分析了汶川地震前云南地区出现的显著地震前兆异常变化特征,认为大地震前兆观测可能会在孕震区外围大范围内出现显著的极值异常,而大震震源区没有或较少出现前兆,异常时空演化的复杂性是大地震难以预测的主要因素.
还有少数研究者针对地下流体的中长期异常变化特征进行了研究.如:范雪芳等(2009)、陆明勇等(2010)利用多年的观测资料,分析了汶川地震前南北地震带水位、水氡的多年变化及准同步特征,认为地下流体长趋势变化异常出现时间早、范同广,具有协调性、向未来震中迁移等特征,形态主要为趋势转折、破年变、加速等.
综上所述,在过去近10的时间里,不同研究者针对汶川8.0级地震的地下流体前兆异常开展了多方面的研究,为提高对汶川8.0级地震前兆的认识水平提供了参考.然而,对于汶川8.0级地震这种破裂尺度较长(约300 km)的巨大破坏性地震,单手段、单学科、局部区域的研究,仍具有一定的局限性,开展大区域、多手段综合研究,对揭示地震前兆的总体特征和形成机理以及提高巨大地震前兆的科学认识水平都具有重要的现实意义和科学价值.本文基于已发表的研究成果,系统收集整理了汶川8.0级地震的可能地下流体前兆异常,研究这些异常的整体变化特征,进而讨论利用地下流体异常进行地震预测研究的困境与挑战,为提高地震水文前兆的认识水平、探索地震水文前兆的形成机理提供借鉴.
1 资料收集与异常判别 1.1 资料收集为系统收集汶川8.0级地震的可能地下流体前兆异常,分析其总体变化特征,系统搜索了过去十年发表的中英文参考文献.对于中文参考文献,本文搜索了中国知网(http://www.cnki.net/)、万方(http://www.wanfangdata.com.cn/)和维普(http://qikan.cqvip.com/)等数据库,搜索主题/标题/关键词为“汶川、前兆、震前、异常”与“流体、水/水文/水化、水温/地温、氡、汞、气体”等词的不同组合;对于英文参考文献,主要搜索美国科学引文索引扩展版(SCI-E数据库,http://www.isiknowledge.com),搜索关键词为“Wenchuan、precursor、before、prior、anomaly/anomalies”与“fluid、hydro、water、temperature、thermal、radon、gas、mercury”等词的组合.
1.2 异常收集与选择标准为获取每一项可能异常的位置、出现的时间、幅度及形态等特征信息,本文对搜索出的几百篇文献一一浏览,并对包含以上信息的文献进行了详细阅读.在对每一条异常收集和判定过程中主要考虑以下因素;
(1) 只考虑震前异常变化,对于同震或震后效应不在本文讨论范围内;
(2) 重点考察中国地震局常规连续观测项目,对于非常规观测的实验性项目,或观测物理意义不清楚的项目,不在本文统计范围;
(3) 所提异常参考文献应给出原始观测资料,原始资料的观测时间至少大于异常持续时间的3倍,以能识别出震前资料的正常动态和异常特征为准;
(4) 文献中至少应含异常观测点的位置(经度、纬度)、异常出现时间、异常幅度及形态等特征信息;
(5) 对同一项异常,如有文献提出异议、存在争议或已明确存在干扰,本文将不再作为汶川8.0级地震的前兆;
(6) 对原始观测资料中不能直接识别、经过数学处理后提取的异常,或同一观测资料,不同数据处理方法得出的异常出现时间等信息存在差别的,本文不予统计;
(7) 对同一项异常,在多篇文献中出现时,若异常信息不同(主要是异常出现时间),若后发表的文献引用了之前发表的结果时,以最后发表文献的异常信息为主;若没有引用之前发表的文献,以观测资料较完整、异常动态较清楚、异常特征描述较完整、信度较可靠的为主.
2 异常特征分析按上述原则,本文共收集了68项地下流体异常,其中水位18项、水温21项、氡(水氡和气氡)18项、气体(CO2、氦气、汞、气体总量等)和离子(HCO3-、Mg2+)共11项.异常最早出现于2001—2002年,最晚出现于汶川8.0级地震前6 h左右,其中异常出现时间大于1年的长趋势异常30项,1年至3个月前出现的中期异常17项,3个月至10天出现的短期异常15项,10日内出现的临震异常6项;异常距离汶川主震震中介于71~1625 km之间(表 1).
图 1显示了2008年汶川8.0级地震的震中和异常空间分布,由图可见,异常主要集中分布在汶川8.0级地震震中南部的川、滇地区和北部的甘、青、陕地区,而震中东南部和西部的观测点和异常数量均较少.
