松原M_S5.1地震前断层.学特征与热红外异常响应研究_李继业.pdf

利用多种气体开展联合观测是捕捉地震前兆异常的有效途径。氢、汞观测作为地震短临预测主要手段和前兆指标，在揭示地下（断裂带）流体与地震孕育、发生关系中发挥着重要的作用。通过在黑龙江肇东观测井开展断裂带土壤气、野外定点联合观测试验，对 年月 日吉林松原宁江主震及其余震序列的震兆关系进行对比分析，结果表明：（）断裂带土壤气、浓度在宁江地震前分别存在个月的短期异常和天的临震异常，二者在主震前后表现形式以及频谱特征均存在较大差异，这可能与氢、汞特性和孕震机理有关；（）断裂带土壤气、浓度在宁江主震及余震时段均存在高值异常，主要表现为“高值异常恢复正常发生主震震后高值异常恢复正常发生较强余震”，具有持续性、可重复性和配套性的特点；（）吉林松原宁江地震前后肇东断裂带土壤气、地球化学特征与震中区附近热红外异常具有响应特征，主要表现为“土壤气峰值异常震中区热红外高值异常发生主震土壤气 峰值异常震中区热红外异常下降土壤气、震后次高值异常发生强余震”的特点。以上认识，为松辽盆地开展断裂带土壤气地球化学特征与热红外异常响应研究提供参考。关键词：地球化学；土壤气体；热红外；松原地震；响应特征中图分类号：；文献标志码：文章编号：（）：，（.，；.，；.，）：，（），（），（），“”，（），“”：；引言越来越多的震例研究表明，断裂带土壤气、等活跃组分与地壳应力状态和地震活动关系密切。利用多种气体开展联合观测是国内外地球化学研究、捕捉地震前兆异常的有效途径，在地震监测预测工作中具有广阔的应用前景。研究表明，断裂带、火山和洋脊等地壳薄弱的部位，是地下气体的集中逸出带 ，特别是断裂带的气体排放对断层活动性具有指示意义，其中，氢气是一种能够指示断层活动性的有效手段，氢气逸出与断层运动、地震发生直接相关。研究表明，汞是指示断裂活动的灵敏组分，断裂带 主要受深源供给的控制，浓度的升高可能与地震活动增强有关。土壤气 变化特征可以应用于研究断层活动状态，张磊等 研究了安宁河断裂带 地球化学特征与构造活动之间的关系。最新研究认为，断层气与 对于呼图壁储气库内气压变化的响应较为灵敏，是反映区域压力变化的有效气体测项，并且二者变化机理可能是一致的。总之，氢、汞观测是地震短临预测手段和前兆指标，在揭示地下（断裂带）流体与地震孕育、发生关系中，均发挥着重要的作用 。强祖基等 研究认为，热红外异常是地震时构造板块摩擦，使得岩体内的温室气体沿着断裂缝隙逸出，也称作“地球放气”，惰性气体被低空电场电离后形成各种波段的红外光。姚休义等 采用中国静止气象卫星 连续亮温数据，利用小波变换法分析了 年吉林松原震群和 年吉林松原宁江地震前，震中附近热红外亮温相对小波能谱的时空演化特征。为深入研究 年月 日吉林松原宁江地震前，断裂带土壤气与热红外异常响应特征，本 文 应 用 便 携 式 测 氢 分 析 仪 和 便携式测汞仪，在黑龙江肇东开展土壤地震工程学报 年气、浓度野外定点联合观测试验，分析土壤气背景动态变化特征，提取 年月 日吉林松原宁江地震前兆异常特征，结合震中区热红外长波辐射异常，分析可能存在的异常机理，为松辽盆地土壤气地球化学特征与热红外异常响应研究提供参考。研究区概况黑龙江肇东观测井位于松辽盆地滨州断裂与扶余肇东断裂交汇附近，地理位置为肇东市民主乡陶志屯（、）。