2020年1月19日伽师 MS6.4地震前后的基岩温度变化
陈顺云1), 宋春燕2), 闫玮2), 刘琼颖1), 刘培洵1), 卓燕群1), 张智河3)
1)中国地震局地质研究所, 地震动力学国家重点实验室, 新疆帕米尔陆内俯冲国家野外科学观测研究站, 北京 100029
2)新疆维吾尔自治区地震局, 乌鲁木齐 830011
3)首都医科大学, 生物医学工程学院, 北京 100069

〔作者简介〕 陈顺云, 男, 1976年生, 博士, 研究员, 主要从事热测应力、 构造物理实验和地震物理研究, 电话: 010-62009112, E-mail: chenshy@ies.ac.cn

摘要

2020年1月19日发生的伽师 MS6.4地震正好位于基岩温度观测区内, 且西克尔观测台距离微观震中仅约1.3km, 这为分析地震前后的地温变化提供了机会。 结果显示: 1)在伽师 MS6.4震前及同震均观测到了清晰的地温变化。 同震响应的出现, 意味着震前的这些变化与地震有关, 可能属于前兆信号。 2)时间上, 伽师地震前的基岩温度先是在稳定背景上出现异常变化, 变化达到峰值后回落, 一段时间后才发生地震。 临近地震时, 基岩温度呈现明显的加速上升变化。 这种临震前的加速特征可能与地震亚失稳或成核过程有关。 3)空间上, 震前变化出现在发震断层或附近, 而在距离发震断层较远的测点基本没有观测到明显的异常信息, 预示着短临前兆更倾向于 “近场”信息; 从深度上看, 只有局部深度的位置能观测到震前变化, 前兆观测在深度上存在较明显的不确定性, 理想的情况应该是开展多深度联合观测, 避免漏掉关键的前兆信息。 4)结合2014年11月22日康定 MS6.3地震的观测记录进行了对比分析, 结果表明: 与伽师地震类似, 康定 MS6.3地震前发震断层或附近基岩温度测点的观测结果也出现了明显变化, 这意味着伽师地震前的温度变化并不是孤例。 总之, 从地震前后的基岩温度变化看, 前兆信息具有近场、 构造相关及对应力变化敏感的特征。

关键词: 基岩温度; 伽师地震; 康定地震; 地震前兆; 地震亚失稳
中图分类号:P315.72 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2021)02-0447-12
CHANGE IN BEDROCK TEMPERATURE BEFORE AND AFTER JIASHI MS6.4 EARTHQUAKE IN XINJIANG ON JANUARY 19, 2020
CHEN Shun-yun1), SONG Chun-yan2), YAN Wei2), LIU Qiong-ying1), LIU Pei-xun1), ZHUO Yan-qun1), ZHANG Zhi-he3)
1)State Key Laboratory of Earthquake Dynamics, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Xinjiang Pamir Intracontinental Subduction National Field Observation and Research Station Beijing 100029, China
2)Earthquake Agency of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Urumqi 830011, China
3)School of Biomedical Engineering, Capital Medical University, Beijing 100069, China
Abstract

