观看地震科普简报（科普园地泉水知地震）

文章转载自“中国矿物岩石地球化学学会”

近期地震频发，人民生命安全和财产安全遭受巨大损失，我们积极探索地震预测的方法，泉水是地下水的天然露头，涓涓细流带来地球深部的信息，我们可以通过观测泉水的哪些方面来了解地震，泉水与地震又有哪些深度的联系呢？一起来看看吧！

泉水知地震

周锐，李营*

（中国地震局地震预测研究所，北京）

泉水能感知地震吗？

泉是地下水的天然露头

是地下水或者地下含水层天然出露地表的地点

含水层或含水通道与地面的相交处地下水涌出地表

沿着固定的出口源源不断地流出，

被称为泉，而流出的地下水则称为泉水

按照不同的分类依据，泉有着不同分类。根据补给泉的含水层性质，可分为上升泉和下降泉；根据泉的出露原因，可分为侵蚀泉、接触泉、溢流泉、断层泉等；根据泉水的温度，可分为冷泉、微热泉、温泉、热泉和高热泉；根据地下水循环深度，可分为表层泉、浅循环泉和深循环泉。

泉水含有一定量矿物质、微量元素和可溶性气体组分等，这些成分大多与地下水流经区的岩石矿物组成、岩浆活动、水、气体、生物等因素有关，通常情况下，泉水的化学成分、流量、水温、pH等动态在天然波动范围内相对稳定。泉水，特别是经过深循环长时间矿化所形成的矿泉水，常被用于医疗和卫生保健，符合饮用水标准的也常作为饮用水源。除了医疗保健和饮用功能之外，泉水也常常被用于地震监测预报及地球科学研究。

在中国，川滇、青藏高原东北缘、中天山、郯庐断裂带及邻区、北京西北和福建沿海等地广泛分布有可用于地震监测预报的泉（马玉川等，2015）。它们有些属于断层泉、上升泉，与断裂构造具有较好的空间相关性。高中温热泉密集带常属地震活动的强烈区，但是强震区不一定高中温热泉密集。水温大于25℃的温泉，其泉水大都来自地下深部，而非浅层地下水系统。温泉的形成与地下水深层循环加热有关，因此用于地震监测预报的泉也大都为温泉、热泉、高热泉。

地震是地球内部长期积蓄起来的巨大能量从某一有限区域内突然释放出来而引起大地震动的一种现象，所产生的震动以波的形式从震源向四周传播，这种波动被称为地震波。

地震波作用过程，可能使地下含水层局部区域介质发生形变，影响地壳介质的渗透性，进而改变地下水流流程或流速，造成泉水温度、流量、水化学组分等的变化。

温泉水中的氡气、水温和流量对地震具有同震响应，例如云南省龙陵邦腊掌温泉水就存在同震变化。这一现象说明温泉水与地震活动之间存在一定联系，泉水可以作为地震地下流体观测的手段之一。

其机制可以通过冷水下渗作用来解释：在地应力作用下，含水层变形，含水层内孔隙压力发生变化，引起泉眼和含水层系统内水流变化，从而引起水温、水量和水化学组分的变化。远场大震造成岩石裂隙增多，孔隙增大，裂隙内的水发生了短时间、短距离的运移，与含水层内的水发生了混合，改变原来泉水的性质。一旦储存的裂隙水不足，下渗水量逐渐减少，最终停止，含水层中水的化学成分逐渐恢复为原有成分。而上层冷水的混入会降低断层泉来源于深循环的地下水水温。

地震会引起地下水位、水温、流量和水化学组分等水文变化，这一过程的机理可以通过静态应力变化模型和动态应力变化模型来解释：一种是断层滑动引起的量级较小而持久的静态应力变化，另一种是地震波传播引起的量级较大而短暂的动态应力变化。

断层面滑动造成的静态应力变化，会随距离增大而较快衰减，仅适用于解释震中距小于一个破裂长度以内的近场变化，也即是距震中的地面距离小于地震造成的断层破裂长度（范围）。如同震水位阶跃变化可用含水层不排水的压缩或膨胀来解释[注：同震水位阶跃变化是指地震波在传播过程中，沿途井孔含水层发生应变而引起的水位阶跃变化]。而中场和远场（震中距大于1000 千米）变化则只能通过动态应力变化进行解释。裂隙淤积颗粒的清空以及渗透率的增大是中场和远场同震水文变化的主要原因。