汶川8.0级地震破裂过程反演结果显示,该地震的破裂长度介于240~400 km之间,地表破裂宽度介于13~25 km之间(张勇等,2008;朱守彪和袁杰,2016;尹得余,2017);现场考察得到的地表破裂长度至少在250 km以上(李海兵等,2008;徐锡伟等,2008),极震区(Χ度区)长轴至少为224 km,短轴28 km(Li et al., 2008).为分析地下流体前兆异常空间分布与破裂尺度之间的关系,本文采用300 km破裂长度、25 km宽度进行统计分析(图 1).由图可见,68项异常主要分布在距离破裂区3倍破裂尺度(约900 km)范围内,其中,除极震区没有地下流体观测点和异常外,在1倍破裂尺度范围内共有20项流体异常,占地下流体观测点总数的37%;在2倍破裂尺度范围内共有40项异常,占地下流体观测点总数的25%;在3倍破裂尺度范围内共有59项异常,占地下流体观测点总数的22%,此外,还有9项异常位于3倍破裂尺度外围地区,占68项异常总数的13%(表 2).
汶川8.0级地震前的地下流体前兆异常空间分布范围较广,异常数量较多,形态特征也相对复杂,但部分异常也呈现出一些规律性变化特征.如水位、水氡异常主要表现为趋势性变化背景上的转折或加速,水温和水化学异常主要表现为突升、突降或波动变化等特征.
(1) 典型趋势异常
汶川8.0级地震前,地下流体趋势异常主要出现在水氡、水位两个测项,主要表现为趋势变化背景上的转折或加上变化.图 2为部分水氡趋势异常典型曲线,图中灰色曲线为原始水氡观测资料时间序列,黑色曲线为30点滑动平均,叠加在原始观测资料上的虚线为1992年以来水氡观测资料的最小二乘拟合直线,垂直虚线对应汶川8.0级地震的发震时刻,图中台站名称下标注的数字表示台站距离震中的距离.由图中的拟合直线可以看出,这些异常自1992年以来总体呈现下降趋势,震前1—3年内在趋势下降背景下出现转折或加速现象,如:西昌海滨新村和康定姑咱水氡于2006年前后在趋势下降背景下转折上升(odv此2项异常存在争议,详见:范雪芳等,2009;陆明勇等,2010;程万正等,2013),平凉附件厂水氡于2007年开始转折上升;武都殿沟和清水温泉水氡,从2006年前后的高值状态开始加速下降,其变化形态具有一定相似性,均表现为先上升后下降的反“V”字形;武山1号、22号和天水花牛水氡多年来的下降趋势明显,震前2年左右也偏离了多年的下降趋势,即,2006年后呈现相对低值的状态(相对于拟合直线).水位趋势异常主要表现为震前1—3年内的转折变化,如德阳、蒲江和水富水位在震前2年左右开始加速下降,尤其是水富水位于2007年12月下降至观测以来的最低值,并于2007年12月17日下降至探头位置以下而无法继续观测;泸州水位虽然表现为持续上升变化,但其上升加速变化时间与其他水位转折下降时间有一定的一致性(图 3).
(2) 典型短临异常
汶川8.0级地震前,地下流体短临异常主要出现在水温和一些水化学测项,异常主要表现为突升、突降或波动变化等特征.图 4为部分水温短临异常典型曲线,由图可见,巴塘、丽江、宁波、德令哈水温于2008年4月底、5月初出现明显偏离观测背景的升温异常变化,其中丽江和宁波水温还呈现出波动变化特征;西宁和玉树水温分别于2008年的3月底和4月底出现转折下降变化,下降过程形态相似.
为分析异常不同时间尺度频度变化特征,首先,对异常出现时间按1年为窗长进行统计分析(图 5a),结果显示,不同破裂尺度空间范围内的异常与所有异常出现时间的年频度总体呈现出现相似的特征,即:异常主要出现在震前3年内(58项,占异常总数的85%),且1年内出现的异常数量占多数(38项,占异常总数的56%);对1年内出现的异常按1个月为窗长进行统计,结果显示,异常主要出现在震前5个月内(30项,占1年内异常总数的80%),1倍破裂尺度内的异常在震前5个月内的月频度变化不大,2倍和3倍破裂尺度内的异常在震前1个月内数量有所增加,但总数少,3倍破裂尺度内仅10项异常(表 2).
图 6为汶川8.0级地震前地下流体前兆异常持续时间与震中距之间的关系,由图可见,异常持续时间较长的趋势异常(大于558天)呈现出向震中逐渐迁移的特征,迁移速度大约为109.5 km·a-1;持续时间相对较短的异常(小于309天)出现在距震中较大的范围内,异常时空演化特征不明显.
