鲁甸6.5级地震地下流体典型异常与前兆机理分析

刘耀炜　任宏微*　张　磊　付　虹　孙小龙何德强　余怀忠　周志华　张国盟

1）中国地震局地壳应力研究所，地壳动力学重点实验室，北京　100085

2）中国地震局地球物理研究所，北京　100081

3）云南省地震局，昆明　650224

4）昭通市防震减灾局，昭通　657000

5）中国地震台网中心，北京　100065

鲁甸6.5级地震地下流体典型异常与前兆机理分析

刘耀炜1）任宏微1）*张磊1，2）付虹3）孙小龙1）何德强4）余怀忠5）周志华5）张国盟1）

1）中国地震局地壳应力研究所，地壳动力学重点实验室，北京100085

2）中国地震局地球物理研究所，北京100081

3）云南省地震局，昆明650224

4）昭通市防震减灾局，昭通657000

5）中国地震台网中心，北京100065

基于川滇地区前兆台网资料，结合异常现场核实工作结果，对鲁甸6.5级地震前的地下流体异常现象进行了总结。遵循地震分析预报的基本思路，按照长期、中期、短期趋势异常、临震异常和宏观异常阐述了鲁甸6.5级地震前地下流体典型异常现象。结果表明，长期和中期趋势背景异常主要出现在距震中300～500km范围，短期趋势和临震及宏观异常集中于震中区100km范围内。这种流体异常特征反映了在较高密度的观测点区域，可以观测到流体活动加剧的前兆现象，有利于判定地震危险区和短期阶段跟踪分析。区域应力加载作用可能引起的断裂带裂隙的开启与闭合，导致温泉和井水温、深部气体与承压井水位的持续变化；水岩反应加剧和地下水混合作用增强，使地下水离子组分浓度发生变化，甚至导致显著宏观异常。在一定密度的前兆观测地区，能够获取用于判定地震危险性的前兆信息。

鲁甸6.5级地震地下流体异常信息前兆机理地震科考

0　引言

据中国地震台网，2014年8月3日16时30分（北京时间），在云南省昭通市鲁甸县（27.1°N，103.3°E）发生MS6.5地震（以下简称鲁甸地震）。该次地震造成了巨大的人身伤亡和财产损失，引起了国内外学者的高度关注（张广伟等，2014）。此次地震发生在中国地震局确定的2014年度6～7级地震危险区①中国地震台网中心，2013，2014年度中国大陆地震趋势研究报告。，同时滇东北地区也是地下流体学科2014年度震情跟踪的重点地区②中国地震局地壳应力研究所，2013，2014年度中国大陆地震趋势研究报告。。因此，研究可能与该地震有关的异常现象，对于积累震例、提高地震预测分析水平有重要意义。

地震前兆机理的研究表明，地震的孕育过程伴随有地下水物理与化学参量和逸出气体浓度的异常变化，地下流体异常对孕震区和外围区介质变化的响应灵敏，与区域构造活动关系密切（车用太等，1997；刘耀炜等，1999；Montgomery et al．，2003）。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（张炜等，1988；Wang et al．，2010）。在中国地震监测台网中，地下流体观测是开展最为广泛的前兆测项之一，观测项目主要包括氡浓度、汞浓度、井水位、井水温度和泉水温度、井水流量和泉水流量以及水化学离子组分、气体组分等（刘耀炜，2006），积累了大量的前兆异常震例（蒋海昆等，2014）。尽管这些地震前兆异常的空间分布和时间演化比较复杂，但在观测点密度相对较高的区域，可以获得某些强震前显著的异常信息，并对强震给出有一定减灾实效的预测意见（刘耀炜等，2008）。

鲁甸地震之前，笔者于2014年2月赴滇东北地区进行异常现场核实，确定了丽江井水温、会泽井水位、鲁甸氟离子以及昭通井水位等一批信度较高的前兆异常，并将该地区作为震情危险区进行异常跟踪。鲁甸地震发生后，又分别于2014年8月下旬和10月初2次赴昭通、鲁甸、巧家、大关及四川宁南等地开展现场考察工作，进一步对显著流体异常点进行现场采样、观测与分析，旨在对这些典型地下流体异常现象进行分析和梳理，对可能的前兆机理进行解释，为总结鲁甸地震的强化跟踪过程提供重要的观测分析资料。

