当前地下流体地震预测预报主要是依据与构造活动相关且能反映孕震过程的异常信息。但要判断观测异常是否与构造活动及地震孕育过程有物理联系,必须对所获取的观测异常做进一步的现场核实与异常信息的分析判定。2013年开始,学科组着手推进观测异常现场核实工作的规范化工作,强调异常现场核实工作中论证过程的科学性和异常核实报告的规范性,开展了异常现场核实报告的评比工作。2013年中国地震局监测预报司下发地下流体学科异常变化现场核实报告编写要求(试行版)(中震测函〔2013〕39号),2014—2016年推进异常核实装备应用与分析方法培训,颁布异常现场核实工作设备推荐清单(震应便函〔2016〕61号),推进新技术、新方法的使用,强化异常核实工作的时效性,强调异常性质和异常机理的分析论证过程与结论。2019年3月颁布地震行业标准《地震观测异常现场核实报告编写 地下流体》(DB/T 70—2018),使地下流体学科异常现场核实工作纳入行业规范化业务体系。

地下流体作为前兆观测手段之一,在地震危险性判定中发挥着不可替代的作用,尤其是短临预报。利用地下流体异常变化来判定未来一段时间的地震危险性,主要是通过识别地下流体观测数据中能反映构造活动或区域应力调整状态的异常信息,并依据这些异常变化的时空演化特征分析可能存在的地震危险区及地震强度。但实际上,并非所有的观测资料异常信息都能客观反映构造活动或区域应力状态变化,由于受客观条件的限制,各类观测资料的数据质量良莠不齐。为科学客观评价地震地下流体观测资料的预报效能,地下流体学科于2013年首次组织了学科观测资料预报效能评估(中震测函〔2013〕157号),分别从基础资料、观测质量、影响因素和震例评估等方面对每一项资料进行检验,并每年对其进行动态跟踪。总体来看,地下流体观测资料中预报效能较高的测项约占50%,这些观测资料及预报效能检验结果是地震分析预报工作的重要基础,也是日常震情跟踪特别是学科年度会商结论的判定依据。

为了提高对地下流体异常识别的可操作性和规范化程度,保持异常判定方法的继承性,明确异常判定指标的意义,自2015年以来,地下流体学科逐步完善了学科预测业务体系。地下流体预测业务体系几乎涵盖了地下流体学科所有业务环节,主要通过梳理各类异常核实报告、年度会商报告、《中国震例》、论文论著等,整理成相关数据库供学科分析预报人员在日常震情跟踪分析和年度会商工作中参考使用。内容主要包括:①建立学科异常特征库,为异常性质和信度判定提供参考依据和实例; ②建立学科异常方法库,为异常核实与分析提供方法支撑和案例; ③建立学科异常指标库,为异常识别和震情判定提供分析指标和依据。需要明确的是,虽然学科预测业务体系已初步形成,但是随着震例和观测资料的不断积累,当前所建立的异常特征库、异常方法库和异常指标库,也要动态调整变化,以满足实际业务需求,正所谓预测业务体系永远在路上,需要不断地总结和完善。

在日常跟踪工作中,分析预报人员要处理观测数据、绘制时序曲线和空间图,还要对各类异常进行统计分析等,这一系列繁琐的工作耗费时间、人力。为了将分析预报人员从此类简单重复的繁杂事务中解放出来,使其更加集中精力于异常分析和震情判定,自2016年以来,中国地震局监测预报司组织学科力量,整合异常核实、异常分析和日常会商中常用且相对成熟的方法,基于Datist数据专家系统,开发相关技术方法,搭建会商技术系统平台,将全国各省局分析预报人员研发的各类技术流程及时上线并运行,实现资源和产品共享。地下流体学科也不例外,现已集成并上线试运行的流程包括:全国异常零报告表自动统计、异常核实报告自动统计、常用异常核实方法、典型异常提取方法、观测曲线自动绘图以及观测资料效能检验等。以上各类流程在日常震情跟踪和会商中给分析预报人员带来了极大的便利,并在业务工作中发挥了积极的作用。

2010年中国地震局监测预报司首次组织召开了定点前兆学科(形变、流体、电磁)综合会商会,流体学科基于年度内出现的异常特征,主要使用异常集中性、异常数量加速性、准同步群体异常等,给出了未来1～3年地震趋势判定意见。2011—2016年,地下流体学科年度学科会商会机制逐步完善,形成了以年度异常梳理、异常信度判定及异常特征总结为目的的学科会商机制,并及时产出地下流体学科年度会商报告,为全国地震大形势会商会和全国年度危险区分析提供参考依据。2016年之后,随着构造地球化学专科会商和学科指标体系工作的不断推进,学科年度会商会在继承原有机制的基础上,广泛吸收专科会商和指标体系成果,除了给出年度异常信度和异常特征外,尝试性地对未来一年的地震形势做出判定,并形成相应的危险区分析与判定意见。

2008年汶川8.0级地震发生后,为了反思吸取以往的经验教训、弥补地震预报业务体系中存在的短板,经过十多年的努力完善和会商机制改革,地震预报业务框架体系已初步构建,形成了“宏微观异常零报告登记-异常现场核实与分析-震情监视跟踪与会商研判”的业务链条。地下流体学科工作也是该链条中的组成部分之一,相关的技术方法、异常分析和判定指标在整个业务体系中发挥的作用越来越重要。

