裂隙水(裂隙水和孔隙水的區別)

更新時間:2023-03-01 17:33:05 閱讀：評論：0

文章轉載自“中國礦物巖石地球化學學會”

近期地震頻發，人民生命安全和財產安全遭受巨大損失，我們積極探索地震預測的方法，泉水是地下水的天然露頭，涓涓細流帶來地球深部的信息，我們可以通過觀測泉水的哪些方面來了解地震，泉水與地震又有哪些深度的聯系呢？一起來看看吧！

泉水知地震

周銳，李營*

（中國地震局地震預測研究所，北京）

泉水能感知地震嗎？

泉是地下水的天然露頭是地下水或者地下含水層天然出露地表的地點含水層或含水通道與地面的相交處地下水涌出地表沿著固定的出口源源不斷地流出，被稱為泉，而流出的地下水則稱為泉水按照不同的分類依據，泉有著不同分類。根據補給泉的含水層性質，可分為上升泉和下降泉；根據泉的出露原因，可分為侵蝕泉、接觸泉、溢流泉、斷層泉等；根據泉水的溫度，可分為冷泉、微熱泉、溫泉、熱泉和高熱泉；根據地下水循環深度，可分為表層泉、淺循環泉和深循環泉。泉水含有一定量礦物質、微量元素和可溶性氣體組分等，這些成分大多與地下水流經區的巖石礦物組成、巖漿活動、水、氣體、生物等因素有關，通常情況下，泉水的化學成分、流量、水溫、pH等動態在天然波動范圍內相對穩定。泉水，特別是經過深循環長時間礦化所形成的礦泉水，常被用于醫療和衛生保健，符合飲用水標準的也常作為飲用水源。除了醫療保健和飲用功能之外，泉水也常常被用于地震監測預報及地球科學研究。

在中國，川滇、青藏高原東北緣、中天山、郯廬斷裂帶及鄰區、北京西北和福建沿海等地廣泛分布有可用于地震監測預報的泉（馬玉川等，2015）。它們有些屬于斷層泉、上升泉，與斷裂構造具有較好的空間相關性。高中溫熱泉密集帶常屬地震活動的強烈區，但是強震區不一定高中溫熱泉密集。水溫大于25℃的溫泉，其泉水大都來自地下深部，而非淺層地下水系統。溫泉的形成與地下水深層循環加熱有關，因此用于地震監測預報的泉也大都為溫泉、熱泉、高熱泉。

地震是地球內部長期積蓄起來的巨大能量從某一有限區域內突然釋放出來而引起大地震動的一種現象，所產生的震動以波的形式從震源向四周傳播，這種波動被稱為地震波。

地震波作用過程，可能使地下含水層局部區域介質發生形變，影響地殼介質的滲透性，進而改變地下水流流程或流速，造成泉水溫度、流量、水化學組分等的變化。

溫泉水中的氡氣、水溫和流量對地震具有同震響應，例如云南省龍陵邦臘掌溫泉水就存在同震變化。這一現象說明溫泉水與地震活動之間存在一定聯系，泉水可以作為地震地下流體觀測的手段之一。其機制可以通過冷水下滲作用來解釋：在地應力作用下，含水層變形，含水層內孔隙壓力發生變化，引起泉眼和含水層系統內水流變化，從而引起水溫、水量和水化學組分的變化。遠場大震造成巖石裂隙增多，孔隙增大，裂隙內的水發生了短時間、短距離的運移，與含水層內的水發生了混合，改變原來泉水的性質。一旦儲存的裂隙水不足，下滲水量逐漸減少，最終停止，含水層中水的化學成分逐漸恢復為原有成分。而上層冷水的混入會降低斷層泉來源于深循環的地下水水溫。地震會引起地下水位、水溫、流量和水化學組分等水文變化，這一過程的機理可以通過靜態應力變化模型和動態應力變化模型來解釋：一種是斷層滑動引起的量級較小而持久的靜態應力變化，另一種是地震波傳播引起的量級較大而短暫的動態應力變化。斷層面滑動造成的靜態應力變化，會隨距離增大而較快衰減，僅適用于解釋震中距小于一個破裂長度以內的近場變化，也即是距震中的地面距離小于地震造成的斷層破裂長度（范圍）。如同震水位階躍變化可用含水層不排水的壓縮或膨脹來解釋[注：同震水位階躍變化是指地震波在傳播過程中，沿途井孔含水層發生應變而引起的水位階躍變化]。而中場和遠場（震中距大于1000 千米）變化則只能通過動態應力變化進行解釋。裂隙淤積顆粒的清空以及滲透率的增大是中場和遠場同震水文變化的主要原因。地震波能夠引起地下介質如巖石、流體等滲透率的增大，并在震后滲透率快速恢復。水化學研究也證明了這一點，地震前的應力積累也能使微裂隙張開或閉合，從而改變含水層的滲透率。震前應力增大致使裂隙張開，形成通道，地球深部氣體會沿這一通道快速上升，并隨泉水一道溢出地表，相應的泉水的氣體組分濃度也會發生變化。這一過程，已被巖石高壓物理模擬實驗所驗證。因此，通過監測泉水的特定指標的變化，就有可能捕捉到地震引起的地下流體的前兆異常——泉水知地震，不單是地震同時“知”（觀測），人們更希望是地震提前“知”（預測）。