1　基本异常概况

通过对川滇地区地下流体观测数据的整理，按时间发展进程把异常划分为长期趋势背景异常（震前5a以上）、中期趋势背景异常（震前0.5～5a）、短期趋势异常（震前1～6个月）和临震异常（震前一个月内）（蒋海昆等，2014）并进行了归纳。

文中总结的地下流体异常测项主要为井水位、井水温度和泉水温度、水氡、水汞、水化学离子和土壤气CO2等。这些异常经过了现场仪器检查、观测环境调研、标准校测等环节，确认了观测资料的可靠性。其中井水位的校测误差＜5mm，井水温度分辨率＞1×10－3℃，泉水温度精度＞0.5℃，水氡浓度精度＞0.1Bq／L，水汞浓度精度＞0.01ng／L，水化学离子相对误差＜5%，土壤气CO2相对误差＜10%。本文所列的异常数据均大于观测误差。

从图1、表1和图2中可以看出，截至2013年底，川滇地区的地下流体异常主要表现为长期和中期趋势背景异常，异常测项有深循环温泉水温、井水位、水氡、pH值等，表明具有发生强震的背景。在震前6个月左右开始出现短期趋势异常，集中分布在川滇交界东部和滇西地区，主要是水化学离子（氟离子、镁离子、钙离子、碳酸氢根和硫酸根）、水汞、泉水温、断层气CO2和井水位等，表现出强震孕育由中期向短期过渡的特点。在震前1个月左右开始出现如四川宁南葫芦口断层气CO2、云南东川水位、巧家钙离子、会泽井水位快速升高等临震异常，均分布在川滇交界东部地区。震前20d内，位于鲁甸县西南文屏镇安阁村陆家龙潭及鲁甸宏观震中的龙头山镇冒沙泉均出现了泉水严重浑浊的宏观异常现象。

2　典型异常分析

2.1长期和中期趋势背景异常

2.1.1深循环温泉水温异常

深循环温泉水温异常主要有四川的理塘、巴塘、康定二道桥、泸定63泉等，这些观测点对周边强震响应比较灵敏。譬如，理塘毛垭温泉，是川西地区王牌前兆观测点（李军等，2005），位于川中地区理塘断裂带，为上升泉，岩性为石灰岩、砂板岩和安山岩，泉水循环深度＞1 500m，属HCO3－Na型，水温与降水、气温和气压的相关性较弱（李军等，2005）。汶川地震后，理塘毛垭温泉水温一直处于趋势下降态势，但在周边几次中强以上地震前，均出现显著的短期快速上升异常，如鲁甸地震之前的2014年1月起，毛垭温泉水温出现快速上升异常，在异常转折过程中发生了地震（图3）。

图1　鲁甸地震地下流体异常分布图Fig．1　Tectonic setting of Ludian MS6.5 earthquake and the fluid anomalies associated with it．

2.1.2井水温度异常

井水温度异常主要有云南丽江井水温和寻甸井水温。云南丽江观测井，位于丽江象山脚下，处在红河断裂带北端、丽江－剑川断裂与中甸－大理断裂的交会部，井深347.33m，主要含水层位于167.5～310m，为岩溶裂隙承压水（云南省地震局，2005）。安装SZW－1A型数字式温度仪，水温探头放置在井下300m处。丽江自流井水温于2011年起呈现出上升趋势，在水温上升过程中发生了如彝良5.7级地震、洱源5.5级地震和香格里拉5.9级地震等中强震。2014年井水温又出现快速上升变化，在异常转平过程中发生了鲁甸6.5级地震（图4）。丽江井水位和水温对汶川8.0级地震和印尼8.5级地震的同震响应显著（杨跃文等，2010），在2007年宁洱6.4级地震前有显著的临震异常（刘耀炜等，2008）。寻甸井水温于2010年5月开始有一快速上升过程，之后上升速率有所减缓，直至鲁甸地震发生均保持高水温状态。以上井水温对动力加载作用敏感，温度快速上升是与区域构造活动增强过程关系密切的地震前兆异常。

表1　地下流体异常基本特征表Table 1　Characteristics of the underground fluid anomalies

图2　鲁甸地震前地下流体异常时间进程图Fig．2　Temporal evolution of the fluid anomalies from 2008 to 2014．