肇东井位于扶余肇东断裂东南隆起区，主要受扶余肇东断裂控制（图）。扶余肇东断裂是松辽盆地主要发震断裂之一，据史料记载，年吉林前郭4地震发生在扶余肇东断裂与松花江断裂交汇附近，为松辽盆地历史上最早记载的地震；年月吉林乾安地震、年 月吉林松原震群均发生在该断裂南端，年月、年月、年月吉林松原宁江、地震发生在该断裂与松花江断裂交汇处。图区域构造断裂及历史地震 观测方法与数据处理观测方法根据高寒地区气候特点，定点观测井尽量选取冻土层薄的地区布设，肇东地区最大冻土层深度约，钻探深度需穿透冻土层，因此钻探深度为，其中 以下为气体集气腔（图）。为了减少地表气温、气压变化和降雨对土壤气观测的影响，肇东观测井集气装置采用地下室深埋方式，地表连接测氢仪和测汞仪，井口加盖特制井盖。观测井底部为砾石层气体集气腔，每次采样后，深部气体透过砾石层不断向集气腔汇集，进而达到新的平衡，进行定期连 续观 测 能 更 好 地反映断 层 气 浓 度 真 实 变化 。考虑到各种幔源气体中，的穿透能力最强，其扩散速度远大于其他气体，野外土壤气、定点连续观测采样周期以 为主，间隔 测量一组数据，以便获得更真实的野外观测数据。图肇东野外定点联合观测示意图 观测仪器野外观测选用的仪器为 便携式氢分析仪和 便携式测汞仪（表），氢气于 年 月开始观测，气汞于 年月开始观测。数据处理 年共取得肇东土壤气、浓度观测数据有效样本 个。其中，测氢仪每组个测值，每次采样间隔 ，采样时长共计 ，测汞仪每组个测值，每次采样间隔 ，采样时长共计 。由于篇幅关系，在此仅列举肇东土壤气、单日峰值异常数据变化（图）。月日、日土壤气浓度出现高值异常，具有持续性，达到异常峰值后呈现下降趋势，这一点与以往观测规律较为一致。土壤气 浓度高值异常则表现为突发性，第 卷 第期李继业，等：松原地震前断层土壤气、地球化学特征与热红外异常响应研究即仅有单日出现高值异常，而在一组数据中也多为首个采样点，这可能主要与气体、的地球化学特性有关。因此，野外采样时，选取一组数据中最大值作为当日的观测值进行分析。表观测仪器主要参数 主要参数 便携式测氢分析仪 便携式测汞仪量程 零点漂移检出限 （）低检出浓度 重复性（精密度）平均相对误差相对标准偏差线性度（相关系数）采气流速 整机平均耗功 使用温度 储藏温度 使用湿度 图肇东土壤气、浓度高值异常特征 观测数据分析松原宁江地震据中国地震台网测定，年月 日时 分（北京时间）吉林松原宁江（，）发生 地震，震源深度 ，为东北 地区 年最大地震，距离肇东井 。地震前天，月 日震中区接连发生、两次显著地震，地震后 天，月日发生最大余震，截止 年年底，震中区共记录级以上地震次，级以上地震次，级以上地震次（表），级以上地震 次，级以上地震 次，级以上地震 次。通过 年宁江次级以上地震震源机制地震工程学报 年解可以发现，余震与主震震源机制解较为一致，震中区 年以来次及以上地震震源机制均为走滑型，表明该地区应力水平较高，且主要受到统一构造应力场的影响 图（）、表。可见，宁江地震为区域构造应力场作用下发生的一系列构造地震。由图（）可知，吉林松原宁江地区历史地震以北西向且具有一定逆冲分量的左旋走滑破裂为主，震中区震源机制优势节面走向 ，与松花江断裂走向一致；优势轴方位 ，即优势主压应力轴方位近东西向，这一方向与西太平洋板块向欧亚大陆俯冲主压应力方向较为一致。