泉水地震監測預報的思路

按照前兆成因、特征和在地震預報實踐中意義的不同，地震的前兆異常被分為源兆、場兆和遠兆。

源兆是指震源形成或演變過程中震源區（震中區及鄰近區域）出現的各種異常信息，其出現范圍往往與地震震級有關。場兆是指在震源區以外出現的分布于區域應力場范圍內的地震前兆異常。這些異常通常會出現在與震源區構造上存在關聯的地方或者是區域應力場構造格架的敏感點上。遠兆是指在一個大地構造區域之外出現的強震前兆異常。通過監測泉水（溫泉）的水文變化進行地震預測研究更多是利用的是源兆（車用太和魚金子，1997）。科研人員通過流動觀測和定點觀測方式，對活動斷裂帶上，特別是地震危險性較高的斷裂帶上天然出露溫泉的某一特定指標的背景值進行調查，得到沿斷裂帶分布的各溫泉觀測點位該指標的正常波動范圍。當該指標發生顯著變化或者脫離正常波動范圍（或年際變化），則視為該指標的異常。當異常出現后，首先需要判斷該異常是否與構造因素相關，還是與其他自然因素如氣象、潮汐等因素有關，或者與人類活動有關。比如，抽水作業可能造成泉水水氡的異常，在開展以地震預測為目的監測時，應當排除非構造異常。

泉水地震監測預報的指標

為了尋找具有地震預測意義的泉水指標，通常會利用某一地震前后的溫泉觀測資料進行回顧性分析，選擇可能來自地殼深部的流體組分，或者能夠反映深部情況指標的地震前后變化，在排除非構造的干擾因素后，再判定該指標是否具有地震前兆指示意義，以及前兆異常與地震在時間上具有何種關系。通過研究，篩選出可供地震預測研究使用的溫泉監測項目和指標。選擇具有地震預測意義的溫泉觀測指標，是利用溫泉進行地震監測預報的前提之一。

目前溫泉觀測的指標主要有泉水的溫度、流量以及泉水的水化學組分和溫泉氣體組分。其中利用溫泉開展的水文地球化學綜合觀測在地震預測研究中具有重要的作用。此外，溫泉中的微生物也能夠感知生存環境的變化，并在環境脅迫下出現種類的改變，這也可能成為地下水監測和地震預測手段（杜建國等. 2018；李營等，2021）。

中國的泉水地震監測預報

中國溫泉水溫觀測具有較長的歷史，比如四川理塘毛埡溫泉(圖１)、云南龍陵邦臘掌（圖２）溫泉均積累有40多年的觀測資料。據研究，理塘毛埡溫泉是川西地區的地震異常敏感泉，自有記錄以來，其水溫在很多強震前都出現了明顯的異常變化——主要以突升—回落—發震和突升—持續—發震異常為主，其下降異常變化也能對應地震，但映震效果明顯不如上升異常顯著。圖１四川理塘毛埡溫泉圖２云南龍陵邦臘掌溫泉

除了水溫外，溫泉的水流量觀測在中國也有很長的歷史，比如1985年烏魯木齊10號泉就開始了泉水流量觀測（圖３）。烏魯木齊10號泉的地震前兆異常，基本上是正異常，且具有較好的重復性，泉水流量從背景值趨勢上升或突升達到最高值后，再經過趨勢性下降或突降，恢復到背景值，地震常常發生在流量由高變低的過程中（高小其等，2001a）。可見烏魯木齊10號泉流量具有映震的敏感性。