图3　毛垭温泉水温曲线图（图中km数代表震中距，下同）Fig．3　Temperature variation of the Maoya spring．

图4　丽江井水温图Fig．4　Temperature variation of Lijiang well．

2.1.3井水位高值异常

井水位高值异常主要有四川泸州川13井水位和云南昭通台井水位异常。泸州川13井处在四川盆地内NE向的中兴场背斜的倾没端，井深300.6m，观测段21.5～152m，观测含水层岩性为上古生代含铁辉长岩及钒钛磁矿，裂隙承压水（四川省地震局，2004）。泸州川13井水位则自2006年开始趋势上升，到2008年汶川8.0级地震水位上升约1.2m，之后逐步下降，但6个月之后水位又持续上升（图5），在鲁甸地震发生时仍处在高水位异常状态。井水位连续上升形成的高水位异常，可以揭示区域构造应力持续增强的状态（兰双双等，2010）。

图5　泸州井水位图Fig．5　Water level variation of Luzhou well．

2.2短期趋势异常与临震异常

2.2.1CO2浓度异常

CO2异常主要有四川会东淌塘和宁南葫芦口断层气CO2，两处位于川滇交界的滇东北地区。四川会东淌塘断层气CO2自2014年5月后出现破年变低值异常，之后发生了鲁甸6.5级地震（图6a）。宁南葫芦口断层气CO2含量于2014年7月下旬突升并达到自观测以来的最高值，之后发生了鲁甸6.5级地震，CO2含量于地震后8月11日转折下降恢复（图6b）。

图6　断层气CO2含量图Fig．6　Carbon dioxide emitted from the fault zone．

2.2.2水化学组分异常

水化学组分异常主要有云南鲁甸氟离子、保山镁离子和硫酸根、丽江钙离子和碳酸氢根以及巧家钙离子等异常。

鲁甸氟离子观测点为鲁甸大坪泉，位于昭通－鲁甸断裂上，含水层岩性为二叠纪灰岩，为古老民用饮水泉，常年水量变化不大，冬夏季水温为9～12℃。使用PHS－3C型pH计配备PF－1型氟离子选择电极和甘汞电极观测。鲁甸氟离子从2014年2月开始持续上升变化，最大异常幅度为0.17mg／L（图7）。上升过程中发生了永善5.3级、永善5.0级和鲁甸6.5级地震，于8月15日出现转折恢复。

云南巧家水化观测点位于巧家大龙潭泉，处于巧家盆地中部以东，小江断裂北端，第四纪石灰岩层出露，为巧家娇顶山长距离补给，水量较大，水温约17.5℃。鲁甸地震之前，巧家钙离子在2014年7月测值出现突升，为显著的临震异常（图8）。

2.2.3井水位异常

云南昭通台井水位、昭通昭阳一中井水位、东川井水位和会泽井水位表现出短期趋势异常与临震异常。

图7　鲁甸氟离子含量图Fig．7　Variation of fluorine ion in the Ludian spring．

图8　巧家钙离子含量图Fig．8　Variation of calcium ion in the Qiaojia spring．

昭通昭阳一中井井深404.13m，套管深度为403.83m，在108m及318.76～403.83m处设置滤水管，岩性为古近－新近纪砂砾岩，地下水类型为孔隙、裂隙承压水，水位埋深约9m。该井水位基本不受地表降水干扰，周围无注水、抽水井。该井水位在鲁甸地震前2个月出现水位急剧升高，并持续近半个月，之后水位快速下降，并保持高水位异常状态（图9）。鲁甸地震发生后半个月，水位又一次加速上升，在高水位过程中，发生了景谷6.6级地震。昭阳一中自2011年新仪器安装以来，水位一直平稳变化，2014年6月出现的快速升高异常为观测以来最突出的异常现象，因此信度较高。

图9　昭阳一中井水位图Fig．9　Water level variation in the well at Zhaoyang No．1 Middle School．

会泽井（滇01井）位于会泽县娜姑乡，处于小江、则木河、篷峰三大断裂的交会部位，井深103.15m，套管深度87.7m，水位埋深约30m，观测含水层岩性为玄武岩，裂隙发育，水温约16℃。该井水位2012年以来持续趋势下降，在多次中强地震前井水位均表现出显著的突升异常特征。会泽井水位在永善5.3级地震后从高水位状态逐步下降恢复，至2014年7月21日开始出现突然转折加速上升变化，直到鲁甸6.5级地震发生，井水位持续上升了0.59m（图10）。对比历史震例，该井水位快速上升异常均较好地对应了本区或周边地区中强以上地震，因此作为鲁甸地震的临震异常信度较高。