有研究指出，松原宁江地震发震构造与东北地区区域构造应力场密切相关，可能与太平洋板块俯冲远程效应有关，与油田驱油注水无直接相关。表 年松原宁江主震及余震震源机制解（），（）序号时间年月日三要素（）（）震级（）震源节面参数走向（）倾角（）滑动角（）走向（）倾角（）滑动角（）图松原宁江震中区应力分析 异常特征通过多年连续观测，发现肇东土壤气、浓度背景变化较为稳定，通过图计算分别得到 年肇东土壤气 浓度背景值为 ，高于大气中氢气的含量（左右），低于新疆阿克苏断层氢气映震最优阈值 ；年肇东土壤气 浓度背景值为 ，与河北雄安新区土壤气体 浓度背景值 较为接近。研究表明，氢气异常一般表现为震前出现大幅度突跳异常，肇东土壤气 浓度在主震前个月出现高值异常，异常峰值出现在主震前个月，表现为短期异常，震前高值异常是震后高值异常倍，分别为背景值的 倍和 倍 图（）、（）；土壤气 浓度则在主震前天出现高值异常，表现为临震异常，震后高值异常是震前高值异常的 倍，分别为背景值的 倍和 倍 图（）、（）。构造活动使断层封闭性发生改变，驱动流体流动和气体逸出，使流体活动作用增强，表现出地下水第 卷 第期李继业，等：松原地震前断层土壤气、地球化学特征与热红外异常响应研究图黑龙江肇东土壤气、浓度野外定点联合观测时序图及频谱分析（日值），（）组分、土壤气体在震前发生浓度变化。应用变换频谱分析，研究土壤逸出气中痕量氢的日变化动态，分析潮汐作用下周、月频谱特征，以此挖掘与地震孕育发生有关的信息。本文通过变换频谱分析，发现肇东土壤气 浓度高值异常周期主要为 天和 天，异常峰值集中在 天，优势周期主要是 天，整体上表现为释放周期短、释放时间较为集中并具有间歇性释放的特点。肇东土壤气 浓度高值异常周期主要为 天，异常峰值集中在 天，优势周期主要是地震工程学报 年 天，整体上表现为释放周期长、释放时间久并具有持续性释放的特点。综合土壤气、浓度频谱特征发现，异常峰值周期主要为一个月，优势周期为一周左右，可能体现了地震孕育过程中随着应力应变的增强，孕震区潮汐响应特征也发生了改变。伴随土壤气浓度峰值异常的出现，地震孕育也进入了短临阶段，这与肇东土壤气、浓度异常、松原宁江地震发生的时间进程是相符的 图（）、（）。同时发现，浓度高值异常最小周期要小于 浓度的最小周期 图（）、（），这些频谱差异主要与穿透力最强、迁移速度快，扩散速度远大于 的气体特性有关，这也是富集在土壤中的气体释放后，的平衡过程要比 快得多的主要原因。研究表明，水化学离子浓度（、等）同步下降异常，对未来两个月云南思茅井 范围内发生地震具有前兆意义。松原宁江地震前后两个月，肇东土壤气、浓度变化存在同步突跳异常，且异常形态较为相似，主要表现为“高值异常恢复正常发生主震震后高值异常恢复正常发生较强余震”的特点，值得注意的是，土壤气、浓度震后高值异常峰值均出现在主震后第天，伴随以上余震的发生，又出现多组高值异常。这一点与 年月 日松原宁江地震后天，跨断层（扶余肇东断裂）流动观测土壤气“出现高值异常恢复再升高余震发生”的过程较为一致，也表现出构造活动区土壤气 浓度明显高于外围地区的普遍特征。分析原因，可能是主震发生后，震中区附近大部分应力得到释放，剩余应力以余震方式缓慢释放，断裂带两侧的裂隙也趋于闭合状态，气体运移通道也接近关闭，土壤气体释放逐渐减少，气体浓度高值异常也渐渐减弱，直至恢复正常背景浓度。