引用本文
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DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2017.05.009
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2013年芦山 MS7.0地震前基岩地温变化的再分析
曾蒂1, 陈立春1,*, 陈顺云1,2, 李东雨1
1 中国地震局地质研究所, 北京 100029
2 中国地震局地质研究所, 地震动力学国家重点实验室, 北京 100029
*通讯作者: 陈立春, 男, 研究员, E-mail:dzsclc@ies.ac.cn。

〔作者简介〕 曾蒂, 女, 1992年生, 在读硕士研究生, 从事活动构造与地震预测研究, 电话: 010-62009086, E-mail:zd2513527752@sina.com。

收稿日期: 2016-12-12
基金项目: 中国地震局地质研究所基本科研业务专项(IGCEA1418)与国家自然科学基金(41372218)共同资助
摘要

2013年芦山 MS7.0地震前, 康定台基岩地温、 鲜水河跨断层形变和姑咱台钻孔应变都显示沿鲜水河断裂带可能存在区域应力变化。文中选取鲜水河断裂带基岩地温观测网3个台的观测数据开展进一步分析, 并与钻孔应变等对比研究。结果显示, 3个基岩地温观测台站的应力温度在芦山地震前几天出现同步突降, 反映鲜水河断裂带乾宁-康定一带区域应力拉张增强。3个台站基岩地温的高频成分在震前80d内也出现了同步变化, 估算出的应力变化范围为0.98~1.96MPa, 平均约1.47MPa, 与测震学获得的芦山地震(剪)应力降结果接近。基岩地温显示的区域应力拉张增强与姑咱钻孔应变的张性突变一致, 而与跨断层形变监测结果对比则显示鲜水河断裂带不同活动段在芦山地震前不同时间段的应力变化不尽相同, 但都显示芦山地震前沿鲜水河断裂带存在区域应力变化。

关键词: 基岩地温; 高频成分; 芦山地震; 地应力
中图分类号:P315.2 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2017)05-0994-13
REANALYSIS OF BEDROCK GROUND TEMPERATURE CHANGES PRIOR TO 2013 LUSHAN MS7.0 EARTHQUAKE
ZENG Di1, CHEN Li-chun1, CHEN Shun-yun1,2, LI Dong-yu1
1 Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
2 State Key Laboratory of Earthquake Dynamics, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
Abstract

Before 2013 Lushan MS7.0 earthquake, the bedrock ground temperature in Kangding station, the cross-fault deformation and the borehole strain in Guza station all show that regional stress changes possibly occurred along the Xianshuihe Fault. In this paper, further analysis is made on the observation data of bedrock ground temperature in the three stations in the Xianshuihe fault zone, and the results are compared with borehole strain, seismometry and cross-fault deformation data. Stress temperature in the three stations dropped suddenly synchronously a few days before the Lushan earthquake, indicating the enhanced tension characteristics of the regional stress in the Qianning-Kangding zone. High-frequency components of bedrock temperature in the three stations also showed synchronous changes in the 80 days before the Lushan earthquake, with an estimated stress change range of 0.98~1.96MPa, an average of about 1.47MPa, which is close to the seismometry results. Besides, tensional mutation in borehole strain is consistent with the enhanced tensional characteristics of regional stress revealed by bedrock ground temperature. Comparison with cross-fault deformation shows that the stress change was different in different active segments of the Xianshuihe Fault in different time periods before the Lushan earthquake, but the regional stress change did appear along the Xianshuihe fault zone before the Lushan earthquake.

Keyword: bedrock ground temperature; high-frequency components; Lushan earthquake; crustal stress
0 引言