地震波能够引起地下介质如岩石、流体等渗透率的增大，并在震后渗透率快速恢复。水化学研究也证明了这一点，地震前的应力积累也能使微裂隙张开或闭合，从而改变含水层的渗透率。震前应力增大致使裂隙张开，形成通道，地球深部气体会沿这一通道快速上升，并随泉水一道溢出地表，相应的泉水的气体组分浓度也会发生变化。这一过程，已被岩石高压物理模拟实验所验证。

因此，通过监测泉水的特定指标的变化，就有可能捕捉到地震引起的地下流体的前兆异常——泉水知地震，不单是地震同时“知”（观测），人们更希望是地震提前“知”（预测）。

泉水地震监测预报的思路

按照前兆成因、特征和在地震预报实践中意义的不同，地震的前兆异常被分为源兆、场兆和远兆。

源兆是指震源形成或演变过程中震源区（震中区及邻近区域）出现的各种异常信息，其出现范围往往与地震震级有关。

场兆是指在震源区以外出现的分布于区域应力场范围内的地震前兆异常。这些异常通常会出现在与震源区构造上存在关联的地方或者是区域应力场构造格架的敏感点上。

远兆是指在一个大地构造区域之外出现的强震前兆异常。通过监测泉水（温泉）的水文变化进行地震预测研究更多是利用的是源兆（车用太和鱼金子，1997）。

科研人员通过流动观测和定点观测方式，对活动断裂带上，特别是地震危险性较高的断裂带上天然出露温泉的某一特定指标的背景值进行调查，得到沿断裂带分布的各温泉观测点位该指标的正常波动范围。当该指标发生显著变化或者脱离正常波动范围（或年际变化），则视为该指标的异常。当异常出现后，首先需要判断该异常是否与构造因素相关，还是与其他自然因素如气象、潮汐等因素有关，或者与人类活动有关。比如，抽水作业可能造成泉水水氡的异常，在开展以地震预测为目的监测时，应当排除非构造异常。

泉水地震监测预报的指标

为了寻找具有地震预测意义的泉水指标，通常会利用某一地震前后的温泉观测资料进行回顾性分析，选择可能来自地壳深部的流体组分，或者能够反映深部情况指标的地震前后变化，在排除非构造的干扰因素后，再判定该指标是否具有地震前兆指示意义，以及前兆异常与地震在时间上具有何种关系。通过研究，筛选出可供地震预测研究使用的温泉监测项目和指标。选择具有地震预测意义的温泉观测指标，是利用温泉进行地震监测预报的前提之一。

目前温泉观测的指标主要有泉水的温度、流量以及泉水的水化学组分和温泉气体组分。其中利用温泉开展的水文地球化学综合观测在地震预测研究中具有重要的作用。此外，温泉中的微生物也能够感知生存环境的变化，并在环境胁迫下出现种类的改变，这也可能成为地下水监测和地震预测手段（杜建国等. 2018；李营等，2021）。

中国的泉水地震监测预报

中国温泉水温观测具有较长的历史，比如四川理塘毛垭温泉(图１)、云南龙陵邦腊掌（图２）温泉均积累有40多年的观测资料。据研究，理塘毛垭温泉是川西地区的地震异常敏感泉，自有记录以来，其水温在很多强震前都出现了明显的异常变化——主要以突升—回落—发震和突升—持续—发震异常为主，其下降异常变化也能对应地震，但映震效果明显不如上升异常显著。

图１ 四川理塘毛垭温泉

图２ 云南龙陵邦腊掌温泉

除了水温外，温泉的水流量观测在中国也有很长的历史，比如1985年乌鲁木齐10号泉就开始了泉水流量观测（图３）。乌鲁木齐10号泉的地震前兆异常，基本上是正异常，且具有较好的重复性，泉水流量从背景值趋势上升或突升达到最高值后，再经过趋势性下降或突降，恢复到背景值，地震常常发生在流量由高变低的过程中（高小其等，2001a）。可见乌鲁木齐10号泉流量具有映震的敏感性。