可见，肇东土壤气、浓度异常变化与宁江地震序列发展具有相关性，土壤气浓度异常变化与构造活动关系密切（表）。由于 年月 日松原宁江、年月 日松原宁江地震具有相同的发震构造、发震机理和孕震环境，并受到同一应力场的控制，使得这两次地震前，土壤气异常形态特征具有较好的相似性，同时也表明土壤气浓度高值异常具有可重复性，可为开展区域短临预测实践提供参考。表松原宁江地震与肇东土壤气、浓度异常关系 测项时段异常出现时间（月日）峰值出现时间（月日）异常峰值正常背景峰值与正常背景比值峰值与发震时间间隔土壤气 震前月 日月 日 天震后月 日月 日 天土壤气 震前月 日月 日 天震后月 日月 日 天热红外异常响应特征热红外长波辐射是指地气系统向外层空间发射的电磁波能量密度，又称为热辐射通量密度，其物理量观测的单位是。对长波辐射数据处理主要包括距平化处理和涡度处理。距平化处理是将每个月长波辐射涡度场值与该月多年平均涡度场值相减，绘制等值线，得到长波辐射距平场空间分布。为了找出变化幅度最大的高值点，在对长波辐射数据进行距平化处理的同时，还将不同网格点数据与相邻数据进行对比分析，得到长波辐射涡度场空间分布。本文采用 年以来 卫星观测数据，空间分辨率为 ，以年为窗长、天为步长，利用距平化处理和涡度处理方法，去除地形、地貌、长波辐射背景变化和季节性周期影响，对比分析研究区每月连续变化及异常区历年同期变化特征，提取出地震前热红外长波辐射异常信息。在判读震前热红外长波辐射异常时，重点识别其空间分布的孤立特征，它往往与活动断裂的空间分布有关，可能表明局部地区的热活动状态，揭示了中强地震前震中及其附近地区高值辐射异常与地气系统变化的关系，而非正常背景下大气环境或者太阳辐射引起的增强异常。根据震例回溯，同时满足涡度值异常界限 和前后一年最高（低）值两个条件，确定热红外长波辐射高（低）值异常区。张志宏等 利用中国静止气象卫星 数据，提取了松原 年和 年地震前亮温异常，均沿依兰伊通断裂和密山敦化断裂走向逐渐扩展，表现为异常存在于松第 卷 第期李继业，等：松原地震前断层土壤气、地球化学特征与热红外异常响应研究辽盆地的东部边缘，地震震中不在异常区内，年月 日地震前异常并不明显。本文则采用 卫星观测数据，利用涡度法时空扫描，提取了 年月 日吉林松原宁江地震前，热红外长波辐射涡度场值异常信息。年月松花江断裂与滨州断裂交汇处出现热红外长波辐射高值区，异常中心涡度值为 ，超出正常背景，为该区域地震前后一年的最高值，月 日在异常区中心吉林松原宁江地区发生地震，震后异常消失（图）。图松原宁江地震热红外空间涡度异常（）（）地震孕育过程中，随着应力逐渐接近岩石临界破裂状态，沿断裂带产生较多贯通地表的裂隙，地下逸出气体得到更多释放，导致地下岩层与地表的热对流加强，造成地震前卫星热红外辐射异常，且异常区主要沿震中附近的断裂带集中分布 。由于宁江地震为走滑型，余震空间分布又未呈现出与扶余肇东断裂或松花江断裂相近的空间优势分布，松原宁江地震前热红外异常空间展布以松花江断裂与滨州断裂交汇处为中心，异常区长轴方向与松花江断裂走向以及震中区优势节面走向、轴优势方位均较为一致，为进一步揭示发震构造提供佐证。等 研究认为，在富含地热和油气的区域，地震前出现热红外亮温异常现象的可能性更大。