基金项目:中国地震局地震科技星火计划攻关项目(XH21013).
第一作者简介:廖丽霞(1965-),高级工程师,主要从事地震地下流体监测预测研究.E-mail:909051757@qq.com.
(福建省地震局,福建 福州 350003)
(Fujian Earthquake Agency,Fuzhou 350003,Fujian,China)
earthquakes with ML6 or above in Taiwan region; prediction index; hot springs in Fujian region; tectono-geochemical observation network; hot spring gas; hydrochemical ion
DOI: 10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2025.0033
2022年9月,中国台湾花莲县发生ML6.8震群型地震,震源深度均在10 km左右,其中9月18日ML6.8地震是自2006年中国台湾南部海域MS7.2地震发生以来中国台湾地区发生的最大地震,福建、广东、上海等沿海地区震感明显。福建省地震局除了承担福建地区的地震监测预测工作外,还同时承担着台湾地区的地震监测预测任务,但由于地域限制,目前对中国台湾地区的地震预测主要依靠测震学。
温泉是重要的映震敏感点,能很好地反映深部构造运动特征; 同时构造活动又控制着温泉群的出露,对热源的形成也具有明显的控制作用(张森琦等,2020)。华南陆缘是中国大陆具有独特动力学背景的岩浆-构造演化带,在太平洋板块俯冲过程中,热地幔物质上涌,导致华南沿海地区上地幔在新生代时期处于高热状态(赵海玲等,2003),形成高热流异常区。因此东南沿海地区中-低温地热资源丰富,温泉出露点密集,但该区还未正式建立连续观测台站,无法应用温泉地球化学特征开展震情跟踪工作。2020年中国地震局地震预测研究所在福建地区设立了5个温泉观测点进行水化学离子连续测量,发现中国台湾海峡及其附近海域MS≥6.0地震前,这5个温泉中的Cl-和Na+浓度显著增加(Wang et al,2021); 福建省地震局构造地球化学攻关团队对该区域的温泉气体进行研究,发现温泉气体3He/4He、δ13CCO2及气体流速在时间域上的高值对中国台湾地区6级强震具有显著的短临异常指示(Liao et al,2023)。
为进一步探索闽台地区地震短临预报的有效方法,充分利用福建省境内温泉遍布及紧邻中国台湾的地域优势,提升闽台地区地震监测预测能力,2021年福建省地震局构造地球化学攻关团队沿福建地区的主要构造部位布设了16个温泉观测点,构建福建构造地球化学观测网,观测温泉气体中的氦氖碳同位素、氢气浓度及体积占比、气体流速、水化学离子等用于短临地震预测研究,以期为闽台地区地震预测提供判定依据。经过2年多的观测和研究,目前已初步掌握了福建地区温泉地球化学的基本特征,取得了较好的研究效果,并根据这些动态特征对2022年9月18日花莲ML6.8震群做出了正确预测。为提高短临预测时效,2023年4月,团队还从中挑选3个温泉点建立了氢气连续观测站用于捕捉温泉气体的短临信息,结束了福建无温泉气体数字化连续观测的历史。基于以上观测记录,本文开展了福建温泉地球化学与台湾6级以上地震的相关性研究,并尝试将其应用于日常震情跟踪工作。