图３ 乌鲁木齐10号桌

而当今利用泉水观测开展地震监测和预测研究最为活跃的领域之一，是温泉的水文地球化学地震前兆异常。温泉的水地球化学综合观测项目多达数十种，包括泉水的常量组分、微量组分、气体组分、同位素组分，等等。温泉水化学种类繁多的测项，给探索新型地震灵敏观测指标提供了新的可能，同时也为系统构建多震区或构造复杂区的水文（气体）地球化学模型，研究区域地下流体地震前兆机理提供了理论支撑。探寻地下水化学组分蕴含的地球深部信息，获取来自震源和深部流体的、对地震反映敏感的组分，是未来温泉水文地球化学研究的一个重要方向。

温泉的水化组分观测

相较于温度、流量的观测，温泉的水化组分观测更为复杂，需要进行分析测试，并且测试周期相对较长、分析成本较高，很多测项连续观测也存在较大困难。其中，较为成熟的是温泉水氡的监测研究。

中国开展温泉水氡的历史较早，也较为普遍，比如云南下关塘子铺温泉在1970年就已经开始水氡观测。下关塘子铺温泉的水氡前兆异常基本上是高值异常。其原因是，附近断裂北盘和南盘地层氡浓度均高于温泉，温泉旁的冷溪水由地表裂隙侵入，温泉水混合比相对恒定，溪水参与使水氡保持在较低水平上，当两盘岩层发生应变时，地下水平衡遭到破坏，混合比发生改变，温泉水氡出现高值异常（洪云良，1990）。

温泉水的离子浓度异常，如Cl^-离子浓度、SO₄^2-离子浓度、Na 离子浓度等，也有一定地震预测意义。

温泉水离子浓度异常可能与差应力对水岩反应的影响有关，在应力作用下岩石出现变形和微结构的改变,促进矿物溶解与沉淀和离子交换反应,以及释放圈闭的流体，导致离子浓度产生异常。

不同类型岩石的含水层，地震水化前兆监测的敏感成分也不同；因此，利用地下水常量组分浓度进行监测，其指标的敏感性可能具有区域性差异。泉水的微量元素组分中，B、F、Li、Sr元素大多来自深循环的地下热水，其高值区受地应力场、地下流体和断裂控制，其形成机制上具有同源性，是值得关注的温泉水化灵敏组分，CH₄也有映震灵敏性。比如，1983—2001年乌鲁木齐9号泉、10号泉多次出现F^-离子浓度异常，存在背景值—脉冲式突升—最高值—突降—恢复至背景值的变化规律，地震常常发生在恢复背景值后数天或数十天,仅有个别地震发生在F^-离子浓度达最高值时（高小其等，2002）。此外，温泉水汞也有良好的映震敏感性，如北京延庆松山泉、甘肃通渭温泉等。

泉水的气体化学组分同样是温泉地震监测关注的重点，包括N₂、CO₂、Ar、CH₄、He、H₂等。断层是气体由地球深部向大气运移的通道。温泉与地震活动相关的气体释放机制能够解释为应力作用下岩石加速微破碎造成的喷气效率增加。H₂和He是反映地壳应力变化较为灵敏的组分，它们质量轻、粘度小、扩散和渗透系数大，具有极强的迁移能力，有较强的映震灵敏度。比如，乌鲁木齐10号泉水中的溶解气CH₄，震前基本上呈正异常，一般在CH₄含量由高值变低时发震（高小其等，2001b）。温泉气体的同位素比值也是具有前兆意义的指标。比如，³He/⁴He的比值、二氧化碳气体的碳同位素组成，不仅能够示踪温泉气体的来源，得出幔源、壳源成分的比例，而且地震前后幔源、壳源气体混合比还可能因幔源物质的汇入而发生变化。

温泉水化学组分和气体的监测不仅依赖扎实的理论和实验基础，还有赖于观测技术的不断创新，需要逐步实现在线连续观测，逐渐降低观测的成本，增强观测的时效性。

此外，近年来泉水微生物的地震前兆观测也逐渐进入人们的视线，生物指标作为新兴的观测手段，泉水环境微生物生存依赖于泉水特有的理化条件。比如，乌鲁木齐10号泉细菌群落结构和多样性与H₂S、CH₄和F^-水文地球化学指标有显著正相关关系，并且受多种水文地球化学指标的共同影响 (张强等，2012a；张强等2012b)。泉水微生物的地震前兆及其机理研究为泉水地震前兆观测提供了更多选择的可能。