本文研究发现，热红外异常区面积约为 ，主要集中在吉林松原至黑龙江大庆一带，也是松辽盆地内部地热和油气田主要分布区，松原油田、大庆油田地区地热资源多、油气储量大、含量高并且构造断裂较为发育，特殊的构造位置和地震工程学报 年地质环境有利于深部气体沿着断裂或裂隙向地表释放。宁江地震震中区附近热红外与肇东断裂带土壤气定点联合观测异常具有一定的响应特征，主要表现为“土壤气 峰值异常震中区热红外高值异常发生主震土壤气 峰值异常震中区热红外异常下降土壤气、震后次高值异常发生强余震”特点（图），余震主要发生在土壤气、峰值和热红外高值异常后的下降阶段。可见，年吉林松原宁江地区地震前，断层逸出气高值异常与震中区热红外长波辐射变化具有明显的响应特征。图松原宁江地震热红外与肇东土壤气浓度异常响应特征 异常机理分析通常，地下岩体和土层孔隙中都存有、等气体。在一定的压力差、温度差下，沿地下裂隙由下向上不断迁移，并在不同岩性及构造环境下形成相对稳定的、聚集区。由于构造活动使断裂局部岩体温压和气体运移条件（主要是气体渗透扩散）发生改变，促使 逸出速率增加，逐渐聚集在深大断裂带附近。当地下应力环境发生改变时，地壳中的断裂（破碎带），尤其是新的活动断裂，为、提供了向地表运移的良好通道，使地球 深 部 的 土 壤 气、更 容 易 扩 散 到 地表，被位于特殊构造位置的观测井捕捉到。肇东土壤气、联合观测井位于滨州断裂与扶余肇东断裂交汇区，距离扶余肇东断裂仅为 ；松原宁江 地 震震中位于松花江 断裂和扶余肇东断裂交汇处，距观测井 。扶余肇东断裂具有逆冲兼走滑性质，当扶余肇东断裂一端出现应力积累或释放时，来自构造深部的气体更容易沿着断裂或裂隙向地表运移，造成扶余肇东断裂附近土壤气、浓度增高，位于扶余肇东断裂上盘的肇东观测井就更易于捕捉到高值异常（图）。可见，断层带土壤气、地球化学异常特征与断层活动性关系密切，在断层活动性上具有一定的指示意义。汞是一种化学性质比较稳定的元素，实际观测第 卷 第期李继业，等：松原地震前断层土壤气、地球化学特征与热红外异常响应研究中，肇东土壤气 浓度背景清晰，变化也较为稳定。本文研究发现，浓度在松原宁江地震震后高值异常更为显著，可能是由于震前构造断裂活动不明显，地下富集的气体向地表运移量有限，但在高温和压力作用下，汞蒸气有可能沿深部断裂或岩石裂隙向地表不断迁移，在不同介质覆盖层形成汞异常集中区。由于地震发生，断裂错动使得地下气体向地表传输通道被完全打通，促使富集在深部的大量气体沿着断裂或裂隙向地表运移，并促使早已滞留在地下岩石裂隙的气体集中、快速释放，造成松原宁江地震后土壤气 浓度是震前异常的 余倍。图松原宁江地震热红外与肇东土壤气浓度异常机理分析（据李继业等改绘）（，）关于震前热辐射成因研究，主要基于构造应力应变能释放的过程，地震发生是构造活动应变能长期蓄积（热能也相随蓄积）而突然释放的结果，地表介质的热状况及其变化物理实质，就体现在辐射能力高低上。马瑾等 研究认为，地震前后的热信息变化与同震形变异常存在关联，温度场变化与活动构造带密切相关。在地壳运动大范围受力作用背景下，随着孕震构造区应力应变不断加强和集中，孕震区所在地块整体从震源至地表都将处于热能不断积累、温升不断增大的状态，相对非孕震区地块类似一个“热源”，这也是卫星遥感经常在孕震构造区域附近监测到热红外辐射增强的原因 。