地下流体观测技术经历了数字化改造后,观测设备采样率明显提高,除了常采用的月均值、旬均值和日均值外,还出现了整点值、分钟值、秒值以及更高频的数据,为捕捉地震孕育及发生过程中的异常信息提供了更丰富的资料。为了挖掘以及更充分地利用这些异常信息,近年来分析预报人员不断总结探索,提出了诸多数据处理和异常识别的技术方法。

区域构造作用既有长期的缓慢加载作用,也有短期的加速变化特征,这些作用会引起浅层地壳介质相应的地壳变形,进而会影响地下流体观测数据的长期趋势变化或短期异常波动(孙小龙等,2011)。基于此认识,分析预报人员常常对观测数据进行信号分解,从原始观测数据中剥离出长周期的趋势变化项和短周期的高频波动项。传统的方法主要有线性拟合、平滑滤波、矩平分析、Fourier变换等(贾化周,杨玉荣,1985)。随着数字信号处理技术的不断发展,地下流体学科也引入了小波分析、经验模态分析等方法,并取得了较好的应用效果(晏锐等,2011; 孙小龙等,2016a)。小波分析是当前应用数学和工程学科中一个迅速发展的新领域,与Fourier变换相比,小波变换是空间(时间)和频率的局部变换,因而能有效地从信号中提取信息。地下流体观测井所处的井-含水层系统是一个复杂的系统,是典型的具有非线性、非平稳特征的时间序列。近年出现的经验模态分解法是一种新型的非线性信号处理方法,该方法可将不同时间尺度的波动逐级分离出来,不同尺度的波动称为固有模态函数,接着再对其进行Hilbert变换,称为HHT变换。此方法既吸取了小波变换多分辨率的优点,又克服了小波变换中选择小波基的困难,因此,可适用于非线性、非平稳信号的滤波和去噪。该方法在对流体数据进行多尺度变化分析时具有良好的效果,可用于提取流体资料中的趋势变化项和短期高频波动信息(孙小龙等,2011)。

近年来,复杂动力系统的临界慢化现象在不同的学科领域都受到了普遍关注,对地下流体观测资料的临界慢化现象的研究,无论在提高前兆观测资料的认识水平、判定前兆异常所处的阶段,还是拓展地震前兆资料用于地震预测预报研究的技术手段等方面都具有一定的现实意义和科学价值。晏锐等(2011)基于岩石破裂实验结果并结合临界慢化理论,在分析临界慢化现象可能导致的自相关系数和方差增大现象的基础上,将其应用于水氡浓度观测资料的处理中,以龙门山断裂周边地区4个水氡观测点资料为例介绍了临界慢化的计算方法,并结合汶川8.0级地震前全国模拟水氡观测资料的计算结果讨论了可能存在的临界慢化现象,研究结果表明:汶川8.0级地震前,不同台站的水氡浓度都存在明显的临界慢化现象。将临界慢化理论引入地震前兆资料的研究,对深入认识地震前兆机理、判定前兆异常所处阶段以及提高地震预测水平都具有重要的现实意义和科学价值。

与临界慢化原理类似,地下流体观测资料中长周期的趋势变化项受构造环境和水文地质条件的影响较大(郭增建等,1974; 杨明波等,2009),而其短周期的高频信息在无其它干扰因素的条件下,多表现为一种服从正态分布的随机信号。从统计的角度分析,在去除趋势变化后,且无其它影响因素存在的条件下,观测资料变化值服从正态分布。但是,如果存在某种干扰(如构造活动、应力变化或接近发震时刻),其高频信息就会发生波动,并且波动会依干扰强度的变化而发生变化。因此,在理想状态下,观测资料中含有的高频信息的概率密度分布应符合正态分布N(0,σ),高频信息的标准差σ相对稳定,干扰信息强度λ值接近于零。如果存在干扰因素,如在地震孕育期间构造应力状态发生变化,σ值就会发生变化,那么观测资料中含有的高频信息的概率密度分布就会偏离正态分布,λ值就会大于零。孙小龙等(2016a)引入概率密度分布法,分析了2008年汶川8.0级地震前南北地震带及其附近区域72个测点的数字化水位和水温分钟值采样高频观测资料,结果显示:地震前有16个测点水位和14个测点水温出现高频异常信息,且这些观测点多集中在滇西南构造带,异常出现的时间呈现出由南向北推移的特征。因此概率密度分布法在流体资料的高频异常信息提取方面具有一定的可靠性与适用性,可为数字化高频观测资料异常识别提供借鉴。

地下流体观测异常与区域地震活动存在一定的对应关系,观测条件良好的井点在震前都有较好的前兆异常,但并不是在所有地震前都存在异常变化。因此,客观评价一项观测资料的预测效能,是寻找有效的预报方法、选择科学的预报判据以及进行综合地震预测的重要基础。从严格的理论推导出发,秦卫平(1991)给出了Wallen评分(V值)和广义Wallen评分(V^*值); 洪时中(1989)建立了相对Wallen评分法(V^*_r); 朱令人等(1991)给出了预报效率值(Z值)。各种统计检验方法,如x²检验,Z检验等本身给出的信度或置信区间,具有预测效能检验的同等效果,并且具有严格的统计物理意义,只是不太直观。一些学者从便于实际地震预测工作的角度,也提出了一些预报效能的评估方法,如R值评分法(许绍燮,1989)、奥布霍夫评分法(Q值)、顾氏评分法(S值)等。其中,R值评分法在我国长期的地震预测实践中应用最为广泛。