受太平洋构造域影响,福建地区发育了一系列与菲律宾海板块和欧亚板块的缝合带大致平行的NE向深大断裂及NW向横张调整性断裂,两组断裂相互交错形成福建地区棋盘状构造格局(图1)。其中NE向断裂多为构造单元的分界线,如政和—海丰断裂带(F4)是福建西部华夏地块、东部东南沿海中生代岩浆带两大构造单元的分界; 福建地区东部又以长乐—诏安断裂带(F1)为界,形成平潭—东山剪切构造带(Ⅰ)和闽东火山断坳带(Ⅱ); 其西部则以南平—宁化断裂带(F6)为界,形成北武夷隆起区(Ⅲ)和南武夷晚古生代坳陷区(Ⅳ)[KG0](福建省地质调查研究院,2016)。闽东火山断坳带以大规模火山喷发为主(王培宗等,1993),发育有福安—南靖断裂带(F2)和闽江口—永定断裂带(F3),该区热流值在全省最高; 温泉沿F2极其发育,在漳州地区发育地热田, 在F2与NW向九龙江断裂带(F11)交会区域形成汰内、汤坑、宫仔前等温泉,在与F3交会区域发育石牛山火山机构,出露济川温泉和中国东部自流温泉中水温最高的南埕自冒泉。F11与F1交会处则发育有中国东部水温最高的热水井工人疗养院井。平潭—东山剪切构造带(Ⅰ)以强烈的动力变质作用为特点,发育东孚、杏林湾等温泉。以上这些温泉的水热活动主要叠加于地幔热源之上的晚中生代花岗岩中的放射性生热元素,且沿着以新生代垂直升降运动为主的断裂带分布(张健等,2018)。
2020年以来,福建省地震局构造地球化学攻关团队综合现场调查、地球化学测试指标、震例分析和构造解析结果,从104个温泉普查点中初筛出16个温泉点,构建构造地球化学观测网(图1、表1),开展温泉气季度观测及采样率为3 d的水化学观测。野外现场温泉气体采样采用排水集气法,采样容器为500 mL的玻璃瓶。温泉气送中国科学院西北生态环境资源研究院油气资源研究中心进行测量,其中氦、氖同位素(3He/4He、4He/20Ne)使用英国Nu Instruments公司生产的Noblesse惰性气体质谱仪分析,仪器误差不超过3%; 碳同位素(δ13C-CO2)使用MAT253同位素比值质谱仪测定,用传统的每密耳δ记法(‰)表示根据Pee Dee Belemnite(PDB)之后的碳同位素比率。碳同位素比值的测量误差为±0.2‰,δ13C的分析精度为0.3‰(Tian et al,2021)。水样离子在福州地震监测中心站用赛默飞ICS-600型离子色谱仪观测,样品浓度RSD≤5%; H2使用超炬ATG-300H 型便携式测氢仪测量,最低检测限为:≤5×10-3ppm,误差≤5%。为跟踪温泉气体的变化动态,在德化县南埕自冒泉开展采样率为3天的气体流速连续观测,用秒表记录500 mL玻璃瓶排空瓶中温泉水的时间,计算得出气体逸出的流速。[FL)][KH-1]
地震的孕育和发生过程始终伴随着地下物质运移、能量传输和条件改变,从而导致流体中元素和同位素的迁移与演化,进而形成地表可观测到的流体地球化学异常(李营等,2022)。流体地球化学前兆异常多以变化幅度大为主要特点,容易识别。如2008年汶川MS8.0地震前后康定地区部分断裂带交会处的温泉水样中K+和SO42-浓度增加了19.3%~59.6%(Chen et al,2014)。
气体异常幅度比离子更大,如一般地震前H2浓度异常幅度会很大,高于背景值几十倍甚至更高(王基华等,1991); 且H2浓度多是在短时间内突然出现大幅度的异常升高,具有明显的突发性(张培仁等,1993)。因此,可使用原始数据趋势动态法和经验阈值法提取流体地球化学异常,经验阈值法提取原则是根据地震的最佳对应效果确定判据,排除干扰后达到某阈值并多次对应地震且符合孕震机理,这个阈值则作为异常判定标准; 原始数据趋势动态法提取原则为当某特征出现后多次对应地震,则这个特征可作为异常判定标准。本文研究资料为2021年1月—2023年6月构造地球化学观测网记录的水温、逸出气体及水化学离子观测数据,其阴、阳离子的测量误差绝对值均小于 5%。地震目录采用中国地震台网中心的速报目录,由于该地震目录常是动态的,为便于分析,所有图中的震级参照中国台湾地区气象局(均为ML震级),选取研究时段内中国台湾地区气象局ML≥6.0的地震目录(表2)进行分析。