通常认为: 地震是力学失稳的结果(马瑾等, 2014), 应力的动态变化监测对于地震危险性判定极其重要。然而, 地壳应力动态变化过程的观测极其困难。实验研究证实: 对于弹性介质, 温度对应力应变具有灵敏的响应。岩石受力时会产生温度变化, 且温度变化与体应力呈正相关, 而温度对岩石变形又具有灵敏的响应(刘培洵等, 2004, 陈顺云等, 2009)。实验结果还表明: 挤压状态, 温度上升; 拉张状态, 温度下降。刘培洵等(2007)利用房山花岗岩对岩石变形的3个过程进行了热场的观测, 认为弹性阶段属于应力升温型, 黏滑阶段属于摩擦升温型, 破裂阶段属于破裂摩擦快速升温型。马瑾等(2007)开展的雁列断层失稳错动热场变化的实验研究表明, 断层失稳错动前温度呈现先降后升现象。从实验结果看, 通过 “ 热信息” 获取应力状态的变化是可能的。据此, 一种新的地壳应力变化的观测思路被提了出来, 即利用基岩地温监测地应力变化(Chen et al., 2016)。

经过多年的探索和试验, 基岩地温监测地应力变化的思路已完成技术实现, 并于汶川地震后开始应用于野外监测, 中国地震局地质研究所分批分期先后在鲜水河、 安宁河和龙门山断裂带上建立了一系列基岩地温遥测台站(图1)。第1期鲜水河断裂带基岩地温观测台网建站后不久, 龙门山断裂带上就发生了2013年芦山MS7.0地震。

图 1 鲜水河断裂带基岩地温观测台网与活动断裂分布简图
F1玉龙希断裂; F2鲜水河断裂带(F2-1折多塘断裂, F2-2色拉哈-康定断裂, F2-3雅拉河断裂); F3安宁河断裂带; F4大凉山断裂带(F4-1公益海断裂, F4-2石棉断裂); F5龙门山断裂带(F5-1盐井-五龙断裂, F5-2大川-双石断裂)Fig. 1 Map of active faults and bedrock temperature observation stations along the Xianshuihe Fault.

康定基岩地温观测资料的初步分析结果显示, 芦山地震及其震前具有一些非常清晰的应力变化异常现象(陈顺云等, 2013; Chen et al., 2016)。鲜水河-安宁河-则木河断裂带以及龙门山断裂带的跨断层形变也监测到了此次地震震前的一些异常变化, 依此, 苏琴等(2014)做出了较为准确的短期预报。姑咱地震台是距芦山地震震中较近的1个钻孔应变观测台, 同样记录到了芦山地震及其前后完整的应变变化数据。但不同学者对姑咱台钻孔应变的分析结果却存在较大分歧, 一些学者认为钻孔应变显示了清晰的震前异常现象(池顺良, 2013; 池顺良等, 2013, 2014; 刘琦等, 2014), 而阳光等(2015)在震前异常落实以及震后分析研究结果中认为姑咱台记录到的震前变化为工程施工引起, 并非前兆异常。这些研究成果源自不同的观测数据, 认识也不尽一致, 但都显示: 芦山地震前, 与之毗邻的鲜水河断裂带一线可能存在区域上的应力变化。

对此, 本文拟通过多个基岩地温观测台(康定台、 中谷村台以及新都桥台)的监测资料进一步对芦山地震前的应力变化开展定性和定量研究, 并与钻孔应变、 测震学以及跨断层形变等观测技术研究成果进行对比分析, 以期对震前区域上的应力变化进行初步探讨。

1 观测资料

鲜水河断裂带基岩地温观测台网始建于2010年, 沿鲜水河断裂带乾宁至康定之间的3条活动断裂布设(图1)。建设时, 先在基岩中钻探出20m左右深的观测孔, 再安装高精度温度传感器(张智河等, 2017), 之后用水泥灌注封井, 以使温度传感器与基岩耦合为一体, 并防止地下流体对基岩温度观测的干扰。从地表至深处, 每个观测井孔基岩中采集模块均有4个观测深度(D1-D4), 采样周期为15min。第1批共建有10个观测点, 目前仍有5个台运行良好。其中, 康定、 道孚中谷村和新都桥瓦泽乡观测台是观测芦山地震比较有代表性的3个台: 康定台位于断裂带最东侧, 距震中约95km; 道孚中谷村台位于断裂带最北端, 距震中约140km; 新都桥瓦泽乡台位于鲜水河断裂带以西, 未布设在断裂带上, 距震中约145km。这3个基岩地温台站地温数据采集深度等信息见表1。

