2021年5月22日青海玛多M7.4地震前共和水温异常分析研究

刘 磊,张朋涛,苏维刚,李 霞,赵玉红,冯丽丽

(1.青海格尔木青藏高原内部地球动力学野外科学观测研究站,青海 西宁 810001;2.青海省地震局,青海 西宁 810001)

0 引言

据中国地震台网正式测定,2021年5月22日2时4分,在青海果洛州玛多县(34.59°N,98.34°E)发生M7.4地震,震源深度17 km。地震震中位于玛多县黄河乡附近,距玛多县城38 km,果洛州、玉树州、西宁、兰州等地有震感。本次地震发生在巴颜喀拉块体南边界带上,位于可可西里—巴颜喀拉地震构造带,距离震中最近的断层是NW向以左旋为主的甘德南缘断裂带,此次地震的震源机制解为逆冲型。

温度是体现物质热状态的基本物理量,地震前兆观测方法中水温是地球物理场观测的重要组成部分,不仅对介质应变状态有灵敏响应,并且观测数据无须进行复杂的数学处理,通过直观的形态变化就能提取异常[1]。由于孕震及发震过程中地应力变化使岩层压缩或膨胀,引起震区以至远方孔隙水压力的异常变化。与此相应,有时震前地下水化学成分也会改变,将其与研究地球热状态相结合,特别是地表层的热状态及其随时间的变化是地震预报行之有效的方法之一[2]。共和水温在玛多M7.4地震前出现显著异常形态。通过地震地球化学方法,排除观测资料干扰信息,提取异常,总结经验,可为后续地震前兆异常识别提供科学参考依据,同时也有助于提升该区震情研判能力[3-6]。

1 共和水温概况

1.1 区域地质构造

共和水温观测点位于共和盆地,地处于昆仑—秦岭纬向构造带与河西系构造复合部位的沉降带,其四周被断褶隆起山地围限(图1)。共和盆地主要构造体系有西域系、河西系、东西向体系等,共和水温观测点主要位于西域系和河西系的交接部位。西域构造体系由青海南山褶皱断裂带及青海湖、共和盆地组成,青海南山南缘大断裂,为隐伏断裂,西起茶卡北山,沿大水桥、甘地,经沟后村转为NEE,至次汉达哇村又折向SE方向。河西构造体系由一系列NNW隆起带及拗陷带组成,和NWW向断裂构成一系列雁形排列的断陷盆地,共和盆地即属这种断陷盆地。断裂多发生在隆起带的边缘,为高角度压扭性断裂,控制着共和盆地的现今形态[7]。

图1 共和水温观测点地质构造图Fig.1 Geological structure map of Gonghe water temperature observation point

1.2 区域水文地质概况

共和盆地由于第四纪初期大幅度的沉降,其内堆积了厚千余米的下更新统河湖相松散堆积物,为地下水的贮存提供了良好的条件。地下水补给主要为盆地周边出山口河流的入渗补给,由山前向盆地中心排泄基准径流,最终汇于龙羊峡水库排出区外和通过茶卡盐湖蒸发排泄。共和水温观测点地下水主要来源于北部山区降水、基岩裂隙水及河流在出山口的入渗,另外在较大沟口有部分地下水潜流侧向补给。

该区潜水主要来源于北部沟后河地表水,恰卜恰河上游的降水、地下水径流等入渗补给,通过克才和向龙羊峡水库排泄。承压水主要来源于西侧塔拉台地半承压水的侧向补给,另外东侧低山丘陵区半承压水对河谷承压水也有一定补给作用,但补给量较西侧小很多,承压水也基本由中上游向下游径流,通过克才和向龙羊峡水库侧向排泄[7]。

1.3 观测系统

共和水温观测点位于共和县上塔迈村,成井于1983年,井深174.35 m,属第三系承压水层中的自流水,水流稳定,受外界干扰较小。观测井孔浅部11.5 m为风积成因的砂质黏土,其下发育厚度为94 m的砂质黏土、粉砂、黏土质砂互层,113.5～141.9 m为青灰色黏土,厚度为28.4 m,以下为粗砂加小砾石及粉砂层,有少量的原生和次生裂隙发育[8]。

该观测点于2011年8月完成改造。共和水温两套仪器分别从2011年、2015年开始观测,所用仪器分别为SZW-1A和SZW-Ⅱ型水温仪,各探头深度位置为:105 m、65 m,具有观测时间长,数据同步性好,无年变趋势的特性(图2)。

图2 共和水温年尺度观测图Fig.2 Annual observation curve of Gonghe water temperature

2 异常特征分析

2.1 干扰因素

由于水温观测会受到气象、环境等因素的影响,所以在提取异常信息时,需要对可能的干扰因素进行排除。共和水温观测点所在区域属高原大陆气候,干旱少雨、日照充足,昼夜温差大,年平均地温6.34 ℃,极端最高气温34 ℃,极端最低气温为-23.8 ℃,年平均降水为250～420 mm,年蒸发量在1 400～2 400 mm ,年平均相对湿度48.9%,潮湿系数为0.17,降水多集中于6、7、8三个月。本次异常出现前后,气温、降雨量无显著变化。经调查,该观测点附近无矿山开采及铁路修建工程,无新开采水井及灌溉抽水行为,可以排除环境干扰[9]。