圖３烏魯木齊10號桌而當今利用泉水觀測開展地震監測和預測研究最為活躍的領域之一，是溫泉的水文地球化學地震前兆異常。溫泉的水地球化學綜合觀測項目多達數十種，包括泉水的常量組分、微量組分、氣體組分、同位素組分，等等。溫泉水化學種類繁多的測項，給探索新型地震靈敏觀測指標提供了新的可能，同時也為系統構建多震區或構造復雜區的水文（氣體）地球化學模型，研究區域地下流體地震前兆機理提供了理論支撐。探尋地下水化學組分蘊含的地球深部信息，獲取來自震源和深部流體的、對地震反映敏感的組分，是未來溫泉水文地球化學研究的一個重要方向。

溫泉的水化組分觀測

相較于溫度、流量的觀測，溫泉的水化組分觀測更為復雜，需要進行分析測試，并且測試周期相對較長、分析成本較高，很多測項連續觀測也存在較大困難。其中，較為成熟的是溫泉水氡的監測研究。

中國開展溫泉水氡的歷史較早，也較為普遍，比如云南下關塘子鋪溫泉在1970年就已經開始水氡觀測。下關塘子鋪溫泉的水氡前兆異常基本上是高值異常。其原因是，附近斷裂北盤和南盤地層氡濃度均高于溫泉，溫泉旁的冷溪水由地表裂隙侵入，溫泉水混合比相對恒定，溪水參與使水氡保持在較低水平上，當兩盤巖層發生應變時，地下水平衡遭到破壞，混合比發生改變，溫泉水氡出現高值異常（洪云良，1990）。

溫泉水的離子濃度異常，如Cl-離子濃度、SO42-離子濃度、Na+離子濃度等，也有一定地震預測意義。

溫泉水離子濃度異常可能與差應力對水巖反應的影響有關，在應力作用下巖石出現變形和微結構的改變,促進礦物溶解與沉淀和離子交換反應,以及釋放圈閉的流體，導致離子濃度產生異常。不同類型巖石的含水層，地震水化前兆監測的敏感成分也不同；因此，利用地下水常量組分濃度進行監測，其指標的敏感性可能具有區域性差異。泉水的微量元素組分中，B、F、Li、Sr元素大多來自深循環的地下熱水，其高值區受地應力場、地下流體和斷裂控制，其形成機制上具有同源性，是值得關注的溫泉水化靈敏組分，CH4也有映震靈敏性。比如，1983—2001年烏魯木齊9號泉、10號泉多次出現F-離子濃度異常，存在背景值—脈沖式突升—最高值—突降—恢復至背景值的變化規律，地震常常發生在恢復背景值后數天或數十天,僅有個別地震發生在F-離子濃度達最高值時（高小其等，2002）。此外，溫泉水汞也有良好的映震敏感性，如北京延慶松山泉、甘肅通渭溫泉等。泉水的氣體化學組分同樣是溫泉地震監測關注的重點，包括N2、CO2、Ar、CH4、He、H2等。斷層是氣體由地球深部向大氣運移的通道。溫泉與地震活動相關的氣體釋放機制能夠解釋為應力作用下巖石加速微破碎造成的噴氣效率增加。H2和He是反映地殼應力變化較為靈敏的組分，它們質量輕、粘度小、擴散和滲透系數大，具有極強的遷移能力，有較強的映震靈敏度。比如，烏魯木齊10號泉水中的溶解氣CH4，震前基本上呈正異常，一般在CH4含量由高值變低時發震（高小其等，2001b）。溫泉氣體的同位素比值也是具有前兆意義的指標。比如，3He/4He的比值、二氧化碳氣體的碳同位素組成，不僅能夠示蹤溫泉氣體的來源，得出幔源、殼源成分的比例，而且地震前后幔源、殼源氣體混合比還可能因幔源物質的匯入而發生變化。溫泉水化學組分和氣體的監測不僅依賴扎實的理論和實驗基礎，還有賴于觀測技術的不斷創新，需要逐步實現在線連續觀測，逐漸降低觀測的成本，增強觀測的時效性。此外，近年來泉水微生物的地震前兆觀測也逐漸進入人們的視線，生物指標作為新興的觀測手段，泉水環境微生物生存依賴于泉水特有的理化條件。比如，烏魯木齊10號泉細菌群落結構和多樣性與H2S、CH4和F-水文地球化學指標有顯著正相關關系，并且受多種水文地球化學指標的共同影響 (張強等，2012a；張強等2012b)。泉水微生物的地震前兆及其機理研究為泉水地震前兆觀測提供了更多選擇的可能。