Recent studies have confirmed that the bedrock temperature changes when the crustal stress changes, and the information of dynamic change in crustal stress can be obtained through the observation of bedrock temperature. Moreover, there are abundant fluids in the shallow crust, and the deformation of the crust will inevitably lead to the migration of fluids, which will change the bedrock temperature. The temperature change of bedrock is equivalent to the secondary fluid thermal effect caused by crustal stress change and may be an another indirect sensitive index of crustal stress dynamic change. The bedrock temperature data of Xianshuihe fault zones show that the variation of groundwater flow rate after the Kangding MS6.4 earthquake is consistent with the zoning characteristics of co-seismic volumetric strain in the strike-slip earthquake, indicating that the variation of near-field fluid migration characteristics is probably related to the variation of co-seismic static stress change. Moreover, the response form of bedrock temperature to the dynamic change of crustal stress and its secondary fluid effect is not consistent, as the former shows step-rise characteristics, while the latter shows exponential variation. The observation of bedrock temperature itself can obtain the dynamic change information of crustal stress and the information of shallow crustal fluid migration. Compared with crustal stress change, the variation range of fluid secondary heat effect caused by stress change may be significantly magnified(approximately an order of magnitude), which is more conducive to capturing signals, and thus may even obtain precursory fluid change information.
On January 19, 2020, an MS6.4 earthquake occurred in Jiashi, which happened in the bedrock temperature observation network. In particular, the Xike’er observation station is about 1.3 kilometers away from the epicenter, providing an opportunity to analyze bedrock temperature changes before and after the earthquake. The results showed that: 1)Obvious changes in bedrock temperature were found before and during the MS6.4 earthquake. The appearance of co-seismic response means that these changes before the earthquake are related to the earthquake and may be precursory signals. 2)In terms of time, the bedrock temperature before the Jiashi earthquake first changed abnormally on the stable background, and the change reached the peak, and then fell back. When the earthquake was impending, there was a significant acceleration of the change, and the earthquake occurred after some time. The acceleration characteristics of change impending earthquake may be related to the meta-instability process of earthquakes. 3)Spatially, changes in temperature before the earthquake occurred in or near the seismogenic fault, and no obvious abnormal information was observed at the measurement points far away from the seismogenic fault, indicating that short-term and impending precursors are more likely the “near field” information; From the perspective of depth, the change in temperature before the earthquake was observed only at the local depth range. This implies that there is obvious uncertainty in the depth in precursor observation. Upon this, the ideal situation should be to carry out multi-depth joint observation, so as not to miss important precursor information. 4)Combining with the Kangding MS6.3 earthquake on November 22, 2014, a comparative analysis is made. Similar to the Jiashi earthquake, the temperature at measurement points located in or nearby seismogenic fault of Kangding MS6.3 earthquake shows significant changes. This means that change in the temperature before the Jiashi MS6.4 earthquake is not an isolated case, and is a representative of universal phenomenon that occurs before strong earthquake. In a word, the change of bedrock temperature before and after the earthquake shows that the precursor information has the characteristics of near field, structural correlation and sensitive to stress change.

Keyword: bedrock temperature; Jiashi earthquake; Kangding earthquake; seismic precursor; earthquake meta-instability
0 引言

地壳应力发生变化时会改变基岩温度, 通过观测基岩温度可以获取地壳应力的动态变化信息(Chen et al., 2019; 陈顺云等, 2020)。 此外, 由于浅层地壳中含有丰富的流体, 地壳变形必然引起流体的运移, 进而改变基岩温度。 这一温度变化相当于地壳应力变化引起的次生流体热效应, 可能属于地壳应力动态变化的一个间接的灵敏指标。 鲜水河断裂带的基岩温度资料显示, 康定地震后地下水流速的变化与走滑型地震同震体应变的分区特征吻合, 表明近场流体的运移特征变化很可能与同震静态应力变化相关(Liu et al., 2020)。 同时, 基岩温度对于地壳应力动态变化与其次生流体效应的响应形式并不一致, 如同震时前者表现为阶跃特征, 后者则为指数变化型(Chen et al., 2019; 陈顺云等, 2020)。 观测基岩温度便可获取地壳应力的动态变化信息, 同时还可以获得浅层地壳的流体运移信息。 相较于地壳应力变化, 应力变化引起的流体次生热效应的变化幅度可能会被明显放大(一个数量级甚至更多), 信号更易于捕捉, 甚至有可能藉此获得前兆性流体变化信息。

2013年4月20日的芦山地震前后, 位于康定的基岩温度测点观测到了一些值得关注的现象: 从2013年1月31日开始, 康定地区的地温出现持续变化, 并与台站周围小地震活动存在良好的对应关系。 从构造角度看, 龙门山断裂带和鲜水河断裂带同属于巴颜喀拉地块的不同边界, 康定测点与芦山地震之间存在关联性, 上述温度变化可能与芦山地震有关(陈顺云等, 2013)。 然而, 芦山地震的震中距离基岩温度观测点约100km, 距离较远。 2014年11月22日的康定MS6.3地震正好发生在鲜水河基岩温度观测台网内。 通过基岩温度获取的康定地震同震应力变化的量级和空间分布特征与测震学方法得到的结果一致, 证实了由基岩温度探测地壳应力变化的有效性(陈顺云等, 2020)。 由此可见, 相比之下, 地震时的近场变化特征对于地震过程研究乃至前兆探测更有实际意义。