从观测结果可以看出,福建地区16个温泉的温泉气和水化学离子对中国台湾芮氏6级以上地震都有较为灵敏的反应,尤其是台湾花莲ML6.8震群观测异常较多。温泉气体比温泉水化学离子反应更为灵敏,多表现为短临及短期特征,温泉水化学离子则多表现为短期和短临特征。温泉气体异常多为高值异常,温泉水化学离子异常则表现为高值异常、趋势上升及震荡或突跳等特征。异常幅度与震级相关性不大,但异常持续时间与震级有一定的相关性,一般表现为震级越大、异常持续时间越长、异常的空间分布范围越广。
2022年9月17—18日花莲ML6.8震群发生前,南埕自冒泉气体流速于2022年6月29日出现超出经验阈值现象,于2022年7月12日达到最高值0.970 8 mL/s,在持续1个多月的多次超经验阈值上限后,于8月17日恢复到阈值上限内,但高于均值; 9月9日再次出现超经验阈值上限现象,随后发生了花莲ML6.8震群,并于9月28日恢复到均值附近震荡(图2),这些现象表明南埕自冒泉气体流速表现为短临和短期预测相结合的指示意义。自2022年以来,南埕自冒泉气体流速在超经验阈值后,中国台湾地区发生芮氏6级以上地震共有7次,具体表现为南埕自冒泉气体流速超经验阈值后3~21 d内发震,该温泉气体流速具有良好的短临预测指示意义(图2)。
工人疗养院温泉水温与南埕自冒泉气体流速出现准同步异常,显示温泉异常具有区域性特征,这与中国台湾地区地震趋势增强是相符的。工人疗养院温泉水温自2022年3月起开始处于高于均值的状态,于3月3日达最高值101.3℃后发生了3月23日台东海域ML6.7地震,震后于4月25日恢复到低于均值状态,4月30日又迅速回升到高于均值状态并一直维持高值状态(图3),且在5月9日花莲海域ML6.2地震发生后也没有恢复的迹象,并于5月28日开始出现井喷,同时地热井周围地面上亦有强烈的水汽混合物喷出,测其水温均在102 ℃左右,井喷现象在花莲ML6.8震群发生后仍未结束。
图2 南埕自冒泉气体流速与台湾6级以上地震的对应时序图
Fig.2 The gas flow velocity in Nancheng hot sping in Fujian and earthquakes in Taiwan region from Jan.[KG-*2],2021 to Jan.,2023
通过对多期季度现场观测资料进行对比分析,发现多个观测点H2浓度在临震前都出现较大幅度上升,最高值均出现在离发震时间最近的一期观测中,其中南埕自冒泉表现最为突出。2022年花莲ML6.8震群发生前2个月南埕自冒泉逸出气H2浓度高达9.264 ppm,同样的现象发生在3月23日台东海域ML6.7地震前13 d,H2浓度比正常观测平均值大4.6倍; 与南埕自冒泉H2浓度最高值同时段观测的新泉泰国井H2浓度也高达9.63 ppm,比前后一个半月无地震事件发生的2021年3月3日的测值高出8.31 ppm,同样的现象发生在2022年1月3日花莲海域ML6.0地震前,测值为4.58 ppm,比2021年3月3日的测值高出3.26 ppm; 而前后各超60 d没有6级地震事件发生的2023年2月15日进行现场观测,H2测值也仅为1.31 ppm(图4a)。因新冠疫情影响,其他观测点在花莲ML6.8震群发生前未进行现场观测和取样,无法获取观测数据,但在之前的台湾芮氏6级地震前亦有此现象,如图4b~d所示。宫仔前、华安汰内温泉H2浓度最高值分别出现在2022年3月23日台东海域ML6.7地震前14 d和15 d,汤湖温泉H2浓度最高值出现在2022年1月3日花莲海域ML6.0地震的前4 d。这与王基华等(1982)和张培仁等(1993)的研究结果是相符的,即H2浓度在震前出现异常时间较短,大多数在震前几十天、十几天到几天。