表1 鲜水河观测台站信息 Table1 Information about the observation stations
2 观测结果及分析

图2为康定、 道孚中谷村和新都桥瓦泽乡3个观测台2011年至芦山地震期间不同深度的基岩地温观测原始结果。从图2可以看出, 不同深度年变特征清晰, 数据质量较好。

2.1 定性分析: 应力温度

本文将应力变化引起的温度响应称为应力温度。地壳浅表的温度主要受地表温度控制, 不同深度上的温度主要来源于地表温度的热传导效应。将由热传导引起的温度效应称为传导温度。简单地说, 提取应力温度的过程就是去除传导温度的过程。

选取记录了芦山地震震前异常现象的康定台、 道孚中谷村台及新都桥瓦泽乡台的温度数据, 根据热传导方程获得D2来自D1、 D3来自D2及D4来自D3的传导温度, 利用原始地温数据减去该传导温度, 余下的温度为应力变化引起的温度变化(图3), 即应力温度。其中, 具体计算过程参见Chen等(2016)。

图 2 3个基岩地温台原始观测曲线
a 康定台; b 道孚中谷村台; c 新都桥瓦泽乡台Fig. 2 Curves of bedrock ground temperature of the three stations.

图 3 芦山地震前观测台站的应力温度随时间的变化Fig. 3 Stress-temperature curves in stations prior to Lushan earthquake.

图 4 芦山地震前3个台站的应力温度曲线
a1, a2 康定台; b1, b2 道孚中谷村台; c1, c2 新都桥台Fig. 4 Stress-temperature curves in the three stations prior to Lushan earthquake.

从图3可以看出, 从芦山地震前300d开始, 中谷村台、 康定台及新都桥台均表现出整体同步下降的趋势, 但不同台应力温度的下降幅度不同。分别选取3个台的D2深度进行分析(图4), 可以看出: (1)康定台D2深度在芦山地震前300~80d, 应力温度先缓慢下降, 然后趋于平稳状态; 芦山地震前80d, 应力温度出现急剧下降。(2)道孚中谷村台D2深度在芦山地震前300~140d内, 应力温度先是快速下降, 后下降速度减缓; 芦山地震前140d内, 应力温度先是缓慢下降, 至芦山地震前几天开始加速下降。(3)新都桥台D2深度在芦山地震前300~100d内, 应力温度先是缓慢下降, 后加速下降; 地震前100d内, 应力温度上升, 至芦山地震前几天突然下降。

进一步分别选取地震前40d内3个台站D2深度的应力温度进行分析(图4): 康定台、 中谷村台和瓦泽乡台的D2应力温度在地震前3d出现同步异常变化, 即4月17日均出现了幅度较大的突变, 表现为应力温度突降。

综上所述, 芦山地震前300d内, 鲜水河断裂带的3个基岩地温台站应力温度以整体下降为主, 地震前3d, 3个台的应力温度出现同步突降。根据应力-应变与温度响应关系的实验结果: “ 拉张降温, 挤压升温” (刘培洵等, 2004; 马瑾等, 2007; 陈顺云等, 2009, 2013), 3个台应力温度同步下降反映芦山地震前区域应力拉张增强。

2.2 定量分析: 高频成分

为了获得基岩地温监测应力的变化值, 主要采用小波变换方式提取了基岩地温的高频成分, 进行了两方面的处理: 1)将周期< 8h的成分滤去, 以消除短周期的影响; 2)将周期> 5d的成分滤去, 以消除长周期成分的影响。地表温度年周期成分影响深度可达几十m, 日周期成分影响深度约1m, 而5d周期成分地表温度的影响深度仅几m, 基岩模块测点的深度均> 5m, 消除了5d的地温成分后, 余下的温度信号已不含地表的热信息, 而是属于测点的基岩自身产生的温度变化。