泉水地震預報的復雜性

作為一種重要的地震監測預報研究對象，泉水可能攜帶有深部構造活動信息，是一種重要的短臨預測手段，有時還能表現出中期異常（孔令昌等，2012）。但是，目前科研人員還沒有找到泉水的水文地球化學指標、微生物與地震發生之間的一一對應關系。觀測泉點的水文地質結構包括泉水補給區、水和巖石的強烈作用區、排泄通道和出露泉點。泉水的地震孕育信息主要形成于流經水和巖石的強烈作用區。孕震初期，巖石或巖層是處于比較穩定的應力積累狀態。如果地下水貯留時間長，則泉點產生的趨勢異常很難表現出來；時間短，則由于水和巖石的反應遲緩，泉點很難產生趨勢異常。臨震階段，巖石的破裂程度及壓溶作用等加強，水巖作用也隨之加強，有一些地下水貯留時間較長的泉點也能表現出臨震異常。對于這種泉點，臨震異常主要是地下水通道末端化學環境和應力場的表現，在通道中前部產生的異常則可能在泉點表現不出來或衰減在流體通道中（潘樹新和高安泰，2001）。有的地下水年齡較小的冷泉，在臨震階段由于孕震作用的加強，能夠產生臨震異常，如四川姑咱泉在1976年松潘–平武7.2級地震前泉水的水氡就有臨震突跳（圖４）（官致君，2006）。圖４四川姑咱泉水氡日測溫曲線（官致君，2006）

一些地下水年齡適中的冷泉和低溫溫泉在中強地震前能夠表現出較完整的異常形態，如1989年山西大同-陽高6.1級地震前北京延慶松山泉水汞異常等（圖5）（張肇誠等，2000）。這類泉點對地下環境的變化較為敏感，能夠將通道中的異常也反映出來。

圖5 北京延慶松山泉水工含量變化曲線（張肇誠等，2000）地下水年齡較大的溫泉，在地震前多出現短臨異常，且形態多樣，其短臨異常主要是通道末端形成的。大多數溫泉地處新構造活動強烈區，孕震作用往往能夠破壞通道的封閉性，造成異常形態的多樣性。例如，1988年瀾滄7.6級地震前云南下關溫泉水氡存在突跳(圖6) （尹秀如，1992）。圖6 云南下關溫泉水氡日均值曲線（尹秀如，1992）

事實上，正是由于泉點的水文地質條件，構造部位不同，巖性等因素不同，才造成泉點的映震能力不同。有的泉點震前并不存在異常，存在前兆異常的泉點其異常的表現形式也很可能是不同的。例如，1996年云南麗江7.0級地震前，未觀測到處于震中區的甘澤泉存在趨勢異常和短臨突發性異常現象（羅灼禮和王偉君，2008）。因此，單純依據某個泉點的異常來進行地震預報是很不可靠的。

在大震孕育過程中，不同臺站（位置）的不同學科（如地磁、地電、形變等）前兆觀測手段呈現具有時間節律、空間有序的趨勢異常；臨震異常在時間、空間分布上都是不均勻的, 震中區的突發性異常, 開始相對平靜, 臨震時才猛增。以泉水作為觀測對象，需要從時間、空間結構的統一性來研究地震前兆,從整體上抓住地震前兆的復雜性本質。正確理解短臨前兆的復雜性,是地震預報的關鍵（羅灼禮和王偉君，2008）。因此，在泉水地震前兆異常分析識別中，要重視泉點單個測項和多測項異常的關系，單泉點和多泉點異常的關系，單泉點、局部和區域異常的關系，泉點異常與其他學科異常之間的關系（王廣才和沈照理，1997）。

泉水叮咚，涓涓細流中蘊含著一絲來自地球深部的聲音；透過它，人們或許能在山冢崒崩前感知出那來自震源的微弱的信息。溫泉地震前兆研究的魅力就在于揭開泉水神秘的面紗，解讀地殼深處發出的地震的“預警”信號。盡管，現在還不能準確預報地震，但是隨著科學技術的不斷進步，泉水地震前兆監測手段將不斷豐富，區域性水文地球化學的認識也將日益深入，基于泉水的地震預測方法在地震預測研究中也必將會發揮越來越重要的作用。