通过对多期季测温泉气样中H2体积百分含量的对比分析发现,多个温泉的H2体积百分含量在震前5 d到2个月从0上升到可观测量级,这同样佐证了H2浓度在临震前是突升的,且呈一定的量级。2022年9月18日台湾花莲ML6.8地震前,南埕自冒泉和新泉泰国井H2体积百分含量均创新高。因疫情影响,其他温泉观测点在该时段无法进行现场采样获取数据,但类似的现象在花莲ML6.8地震之前的台湾6级以上地震也出现过,如2022年3月23日台东海域ML6.7地震前15 d内H2体积百分含量突升(表3)。这一观测现象说明福建温泉气中的H2映震灵敏,在震前会出现一定量级的突变,同时也说明H2逸出通道顺畅,逸出性极强,能以温泉为载体在地面被观测到。但H2体积百分含量只对ML6.6以上地震有高值异常对应,并未取得小于ML6.6地震震例,如在花莲海域ML6.0地震前7 d内,高赖温泉并未记录到有H2浓度异常。
图4 福建地区温泉观测点典型H2浓度时序图
Fig.4 Typical H2 concentration time series in Fujian
表3 福建温泉气体中H2体积含量占比映震情况
Tab.3 Proportion of H2 volume content in the gas of hot springs in Fujian reflecting earthquakes in Taiwan region
福建温泉水化学离子在台湾6级地震前也出现了许多观测异常,尤其是2022年9月18日花莲ML6.8地震前,福建构造地球化学观测网温泉观测点的水化学离子出现了群体性、准同步异常,呈趋势上升、持续高值、超经验阈值、震荡、临震突跳等动态。
趋势上升:黄楮林、南埕ZK1自流热水钻孔F-,华安汰内温泉水溶性SiO2在台湾6级地震发生前多表现为趋势上升。如2022年1月3日花莲海域ML6.0、3月23日台东海域ML6.7地震及9月18日花莲ML6.8震群前,黄楮林F-表现为趋势上升,并于震后恢复。南埕ZK1 F-在2022年1月3日花莲海域ML6.0地震前发生趋势上升,震后于1月10日恢复,但从1月13日又开始加速上升,直到台东海域ML6.7地震前1个月达最高值后逐渐恢复,恢复到均值附近发震,在9月18日花莲ML6.8震群发生前2个月又开始出现趋势上升,并于震后恢复。在统计的9次台湾地震中有4次地震发生前汰内温泉水溶性SiO2出现趋势上升现象,分别是2022年3月23日台东海域ML6.7地震、5月9日花莲海域ML6.2地震、9月18日花莲ML6.8震群及12月15日花莲海域ML6.5地震,如图5所示。2023年中国台湾地区没有发生6级以上地震,这些温泉观测点的水化学离子测值均在均值附近正常波动,汰内温泉和黄楮林温泉的水化学离子低值是因为暴雨洪水混入所致。
图5 福建地区温泉观测点典型趋势上升异常
Fig.5 Typical upward trend anomalies of the hydrochemical ions in the hot springs in Fujian
震荡、临震突跳:这一现象在2022年9月18日花莲ML6.8震群发生前尤为突出(图6)。黄楮林Na+、K+在花莲ML6.8震群发生前9月10日发生临震突跳,同样的现象在5月9日花莲海域ML6.2地震前8天、2021年10月24日宜兰ML6.5地震前1天也发生过。花莲ML6.8震群发生前一个月内南埕ZK1自流热水钻孔F-、Cl-、Li+、Na+、K+出现群体临震突跳; 在花莲ML6.8震群发生前后(9月7日至10月6日),高赖SiO2出现震荡、突跳; 8月31日SO42-发生突跳并超经验阈值,一直持续至9月28日后回落,在1月3日花莲海域ML6.0、5月9日花莲海域ML6.2地震前也发生过SO42-临震突跳及震前高值异常现象。济川的Ca2+、Mg2+在花莲ML6.8震群震前1个月左右突跳,同样的现象在其他几次台湾6级地震前也出现过。大坂温泉Ca2+、Mg2+在2022年9月1日出现临震突跳。新泉泰国井Na+在9月5日临震突跳,这种现象在1月3日花莲海域ML6.0、3月23日台东海域ML6.7、5月9日花莲海域ML6.2地震前半个月内也出现过。东孚井阳离子在花莲ML6.8震群临震前一天即9月16日发生群体突跳、湖里SiO2在震前一个月出现突跳; 华安温泉阴离子在临震前一个半月内出现群体震荡、突跳。
