地震地下流体是指与地震孕育、发生和构造活动有直接联系的、赋存于地壳岩体空隙中的水、气、油等物质。大陆地下流体前兆的物理力学机制,主要是基于强震孕育的动力学原理,即在区域应力作用下,当地壳介质受到力的作用而发生变形破坏时,赋存于介质中的流体在动力作用、热力作用和化学作用下发生的动态变化。刘耀炜等(1999,2000)认为,强震流体前兆主要表现在异常时间发展的阶段性、加速性和群体性等特征上。

氡是一种放射性气体,是镭衰变的中间产物。氡在岩石的孔隙和裂隙中以自由氡、吸附氡和封闭氡的形式存在。实验证明,氡反应灵敏,当受到外界的压力、振动等作用时,氡容易从其赋存的介质中逃逸出来,因此,当地下应力发生变化时,地下水中的氡浓度会出现不同程度的变化,这就是水氡观测的依据(阴朝明等,2001; 孟晓春,2005)。氡作为地下流体学科的敏感组分,是地震科学研究中观测时间最长、研究最广泛的地下流体项目之一。对于氡的观测研究在我国的地震分析预报工作中起着十分重要的作用。

根据以往震例(马宗晋等,1982),一次7级以上地震的前兆异常分布的范围较大,而且不均匀。地震预报工作者总希望从复杂的异常图像中找出与孕震有关的前兆信息,从而提取强震的前兆标志。本文分析了青藏高原东北部地区的几次强震前甘肃、青海和四川北部地区的一些水氡观测资料,发现多数测点的资料在1990年4月26日青海共和地震前、2001年11月14日昆仑山口西地震前和2008年5月12日四川汶川地震前存在比较同步的趋势异常,这些异常持续时间均较长,最短的也有一年半以上。有些异常点距震中较远,例如,2001年11月14日昆仑山口西8.1级地震的震中外围约300 km范围内没有地震前兆观测点,但地震之前,在远离震中的地区,记录到了十分典型的地下流体异常。这些异常多数是在远离震中几百甚至上千千米的测点记录的,这些测点的正常动态规律清楚,异常幅度很大,持续时间较长,异常与地震的对应关系很明确。所以在远震、大震前记录到的地下流体前兆异常是可信的,是值得重视与深入研究的(车用太等,2002)。因此,本文所做的研究能在今后的地震监测预报工作中发挥一定作用。

本文使用了17个水氡测点的资料,各测点的基本情况见表1。下面先对有较详细资料的甘肃境内的通渭、武山1号泉、武山22号井、天水花牛、平凉附件厂、武都、张掖西武当测点,青海境内的共和、湟源、乐都、循化、民和测点,四川姑咱测点略作介绍。

通渭台地处通渭县城西汤池河边,泉水出露于花岗岩与片麻岩的接触带上,主要含水层为花岗岩。武山1号泉出露于近南北向的聂河断裂与北西向的 蔡家河—马长庄断裂交汇部位,主要含水层为花岗岩。武山22号井也处在聂河断裂附近,为热水自流深井,水温56 ℃,井深154 m。天水台地处西秦岭北缘断裂,泉水出露于永川河洪积堆边缘,主要含水层为砂砾岩和泥岩。平凉附件厂水氡台地处六盘山断裂东侧,井水出露于泾河Ⅰ级阶地上,为自流井,主要含水层为砂砾岩。武都地震台地处南北地震带中段、秦岭构造带西端,小的构造部位为光盖山—迭山南断裂,该泉为上升泉,泉水出露于北东东向的断层破碎带上。断层破碎带的北盘为上志留系厚层状灰岩,南盘为板岩和千枚岩。该地区历史上曾发生过武都8.0级大地震。西武当泉出露于民乐盆地西南缘,位于祁连山中段北缘断裂带上。泉点所在断层位于奥陶系硅质岩、凝灰岩与第三系砂质岩之间。泉的类型为断裂泉,成因类型为溶滤水(张昱等,2008)。