2.2 异常性质分析

共和水温(两套仪器)2021年2月28日出现同步上升变化,最大上升幅度分别为0.047 ℃和0.007 ℃,3月1日至3日数据同步下降,幅度分别为0.075 ℃和0.24 ℃。截至3月21日,两套观测数据均已转平,一套已恢复至原有水平(图3)。

图3 共和水温观测原始曲线图Fig.3 Original observation curve of Gonghe water temperature

异常出现后,2021年3月10日对共和水温观测井进行水化学组分取样分析,5月22日玛多地震发生后,于6月1日再次取样,将两次数据与震前(2018年5月13日)数据对比分析,以期为异常性质判定提供流体地球化学方面的佐证,样品委托中国地震局地壳应力研究所地壳动力学重点实验室、中国地震局地震预测重点实验室依据《地下水质检测方法标准》DZ/T 0064—1993测试分析,具体分析结果列于表1。

图4 离子分布星状图Fig.4 Ion distribution map

表1 水化组分结果统计表Table 1 The analysis results of hydrochemical components

2Na++H4Al2Si2O9+4SiO2

综上所述,地下水循环在经过部分中等矿化水混入后,对观测水体离子含量造成明显影响。

图5 水化组分Piper图Fig.5 Piper diagram of hydrochemical components

表2 TDS、电导率及Na-K-Ca热储温度汇总表Table 2 Summary of heat storage temperature for TDS,conductivity,and Na-K-Ca

由表2可知,在热储深部,由于热水在上升过程中与围岩发生水岩作用,并受到冷水的混入,导致地热水的TDS更高,加之其他阴阳离子的混入,导致电导率一并升高(共和2021-03-10)。共和2021-06-01样品显示出Na-K-Ca热储温度明显低于共和2018-05-13及共和2021-03-10样品温度,说明低矿化水补给过程中含量甚微的K+带入而导致热储温度下降,亦可理解为震后地下水恢复平衡状态的缓慢过程。

Na-K-Mg三角形图解法由Giggenbach于1988 年提出,用来评价水-岩平衡状态和区分不同类型的水样,大致分为三个阶段:地热水在上升过程中与围岩发生离子交换反应达到平衡即为完全平衡水,热水与围岩中部分矿物的离子交换反应到达平衡即为部分平衡水,热水与围岩矿物发生的离子交换反应未到达平衡则为未成熟水。

将三次水样的Na+、K+、Mg2+含量数据点计算处理后绘制Na-K-Mg三角图(图6),显示出三个水样分布在部分平衡水区域和未成熟水区域两个区域内。共和2021-03-10分布在部分平衡区,表明有部分平衡水的混入,循环深度较深。共和2018-05-13及2021-06-01分布在未成熟水区,表明水样与周围环境的水-岩反应程度较弱,循环深度较浅。这进一步说明与佐证共和水温异常出现后(共和2021-03-10),中深部地下水与围岩反应不充分,热水在向地表上升的过程中流经岩石地层时受到中等矿化的部分平衡水混入,从而使正常时段(共和2018-05-13)的水体矿化度及水化组分发生显著变化,造成水样由未成熟水达到部分平衡状态,进而在地震发生后(共和2021-06-01),由于区域应力恢复及中深部中等矿化水混入减少的作用下,逐渐恢复至正常时段的未成熟水状态过程。

图6 水化组分Na-K-Mg三角图Fig.6 Triangle diagram of Na-K-Mg

2.3 震例分析

共和水温自2016年观测以来,背景值稳定,但不具明显年变形态,观测系统稳定性高,不易受周边环境干扰,本次异常出现前,共和水温观测已取得43次较好的典型震例,分别为:(1)2017年2月8日两套水温观测资料出现反向凹字形变化,恢复后161天发生井震距440 km的四川九寨沟M7.0地震;(2)2018年3月9日水温两套数据出现反向波动变化,恢复后25天发生距观测点420 km的青海称多M5.3地震;(3)2019年7月24日水温两套数据出现反向突跳变化,恢复后48天发生距观测点230 km的甘肃夏河M5.7地震;具体地震参数及异常特征见表3、图7。

图7 共和水温异常曲线图Fig.7 Abnormal curve of Gonghe water temperature

表3 地震参数及水温变化统计表Table 3 Statistical table of seismic parameters and water temperature changes

综合以上震例分析可知,共和水温排除仪器故障及干扰,在正常观测时间段内,构造相关区域4次5级以上地震前3次有异常反应,形态均为两套仪器反向变化,持续时间以20～46天为主,异常结束后25～161天内发生目标地震,优势地点为青海南部及邻近地区。本次异常持续时间22天,异常结束后62天发生玛多地震,与历史震例研究结果一致。

3 讨论及结论

本次异常出现前后,气温、降雨量无显著变化,观测点附近无矿山开采及铁路修建工程,无新开采水井及灌溉抽水行为。异常开始于震前84天,结束于震前62天,异常持续时间22天,异常结束后发生玛多M7.4地震,排除环境干扰的情况下,增加了该异常的可信度。