图6 福建地区温泉观测点典型震荡突跳异常
Fig.6 Typical oscillation abrupt changing anomalies of the values of the hydrochemical ions in the hot springs in Fujian
持续高值:2022年花莲ML6.8震群发生前,南埕ZK1的Ca2+与F-于5月中旬开始持续高值,并于震后恢复到均值附近; 广汤的阴离子于4月22日开始发生趋势上升,在5月9日花莲海域ML6.2地震发生后并未恢复,而是继续维持高值,最终于花莲ML6.8震群发生后恢复正常; 高赖温泉F-在4月下旬开始呈现趋势上升,并于5月9日花莲海域ML6.2地震发生后立即回落,随后又发生震荡并超经验阈值,之后一致持续高值,8月31日与Cl-、SO42-同步突跳上一新台阶并持续到花莲ML6.8震群发生后12天即9月30日回落,显示出较好的短临特征; 湖里温泉的F-、Cl-、Na+、K+、Li+于5月开始持续高值,Na+、K+、Li+在花莲ML6.8震群发生前半个月恢复正常,F-、Cl-在震后仍持续高值(图7)。
中国台湾地区地震均由与板块运动有关的大型板块主边界构造错动导致,发震区域主要位于板块碰撞-俯冲的琉球俯冲带、花东纵谷缝合带等。2021年1月—2023年6月中国台湾地区发生多次6级强震,从发震构造及其运动性质可以看出,菲律宾海板块在琉球俯冲体系的震源破裂以右旋走滑运动为主,其震源破裂以逆断兼左旋走滑运动为主(图1)。前人研究显示这一区域的构造运动均有一个动力机制,即菲律宾海板块持续以82 mm/a的速率往北西305°~309°向欧亚板块推挤(Suppe,1981; Lee et al,2015; Sibuet et al,2021),故台湾地区6级以上强震均与板块运动有关。而符合板块运动特征的强震事件,一般具有较大的影响范围和较远的传播距离,一旦台湾地区孕育强震,深部流体就有可能通过这些强构造关联提供的良好通道由温泉携带到地表,从而被福建地区温泉的地球物理和水文地球化学参数捕捉到。总结本文震例可见,温泉点的映震震中距最远达562 km,远大于《震例总结规范》[KG0](DB/T 24—2007)对5.0~5.9、6.0~6.9和7.0~7.9级地震的前兆异常的总结范围200、300和500 km。廖丽霞等(2010,2019,2020)研究也显示福建地区温泉对中国台湾地区6及以上地震的映震范围在258~568 km,最近的为1994年9月16日台湾海峡MS7.3地震,最远的为1996年9月6日南屿MS7.1地震。
本文以南埕温泉为例,尝试使用闽台板块应力传导模式,并结合地球化学对该温泉的地球物理和地球化学异常进行解析。通过对2021年—2023年7月台湾东部地区花莲—宜兰一带芮氏6级以上强震案例研究发现,该区地震对福建构造区域的动力影响因发震构造部位和应力方向的不同,产生两种影响模式:第一种是正向挤压模式,深部物质受到压缩而发生加速向上运移导致气体含量骤增。以2022年花莲ML6.8震群为例,其发震断层主要为花东纵谷断裂带内的池上、玉里断层,由菲律宾海板块向WN推挤造成,而南埕温泉位于菲律宾海板块向欧亚板块推挤的应力轴上,受板块正向挤压,温泉气体流速会随着地壳应力的增大而增加; 当应力突破极限状态气体流速激增到极大值后发生地震; 震后随着应力调整,气体流速又会逐渐回落,闽台板块应力的传导模式如图8所示。花莲、台东地区的多次地震均符合该传导模式,异常特征表现为震前气体浓度及流速逐渐增大,并于震后回落。第二种是走滑拉张模式,震中位于琉球俯冲带弧后冲绳海槽区域,处于弧后拉张环境,该区的孕震环境使福建陆块受到走滑拉张作用,因此温泉气体流速呈现相反状态,异常特征表现为震前气体流速降低,并于震后回升,如2021年8月5日宜兰海域ML6.0地震、2021年10月24日宜兰ML6.5地震就是如此。