[HJ1.9mm]Molchan图表法是目前国际上“地震可预测性合作研究”计划(Collaboratory for the Study of Earthquake Predictability,简称CSEP)[ZW(DYB,7][KG*3]http://www.cseptesting.org.[ZW)]中采用的6种统计检验方法之一,它能客观和科学地进行地震预测评估,还能解决固定研究区域内地震时间预测问题,并给出相应的概率解释(Jordan,2006),已被广泛应用于常规的确定性和概率性预测的统计检验和效能评估中(Zechar,Jordan,2008)。Molchan图表法,主要是针对预测值与目标地震差异度的检验(Molchan,1990),它既能直观地反应观测资料的整体预报效能对其进行评估,又能定量地分析异常,提取最佳阈值所对应的异常判定指标。王博等(2018)首次将该方法引入地下流体资料的预测效能评估,其主要参量包括:漏报率v(预测无震而实际发震的数量与总的实际发震数之比)和异常的时空占率τ(不同的阈值提取异常的时空范围与总的时空范围之比)。利用此方法对某个观测点的观测数据预测效果进行检验时,仅需考虑时间占有率,所有异常时间及其有效预测期所累积的总时间长度(去重复)除以被检验数据的总时间长度,通过不断降低预测的“警报”阈值,分别计算异常在时间上的占有率τ和相应的漏报率v,得到Molchan图表中的τ-v曲线。曲线与图表的边界线所包围的面积大小代表检验的预测效果,面积越小预测效果越好。另外还需考察概率增益Gain:[KH*2/3]Gain=[SX(]1-v[]τ[SX)][JY](1)[KH*2/3]Gain的数值越大时,预测效果越好,若Gain=1,τ-v曲线接近直线时,表示无统计意义。实际检验的具体过程为:在给定阈值后,超出阈值的数据为异常值,地震发生在异常值所在时间段及其有效预测期之外时,为漏报; 反之,为报准。

孙小龙等(2018)利用Molchan图表法对云南会泽井水位的预测效能进行定量检验,结果显示:会泽井水位异常的整体预测效能较好,对地震发生的时间和地点具有一定的指示意义; 地震对应优势预测时间段为3个月以内,优势预测地区为川滇菱形地块以东区域。

地球化学是研究地球的化学组成、化学作用和化学演化的学科。地球化学基于研究目的可分为元素地球化学、气体地球化学、同位素地球化学、构造地球化学、水文地球化学等。近年来,随着便携式化学测试仪器的普及,又衍生出构造地震地球化学,即依据气体地球化学、同位素地球化学及水文地球化学相关理论方法,来分析断裂带不同区段的深浅部流体地球化学特征及不同组分的物质来源,构建断裂带活动的流体运移动力学模型,通过示踪性元素及源解析方法,获得有关地球化学背景值和断裂带活动性分段特征,为震情趋势跟踪研判提供依据(高小其等,2018)。近年来,地下流体学科逐步将地球化学分析方法引入学科异常核实、震情跟踪等,并取得了良好的实践效果。

研究表明,地震孕育、发生过程中的气体地球化学参量变化,可以有效揭示地壳内部应力应变状态与断层开启,从而对可能的地震破裂区给出较明确的判定依据。断裂带是地壳放气的通道,通过观察断裂带土壤气中的Rn,Hg,CO₂和H₂等气体组分的时空变化特征,能灵敏地反映所在区域的地壳放气情况,洞察地下物理、化学变化和区域应力应变状态,从而对构造活动提供地球化学信息(汪成民等,1991; Ciotoli et al,2007; Zhou et al,2017; Yang et al,2018; 耿杰等,2019)。研究断层土壤气与断层运动和应力状态的关系,为分析断层位置、活动性、启闭性提供了模型与判据(Annunziatellis et al,2008; Baubron et al,2002); 土壤气氡的动力加载特征(刘耀炜等,2009)、汞的深部作用特征(Zhang et al,2014; Zhou et al,2017)、氢的断层新破裂面示踪(范雪芳等,2016)等方面研究取得的显著进展,为地震重点危险区判定和地震大形势研究提供了有效途径(李营等,2009; 孙小龙等,2016b; 周晓成等,2017)。

