水文地球化学方法已成为地震观测预报的重要手段之一(Wakita,2009)。大量研究及观测发现地震常伴有流体地球化学异常变化(Scholz et al,1973; 张炜,1988; Du et al,2008; Skelton et al,2015; Wang,Manga,2015)。其主要的机理是在地震的孕育发生过程中,地球深部的物理化学反应会导致补给关系、水岩反应等条件发生改变,从而导致地下水的化学组分产生明显变化。主要有以下几种原因:①在应力积累或地震发震过程中,由于岩石破裂破坏含水层结构,使不同层位的地下水或地表水产生混合(Du et al,2010); ②由于热力及应力积累作用地壳深部高温流体向上流动,导致围岩发生隐爆,使其向上发生越流,这也是多数中、深源大震引起地热、电导以及流体地球化学异常变化的原因(Nishizawa et al,1998); ③应力积累导致岩石发生微破裂,产生了新鲜的岩石断面或产生了压溶效应,引起水化学组分变化(Inan et al,2012); ④在地震孕育和发生过程中,由于地震波的作用使矿物颗粒表面吸附的物质脱附,形成可以观测到的地球化学变化(Teng,Ta,1980; Igarashi et al,1995)。上述①～③条原因与区域构造应力的变化直接相关,原因④所造成的观测数据变化是由地震波的传播造成的,且从持续时间和变化幅度上都与其他3条原因不同,易于识别和区分。

当测项有异常现象出现时,首先需排除人为及外界干扰,了解该异常变化的真实性,认识引起异常变化的物质来源,确定该异常变化为地下构造及应力环境改变所致,才可认定为前兆异常,进而讨论其所代表的前兆意义(刘耀炜等,1999)。基于这一思想,本文对滇17井的水化学观测资料,包括:Ca²⁺,Mg²⁺,HCO^-₃进行分析。通过二阶差分方法提取前兆异常信息,对比观测数据及处理后的形态,讨论与地震的对应关系及处理方法的可行性。

滇17井位于云南省普洱市思茅区大寨村,属于无量山—营盘山断裂带、普洱断裂,所属构造单元位于兰坪—思茅中新生代断陷盆地,该盆地沉积物主要由三叠系、侏罗系和白垩系组成,其上局部地层叠加覆盖着新生代地层,地层厚度较大,但各层系有不同程度缺失。盆地内地表第四系覆盖层厚21.54 m,下埋白垩系景星组下段,以紫红色泥质、粉砂质的白质基底泥岩及灰白色石英砂岩为主。

滇17井从1984年开始进行水位观测,1997年开始进行水化学离子观测,观测期间积累了较多数据及一定震例。水位观测能够清晰地记录到其周边部分5级以上地震的水震波,水化学测项为日值观测,连续性较好。井孔标高1 497 m,井深112.27 m,位置在(101.05°E,22.73°N),为动水位自流井观测。据井孔剖面图显示(图1),地下14.03～26.69 m存在粉砂状类粉砂质泥岩,为良好的隔水层,下伏地层为有溶蚀现象的粉砂岩,是良好的承压含水层,富水性较强,不易受浅层地下水等其他水体干扰。

笔者通过对滇17井进行实地调查及取样,发现

图1 滇17井井孔柱状图
Fig.1 The histogram of the Dian-17 Well

笔者利用水文地球化学方法,分析滇17井含水层的水化学组分及其与周边大型地表水体的水力联系情况,在确定导致观测数据变化的物质来自于地壳内部之后,通过二阶差分方法,确定数据二阶差分结果,提取有效异常变化信息。

水文地球化学方法主要是利用水化学检测分析方法和理论,确定观测井含水层的水化学组分,及含水层与周边大型地表水体的水力联系情况。主要分析方法有Piper图(Piper,1944)、氢氧同位素分析等方法。Piper图是根据物质的水化学元素组成,判断物质的水化学类型,在菱形区域进行投影,并分析样品间的差别(陆徐荣等,2010)。氢氧同位素分析方法主要是判定地下水及地表水与大气降水之间氢氧同位素的关系(Craig,1961)。