图10　会泽井水位图Fig．10　Water level variation of Huize well．

2.3宏观异常

鲁甸地震前有两起突出的宏观异常。一处发生在鲁甸县西南的文屏镇安阁村陆家大龙潭，另一处发生在鲁甸6.5级地震宏观震中区的龙头山镇冒沙泉，震前10多天均出现水浑浊异常现象。文屏镇安阁村陆家大龙潭位于四面环山的小盆地中部，包谷垴－小河断裂穿过该盆地。龙潭面积约120m2，深6m多，平时清澈见底，潭底可见气泡冒出，是本地居民的自来水源。2014年7月20日出现浑浊，呈现米汤色，8月3日鲁甸地震后水质逐渐恢复清澈，但在8月17日永善地震前再次浑浊，笔者8月28日、8月31日现场考察，目测的能见度仅为50cm（图11）。10月5日笔者再次去陆家大龙潭考察，看到潭水已恢复清澈见底状态。而龙头山镇冒沙泉浑浊现象持续到9月底才消失。

3　异常机理讨论

鲁甸6.5级地震前出现的各类地下流体异常，从空间分布和时间进程演化特征来分析，均反映了构造活动由区域强化向局部强化的过程（车用太等，1999）。这种状态进一步验证了地震孕育过程中区域应力加载作用和流体前兆响应的密切关系。

3.1区域应力加载作用

地下流体群体异常的演化过程与区域内构造应力活动水平有直接关系（刘耀炜等，1998）。川滇地区出现的深循环温泉和井水温趋势异常，且准同步加速上升，表明了区域应力加载作用下的深部物质活动及构造活动持续加剧的特点（马玉川等，2014）。

断层气CO2浓度能反映出测点周围应力状态的变化。在中强震孕育过程中，应力场的变化能引起岩石裂隙的开启、闭合以及重新分布，而气体主要通过裂隙逸出，构造活动微小的调整将影响到CO2的逸出（杨竹转等，2008；Zhou et al．，2010）。川滇交界地区CO2浓度整体上表现出大动态的异常变化，表明了该区域构造活动造成岩石裂隙的开启或闭合，促使地下CO2通过断裂上升加速或减弱的过程，形成了断层气CO2浓度低值或高值异常。

昭阳一中井水的水化学成分结果表明，该井水主要是Na-HCO3型水，Na含量较高（242.3mg／L），总溶解固体浓度较高（TDS，701.6mg／L），井水处于封闭良好的承压含水层，与地表水和大气降水的水力联系较弱。通常密封较好的承压含水层，对地壳应力变化较为灵敏（兰双双等，2010），昭阳一中井地震前出现的水位升高现象与区域应力加载作用有直接关系。

3.2流体活动作用

区域构造活动使断层封闭性改变，驱动流体的流动，使流体活动作用增强，表现出地下水离子组分在震前发生浓度变化（Woith et al．，2013；Claesson et al．，2004）。引起水化学离子浓度变化的原因主要有两种，一是前震与同震过程中含水层的压裂，增加了地下水与新出露矿物的接触，使水岩反应能力增强，水化学成分变化；二是地震引起含水层间渗透性增强，致使化学性质不同的地下水混合或者置换（Thomas，1988；Claesson et al．，2007）。

鲁甸地震震中区出现的水化学组分短期与临震异常，表现了不同层位流体活动或水岩反应增强的前兆机理。一些相对弱的水岩作用或流体活动，通过仪器可以观测到水化学离子组分浓度的异常变化。如果水岩作用剧烈或地下水混合作用增强，甚至会导致显著的水变色、变味等宏观异常。比如鲁甸龙头山镇冒沙泉和陆家龙潭位于长距离地下水运移的泄流区，由于构造活动疏通了径流区岩层裂隙（唐彦东等，2013），破坏了原有的地下水补给排泄平衡条件，使处在泄流区的泉水更容易汇集不同补给源的物质，造成了泉水的浑浊现象，这种现象持续时间也比较长。

鲁甸地震后，笔者于2014年8月29日在龙头山镇进行了跨地震破裂带的土壤气Rn、H2、CO2、CH4、H2S、O2等气体测量。结果显示，在鲁甸地震主断层处，土壤气氡的含量（1.52× 105Bq／m3）明显高于断层两侧（约350m）（4个测点平均值为5.13×104Bq／m3），同时在地表破裂带上观测到H2浓度高达45ppm，而离开破裂带的测点则没有观测到H2（浓度小于仪器检出限1ppm），进一步证明了强震的地表破裂带上存在深部流体活动的信息（Zhou et al．，2010）。

