地下流体在地震孕育中的主要作用与流体前兆形成机制研究进展.pdf

书书书第 卷第 期（）年 月中 国 地 震 施得，刘耀炜 地下流体在地震孕育中的主要作用与流体前兆形成机制研究进展 中国地震，（）：地下流体在地震孕育中的主要作用与流体前兆形成机制研究进展施得）刘耀炜，）中国地震局地球物理研究所，北京 ）应急管理部国家自然灾害研究院，北京 摘要地下流体在地震孕育和前兆形成过程中起到重要作用，因此研究地下流体对地震预报至关重要。然而，由于对地震孕震环境和发震机制缺乏深入系统的认识，导致无法根据地表观察到的异常现象准确预测地震。近年来，随着地球物理、地球化学和地质学研究的不断深入，人们对地下流体有了更多新的认识，本文通过对相关研究成果的收集和总结，介绍地下流体研究的几种经典模型，分析了地下流体在地震过程中的主要作用，并探究流体前兆形成机制。研究工作对提高地震预报水平具有一定的借鉴和参考意义。关键词：地震地下流体孕震环境前兆机理地震预报 文章编号 （）中图分类号 文献标识码 收稿日期 修定日期 作者简介 施得，男，年生，博士研究生，主要从事构造地球化学与流体地球化学研究。：刘耀炜，通讯作者，男，年生，研究员，主要研究方向为地下流体与地震监测预报。：引言地震活动给人类社会带来了巨大的人员伤亡和财产损失。为了减轻地震灾害带来的影响，科研人员积极开展地震预报研究（，；，），希望在地震发生前对地震三要素（时间、地点、震级）进行准确预测，以便提前做好预防准备，达到防震减灾的目的。但是，由于地球的不可入性，人类对地球内部的结构和深部孕震环境缺乏深入了解（，；，），很难根据地表观测到的异常现象准确预报地震，地震预报至今仍是世界性科学难题。地震预报虽然困难，但并非不可能（，）。自现代地震学创立以来，开展了大量的地震预报研究，发现在历次破坏性地震发生前都有前兆现象出现，例如地壳形变、地下水异常、地声地光、地电地磁异常等（，；，；，；，；，；，），通过分析这些现象，可以研究地震前兆的形成机制，在此基础上逐步提高地震预报水平。地下流体作为地壳中最活跃的物质成分，对构造运动极为敏感（，；杜建国等，）。大量研究结果表明，在地震发生前，地下流体几乎都会出现各种异常（中国地震 卷 ，；，；，；，；，；，；李营等，），因此研究地下流体异常变化可以为地震预报提供大量有价值的信息。但是，由于人们对深部地下流体的形成、演化、运移缺乏深入系统的了解（，；刘耀炜等，；孙小龙等，），导致地震预报主要依靠经验，基于理论指导的地震预报面临巨大挑战。针对地下流体活动规律，科研人员进行了大量的研究探索，并取得了一系列重要的进展，本文通过收集相关研究成果，分析地下流体的物质来源和赋存状态，研究地下流体在地震孕育过程中所起的主要作用，揭示流体前兆的形成机制。在此基础上，结合地震监测结果，分析了流体前兆的主要特征，研究工作在地震前兆成因解释和异常识别方面具有一定研究价值。研究地震地下流体的理论模型地震预报之所以困难，是因为人们对地震发震机制和孕震环境缺乏深入系统的了解，为了探索这一问题，诸多学者提出了一系列理论、模式和假设，以期建立地震预报的基础理论体系，为地震预报提供理论指导。其中较为经典的如 （）提出的弹性回跳模型、郭增建等（）提出的组合模型、梅世蓉（）提出的坚固体孕震模型、陈立德（）提出的震源硬化模型等，这些理论模型的提出，对认识地震孕育起了重要的作用，但总体而言，研究工作主要局限于固体力学框架，对地下流体的作用考虑较少。