但是,仅仅通过土壤气浓度含量判定活动断裂带的构造活动性是不够的,因为活动断裂带的流体可能有多种来源(Yang et al,2005; Giammanco et al,2008),除了大气降水(包括海水)向深部循环导致断裂带含有流体之外,岩石成岩、进变质及剪切加热造成的矿物脱水也可能是浅层活动断裂带流体的一个来源(Hickman et al,1995)。另外,深源岩浆排出的流体或幔源流体也是断裂带流体可能的来源(Kennedy et al,1997)。地下深部流体作为地球内部物理、化学变化的产物,携带着大量深部信息被带到地表,同时,这些流体在整个循环运移的过程中,可能与围岩发生相互作用,不仅自身的很多理化性质会发生变化,也会引起围岩的蚀变,导致某些元素的富集和矿物的形成(赵军等,2009)。因此,断裂带幔源气体可为断裂带深部地质构造研究提供有科学价值的信息和有效的研究途径(Kennedy et al,1997; 陶明信等,2005)。流体地球化学参量携带着深部流体运动及流体-岩石相互作用的大量信息,是指示深部构造活动的重要因子。在构造活动强烈期及地震活动时期,地壳介质中水-岩之间原有的平衡状态也会被打破,出现地球化学异常,可为地震短临预报提供证据。活动断裂带地下流体常表现出很多地球化学异常现象,可以为断裂带内的断层活动性及其构造状态研究提供新的证据(Quattrocchi et al,2000)。

识别断裂带流体的物质来源,是利用流体地球化学异常判别断裂带活动特性的关键技术。幔源气体包含着丰富的地球深部信息,其脱气并运移上升需要在一定的构造条件下才会发生,故有可能反映深部的地质构造问题。随着新的观测技术和理论的发展,地震断裂带同位素分析技术为研究微量气体来源示踪提供了技术支撑(Dario,Paolo,1999; Ching et al,2008; 李其林等,2019)。壳源和上地幔源氦的³He/⁴He值相差达3个数量级,且He为惰性化学元素,故He同位素是一种判识幔源气体最灵敏的地球化学示踪指标(陶明信等,2005)。H₂,CH₄,CO₂是断裂带气体中的主要组分,其C,H,O同位素组成也是判识气体成因与来源的常用地球化学指标,但由于其影响因素较多且具多解性(陶明信,陈发源,1995),因此,与稀有气体同位素等地球化学指标结合进行综合判识则更具科学性。杜建国和刘丛强(2003)论述了流体同位素地球化学的基本原理及其在地震活动过程中的变化特征、异常判识的同位素地球化学方法及其在地震预测方面的应用; 刘耀炜等(2009)介绍了稳定同位素²H,¹⁸O以及放射性同位素³H,¹⁴C的特征与示踪技术,并分析了该技术在研究地下水对构造活动发生和对应力应变响应等方面的应用; 张磊等(2016)对氢氧同位素方法在地下水水位、水温、化学组分和宏观异常中的使用进行了讨论,认为该方法的广泛使用,有助于识别地下水异常的构造与非构造影响因素。

除了利用同位素示踪技术外,也尝试运用断裂带地下水体中的化学离子组分,并结合同位素特征,来识别断裂带流体的来源及其是否受大气降水的影响。在水循环过程中,水化学成分环境同位素作为水循环研究中的示踪剂,在一定程度上记录着水分运移、转化的历史,可以有效地揭示流域内地表水和地下水之间的转化关系(聂振龙等,2005; 宋献方等,2007)。地下水中的离子交换反应(Ca/Mg,Na/K和TDS等)能指示地下水、河水和地表径流之间的关系(Grasby et al,1999)。将同位素技术和水化学方法结合起来,将会提高断裂带流体来源深度分析结果的准确性和可靠性(苏小四等,2009)。周志华等(2014)通过对辽宁中南部地下井泉水的物理化学性质、水化学组成和水中逸出气体组成的测定,讨论了研究区内各种地下水体的化学组成类型和形成过程; 苏鹤军等(2010)利用水化学分析、氢氧与氦同位素组成特征初步分析了祁连山断裂带地下水成因、水质类型、循环速度及循环深度,为研究地下流体地震前兆异常提供了参考; 孙小龙等(2016b)以海原断裂带为研究对象,利用氢氧同位素及水化学组分分析得出研究区地下水与围岩水岩相互作用程度、水岩平衡状态、地下水循环深度、地下水补给来源、水循环周期以及新老水体交换情况。

地下水是反映地壳应力与固体变形最敏感的物质之一,当井-含水层系统处于封闭性良好的承压体系中时,该系统即为一个天然体应变仪。井-含水层系统对地壳应变响应的灵敏度与井孔特征和含水层水文参数密切相关,不同的井-含水层系统对相同的周期性加载具有不同的响应。水文地质学家们经常通过分析固定周期的加载作用对井水位的影响,来探讨井水位对地壳应力、应变之间的响应机制。自然界中,最常见的周期性加载作用主要有固体潮、地震波和气压波动。这些具有固定周期的加载,为研究井-含水层系统的动力响应机制(Roeloffs,1996; Elkhoury et al,2006; Shi et al,2013; Yan et al,2016)、获取含水层系统水文参数(Xue et al,2013; Manga et al,2016; Shi,Wang,2016)等提供了便利条件。有时还可根据井孔是否对周期性荷载作用具有灵敏响应来确定监测井是否能够探测到流体前兆信息(Roeloffs,1988)。