4　结论

（1）各阶段地下流体异常时空演化特征，为有效识别地震危险区和提出临震预测意见积累了经验。鲁甸地震地下流体的长期和中期趋势背景异常观测点，绝大多数分布在距震中300～500km范围，而群体性短期趋势异常、临震异常和宏观异常，集中于震中区100km范围内，突出的宏微观地下流体异常出现则在震前10～20d。尽管这种特征与目前观测点的密度有一定关系，但对于震例总结仍具有重要参考意义。

（2）显著的地下流体异常揭示了川滇地区强烈的构造活动特征。区域应力加载作用导致了深循环温泉和井水温升高、深部气体逸出和承压含水层井水位的突升。流体活动的混合作用和强烈的水岩反应，造成了地下水离子组分浓度升高和泉水浑浊等显著宏观异常现象。

（3）在川滇交界东部地区，建设了一定密度的多测项地下流体观测台网，因此能够在鲁甸6.5级地震前获得较多的地震前兆信息。基于现场异常核实和地下流体异常信度分类的工作，排除可能的干扰因素，对提高强化震情跟踪工作效能具有重要作用。

致谢云南省地震局高文斐提供相关资料。云南省地震局谷一山、高文斐，昭通市防震减灾局申玻、徐家金，巧家县防震减灾局王向梅，凉山州防震减灾局段泽普、代放，以及相关市县台站工作人员一同参加了鲁甸地震地下流体的科学考察工作，一并表示感谢。同时感谢审稿专家对本文提出的宝贵意见。

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Abstract

We summarized the fluid anomalies associated with the Ludian MS6.5 earthquake based on the Sichuan and Yunnan earthquake network observations and field survey．The fluid anomalies were divided into long-term，medium-term，short-term，imminent and macroscopic anomalies according to the basic principles of earthquake forecasting．The long-term and medium-term anomalies distributed mainly in the range 300～500km away from the epicenter．By contrast，the short term，imminent and macroscopic anomalies clustered in an epicentral distance less than 100km．The underground fluid anomalies in the higher station density area reflect the enhancement of fluid movement，which are conducive to determine the seismic risk area and trace the short-term precursor of earthquake．The regional stress variations may cause the fractures in a fault zone open and close，leading to the change of water level and temperature in boreholes or spring and emission of deep-sourced gases．It may also lead to intense water-rock reaction and groundwater intrusion，resulting in the change of ion contents in groundwater，or sometimes，the occurrence of significant macroscopic anomalies．Therefore，it is highly possible to obtain reliable earthquake precursor information for predicting the forthcoming earthquake risk zone in the region with dense observation stations．

UNDERGROUND FLUID ANOMALIES AND THE PRECURSOR MECHANISMS OF THE LUDIAN MS6.5 EARTHQUAKE

LIU Yao-wei1）REN Hong-wei1）ZHANG Lei1，2）FU Hong3）SUN Xiao-long1）HE De-qiang4）YU Huai-zhong5）ZHOU Zhi-hua5）ZHANG Guo-meng1）
1）Key Laboratory of Crustal Dynamics，Institute of Crustal Dynamics，China Earthquake Administration，Beijing100085，China
2）Institute of Geophysics，China Earthquake Administration，Beijing100081，China
3）Yunnan Earthquake Administration，Kunming650224，China
4）Zhaotong Earthquake Prevention and Disaster Reduction Administration，Zhaotong657000，China
5）China Earthquake Networks Center，Beijing100045，China

Ludian MS6.5 earthquake，underground fluid，anomaly information，precursor mechanism，earthquake survey

P315．72＋3

A文献标识码：0253－4967（2015）01－0307－12

10．3969／j．issn．0253－4967．2015．01．024

刘耀炜，男，1957年生，研究员，主要研究方向为地下流体动力学与地震监测预报，电话：010－62911045，E－mail：liuyw20080512＠126．com。

2014－11－03收稿，2015－01－23改回。

中国地震局“云南鲁甸6.5级地震专题研究”项目资助。

任宏微，电话：010－62842631，E－mail：renhongweiwei＠163.com。