图8 闽台板块应力传导模式示意图
Fig.8 Schematic cartoon showing the stress transmission mode between the Fujian and Taiwan plates
离子浓度主要与水-岩相互作用有关,K+、Na+、Ca2+等离子主要与地壳岩石中的长石组分有关,Mg2+、Ca2+等离子主要与岩石中黑云母及来自于幔源的矿物如辉石有关,F-和Cl-主要来自地壳的花岗岩或酸性火山岩。F-还有可能是由地幔流体通过深切地幔的深大断裂借助温泉上传到地面的,而福建地区发育有大面积的中酸性岩浆岩,因此上述离子在地震孕育过程中较为活跃,可以捕捉到地震前兆异常。对南埕温泉进行野外考察发现,温泉含水层的岩性是中酸性火山凝灰岩,钻孔岩芯中可见的矿物有斜长石、钾长石、黑云母、绢云母、绿泥石。福建地区16个温泉观测点的含水层岩性多为中酸性岩浆岩(表1),这些岩石的主要矿物为长石,而温泉水多为大气降水补给深循环形成,溶有较充足的CO2,水岩之间存在多种动态化学反应,从而使离子及水溶性SiO2浓度在孕震过程中随温度、压力的改变发生变化。以钠长石为例存在如下动态过程:
Na2Al2Si6O16(钠长石)+2CO2+3H2O=2HCO3-+2Na++Al2Si2O5(OH)4(高岭石)+4SiO2 (1)
离子浓度的趋势上升很可能是应力逐渐增强的体现,持续高值则是应力趋于新的平衡点的体现,突跳则可能是深部物质突然上涌的体现。从图1、5可见,F-、SiO2浓度趋势上升的温泉观测点多出现在闽东火山断坳带(Ⅱ),这一构造块体在中生代以大规模火山喷发活动为主,形成大面积燕山期花岗岩和火山岩,岩石中含有大量富含F-、Cl-等挥发分的包裹体,尤其是F-在应力逐渐增强的情况下持续溶入温泉中; 同时作为地幔流体中挥发分的主要成分,F-还可借助断裂通道上涌,使F-浓度呈现趋势上升动态。由于离子之间也存在化学反应,水化学离子的映震动态则更为复杂,影响离子浓度的因素除温度、气压外,还有离子性质、酸碱度、不同含水层混合等其他因素,所以离子映震动态更加复杂多样。
温泉观测点所处的构造位置也为应力和深部信息的传导提供了有利条件,前人研究认为断层的交会部位可成为热流体向地表运移的重要通道。从全球尺度来看,气体强烈排放带与板块缝合带、火山带、地热带和地震带等都有极高的重合度(Tamburello et al,2018),福建构造地球化学观测网点均布设在这些NE和NW向深大断裂交会部位,如黄楮林、南埕、广汤、高赖温泉等。从图9可以明显看出,NE向断裂规模大、切割深,宁化—泉州地质剖面西侧高赖温泉所处的F6及其东侧的F1都是切割到莫霍面的超壳断裂,剖面中部的F4明显错断莫霍面,这一构造格局与燕山早期古太平板块俯冲以及燕山晚期—喜马拉雅早期,福建陆内地幔上隆、地壳大范围伸展减薄、幔源物质底侵(李三忠等,2019)有关。剖面西部局部区域也存在糜棱岩或岩浆熔融带,如广汤温泉下方。南埕温泉中地壳和下地壳存在两层岩浆熔融带,与断裂构造连通,为南埕温泉提供热源、深部流体来源及深部物质上涌的通道。福建省地震局近年来的深部探测成果也证实南埕温泉下地壳存在隆起(蔡辉腾等,2016),推测该处存在一层壳幔混合体。黄楮林温泉所在区域出露的橄榄玄武岩中夹有形成深度136 km的地幔深源包体-石榴子石二辉橄榄岩(刘若新等,1985),上地幔顶部有明显断开的迹象,断距为3 km,福州盆地下方存在地幔上隆(廖其林等,1990)。福建地区NW向断裂带是区域最新构造,基本切割其他走向的构造,力学性质多以扭性、张性和张扭性为主,断裂带多为60°以上的高倾角,其中以F8、F11的倾角最大,达75~85°(王善雄等,2019),为深部物质上涌提供了有利通道。