地震波加载是最常见的一种周期性加载作用,井水位对其的响应常表现为水震波。由于地震事件与地下水响应之间的确定性和相关性,同震响应的研究是地震水文学研究的重要方向之一(Shi et al,2018),尤其以井水位和泉水流量的研究最为常见,为此,国内外学者开展了大量研究,并取得了丰富的研究成果(Brodsky et al,2003; Elkhoury et al,2006; Manga et al,2012; Shi et al,2013; Sun et al,2015; Nayak et al,2018; 毛巍颖,2018)。近年来,随着井水位观测技术的进步,秒采样的水位观测数据为更细化的同震响应研究提供了便利条件(Sun et al,2015; 向阳等,2017)。地震波加载周期约为几秒到几十秒,相对来说是一种高频加载,与之相似但较为低频的另一种加载为固体潮加载作用,它是一种由于日、月引力变化引起的固体周期性变形作用,具有较为固定的加载周期,如日波、半日波变化,它引起的井水位周期变化即为水位固体潮响应。井水位对地震波和固体潮的响应,从机理来说并无太大差异,其响应特征均与井孔条件和含水层渗透性参数(导水系数)密切相关(Sun et al,2019)。

井水位对周期性加载作用的放大因子,与含水层导水系数的大小直接相关,尤其在地震波作用周期段,导水系数越大,对加载作用的放大因子越大,而在固体潮加载周期段则不太明显。因此,如果井孔观测含水层导水系数过小,则对地震波加载作用的放大因子小于1,也即抑制作用,这也是部分地下流体观测井记录不到同震水震波却有清晰的固体潮响应的主要原因。除水震波和固体潮外,气压加载也是一种常见的周期加载作用,只是气压加载的频段要更为宽泛,可以从几秒到几十天。井水位的气压响应机理更为复杂,既有气压从井水面到含水层的压力传递,也有通过地面到观测含水层的压力传递,以及二者的相互平衡。Sun等(2019)分析了会泽台相邻不到10 m的两口井的水位对不同来源的周期性加载的响应特征,通过井水位频谱特征、气压传递函数、潮汐响应和微水试验等,分析了两口井的井水位对周期性加载响应的灵敏性。结果显示:由于井-含水层系统自身的差异,井水位对周期性加载的响应完全不同,这种差异性与观测含水层的承压性及渗透性密切相关。如果含水层过于接近地表或承压性不好,浅地表干扰信息会淹没井-含水层系统对周期性加载作用的响应,这种井水位不利于捕捉微弱的构造应力变化。因此,在确定地震地下水监测井的合理位置的时候更应该考虑井-含水层系统所在的水文地质条件及构造条件。

断层活动导致断裂带裂隙广泛发育,使其成为地壳中流体运移与聚集的有利通道和场所(Byerlee,1993)。断裂带可作为通道、屏障或通道与屏障的组合系统,增强或阻碍地下流体的流动(Caine et al,1996)。水力传导能力良好的断裂带,可连接浅层和深部地质环境(Bense et al,2013),并影响一系列的地质过程,如区域地下水流动、油气运移和热液循环; 也会影响部分工业活动,如核废料储存和二氧化碳封存等。上地壳断裂带中流体的流动特性取决于断裂带物质结构特征和渗透性参数(Hincks et al,2018),断裂带渗透率是评估断裂带对流体运移模式影响的关键参数(段庆宝,杨晓松,2014)。地震孕育和发生过程中产生的静态或动态应力作用有时会引起断裂带渗透率的变化(Kinoshita et al,2015),进而引起地下水流状态的改变(Wang et al,2013),通过监测断裂带上井水或泉水的物理和化学参量变化,可有效捕捉断裂带渗透率变化信息(Yan et al,2016)。因此,监测断裂带及其附近区域地下水对地震加载作用的动态响应,可为获取断裂带渗透率时空变化以及识别断裂带流体活动状态提供有效途径(Shi et al,2018)。

Jonsson等(2003)认为井水位同震响应是由断层破裂过程中产生的同震库仑应力所引起,即同震体应变是水位同震响应的主要原因,并提出了应变四象限模式。近些年的研究结果显示这种模式只适用于近场水位的同震响应,无法解释远场地震引起的水位同震响应,因为远场同震体应变值过小,无法引起较大幅度的井水位同震响应,其真正的原因是地震波作用使含水层岩体的渗透率发生了变化(Elkhoury et al,2006),大量野外观测和岩石实验也证明了这一认识(Elkhoury et al,2011; Massart,Selvadurai,2012)。Roeloffs(1998)认为井水位的缓慢变化是由同震引起的孔隙压变化所致; Brodsky等(2003)认为是瑞利波引起的水流作用诱使含水层孔隙压或裂隙网络发生重新分布,进而增强了含水层的渗透率; Wang等(2009)研究发现,由于瞬时应力加载作用,S波和Love波也可引起渗透率的变化。地震诱发或地震波引起的地壳变形和地面振动,一方面可使含水层固体骨架发生变形、岩体出现裂隙(Montgomery,Manga,2003; Pride et al,2004),另一方面在地震波驱使下的周期性水流作用可使含水层孔隙或裂隙介质中的填充物被冲刷走或重新排列(Wang et al,2004; Mays,2010),这些作用均可使含水层中渗透性发生变化。这种观点被普遍认可,特别是针对近场以外的同震水文响应(Shi et al,2015; Yan et al,2016; Mohr et al,2017)。