从图5可以看出, 芦山地震前80d, 3个基岩地温台站的高频成分均出现幅度较大的变化: 1)康定台D2深度的高频成分出现2次不同幅度的变化阶段, 第1阶段变化幅度较小, 出现在芦山地震前约80~60d, 幅度约为0.001℃; 第2阶段变化幅度最大, 出现在芦山地震前3d一直到芦山地震的发生, 幅度约为0.002℃; 芦山地震后应力温度变化幅度逐渐减小到0.001℃(图5a)。2)中谷村台在芦山地震前约80d, D1深度地温高频成分出现1次较为明显的变化, 变化幅度0.001, 75℃(图5b)。3)新都桥台的高频成分在芦山地震前共出现2次变化, 分别发生在芦山地震前约80d和前震约40d, 变化幅度约为0.000, 6℃(图5c)。从以上3个基岩地温台站的高频成分分析可以看出, 芦山地震前80d内, 3个基岩地温台站的高频成分均出现幅度较大的变化, 而在震前80~280d内地温高频成分几乎无变化。

图 5 芦山地震前3个台的地温高频成分
a 康定台; b 中谷村台; c 新都桥台Fig. 5 The high-frequency components of ground temperature observations of the three stations prior to Lushan earthquake.

为了定量估算芦山地震前地温所反映的应力变化值, 取地温高频成分变化值最大的康定台进行应力变化的估算。根据应力与温度相关实验结果(刘培洵等, 2007; 马瑾等, 2007; 刘琦等, 2014; 邱泽华等, 2015), 应力与温度之间的变化关系即热应力系数一般在1至几个mK/MPa的量级。康定台出现的异常的地温深度D3位于大理岩层, 取单轴压缩实验中测量出的大理岩热应力系数1.02mK/MPa(刘培洵等, 2007)。取芦山地震前康定台高频成分变化范围0.001~0.002℃, 可估算出芦山地震前体应力变化范围为0.98~1.96MPa, 平均值为1.47MPa。

3 讨论
3.1 与姑咱台钻孔应变对比

康定县姑咱地震台钻孔应变观测建于2006年, 采用具有较高测量精度和稳定性的YRY-4分量钻孔应变仪。2008年汶川地震前, 姑咱台记录到了很多畸变信号, 前人研究认为这些畸变信号是汶川地震的前兆(邱泽华等, 2010; 刘琦等, 2014)。芦山地震前, 姑咱台钻孔应变又记录到了一些明显变化, 一些学者认为该异常与芦山地震有关, 是芦山地震的前兆异常(池顺良, 2013; 池顺良等, 2013, 2014; 刘琦等, 2014; 邱泽华等, 2015)。但阳光等(2015)在震前的异常核实以及震后的分析研究认为, 姑咱台在震前存在远震影响以及观测环境变化, 异常应为人类活动干扰。

图 6 芦山地震前应变变化曲线
a 芦山地震前后共440d的应变曲线; b 芦山地震前6个月至前4个月的应变曲线Fig. 6 Curves of strain prior to Lushan earthquake.

对姑咱台记录的应变原始数据进行处理和分析, 结果显示: 芦山地震前1a时间尺度上, 有2次明显异常(图6a), 第1次异常发生在震前180~140d(图6b), 持续时间约40d, 表现为向上突跳, 为张性应变; 第2次异常则发生在芦山地震前几天。进一步处理芦山地震前几天的变化曲线(图7), 显示: 1)姑咱钻孔应变从4月15日下午6点左右开始出现向上突跳。2)4月16日从早上8点开始出现突跳, 异常持续至下午2点左右恢复突跳前的水平。3)4月17出现2段异常突跳, 第1段突跳从早上8点左右持续至9点左右, 并恢复至突跳前的水平; 第2段突跳从下午2点左右持续至5点, 异常结束后的应变值略高于突跳前的水平。4)4月18、 19日, 这2d均出现2段异常突跳, 且突跳出现时间十分一致, 表现为向上突跳, 第1段突跳从早上8点左右持续至9点左右, 异常结束后的应变值略高于突跳前的水平; 第2段突跳从中午12点后持续至下午5点左右, 并恢复至突跳前的水平。5)4月20日, 即芦山地震当天, 钻孔应变在当天早上6点左右出现向上阶跃, 并在8:02分开始出现较大幅度的异常突跳, 异常突跳持续2min后就开始衰减, 随后异常突跳逐渐减弱, 异常突跳持续至下午4点左右。

图 7 芦山地震前几天的应变变化曲线(原数据源自中国地震台网中心)Fig. 7 Curves of strain in several days prior to Lushan earthquake.