图9 福建省宁化—泉州地质剖面(据马丽芳,2002修改)
Fig.9 Ninghua-Quanzhou geological section in Fujian province(Modified from Ma,2002)
氦同位素是一种判识幔源气体最灵敏的地球化学示踪指标,理论上认为3He/4He是深部信息多少的标尺(陶明信等,2005),在地表检测到的深源气体可以很好地反映地球深部信息(方震等,2012)。大气中3He/4He的比值以Ra表示,其值为1.4×10-6,样品中的3He/4He测值以R表示。为消除样品在取样及地表以下存在的大气污染,通过样品的4H/20Ne对样品的3He/4He进行大气污染矫正,经校正后的样品3He/4He表示为Rc。Rc/Ra可以对比评估幔源气体向大气释放的强度。自2021年福建地区构造地球化学观测网布设以来,已捕捉到多个温泉观测点在多次台湾地区6级以上强震临震前发生深部信息增强的观测事实。通过对多期的季度观测资料(图 10、表4)进行对比分析发现,广汤、莒溪、黄楮林、新泉泰国等温泉气体的氦同位素比值Rc/Ra最高值均出现在震前10 d左右(因疫情影响,未取到花莲ML6.8地震临震前半个月的气样,故无震例),说明震前幔源物质上涌的动态平衡被破坏,发生幔源物质的加速上涌。这种地震前后温泉气体中同位素测值上升的现象在2008年汶川MS8.0地震前后、2016年理塘MS5.1地震前也出现过(Zhou et al,2015,2017)。
福建地区特殊的地质构造使16个温泉观测点的3He/4He和H2、水化学离子浓度在2022年9月18日台湾花莲ML6.8震群前出现异常,温泉气体表现为短临异常特征,水化学离子表现为短期和短临异常特征,其他台湾6级以上强震亦有类似的前兆异常,其成因及映震特征总结如下:
(1)福建地区的构造格局与台湾地区6级以上地震关联性较强,台湾强震多数由板块碰撞-俯冲引起,能够通过深部动力传导引起福建地区温泉的响应。规模大、切割深的断裂带多是深部流体逸出的良好通道,而多组不同方向断裂带的交会处常是映震灵敏点,如福建地区NE与NW向两组断裂带交会处的黄楮林、南埕、广汤温泉等。
(2)临震前,福建地区温泉中有仪器可观测到量级的深部流体从地幔或地壳深处涌出,温泉气体更为突出,而这种量级的涌出常常是突发性的,只有临近地震时才出现。H2浓度异常因其逸出性极强更易以温泉为载体被观测到,取得的震例最多。H2浓度、3He/4He及温泉气体流速可以作为地震的短临(期)预测指标加以应用。
(3)福建地区中酸性岩浆岩遍布,使温泉水化学离子在孕震过程中非常活跃,会因温度、压力、浓度的改变呈现趋势上升、持续高值、震荡、突跳等特征,可以作为短期预测指标。
温泉地球化学观测投入少、观测灵活、信息量大,能观测到许多深部信息且多具有短临特征,是较好的时间预测指标。福建温泉地球化学观测的深入研究,对判断闽台地震危险性及地震预测指标提取具有重要意义,对地震台站勘选也可提供技术支撑,还可为其他省份开展这项研究提供借鉴。
本文中涉及到国界的插图均已送相关部门审查并获通过。受理号:国审字(2024)第03038号; 审图号:GS(2024)2976号。
本研究是在福建省地震局构造地球化学攻关团队工作的基础上提炼而成,感谢攻关团队全体成员的辛勤工作。感谢三明、龙岩、泉州、漳州、莆田、厦门、宁德各地市地震局及福州市防震减灾中心在温泉观测点勘选及现场观测中提供的多方支持和帮助; 感谢李立武研究员和邢蓝田副研究员在氦、氖、碳同位素及温泉气体体积百分比观测方面提供的支持。