野外观测和模拟实验表明,在构造作用活跃的地区,断裂带似乎更具渗透性,最接近最大水平应力方向或剪切应力与正应力之比较高的裂隙介质通常具有较高的渗透性(Hennings et al,2012; Lang et al,2018)。可见,区域应力场及其调整对断裂带渗透率的影响较为明显。不论是近场地震产生的静态应力,还是远场地震引起的动态应力,均可导致浅层地壳介质渗透率的变化(Wang,Manga,2010; Manga et al,2012; Lai et al,2016)。地震引起的地壳变形和地面振动,可以通过地表沉积物固结、固体岩石破裂、含水层骨架变形、裂隙填充物清除等方式改变断裂带及其周围岩土介质的渗透率(Montgomery,Manga,2003)。另外,在背景构造应力较高的活动断裂带中,破碎岩体对动态应力的扰动更为敏感(Shalev et al,2016),断裂带内的流体活动局限在高渗透率的破碎带中(陈建业等,2011)。在同样的动力加载作用下,相比断裂破碎带以外的含水层介质,断裂破碎带内的岩体介质更易受损、渗透率更易发生变化(Yan et al,2016)。而且,动态应变引起的渗透率变化不仅与体积应变有关,而且与偏应变有关,地震引起的偏应变可引起断层破碎带上的含水层产生微破裂,进而引起孔隙度和渗透率的变化(Shalev et al,2016)。岩石实验结果显示,剪切应力作用更容易使裂隙岩石的渗透率出现增强的现象(Faoro et al,2012; Ishibashi et al,2018)。

大多数地下水同震响应现象所反映的含水层渗透率变化均表现为不同程度的增强(Elkhoury et al,2006; Shi,Wang,2014; Wang et al,2016),早期的水文地质学家和地球物理学家们倾向于把渗透率增强视作一个重要因素来进行风险评估,如地震对地下垃圾填埋场的影响、供水安全、油井产量提升、触发地震和地热开发等。而岩石实验则表明,在动态应力作用下渗透率降低也是可能的(Liu,Manga,2009),该认识近期得到了野外观测结果的支持(Rutter et al,2016; Shi et al,2018)。除了井水位或泉水流量对地震作用的动态响应研究之外,地震引起的地下水化学测项的动态响应变化也同样被大家所关注(Reddy,Nagabhushanam,2012; Rosen et al,2018),这些水化学组分的动态变化亦可归因于地震引起的断裂带/含水层应力状态的改变或渗透性结构的变化(Skelton et al,2014; Barberio et al,2017)。由此可见,地震引起的地下水动态响应研究,为断裂带应力状态和渗透性结构识别提供了可靠的分析手段。

随着地球化学新方法在地下流体学科业务工作中的不断引进与深入,地球化学参量在构造和地震活动中的变化特征及机理研究也在不断推进,尤其是断裂带土壤逸出气的应用与研究。研究表明,地表的土壤气浓度与所处位置的裂隙发育程度密切相关,而裂隙发育程度又与其区域应力作用直接相关,因此,不同构造作用环境中的断层带,其跨断层土壤气浓度的分布也不尽相同。裂隙或断层在气体运移过程中扮演着重要的角色,不同结构特征的断层为气氡运移提供了不同的逸出通道。根据断裂带的变形程度,可将其细分为核部、破裂带和围岩(Yehuda,Charles,2003),它们在流体运移过程中起着不同的作用。断裂带核部可能表现为一个滑动面,也可能由富粘土的断层泥组成,甚或形成高度固结的碎裂岩带,核部厚度很窄,小断层可能只有2～3 mm,大断层约10～20 cm,尽管断裂带核部宽度普遍很窄,但却吸收了断裂带大部分的变形。破裂带规模比起核部来说相对较大,宽度约数百米,但变形程度相对较弱。在破裂带中,小断层、裂隙以及小褶皱比较发育。而分布在破裂带之外的围岩,基本不发生变形。

根据断裂带核部在流体运移中所起的作用(导管或隔层),断裂带可分为4类:局部导水断层带、导水断层带、局部隔水断层带和导水-隔水复合断层带,分别代表了断层演化过程中的流体运移的几个理想阶段(Caine et al,1996)。新形成的断层可能只有一个破裂面,位移距离也很小,因此流体沿着该破裂面的渗透率较大,从而形成了局部导水断层带; 随着断层的扩展,沿主破裂面两侧可能形成了格网状的破裂带,使得该断层带的渗透率增高,形成导水断层带; 但也可能破裂带并不发育,而仅形成核部的断层泥和碎裂岩等,成为流体运移的屏障,形成局部隔水断层带; 但在自然界中最常见的为导水-隔水复合断层带,其核部的断层泥和碎裂岩等对流体起阻隔作用,而两侧的破裂带则渗透率较高。断层核和破碎带不同的组成结构,直接影响到深部气体向地表或大气的逸出效率。破碎带裂隙发育、断层核渗透率较高的结构,就会为气体逸出提供更好的通道,其土壤气的浓度值也就会较高,反之,如果破碎带无裂隙发育、断层核隔水,那么气体就没有向上逸出的通道,土壤气的浓度值就会偏低。