泉水地震预报的复杂性

作为一种重要的地震监测预报研究对象，泉水可能携带有深部构造活动信息，是一种重要的短临预测手段，有时还能表现出中期异常（孔令昌等，2012）。但是，目前科研人员还没有找到泉水的水文地球化学指标、微生物与地震发生之间的一一对应关系。观测泉点的水文地质结构包括泉水补给区、水和岩石的强烈作用区、排泄通道和出露泉点。

泉水的地震孕育信息主要形成于流经水和岩石的强烈作用区。

孕震初期，岩石或岩层是处于比较稳定的应力积累状态。如果地下水贮留时间长，则泉点产生的趋势异常很难表现出来；时间短，则由于水和岩石的反应迟缓，泉点很难产生趋势异常。

临震阶段，岩石的破裂程度及压溶作用等加强，水岩作用也随之加强，有一些地下水贮留时间较长的泉点也能表现出临震异常。对于这种泉点，临震异常主要是地下水通道末端化学环境和应力场的表现，在通道中前部产生的异常则可能在泉点表现不出来或衰减在流体通道中（潘树新和高安泰，2001）。有的地下水年龄较小的冷泉，在临震阶段由于孕震作用的加强，能够产生临震异常，如四川姑咱泉在1976年松潘–平武7.2级地震前泉水的水氡就有临震突跳（图４）（官致君，2006）。

图４ 四川姑咱泉水氡日测温曲线（官致君，2006）

一些地下水年龄适中的冷泉和低温温泉在中强地震前能够表现出较完整的异常形态，如1989年山西大同-阳高6.1级地震前北京延庆松山泉水汞异常等（图5）（张肇诚等，2000）。这类泉点对地下环境的变化较为敏感，能够将通道中的异常也反映出来。

图5 北京延庆松山泉水工含量变化曲线（张肇诚等，2000）

地下水年龄较大的温泉，在地震前多出现短临异常，且形态多样，其短临异常主要是通道末端形成的。大多数温泉地处新构造活动强烈区，孕震作用往往能够破坏通道的封闭性，造成异常形态的多样性。例如，1988年澜沧7.6级地震前云南下关温泉水氡存在突跳(图6) （尹秀如，1992）。

图6 云南下关温泉水氡日均值曲线（尹秀如，1992）

事实上，正是由于泉点的水文地质条件，构造部位不同，岩性等因素不同，才造成泉点的映震能力不同。有的泉点震前并不存在异常，存在前兆异常的泉点其异常的表现形式也很可能是不同的。例如，1996年云南丽江7.0级地震前，未观测到处于震中区的甘泽泉存在趋势异常和短临突发性异常现象（罗灼礼和王伟君，2008）。因此，单纯依据某个泉点的异常来进行地震预报是很不可靠的。

在大震孕育过程中，不同台站（位置）的不同学科（如地磁、地电、形变等）前兆观测手段呈现具有时间节律、空间有序的趋势异常；临震异常在时间、空间分布上都是不均匀的, 震中区的突发性异常, 开始相对平静, 临震时才猛增。以泉水作为观测对象，需要从时间、空间结构的统一性来研究地震前兆,从整体上抓住地震前兆的复杂性本质。正确理解短临前兆的复杂性,是地震预报的关键（罗灼礼和王伟君，2008）。

因此，在泉水地震前兆异常分析识别中，要重视泉点单个测项和多测项异常的关系，单泉点和多泉点异常的关系，单泉点、局部和区域异常的关系，泉点异常与其他学科异常之间的关系（王广才和沈照理，1997）。

泉水叮咚，涓涓细流中蕴含着一丝来自地球深部的声音；透过它，人们或许能在山冢崒崩前感知出那来自震源的微弱的信息。温泉地震前兆研究的魅力就在于揭开泉水神秘的面纱，解读地壳深处发出的地震的“预警”信号。尽管，现在还不能准确预报地震，但是随着科学技术的不断进步，泉水地震前兆监测手段将不断丰富，区域性水文地球化学的认识也将日益深入，基于泉水的地震预测方法在地震预测研究中也必将会发挥越来越重要的作用。

本文已在《矿物岩石地球化学通报》2022年第2期刊出

参考文献：

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