目前,地震前兆的空间分布范围仍是一个没有解决的科学难题,汶川8.0级地震的前兆异常空间分布范围较广,这些已经发表的前兆是否真实的反映了8级地震的孕震范围是本文首先需要讨论的问题之一.
Wang和Manga(2010)的研究表明,静态应变引起的同震水文变化主要出现在震源附近的近场区域(1~3倍破裂尺度范围内).理论上,前兆异常的空间分布范围与地震的孕震范围有关,在3倍破裂尺度范围内,前兆异常最大响应范围Dε与震级M和应变量ε之间的关系(Dobrovolsky et al., 1979)为
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图 7为观测到的前兆异常与地震震级和震中距之间的关系,图中虚线根据(1)和(2)式分别给出10-6、10-8和10-10应变量条件下,前兆最大距离等值线图;灰色实心圆为1966—2012年间《中国震例》总结的地下流体异常,共涉及173个震例,1168项流体异常(蒋海昆等,2009;孙小龙等,2016b);蓝色正方形为全球范围,国际上发表的地下流体前兆异常,共300多项异常(Cicerone et al., 2009);红色五角星为本文收集的汶川8.0级地震前兆异常;红色实线为1倍和3倍地震破裂尺(SRL)与震级(M)之间的关系,即M=5.08+1.16log(SRL)(Wells and Coppersmith, 1994).由图可见,汶川8.0级地震异常全部都位于10-8应变量范围内,大部分位于3倍汶川破裂尺度范围内.根据地下流体对地球固体潮的响应,认为地下流体观测仪器对应变量反应的灵敏度一般也在10-8范围内(Roeloffs et al., 1996;Yan et al., 2014),说明汶川地震前流体异常出现的空间范围是可以接受的.
对比中国和全球震例,以往发表的前兆异常总体上也主要位于10-8应变量范围内,但5~6.5级地震近场范围内出现的异常数量非常少,这究竟是近场区观测条件造成的,还是近场区本身就没有异常?这仍是值得深入研究的问题.但值得注意的是,《中国震例》研究中,《震例总结规范》(中国地震局,2007)规定了前兆异常的选取范围,即:5.0~5.9级、6.0~6.9级和7.0~7.9级地震的前兆异常选取范围分别为震中附近200 km、300 km和500 km.
前兆异常出现的时间特征体现了地震的孕育过程,可运用这些特征来分析地震孕震的规律,以往对物理性前兆出现的时间与震级之间的关系进行过多方面的统计研究,认为异常持续时间随震级的增大而增加,总体呈对数关系,如,第二类空区异常的持续时间(T)与未来地震震级(M)之间存在LogT=0.5M-1.82的关系(Mogi,1987).图 8为前兆异常持续时间与震级之间的关系,从国际发文献统计表的异常来看,前兆异常的最长持续时间随震级的增大而增大,且不同异常最长持续时间在不同震级范围也呈对数关系,即:当M < 5时,LogT=0.5M,当M>5时,LogT=0.5M-1.对于汶川8.0级地震而言,异常最早出现于震前7年左右,最晚出现于震前6 h左右,尽管时间跨度达3个数量级,但总体位于国内外以往发表的统计的前兆时间尺度范围内.值得注意的是,持续时间最长的异常出现于2001年,而2001—2008年汶川8.0级地震期间,中国大陆还发生了2001年11月14日昆仑山口西8.1级和2008年3月21日新疆于田7.3级地震.这些地震均位于巴颜喀拉块体边界带上(图 1),与汶川8.0级地震存在相同的动力来源(邓起东等,2014),这些趋势异常是否为汶川8.0级地震的早期前兆还是与其他地震有关,目前尚缺乏确凿的科学证据.
《中国震例》统计研究结果表明,异常数量随时间呈一定规律性变化特征,大约从震前300天开始,异常数量逐渐增多,200天之后异常数量呈加速增长趋势(梅世蓉等,1993;晏锐等,2004;蒋海昆等,2009).汶川8.0级地震前3年左右异常数量开始逐步增加,异常数量开始增多的时间比以往统计结果给出的时间早1—2年,该异常增多时段是否意味着巨大地震已开始进入非线性“亚失稳”阶段(任雅琼等,2013),也是今后需要进一步研究的科学问题.汶川8.0级地震前5个月左右异常数量相比之前确实有所增加,但并非出现加速增长的趋势,而是在震前1个月数量突然增多,且异常数量总体不多.如果将异常逐渐增多看作是进入短临阶段的标志,那么如何判断地震孕育是否进入短临阶段也是需要深入研究的科学问题.