浅地壳介质中新裂隙的产生一方面可以产生更多的气体(如气氡、氢气等),另一方面也为气体的迁移提供通道。但是,如果原本处于开启状态的裂隙受到应力作用而发生闭合,气体迁移的通道就会被阻断,不利于气体迁移。因此,如果断层及其破碎带受到不同方向的应力作用,其裂隙的开户与闭合状态也会不同,进而其地表土壤气浓度的分布也会不同。不同的区域构造应力方向直接影响到断层的运动方向、变形特征以及裂隙状态,进而会影响断层核部及破碎带的渗透率。当然,断裂带土壤气体浓度除了受裂隙发育程度、区域构造应力作用的影响外,也受到其它一些因素的影响,如基岩性质、土壤湿度、温度等,不同的气体其富集与运移机制也不尽相同,在实际应用中要具体分析。

地震一般发生在构造活动区,并沿板块边界或变形构造带分布,在这些变形区域,弹性应变能在地壳中积累,并以地震的形式得以释放(Ellsworth,2013)。在板块内部,尽管其变形速率很低,但是如果剪切应力水平达到地壳破裂临界值,也可能发生地震(Townend,Zoback,2000),在这种情况下,极小的扰动就会引起断层错动而发生地震,如利用高压向基岩注水即可诱发地震(Zoback,Harjes,1997; Evans et al,2012)。近年来,注水诱发地震一直是相关学者们的研究热点(Zhang et al,2012; Ellsworth,2013; Sumy et al,2014)。要确定一个地震是诱发地震还是天然地震并非易事,为此学者们一直致力于天然地震和诱发地震的流体触发机制研究(Zoback,Harjes,1997; Shapiro et al,2002; Faulkner et al,2010; Bachmann et al,2012),关注点主要集中在流体作用产生的外部扰动能量是否足以诱发地震或使地壳应力状态从亚失稳变为失稳,即触发地震。

在工业领域里,人工加压注水方法已广泛应用于采油、采气、采盐及废水处理等方面,高压注水会导致小震活动的增强(Atkinson et al,2015)。注水诱发地震的机制分间接作用和直接作用两类(Ellsworth,2013),直接作用主要表现为注水过程中的流体压力扩散,即流体通过注水井直接进入渗透性的含水层或油气储层,并通过裂隙或孔隙介质扩散至周边断层,增加断层面上的孔隙压力,进而诱发地震; 间接作用主要为孔隙弹性介质的重力加载,即反复的注/抽水过程中含水层或储层的体积和质量会发生变化,对周边断层的加/卸载作用也会发生变化,进而引起断层活动或地震。针对注水诱发地震,前人结合钻孔注水试验结果和理论推导,提出了触发地震的流体扩散系数方法,并研究了诱发地震的时空分布特征,认为诱发地震活动分为水压致裂造成的快速过程和孔隙压力扩散的慢速过程,随着注水时间的加长,地震活动范围也逐渐扩大,注水停止后地震空间分布范围也会随之收缩(Parotidis et al,2003; Shapiro et al,2002)。Shapiro等(2006)进一步研究表明,只有在孔隙中水达到饱和后,才能触发地震。

荷载与孔隙压力是目前公认的2个水库诱发地震的可能机理。其中,荷载对诱发地震的作用已有很多研究,但普遍认为,孔隙压力的作用可能更重要。由于直接观测孔隙压力扩散过程很困难,有关孔隙压力作用的讨论仍在继续深入。深入探讨孔隙压力的作用,探索测算孔隙压力扩散系数的方法,寻找其时空演化过程是深入认识孔隙压力在水库诱发地震中作用的关键科学问题(刘远征,2015)。另外,虽然注水活动或水库蓄水诱发的地震多数震级较小,但随着注水和蓄水作用的持续,诱发地表有感地震或具有破坏性地震的可能性也是存在的。McGarr(2014)研究表明,注水诱发地震的最大震级与注水量密切相关,其最大地震矩、累积地震矩和注水量存在一定的线性关系。

汶川8.0级地震是新中国成立以来发生过的破坏力最大的地震,也是唐山大地震后伤亡最严重的一次地震。程万正等(2013)研究给出了汶川8.0级地震前四川地区地下水位、温泉水温、水化学和气体组分观测异常,其中有井水位异常4项、温泉水温异常5项、水氡出现短期异常1项、气体4项,同时对疑似或有争议的异常测项进行了分析说明,并指出汶川8.0级地震前观测到地下流体异常的地区,并不是分布在龙门山断裂带。分析认为,此次地震前四川地区的异常数量较少,异常种类和长、中、短、临异常的配套性不明显。晏锐等(2018)基于中国地震地下流体前兆观测台网资料,系统收集了汶川8.0级地震前可能的地下流体前兆异常,分析了这些异常的空间展布、时空演化以及形态等总体变化特征,结果表明:收集到的68项异常均位于10^-8应变量范围内,59项异常位于汶川8.0级地震3倍破裂区(约900 km)范围内,占异常总数的87%,这与国内外已发表的地下流体前兆异常空间分布范围和震级之间的关系相符,说明汶川8.0级巨大地震的前兆观测范围至少包含该地震3倍破裂尺度甚至更大; 异常出现时间总体呈现出临近地震异常数量增多的特点,但异常数量并非逐渐增多,而是在震前5个月和1个月突然增多; 异常形态特征复杂,水氡和水位总体呈现出趋势性异常特征,水温总体表现出短临变化特征,主要表现为震前1～3个月突升、突降或波动异常变化。此外,晏锐等(2018)还结合国内外已发表的地震地下流体前兆异常以及地震孕育理论,讨论了异常的空间分布、时间尺度与未来震中的关系,这对深入认识地下流体前兆异常及产生机理都具有重要的现实意义和科学价值。