随着研究工作的不断深入，越来越多的现象证明地下流体在地震孕育过程中起了非常关键的作用，因此地下流体逐渐成为国际地震学界研究的热点（，；，；，；，；，；，；，；，）。为了探究地下流体在地震过程中所起的重要作用，很多学者提出了不同的理论模型，其中比较典型的有两种，一种是 提出的“扩容 渗透”模型（，），这种观点认为，当板块运动或其他原因造成的构造应力累积达到一定程度时，会产生大量的微裂隙，形成主断裂，这些微裂隙引起岩石产生膨胀，岩体内部先前存在的流体进入新出现的孔隙中，造成孔隙压减小，出现膨胀硬化现象，阻止了微裂隙的进一步产生，随着流体重新注入膨胀岩石，断裂带岩石的孔隙压力逐渐增加，加速了断层破裂带的发育、成核和滑动；另一种是 等提出的“断层阀”模型（，、；，），该观点认为，大型剪切带在深部表现为韧性变形，在浅部表现为脆性变形，地震成核作用主要发生在脆性层的底部（脆韧转换带），破裂发生前，断层处于愈合状态，流体聚集于发震区以下，顶部为不渗透区，形成了“断层阀”，使得下方流体压力不断增加。一旦流体压力大于上覆静岩压力，位于发震区底部的断层在剪应力作用下发生破裂，深部流体沿着破裂面及其旁侧的次生破裂区运动，导致流体压力下降。随着剪切应力和流体压力下降，裂隙带逐渐愈合，剪切运动进入下一个循环，流体压力和剪应力重又开始积累。在“断层阀”模型的基础上，又提出了“抽吸泵”模型（，、），认为地震断层可以像泵一样将热液由较深部位抽取出来，热液通过断层面进入上方具有较低正应力的裂隙中，对地震活动产生重要影响。为深入研究流体活动、断裂作用与地震机制的相互关系，中国地震局地下流体学科组开展了大量的基础研究，尝试建立一种更为合理的理论模型，解释地下流体在地震孕育过程中所起的关键作用，目前已发表的理论模型主要有两种：中地壳硬夹层孕震与流体促震的假 期施得等：地下流体在地震孕育中的主要作用与流体前兆形成机制研究进展设（车用太等，）和岩石圈流体通道模型（刘耀炜等，；施锦等，），分述如下：（）板内强震的中地壳硬夹层孕震与流体促震的假设这种观点认为，地壳中的流体分布是不均匀的，在地壳垂直剖面上普遍存在两大流体活动系统，即上地壳流体活动系统和中下地壳流体活动系统，中间存在中地壳硬夹层（图 ）。在区域构造运动的背景下，地壳应力主要集中在硬夹层中，当硬夹层中的应力积累达到一定程度时，某些部位出现微破裂，形成震源体，岩石微破裂导致产生大量的空隙，这些孔隙几乎处于真空状态，由于真空吸泵作用，中下地壳中的流体被吸入震源体中，导致岩石介质的抗剪能力降低，随着区域应力的不断增强，震源体的抗剪力在流体作用下不断减弱，当震源体剪切力大于抗剪力时，震源体发生破裂，引发地震。图 地壳硬夹层孕震与流体促震假设示意图（据车用太等（）这种设想为解释地震前兆现象提供了一种新的思路，例如很多地震学家研究发现在一些强震多发区，地应力水平远低于计算结果，这令研究人员感到极为困惑，“板内强震的中地壳硬夹层孕震与流体促震假说”则可以很好地解释这种现象：地震孕育和发生并不是一个单一的应力强化过程，深部地下流体在地震孕育和发生过程中起到不可忽视的作用，在地震孕育前期，应力强化是问题的主要方面，但当地震孕育进入微破裂阶段后，由于流体不断渗入震源体，导致岩石力学性质弱化，后者对地震孕育产生了巨大的影响。