松辽盆地是我国东部地区构造活动最为强烈的地质构造单元之一，扶余肇东断裂又为近年来吉林松原一系列中强地震的主要发震构造，在地震孕育过程中，断裂构造活动一方面会导致 ，等“温室气体”释放增强，地下排放气体在太阳直接辐射和地表再发射的红外辐射双重作用下，使地表温度逐渐升高，使得发震构造附近出现热红外异常信息；另一方面由于孕震区应力状态改变，打通了地下长期富集的深部气体向地表运移的通道，断层气、等沿构造断裂集中释放，使得地表发震构造附近容易记录到地球化学的显著异常。同时，松原宁江地震震中位于松辽盆地地热和油气田主要富集区，构造断裂或裂隙较为发育，深部富集气体对应力变化更为敏感也是需要考虑的因素之一，在断裂或裂隙上方逸出浓度更加显著，气体辐射增温效果也就更加明显。可见，断裂带土壤气高值异常与热红外长波辐射异常同步响应，为揭示震中区孕震过程和岩石破裂的临界状态提供了参考。总结与讨论在孕震区主要活动断裂开展断层气测量和热红外观测，是捕捉地震前兆异常的有效途径。本文在黑龙江肇东开展扶余肇东断裂土壤气、野外定点联合观测试验，结合卫星热红外长波辐射信息，取得较好的观测结果，对 年月 日吉林松原宁江主震及其余震序列的震兆关系进行了对比分析，初步认识如下：（）肇东断裂带土壤气、浓度在宁江地震前分别存在个月的中期异常和天的短临异常，二者在主震前后表现形式以及频谱特征均存在较大差异，这可能与氢、汞特性和孕震机理有关。（）断裂带土壤气、浓度在宁江主震及余震时段均存在高值异常，主要表现为“高值异常恢复正常发生主震震后高值异常恢复正常发生较强余震”，具有持续性、可重复性和配套性的特点。（）吉林松原宁江地震前后肇东断裂带土壤气、地球化学特征与震中区附近热红外异常具有响应特征，主要表现为“土壤气 峰值异常震中区热红外高值异常发生主震土壤气 峰值异常震中区热红外异常下降土壤气、震后次高值异常发生强余震”的特点，余震主要发生在土壤气、峰值和热红外高值异常的下降阶段。地震工程学报 年在松辽盆地开展地球化学定点联合观测，目前处于野外观测实验和探索阶段，还需丰富、等多种气体组分观测进行综合分析，热红外长波辐射还需更高的时空分辨率。积累更多观测数据，深入挖掘地震前兆异常信息，不断总结经验、丰富震例，才能更好的揭示地球化学特征与热红外异常响应特征。参考文献（）李营，杜建国，王富宽，等延怀盆地土壤气体地球化学特征地震学报，（）：，（）：，黄春玲，王洪峰，李民，等断层气观测在夏县中心地震台的应用研究山西地震，（）：，（）：郭正府，郑国东，孙玉涛，等中国大陆地质源温室气体释放矿物岩石地球化学通报，（）：，（）：，王喜龙，李营，杜建国，等首都圈地区土壤气，地球化学特征及其成因地震学报，（）：，（）：，李继业，张彦吉，高研，等黑龙江肇东痕量氢野外定点观测实验与分析中国地震，（）：，（）：李娜，向阳，邢喜民，等 新疆阿克苏断层 浓度影响因素及映震效能分析大地测量与地球动力学，（）：，（）：刘洁，李营，陈志，等陇县宝鸡断裂带 气体地球化学特征及成因 地震研究，（）：，（）：，（），：，（）：杜建国，李营，崔月菊地震流体地球化学北京：地震出版社，：，高曙德，赵洁，王爱国，等西秦岭北缘断裂带土壤气定点监测与初步结果分析地震工程学报，（）：，（）：，（）：，（）：刘兆飞，李营，陈志，等吉兰泰断陷盆地周缘断裂带气体释放及其对断层活动性的指示意义地震学报，（）：，（）：，：，（）：粟启初，沿断层逸出的氢气对地震的诱发作用 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