2013年芦山7.0级地震与2008年汶川8.0级地震震中同处于龙门山断裂,前者位于龙门山断裂南段,后者位于龙门山断裂中北段,2次地震时间间隔5年,震中位置相距90 km,2次地震的余震密集区中心相距50 km。邱桂兰(2015)对比分析了芦山7.0级地震与汶川8.0级地震前的异常,结果显示相比汶川8.0级地震,芦山7.0级地震前出现的地下流体异常数量相对较少,比较显著的异常主要有:泸州川-13井水位在持续多年高水位状态下出现了短期的单边上升异常; 康定龙头沟川-57温泉水温出现了高位持续波动型异常; 理塘川-51温泉水温在多年长趋势下降的背景下出现了“m”型中期波动异常,但其短期异常不明显; 理县水氡在芦山7.0级地震前出现了测值偏高的现象,与汶川8.0级地震前出现的测值下降后缓升明显不同,此外,芦山7.0级地震前康定二道桥温泉水温出现了异常波动的宏观异常现象。

2014年鲁甸6.5级地震发生在中国地震局确定的2014年度6～7级地震危险区,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之一(刘耀炜等,2015)。鲁甸地震之前,2014年2月刘耀炜等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6.5级地震发生后,2014年8月下旬和10月初,刘耀炜等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,对这些典型地下流体异常现象进行分析和梳理,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。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20天内,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。

2014年景谷6.6级地震前,云南地下流体前兆呈现不同测点同测项同步性异常和同测点不同测项同步性异常的短临异常现象(杨芬,王军,2017)。洱源20号井和洱源台水汞、鹤庆和洱源固体二氧化碳呈现不同测点同测项短临同步性异常现象,龙陵流量和水温呈现同测点不同测项短临同步性异常现象,腾冲水氡呈现持续性高值异常。

2017年精河6.6级地震震中位于北天山地区的库松木契克山前断层东段附近,钟骏等(2018)对精河地震周边地下流体异常进行了分析和总结。结果表明,精河地震对应的异常项数较少,距精河6.6级地震震中400 km范围内仅存在7项异常:新10泉氦气浓度测值高值、新10氡浓度破年变趋势性下降、新04氢气高值突跳、艾其沟泥火山喷涌量不断增大、阜康05井水位快速下降、博乐32井水位破年变转折上升。此次地震前的流体异常持续时间具有阶段性的特点,以1～8个月的异常为主。异常在空间上分布不均一、不连续,异常出现时间与震中距间的关系不明显。部分异常形态特征具有明显的重现性。

九寨沟7.0级地震发生在青藏高原东缘巴颜喀拉块体的北边界东昆仑断裂带东端与东边界岷山构造带交汇区域(易桂喜等,2017)。张小涛等(2018)对此次地震前不同震中距前兆异常的时空演化过程进行了分析。结果显示,震中距100 km范围内无前兆异常,前兆异常主要分布在震中距100～500 km范围内的四川、甘肃、宁夏、陕西和重庆境内。从构造块体看,前兆异常主要位于块体的边界,如青藏一级块体的东北缘、华北和华南一级块体的交界部位及川滇菱形二级块体的东北边界; 从异常出现时间来看,九寨沟地震前1年内异常主要分布于甘东南地区。距震中500 km范围内共有流体异常20项,且多为趋势性背景异常,短临异常数量较少,其中1年以上的异常19项,3个月至1年的异常仅有洋县水氡1项,无3个月内的短临异常。

值得一提的是,在九寨沟7.0级地震发生前甘东南地区出现了多项流体异常,包括武山22号井、武山1号泉、礼县流量、清水李沟流量、温泉水氡和临夏折桥水温。为此,地下流体分析预报技术管理组和甘肃省地震局相关分析预报人员专门组织了相关力量开展过现场核实和专题研讨。在充分了解并掌握甘东南地区流体观测异常变化情况后,认为武山22号井、武山1号泉、礼县流量、清水李沟流量和温泉水氡异常均存在一定程度的干扰因素,作为地震前兆异常的可信度较低; 礼县流量观测资料的趋势下降变化虽受附近地区降雨影响,但2017年高值异常不完全受区域降水量变化影响,认为是地震前兆异常的可能性较大。九寨沟7.0级地震发生后,地下流体学科进行了认真总结与反思,虽然在回顾整个异常核实与判定过程后依然认为多项异常为干扰异常,但不得不面对的一个现实是:基于现有技术和理论水平,尚无法明确地识别出各类干扰因素中可能夹杂的构造活动信息,这也是多年以来困扰地下流体分析预报人员的关键技术问题。技术环节遇到的困难,直接反映出一个亟需解决的科学问题,即传统的地下流体井(泉)水定点监测模式是否适应干扰日益增多的现实情况需要认真思考,且任重而道远。