（）岩石圈内流体通道的理论模型受板块构造学说和地球排气现象的启发，刘耀炜课题组总结并提出岩石圈内流体通道的理论模型，该观点认为，在地幔对流的大背景下（图 （），地球岩石圈中形成了板块构造（图 （），在 板 块 的 边 缘 由 于 块 体 之 间 相 互 错 动，形 成 了 有 利 于 地 球 排 气 的 破 碎 带（图 （），地球深部的流体在围压作用下沿构造破碎带向上迁移，形成了岩石圈内的流体通道，地震活动则进一步促进了岩石圈内流体通道的发育。因此，地球上的地震带、地热活动带和岩石圈内的流体通道大体位于相同位置，均处在构造块体边缘或构造断裂带上。对人类活动而言，破坏性地震主要发生在大陆内部，那么大陆内部是否也存在岩石圈内的流体通道呢？为了回答这一问题，刘耀炜课题组选择甘肃天水强震多发区开展了基础研究。天水强震多发区位于南北地震带北段的甘东南川青交界区，处于青藏块体、扬子块体和华北块体的交汇处，是中国地震局确定的四个强震重点监视区之一（刘耀炜等，；施锦等，），区内深大断裂纵横分布，构造活动强烈，破坏性地震频发，是研究深部地下流体的理想场所。为探明天水强震多发区的深部地质构造，世纪 年代中国地震局组织兰州 中国地震 卷图 岩石圈内流体通道的形成机制（据刘耀炜等（）地震研究开展了大规模的人工地震探测和大地电磁测深研究，探测剖面的分布位置如图（）所示。从人工地震探测结果（图 （）可以看出，天水地区莫霍面十分模糊，且急剧向上隆起，壳幔之间存在过渡带，在地下 深度存在一个 波速度约 的低速体。如图 （）所示，天水地区软流圈是向上隆起的，该区域的大地电磁测深结果可以说明这一点，从图上可以看出，该区域上地幔第一高导层明显向上隆起。由于该区域从软流圈到上地壳都存在电阻率明显低于周围相应层位的垂向条带，说明该区域流体活动比较强烈。根据上述研究结果，林长佑等（）对天水及其周边地区的深部构造进行了分析，认为该区域软流圈顶部存在上拱力，这种上拱力对深部孕震环境的形成演化产生了巨大的影响（图（）。刘耀炜等（）将流体活动纳入研究范畴，认为软流圈中的低密度流体组分可以向软流圈隆起部位迁移（图 （），这些流体聚集于岩石圈底部，在巨大的围压作用下向上发生底辟作用，并沿构造破碎带向上迁移，形成了岩石圈内的流体通道。由于流体通道内富含热流体，流体在传热过程中起了关键作用（图 （），导致流体通道中的岩石介质温度相对较高，有利于重力分异，使低密度物质向上迁移，高密度物质向下迁移，中地壳中因此而形成了低速体高导体，下地壳中相应地形成了高速高导体。由于流体通道的存在，地表出现了高热流区。这种特殊的构造环境导致这个面积仅 的区域在历史上竟发生过十次 级以上的地震（李清河，）。上述现象并不是天水地区所独有的，大量研究资料显示很多强震多发区都有类似的情 期施得等：地下流体在地震孕育中的主要作用与流体前兆形成机制研究进展图 天水强震多发区深部孕震环境研究（据施锦等（）图 天水强震区岩石圈内流体通道的特征（）与地热传输过程中流体的作用（）（据施锦等（）况（，；，；，；，；，；，；，）。以肯尼亚格雷戈里地堑为例，这一地区也是强震多发区，很多地球物理学家和地质学家在此开展过深入细致的研究工作，并且得到了令人信服的系统化研究成果（，）。该地区深部地球物理探测结果如图 所示，从图中能够看出，格雷 中国地震 卷戈里地堑的形成过程可以简单描述如下：该地区的岩石圈厚度由于深部地下向上传递的热作用而逐渐减薄，这种热作用则来自该地区可能存在的源于地幔深部热物质向上对流而产生的热点。岩石圈块体因岩浆的进入而变得疏松，同时软流圈中热物质的不断上涌又抵消了上方的下沉作用，最终形成这种结构。