在地壳应力加载过程初期,地壳出现挤压、拉张或滑动趋势,而一些脆弱的岩石或构造体在应力积累过程中会产生破裂,大构造体会产生微裂隙,地下水进入这些裂隙后,与新鲜的岩石断面发生反应,导致水化学成分发生改变(Mörth et al,2004; Woith et al,2013)。由于应力加载的强度变化,不同岩石及构造体的破裂程度的复杂性和不确定性,以及水岩反应的速率随着反应时间、地下水压力、温度及流速等因素的变化,导致观测含水层水化学组分的含量及变化速率产生大幅度波动,通过差分处理后显示较为直接。同时,在应力积累过程中,原本的隔水层由于应力作用产生新的通道或渗透率发生了明显的改变,导致地下水出现越流现象,使不同层位的含水层产生了混合,导致水化学组分含量发生变化。由于应力加载过程中孔隙、裂隙的变化情况不均一,水量的混入量及越流发生程度及范围变化过程较为复杂,水化学组分变化速率差别较大,从而引起了二阶差分结果的高频次异常波动(Thomas,1988; Claesson et al,2007)。

本文通过对观测数据进行去突跳及应用二阶差分5阶模型提取相关的异常变化特征信息(晏锐等,2007; 兰双双,迟宝明,2010)。二阶差分模型是数据处理中的一种常用分析方法,差分是一种压抑长周期、突出短周期变化的线性滤波(朱成英等,2011)。这种处理方式能够表现出二阶差分结果的变化情况,一定程度上能够了解地壳介质的应力状态(莫承彬,覃佑邦,1995; 韦忠礼,1999; 由志福,钟约先,1999)。观测数据的一阶差分结果:

f'(x_i)=lim_Δx→0( f(x_i+Δx)-f(x_i))/(Δx)(1)

式中:x_i表示采样时间; f(x_i)表示x_i时刻的测值; Δx为时间步长。由于水化学观测数据为日值观测,(1)式可写为(任晓霞等,2004):

f'(x_i)=f(x_i+1)-f(x_i)(2)

再次求导可得观测数据的二阶差分结果:

f″(x_i)=f'(x_i+1)-f'(x_i)

=f(x_i+2)-2f(x_i+1)+f(x_i)(3)

滇17井所观测的含水层为承压含水层,埋藏较深,观测数据受外界干扰的可能较小。

对滇17井水化学及氢氧同位素检测结果表明,观测的承压含水层与周边大型地表水体及浅层地下水没有直接快速的水力联系,受周边地表水体、浅层地下水及大气降雨直接补给的干扰较小; 该含水层中的地下水径流过程中经过一定的水岩反应,离子含量较地表水及浅层地下水含量较高,符合低矿化度水流经砂岩径流区后,发生水岩反应,形成高矿化度水的水化学类型及水文地球化学过程,但该含水层中的水仍为未成熟水,水体成熟度较低,没有经过地下热源的加热作用(Zhou et al,2010)。

由氢氧同位素的构成情况可知,滇17井含水层的最终补给来源为大气降雨,但径流时间较长,发生了一定的同位素交换及演化过程。而地表水则受同位素蒸发作用影响,向右侧偏离该区域的大气降水线,在同位素的构成上与承压含水层中的水存在较大差异。

结合二阶差分方法,得到滇17井观测数据二阶差分结果中的高频及突跳部分,这些异常波动来自于岩石破裂所产生的新鲜断面和地下水流速及压力等条件的改变,这些异常波动能够较为准确地反应滇17井周边区域构造应力变化的情况。在周边有中强地震发生时,二阶差分结果出现明显的异常高频次波动,且伴随有高值突跳,而在地震相对平静时期,其变化较为平稳。

本文提出的水化学与数据处理结合的方法能够确定观测井与周边水体的水化学差异,判定其水力联系情况,进而排除干扰因素,在此基础上,通过二阶差分方法,能够准确提取滇17井水化学测项在震前出现的高频波动异常信息,为该地区区域构造应力的改变提供有力的证据,也为该区域未来地震趋势的判定提供有力支撑。

中国地震台网中心孟令媛、韩颜颜等在论文撰写方面提出了宝贵意见,云南省地震局高文斐提供了观测数据,在此一并表示衷心感谢。