中国地震局地质研究所与新疆维吾尔自治区地震局分别于2016年和2019年在南天山西段联合建立了基岩温度观测网。 据中国地震台网测定, 2020年1月19日新疆喀什地区伽师县发生MS6.4地震, 西克尔基岩温度测点正好位于震中区, 且距离伽师MS6.4地震的微观震中仅约1.3km。 该测点在震前和同震均观测到一些现象, 这对于进一步理解可能的地震前兆信息具有一定的参考价值。 本文将简要阐述伽师地震前后观测到的基岩温度变化现象。

1 基本背景
1.1 南天山西段的基岩温度观测

如前文所述, 2016年和2019年在南天山西段分别建立了5个和8个基岩温度观测台(孔)。 每个孔安装多个温度传感器, 以观测不同深度的基岩温度随时间的变化。 数据采样间隔为10min, 2016年安装的仪器精度约为0.5mK(张智河等, 2018), 2019年安装的仪器精度具有较大幅度提升, 温度的观测精度约达0.03mK(张智河等, 2021)。 2019年建设的台站正好位于伽师地震的发震断裂带附近, 为分析基岩温度的前兆意义提供了机会。

图 1 南天山西段的基岩温度台站分布Fig. 1 Distribution of bedrock temperature measurement stations in western South Tianshan.

2019年建设的台站钻孔深度约为50m, 在每个孔内安装3组采集器, 每组包括4个温度传感器。 其中, 深部的2组传感器间距约5m。 西克尔测点深部的2组传感器的深度分别为12.25m、 17.28m、 22.77m、 27.78m、 33.38m、 38.49m、 43.49m和48.55m。 仪器安装完成后, 用水泥浆灌封整个井孔, 为了减少水泥凝固后的收缩效应, 在水泥中添加了4.2%(质量比)的微膨胀剂。

1.2 伽师MS6.4地震

2020年1月19日21时27分, 在新疆喀什地区伽师县发生了MS6.4地震。 据中国地震台网(CENC, China Earthquake Networks Center)测定, 震中位于(39.83° N, 77.21° E), 震源深度为16km。 地震发生前1d, 即1月18日00时05分在震中附近已发生过MS5.4地震。 此次伽师地震属于 “ 前震-主震-余震” 型。 伽师地震的震中位于塔里木盆地的西北边缘, 是南天山褶皱带、 帕米尔弧形构造和塔里木盆地块体的交会区(孟令媛, 2020; 聂晓红等, 2020; 冉慧敏等, 2020)。

2 结果与分析
2.1 震前变化

在所设置的基岩温度台站中, 距离伽师MS6.4地震微观震中最近的是西克尔测点, 距离仅约1.3km。 图 2 给出了西克尔测点深部模块的基岩温度变化。 从图 2 中可以看出, 基岩温度自2019年8月开始出现明显变化; 2019年10月20日温度明显上升, 并于11月中旬达到了峰值, 之后开始回落; 到12月10日基本恢复为10月20日的温度值。 此外, 基岩温度于2020年1月10日突然出现一个明显的阶跃上升变化, 然后缓慢恢复。 之后的2020年1月18日发生了5.4级地震, 1月19日发生了6.4级地震。 在这2次地震中均出现了明显的同震响应, 6.4级地震的同震响应幅度明显比5.4级地震更大(图 2c)。

图 2 西克尔测点的基岩温度变化
图c 虚线为震前温度演化示意图
Fig. 2 The variation of bedrock temperature measured st Xikeer station.