这种结构与天水强震多发区的深部构造特征相似，说明该地区也存在岩石圈内的流体通道。注：数值代表地震波速度（）。图 东非肯尼亚格雷戈里地壳断裂结构及上地幔构造剖面（据 等（）地下流体在地震孕育过程中的作用既然地球内部存在排气现象（杜乐天，），岩石圈内就一定存在流体通道；如果岩石圈内的流体通道是由构造运动引起的，那么流体通道的空间分布必然与构造断裂带一致；由于地震主要发生在断裂带上，那么地下流体一定在地震孕育过程中起了重要作用。地下流体在地震孕育过程中所起的作用主要有以下几方面。地下流体对断层的弱化作用岩石力学实验证明，流体对岩石的力学性质具有弱化作用（，；李凯达等，）。根据地震发生机制，当断层剪切应力超过极限应力时，就会发生错动，导致地震发生。等（）提出了计算极限应力的数学表达式 （），式中 为极限应力，为摩擦系数，为不考虑流体影响时断层两盘之间的正压力，为断层中存在流体时产生的孔隙压力，为断层之间的黏结力。在地震破裂发生的初始阶段，由于岩石破碎程度加剧，导致岩石的渗透率和孔隙压力迅速升高，瞬间升高的孔隙流体压力无法在很短时间内释放，造成断层滑动弱化，断层两侧的剪切应力失衡，导致地震发生（，）。此外，在地震孕育阶段，断裂带内的流体组分与围岩发生相互作用，生成黏土类矿物，对构造活动具有润滑作用，成为诱发地震的另一个重要因素（，；，；，）。期施得等：地下流体在地震孕育中的主要作用与流体前兆形成机制研究进展水库地震的发生为上述观点提供了直接证据（，；，）。在一些构造活动非常活跃的地区，当水库中大量蓄水时，地下水渗入断层裂隙中，对断层产生弱化作用，破坏了地壳原有的应力平衡，导致水库地震发生（，）。页岩气开发利用引发的地震进一步证明流体对断层具有弱化作用，页岩气是蕴藏在页岩层中的天然气，为了开发利用页岩气，人们将水注入地下，利用水的压裂作用将页岩气从地下驱出，由于流体对岩石的力学性质具有弱化作用，导致页岩气开发过程中地震频发（，；，；，）。在一些典型的地震活动带，流体对断层的弱化作用也非常明显。例如，太平洋板块向西扩张，与亚欧板块碰撞，形成了地球上最活跃的地震和火山活动带之一。（）利用三维 波和 波速度研究了日本前弧的构造特征，发现俯冲的太平洋板块呈高速特征，上覆的鄂霍次克板块呈低速特征，说明上覆板块中含有大量流体。当太平洋板块俯冲时，俯冲带中的流 体 对 岩 石 具 有 弱 化 作 用，对 地 震 活 动 产 生 了 重 要 的 影 响。无 独 有 偶，等（）研究胡胡伊地震簇时发现，当纳斯卡板块俯冲到南美洲大陆板块之下时，岩石脱水行为对地震活动产生了重要影响。年汶川地震发生后，中国地震局、国土资源部和科技部共同组织开展了科学钻探研究（，），结果发现汶川地震断裂带内存在大量流体，流体对断层具有了弱化作用，导致断层摩擦系数降低，摩擦力减小，成为引发地震的关键因素之一。在其他一些典型的地震断裂带，例如中国台湾车笼埔断裂带（，）和美国圣安德烈斯断裂带（，），科学钻探研究发现了同样的现象（断裂带内存在有大量的流体），说明流体对断层的弱化作用具有普遍性。地下流体的扩容膨胀作用通过分析火山地震的发生机制，可以很好地理解地下流体的扩容膨胀作用。在火山活跃的地区，由于岩浆涌入岩石裂缝中，使岩石体积不断膨胀，最终引发地震。同理，在构造运动非常活跃的地区，断层在应力作用下发生破碎，来自深部的热流体在围压的作用下不断上涌，挤入断层破碎带中，产生扩容膨胀作用，成为诱发地震的关键因素之一。