关于地震地下流体异常的形成机理,尽管以往曾提出不同的模型来解释不同观测资料,但总体而言可概括为以两类:一是应力/应变模型,该模型认为满足一定条件下的井水位、水温和水化学能直接反映应力/应变的变化,如:Bodvarsson(1970)认为,封闭承压的含水层可以当做灵敏的体应变计使用,井水位对应变的响应能力可以通过井水位对固体潮的响应来标定(Hart et al., 1996),但问题是中国大陆的观测井均为开放井孔,汶川8.0级地震前井水位变化幅度介于几厘米至10几米之间,应力应变模型难以对大幅度水位变化异常做出解释;Furuya和Shimamurat(1988)分析了日本东海地区水温与应变之间的关系,认为水温对应变变化较灵敏,然而汶川8.0级地震前出现的一些水温并没有观测到清楚的潮汐效应,甚至一些台站同震效应不如前兆明显(刘冬英,2008;邱鹏成等,2010;王永刚等,2012),这些现象难以用应力/应变模型来解释;二是水文特征变化模型,该模型认为由于构造应力能改变局部地区的水文地质条件、水文地球化学条件或孔弹特性,从而引起地下流体异常的变化,如超声振荡有利于地下气体的释放、微裂隙改变水岩反应条件、含水层破裂引起的混合效应等均能引起地下流体异常的变化,尤其是水化学和气体组分的变化.对汶川8.0级地震而言,最显著的一个特征是震中周围观测到一批水氡的长趋势持续下降异常(范雪芳等,2009;晏锐,2009;陆明勇等,2010),这些异常目前也难以用已有的模型来解释;一些研究者在汶川地震3倍破裂尺度的外围地区还提出了一些短临异常,如浙江宁波和桐乡水温、山西朔州和静乐水位“前驱波”在汶川8.0级地震前1个月内出现了短临异常变化(刘冬英,2008;张淑亮等,2009;邱永平,2013),这些异常距离汶川8.0级地震的破裂区较远,目前尚无合理的物理解释;由于相同测项的气体或离子异常数量少,本文不做重点讨论.值得注意的是,Roeloffs(1988)、Wang和Manga(2010)对水位等地震异常的判定提出严格的标准,Kümpel(1991)、Woith(2015)对水化学异常的判定也提出严格标准,但从目前收集到的文献来看,满足这些标准的文献非常少.
4 结论本文系统收集了2008年汶川8.0级地震的地下流体前兆异常,分析了异常空间展布、时间演化以及典型异常的形态特征,并结合《中国震例》和国际上已发表的地震地下流体前兆异常以及地震孕育理论,讨论了汶川8.0级巨大地震的孕震范围、前兆异常的时间尺度、短临阶段的判定以及短临异常与未来震中的关系.
收集到68项地下流体异常距离汶川8.0级地震震中介于71~1625 km之间.结合汶川8.0级地震的破裂尺度(约300 km)和理论孕震范围,对比分析表明,59项异常位于汶川8.0级地震3倍破裂区(900 km)范围内,占异常总数的87%,且68项异常均位于10-8应变量范围内,与《中国震例》和国际上已发表的地下流体前兆异常空间分布范围和震级之间的关系相符,说明汶川8.0级巨大地震的观测范围至少包含该地震3倍破裂尺度甚至更广.
异常出现于汶川8.0级地震前几小时至7年内,其中,异常持续时间大于1年的趋势异常30项,小于1年的中短期异常38项;异常出现时间总体呈现出临近地震异常数量增多的特点,这与《中国震例》以往统计结果基本相似,但异常数量并非逐渐增多,而是在震前5个月和1个月突然增多;此外,趋势异常总体呈现向震中逐渐迁移的特征,其迁移速度约为109.5 km·a-1.
异常形态特征较复杂,水氡和水位总体呈现出趋势性异常变化特征.即:在趋势性下降或上升背景上,于震前1—3年偏离多年线性趋势呈现加速上升或下降特征;水温总体表现出短临变化特征,主要表现为震前1—3个月突升、突降或波动异常变化特征.
尽管本研究仍是回溯性的个案研究,但本研究结果显示,巨大地震前也可能观测到大尺度空间范围和长时间尺度的地下流体前兆异常,这对提高前兆观测资料的认识具有重要的参考意义.由于仍是初步研究,目前尚不能从物理机制或模型上对提出的异常给予科学解释,8级巨大地震的孕震范围、前兆异常的时空尺度、短临阶段的判定、短临异常与未来震中的关系等一系列科学问题都有待进一步研究.此外,尽管本文试图系统收集汶川8.0级地震的可能前兆,但由于过去十年发表的与汶川地震有关的文献较多、且发表在不同的研究领域,所收集的前兆异常仍需进一步完善.
致谢两位匿名评审专家的修改建议对本文的提高帮助很大,在此表示衷心感谢.
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