简而言之, 上述异常可以分为2个阶段: 第1阶段是在原来 “ 稳定背景” 上出现的某种变化(图 2a), 这种变化达到峰值后回落, 再经过一段时间后发生地震; 第2阶段, 即临近地震时呈现出明显的加速上升变化, 地震时变化幅度达到最大(图 2c), 这一阶段的变化极可能属于地震发生过程的一部分。

需要特别指出的是: 考虑到1个采集模块包括4个通道, 而另外2个通道的观测结果则较为平稳, 因此在刚开始出现温度异常时(图 2a), 我们曾怀疑可能是温度采集系统出了问题。 从硬件上看, 第3和第4通道(分别对应38.49m和33.38m深度)共用1个道开关, 当一个通道出现明显波动时, 可能会干扰到另一个通道。 有趣的是, 最先出现变化的通道的是第3通道, 此时第4通道并没有变化; 在2020年1月18日的5.4级地震和1月19日的6.4级地震中, 第4通道均呈现出了明显的同震响应, 而第3通道却不明显。 以上现象表明, 虽不能完全排除2个通道出现干扰的可能, 但至少可以说明第4通道的数据包含可靠信息。

2.2 同震变化

共有西克尔和伽师总场2个测点出现较明显的同震响应。 1)西克尔测点: 与伽师地震前只有基岩温度存在明显变化不同, 西克尔测点多个深度的测量值均出现了同震响应。 其中, 震后也出现变化的深度(33.38m)的同震响应最明显, 变化幅度约为0.05K(图 2c)。 此外, 西克尔测点的另外2个深度也出现了同震响应, 如图 3a、 b所示, 同震变化幅度约为0.1mK。 2)伽师总场测点: 仅在一个深度观测到了同震响应, 如图 3c所示。 同震温度的变化幅度也约为0.1mK。

图 3 不同台站的基岩温度同震变化Fig. 3 Coseismic variation of bedrock temperature measured at different stations.

总体而言, 尽管地温的同震响应较为微弱, 但所揭示的现象仍比较明显, 达到了可观测的幅度。 如前文所述, 这一批安装设备的温度测量精度达到了0.03mK(张智河等, 2021), 上述0.1mK的变化幅度超过仪器的观测精度, 信号本身是可靠的。

3 讨论
3.1 与康定地震的对比分析

实际上, 基岩温度观测最早始于2009年的鲜水河断裂带观测。 2014年11月22日康定MS6.3地震也发生于基岩温度台网观测范围之内, 同样属于近场观测。 与伽师地震类似, 在康定地震发生前, 有2个基岩温度测点在震前出现明显变化: 康定地震台和道孚中谷村测点。 此前, 考虑到只有1个震例, 这种震前的变化可能是由 “ 偶然” 因素所致, 故一直没有专门对其进行论述。 结合2020年1月19日伽师地震来看, 康定地震震前的基岩温度变化可能不一定是 “ 偶然” 因素所致, 即伽师地震前出现的这些温度变化并不是孤例。 下文将对康定地震前出现的地温异常进行简要介绍。

(1)康定地震台测点: 康定地震台的基岩温度于2014年10月12日、 10月22日、 11月9日、 11月14日和11月22日出现了明显的突然上升然后下降的过程, 且变化模式均类似, 同震响应变化的幅度最大。 根据上升至最大值的时间可获得上升速率, 如图 4c所示。 从图中可以看出, 温度上升的速率呈较为清晰的指数上升趋势, 同震时达到最大。 台站距微观震中约37.8km。

图 4 康定地震台的基岩温度变化
a 观测结果; b 去除趋势变化后的结果; c 温度变化速率。 图c中的虚线为震前温度演化示意图
Fig. 4 Variation of bedrock temperature measured in Kangding seismic station.

该测点所观测到的异常特点为: 只有1个通道出现了类似的变化。 与震前只有一个观测深度的测量值出现异常不同, 同震时, 有2个深度存在温度响应。 同震和震前变化相同, 均为升温。

(2)道孚中谷村测点: 该测点于2013年2月18— 21日出现降温过程, 幅度约为0.007K; 自8月20日开始温度出现波动, 且断断续续持续到地震发生。 其中, 2014年5月1日的变化幅度最大, 约为0.09K。 台站距微观震中约15.6km。

该测点所观测到的异常特点为: 只有1个通道出现类似的变化。 与震前只有1个观测深度的测量值出现异常不同, 同震时, 有2个深度存在温度响应, 但变化幅度均很小。 震前变化以降温为主, 而同震则表现为升温。

图 5 道孚中谷村基岩温度变化情况
a 观测结果; 图b的去除趋势变化后的结果(震前500d); c 震前100d的温度变化; b 虚线为震前温度演化示意图
Fig. 5 The variation of bedrock temperature measured at Zhonggucun, Daofu.