地下流体的扩容膨胀作用是客观存在的，当流体在围压的作用下进入断层后，必然会引发扩容膨胀作用，对地震活动产生了重要影响。一些科学家利用地震层析成像技术研究了青藏高原的深部构造（，、；刘冠男等，），发现青藏高原中下地壳存在大范围的塑性形变，被解释为岩石的流变（部分熔融）或者地幔岩浆侵入，这些侵入的流变物质可能降低了岩石的力学强度以及断层面上的摩擦力。（）采用高分辨率层析成像技术对 年东北大地震（）的成因机制进行研究时发现，日本东北、南千岛和西南弧前地区的板间大型逆冲带存在显著的横向非均质性，日本诸岛的大型地壳地震成核（包括 年 月 日东北偏东的磐城 级地震）都受到板块脱水产生的弧岩浆和流体的影响。通过对日本西南部大森火山附近 年 月 日鸟取 级地震的震源区三维地震结构进行分析（，），可以得到类似的结论：该地区受到俯冲太平洋板块上方菲律宾板块熔融和上地幔上涌流的影响，菲律宾板块下方的地幔物质可能通过板块窗口向浅层地区上升，最终对鸟取地震的成核产生了重要影响。流体 岩石 地热之间的耦合作用地球化学反应是影响地震活动的重要因素之一（，）。在地震孕育和发生 中国地震 卷的过程中，若岩石发生地球化学反应，矿物的晶格也将发生改变，导致岩石的力学性质和体积发生改变，对断层的应力状态产生显著的影响（，）。地球化学反应必然伴随着吸热或放热过程，因此流体 岩石 地热之间存在相互影响、相互制约的关系。地球化学家对流体 岩石 地热之间的相互作用进行了深入研究。的研究结果表明，当岩层中的应力和温度状态发生改变时，岩石的性质也会相应地发生改变（，）。岩性改变受到岩石变质转化过程控制，变质转化过程在很大程度上依赖于流体的存在，岩石通过流体驱动发生变质反应。针对发生在刚性下地壳的内陆地震提出了一种机制，认为岩石在特定的温压条件下发生的地球化学反应，使岩石的结构和成分发生了改变，导致岩石因弱化而无法承载差异应力，最终诱发地震（，）。岩石的脱水和脱碳（）反应是地球化学研究的两个重要问题，当岩石发生脱水和脱碳反应时，所生成的流体对断层具有弱化作用，使断层面上的摩擦力减小，成为触发地震的重要因素之一；另一方面，当岩石发生脱水、脱碳反应后，岩石的体积和力学性质都会随之而发生改变，这必然对地震活动产生影响。马胜利等（）利用高温双轴摩擦装置研究了岩石脱水反应对断层摩擦行为的影响，认为岩石脱水及相应的断层物质变形与地震活动密切相关。等（）采用实验和模拟相结合的方法研究了流体增压对 年汶川地震同震滑移的影响，认为与干式断层泥相比，湿式断层泥滑移减弱效应更为明显，孔隙水的热压作用在汶川地震发生过程中起了重要作用。等（）研究俯冲带地震火山成因时指出，大气中的 被海水吸收后以沉淀的形式进入海底沉积物中，在洋壳俯冲过程中，岩石发生脱碳反应，生成的 对构造运动产生了显著影响，同时也是火山喷发物中 的主要来源。地下流体前兆的形成机制初探 地下流体前兆形成的原因借用断裂力学中的一个经典实验，可以解释地下流体前兆的形成原因：当一根木棒在外力作用下发生断裂时，内部首先会发出“嘎嘎”的响声，说明主断裂发生前，会首先在其内部出现微破裂现象。如果将破坏性地震看作是一次主破裂，那么在地震发生之前，地壳中必然出现微破裂现象（，），当地壳中出现微破裂时，断层中的流体必然会发生剧烈运动，导致大量液体和气体成分沿着流体通道迁移（图 ），使地表观测的水位、水温、流量、化学组分、同位素组成、电导率、地下逸出气体等出现异常现象（，；，；，），这为地震预报提供了可能。相较于木棒折断实验，地震孕育过程要复杂得多。