共和地震台位于共和县恰卜恰镇。境内地质条件复杂,断裂带纵横交错。观测井深174.35 m,属第三系承压水层中的自流水,水流稳定,不受外界干扰。该区地震活动频繁,发生过7.0级地震。湟源水氡泉点地处日月山构造带,为断裂上升泉,主要含水层为片麻岩。乐都台地处达扳山与拉脊山交汇处的小断裂带上,水点属断层裂隙上升泉。循化泉点北部是拉脊山构造带,泉点出露于第四纪松散堆积物中,岩性为第四纪泥质砂砾石,属下降泉。民和泉点位于达坂山—拉脊山构造带,水点类型为下降泉,含水层岩性为第四纪粘质砂土夹砾石层(张昱等,2008; 陈铁流等,2005)。

表1 观测台站、水点类型与测点的构造部位等参数表
Tab.1 Parameters of the observational stations:location,type of water sites,tectonic position of measuring points

姑咱台位于康定县姑咱镇,构造上处在鲜水河断裂带、龙门山断裂带、安宁河断裂带交汇部位附近。该地区属隆起与沉降的交界地区,构造复杂,断裂纵横交错。地下水类型属上升冷泉。

从上文的分析可以看出,1990年共和7.0级地震前存在一个水化学前兆场,这个场的场源范围较小,只有300 km。位于震源区的测点,趋势性异常出现的时间较早,随着距震源区距离的增大,异常出现的时间逐渐推迟。趋势性异常的形态以高值异常为主,多数测值在震前开始下降,在个别测值上升过程中发生地震。异常持续时间多在两年左右。

在远离昆仑山口西地震震中几百甚至上千千米的甘肃和青海东南部地区,记录到了十分典型的地下流体异常。这些异常以低值异常或破年变异常为主。异常最早出现在1996年,异常持续4年多时间,短的也有2年多时间。异常恢复时间不完全相同,但有成组性,最早的通渭、平凉附件厂、平凉柳湖等水氡测值在地震之前即2001年三四月份就发生转折或恢复,多数测点的水氡测值直到地震发生后的2002年甚至2003年才发生转折和恢复,所以异常持续时间更长。

对于2008年汶川地震,在我们所研究的地区,记录到异常的台站没有昆仑山口西8.1级地震中记录到异常的台站数量多、距离远。出现异常的测点均距震中较近,最远的点也未超过700 km。水氡既有高值异常,也有低值异常。多数水氡测点的震后效应非常明显,有些是震前异常明显的点,有些测点的震前异常不明显。

传统的地震前兆理论认为,地震前兆是地震孕育过程中的产物,是震源体孕育与发展过程中产生的信息。然而实际观测中,每次地震前不一定都能观测到比较相似的前兆异常。昆仑山口西地震和汶川地震同为8级大震,但震前出现的异常有明显差异。一个是在远离震中上千千米的地区能够记录到大范围、长时间、低值为主的趋势性异常,而另一个是在震中附近几百千米的地区才能记录到趋势性异常,异常无论持续时间还是数量都有明显差异。这可能是由于观测资料有限,并且观测台站无法覆盖到每个地震的孕育范围,也可能与震中相对于各测点的位置、测点与构造所处的位置不同等因素有关。

另外,即使是在某些地震前发现一些前兆异常,我们往往只考虑出现异常的地区或附近地区,一般不会考虑太远的地区,甚至有些异常持续时间很长却没对应地震,这正是地震预报的难点所在。比如在上千千米以外的甘青地区能够记录到明显的昆仑山口西8.1级地震震前异常,仅仅依据震级的大小与前兆异常距离的远近来作预测预报是不够的。依据《中国震例》(张肇诚等,1988),5级、6级、7级地震的前兆异常统计范围分别在200 km、300 km和500 km区域,那么8级地震的异常范围按7级地震的异常范围增加一倍也只有1 000 km,而昆仑山口西8.1级地震距甘肃最远的异常测点为1 500 km,距河北的异常测点达到2 000 km(车用太等,2002),这与我们常规的、传统的地震预报思路完全不符,远远突破了人们对地震的狭义前兆异常分布范围的传统认识(杜方,吴江,2008)。这进一步说明了地震前兆异常的复杂性。尽管前兆异常很难捕捉,但从以上几次震例看,似乎还是有一定的共性,这几次地震前异常的同步性和成组性非常好,主要为趋势异常,而且异常持续时间较长。若出现大范围、长时间的成组变化异常,在异常地区或周缘地区就存在发生大震或特大地震的可能。