芦山地震前姑咱台站附近存在施工(如拆除院墙、 搬运山脚坡积物及破碎巨大滚石等)、 放炮等人工干扰(阳光等, 2015)。从图7可以明显地看出芦山地震前钻孔应变异常阶跃时间与作息时间吻合良好, 意味着这些异常极可能与人类活动有关。值得注意的是: 芦山地震发生时, 即早上8:02分, 钻孔应变出现了 “ 同震变化” 。这个 “ 同震变化” 出现在作息时间内可能纯属巧合, 但也可能属于真实的同震响应。假若此同震响应是真实的, 那么反映出拉张应力状态。进一步观察, 4月20日凌晨6点前后(此时人工干扰的可能性不大), 姑咱台钻孔应变仍出现突跳异常, 且表现为向上的张性应变, 这与芦山地震前基岩地温反映的区域应力拉张增强一致。

3.2 与地震观测结果对比

同震应力降是反映地震前后的静态地壳应力变化情况的1个重要信息。一般认为, 同震应力降为1~10MPa量级。应注意的是, 同震应力降是指震源深度上断层的剪应力, 体应力降至少是剪应力降的2倍(Chen et al., 2016)。测震学方法获得的芦山地震(剪)应力降为1.5MPa(Hao et al., 2013)。动态应力变化比静态应力降要复杂得多, 但上述结果至少说明: 芦山地震前后地壳应力变化几个MPa是有可能的。

通过基岩地温观测所获得的芦山地震平均体应力降为1.47MPa, 最大体应力降为1.96MPa, 在几个MPa量级范围内, 与测震学方法获得的芦山地震(剪)应力降接近。

3.3 与跨断层形变对比

芦山地震周边跨断层形变监测结果显示: 2009-2012年间鲜水河南段的恰叫、 沟普、 老乾宁、 龙灯坝以及则木河断裂的西昌、 汤家坪等测点断层拉张活动明显增强(苏琴等, 2014)。该时段, 跨断层形变显示鲜水河断裂带乾宁以北段拉张, 而应力温度观测结果则显示鲜水河乾宁-康定一带拉张, 二者反映断裂带不同活动段的应力变化状态呈一致性。2013年1月后, 鲜水河断裂带乾宁以北段3个跨断层水平形变观测资料同步显示出断层明显的压性活动(苏琴等, 2014), 而该时间段内鲜水河断裂带乾宁-康定一带的2个基岩地温台站(康定台、 道孚中谷村台)观测资料则同步显示拉张增强, 表明震前短期断裂带不同活动段的应力变化状态并不一致。

从鲜水河断裂带基岩地温监测与跨断层形变监测结果对比可以看出, 芦山地震前, 鲜水河断裂带不同活动段、 不同时段的应力变化状态不尽相同, 但都显示芦山地震前沿鲜水河断裂带存在区域应力变化。

4 结论

(1)芦山地震前3d, 康定、 中谷村和新都桥3个基岩地温观测台的地温同步突降, 显示鲜水河断裂带乾宁-康定一带区域应力拉张增强。

(2)芦山地震前80d内, 康定、 中谷村和新都桥3个台的基岩地温高频成分均出现了变化, 其中康定台变化幅度最大, 为0.001~0.002℃, 由此估算出的应力变化范围为0.98~1.96MPa, 平均约1.47MPa, 与测震学获得的芦山地震(剪)应力降结果接近。

(3)基岩地温反映的区域应力拉张增强与钻孔应变的张性突变一致, 而与跨断层形变的对比结果则显示鲜水河断裂带不同活动段在芦山地震前不同时间段的应力变化状态不尽相同, 但都显示芦山地震前沿鲜水河断裂带存在区域应力变化。

致谢 刘培洵副研究员对基岩地温观测项目提供了全面的技术支持; 论文研究过程中, 池顺良研究员、 王虎副研究员、 梁明剑博士等给予了颇有意义的讨论意见; 审稿专家对本文提出了宝贵的修改意见: 在此一并感谢。

The authors have declared that no competing interests exist.

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