3.2 测点分布差异

无论在伽师地震还是康定地震中均观测到了地震前的地温变化。 由于深度或测点位置不同, 这种地温变化存在较大差异。

(1)在深度方面: 地震前, 对于出现地温异常的台站只有少部分深度的测量值存在明显变化, 在其他深度基本没有观测到明显的异常反映。 同震时, 均能看到多个深度的同步响应, 甚至在多个台站都能看到清晰的同震响应。 同震响应的出现, 预示着地震前的温度变化与地震相关。 而不同深度上的观测值所体现的异常响应的巨大差异, 预示着前兆观测在深度上存在明显的不确定性。

(2)在空间分布方面: 在伽师地震中, 仅有1个台站出现震前异常, 而在康定地震中有2个测点观测到震前变化。 出现异常的测点均位于发震断层上或附近, 尤其是伽师西克尔和道孚中谷村的观测点基本位于发震断层带内, 而康定地震的测点则离发震断层很近, 均可视为 “ 近场” 。 换言之, 在发震断层带或其附近开展观测, 即 “ 近场” 观测可能能够捕捉到与地震密切相关的短临信息。

3.3 物理机制

基岩温度同震响应的物理机制比较清楚, 主要为同震应力变化及其次生流体效应(Chen et al., 2019; 陈顺云等, 2020; Liu et al., 2020)。 如前文所述, 在伽师地震时也观测到了清晰的与地震有关的同震温度响应, 从幅值上看, 可分为0.1mK和50mK 2类。 1)第1类, 即0.1mK, 存在明显的阶跃特征, 应为同震应力变化所致。 关于同震响应的应力量级, 根据应力变化与温度响应的量级关系1.0mK/MPa(刘培洵等, 2004; 陈顺云等, 2009; Yang et al., 2017)可知, 西克尔和伽师总场台站0.1mK的变化大致对应0.1MPa的应力变化。 另外, 在同震温度响应的张压特征方面, 由于不同深度和台站的观测值均显示同震升温, 意味着该区具有挤压增强效应, 这与InSAR观测到的变形状态是一致的(李成龙等, 2020; 温少妍等, 2020)。 2)第2类, 即50mK, 考虑到同震升温后观测值存在指数形式衰减的特征, 故不能简单地解释为应力的直接温度响应, 更可能的原因是流体的次生效应。 尤其是2020年1月18日5.4级地震同震温度上升后很快便恢复, 更凸现出流体效应的特征。

通过上述分析可知, 与地壳应力变化直接产生的温度变化相比, 次生流体效应引起的温度变化更加显著, 这意味着震前温度突然变化可能与局部流体效应密切相关。 鉴于测点已由水泥灌封, 限制了流体的自由流动, 故此处所述的流体效应指局部封闭空间的流体在外力作用下产生的局部运移效应。 考虑到这些震前的基岩温度变化产生于发震断层(带)的某些特定深度, 认为其可能源于临震前断层的局部应力变化扰动了孔隙内部的流体, 使流体发生运移, 从而导致温度变化。

3.4 同震响应的意义

通过上文的分析可以看到, 同震变化是比较清楚的, 但是震前变化并未呈现出明显的规律, 这可能说明了地下构造的复杂性, 也预示着异常判别的复杂性。 通常, 根据地震预报研究的经验, 在判别震前异常时首先应该有一个正常背景, 在这个背景上才可能看出异常, 此外还要排除各种可能的干扰。 实际上, 在前兆物理机制尚不明确的前提下, 寻找 “ 正常” 本质上同寻找 “ 异常” 一样困难。

尤其是震前的信息, 与同震响应相比更加微弱且难以辨别。 在震前变化的物理原因不太明晰的情况下, 若能从温度变化过程中寻找出更为确定的信息, 对于理解震前的变化现象是有帮助的。 一般来说, 同震响应是较为确定的信息, 是可能作为判断某一信息是否与地震相关的依据。 一个与地震有关的信号, 其在震前出现异常, 同震时应达到峰值, 震后减弱或消失, 这似乎是一个合理的假设。 如果出现同震响应, 至少可以说明这种变化与地震有关, 从而可为异常变化提供一个较为明确的依据。

通过上文的分析, 从时间过程看, 温度观测值在震前的变化较小, 地震时达到峰值。 同时, 地震发生时多个台站均出现了清晰的同震响应。 以上现象预示了这种始于地震发生之前的、 空间上和时间上均与地震密切相关的变化, 有可能是一项与地震前兆有关的物理信息。

4 结论

2020年1月19日新疆伽师发生MS6.4地震, 地震发生在基岩温度台网的观测范围内, 且西克尔台站距离伽师MS6.4地震的微观震中仅约1.3km, 这为分析地震发生前后的地温变化提供了机会。 经过归纳, 该次地震前后的基岩温度观测值存在下列特征:

(1)伽师MS6.4震前或地震时均出现了清晰的地温变化。 同震响应的出现意味着这些震前变化与地震相关, 甚至可能属于前兆信号。

(2)时间上, 伽师地震前的基岩温度先是在原来稳定背景上出现异常(图 2a), 异常变化达到峰值后回落, 再经过一段时间后发生地震。 临近地震时, 观测值呈现出明显的加速上升变化, 地震时的变化幅度(短期内)达到最大(图 2c)。 这种临近发震所呈现出的加速特征可能与地震亚失稳过程有关。

(3)空间上, 短临前兆信息出现在发震断层带或其附近区域, 而在距离发震断层较远的测点基本没有观测到明显的异常信息, 这预示着短临前兆属于 “ 近场” 信息。 从深度上看, 只有局部深度的位置能观测到震前变化, 前兆观测在深度上存在明显的不确定性, 理想情况下应开展多深度联合观测, 避免漏掉重要的前兆信息。

(4)结合2014年11月22日康定MS6.3地震的观测数据进行对比分析, 结果显示: 与伽师地震类似, 在康定MS6.3地震前发震断层或附近区域的基岩温度测点也出现了明显变化, 这意味着伽师地震前的温度变化并不是孤例。

总之, 从地震前后的基岩温度变化来看, 前兆信息具有近场、 构造相关及对应力变化敏感的特征。 从本文结果来看, 短临前兆信息生成于发震断层或附近, 这与强震往往与活动断层断裂带相关的认识是一致的。 然而, 震前异常仅可在某一深度位置被发现, 表明基于某一特定深度部位的前兆观测可能会漏掉很多重要的信息。

基岩温度是一项可提供地壳应力动态及流体运移方面信息的新的地球物理观测量。 该项观测已经历了超过10a的发展, 并取得了一定进展(陈顺云等, 2020; Liu et al., 2020)。 然而, 距离其成为有效的前兆观测手段还有很长的路要走。 尤其需要注意的是: 1)目前, 基岩温度呈现前兆异常特征的只有2个震例, 震例少之又少。 这主要是由于强震本身属于小概率事件, 又难以预测, 与此相关的 “ 近场” 前兆信息积累更加缓慢。 2)考虑到同震的、 与应力变化直接相关的温度响应量值均较小, 震前的这种幅值明显高出1个数量级的温度变化可能属于震前应力变化引起的次生流体效应, 这意味着开展地壳应力变化产生的次生流体热效应定量化模型研究对于地震前兆观测可能具有重要的实际意义。 3)仪器的稳定性和灵敏度有待进一步完善, 以尽量避免发现异常却怀疑仪器运行不正常的尴尬情形。 总之, 围绕具有中长期预测意义的活动断层带或在其附近开展多深度的基岩温度异常演化过程观测, 可能能够获得具有实际意义的前兆信息。

致谢 新疆维吾尔自治区地震局喀什地震台余新等参加了野外观测点的建设和维护等工作; 陈杰研究员协助选定了野外测点; 马胜利研究员和单新建研究员为项目的实施提供了帮助; 中国地震局第二监测中心祝意青研究员与审稿专家提供了详实的修改建议。 在此一并表示感谢!

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