在地震主破裂发生之前，断裂带中的岩石通常会出现微破裂，这时地壳中闭合的旧裂隙有可能重新开启，使得新旧裂隙相互串通，并使断裂带内部被封存的流体在应力的作用下从围压很大的深部向围压相对较小的地表迁移，进而监测出地表流体异常变化（，；，），通过观测这些异常现象，可以为地震预报提供有价值的信息。深部流体向上迁移引起的前兆深部地下流体在围压的作用下沿流体通道向上迁移会引起一系列前兆，例如氢气是一种对构造运动非常敏感的地下逸出气（，），一般认为，大多数氢气来自于地幔 期施得等：地下流体在地震孕育中的主要作用与流体前兆形成机制研究进展图 地下流体前兆的形成原因（，），在构造运动过程中，氢气沿着流体通道向上迁移，使得氢气的分布与地震活动带非常一致，因此研究氢气的来源、运移及映震机理对提高地震预报水平极为重要。也是地球化学研究的重要对象（，），现有研究结果证明，的释放与地震活动密切相关（，），例如 等（）对 年神户地震进行研究时发现，地震发生前地下有 排出，虽然 来源复杂（，），但其沿着流体通道向上迁移，并最终形成震前异常，其是对前兆机理的合理解释。类似的情况还有很多，例如地下逸气体 、等，其前兆成因也与流体通道有关。地热传输引起的前兆地热异常的形成与深部热流体活动密切相关。气象学家汤懋苍等（、）研究发现（图 ），地热作为一种热源可以对大气活动产生影响，形成“地热涡”（一种大气涡流），这种“地热涡”集中出现在地壳活动强烈、垂直形变速率绝对值较大的中心地区，而在地壳稳定、垂直形变速率绝对值小的地区基本没有“地热涡”活动。魏乐军等（）在分析卫星遥感图像时发现，汶川地震发生前该地区出现了明显的卫星热红外异常，这种沿龙门山断裂带分布的地热增温现象与构造运动有关，地震发生前，由于断层中出现了微破裂，导致深部热流体上涌，使地表出现热异常。气象和卫星热红外研究结果证明，地热异常不仅与构造运动有关，也与流体活动有关，地下流体在地热传递过程中起到重要作用，研究岩石圈内流体通道对认识地震成因和流体前兆形成机制至关重要，通过分析岩石圈流体通道，可以将岩石圈内不同深度的流体联系起来，通过研究深部流体与浅部流体之间的耦合作用，可以揭示深部热流体上涌、水 岩反应，流体对流、应力应变等因素对流体前兆形成机制的影响作用。但是，由于地球的不可入性，人们对岩石圈内部的结构缺乏深入了解，无法根据地表观测到的异常现象准确识别地震前兆。为探明流体前兆形成机制，科研人员需要深入研究孕震区的深部孕震环境，特别是流体通道的分布特征，在现有技术水平下，利用地壳介质的波速结构和电性结构，结合地表地质调查推测深部地震孕震环境，其作为非常有效的技术手段，这需要地球物理学家、地球化学家、构造地质学家联合工作，以达到深入了解深部物质特性的共同目标。中国地震 卷图 地幔制约地壳和大气层变化示意图（据汤懋苍等（）地下流体观测方法与前兆特征分析目前，科研人员主要依靠地震观测资料研究地震前兆，地下流体观测项目主要有两类：一类是地下流体化学观测，另一类是地下流体物理观测，此外，由于地热与地震活动密切相关，研究人员极为重视地热问题，因此本文从以下三个方面分析流体前兆的主要特征。地下流体化学观测与前兆特征分析地下流体化学测项主要包括氡、汞、气体、地下水主微量离子组分等。氡被认为是最具潜力的地震前兆之一（，；，）。世纪 年代，前苏联科学家在哈萨克斯坦设立试验区，并于 年塔什干地区一次严重的地震前观测到了地下流体中氡的异常信号，自此以后，关于氡的前兆异常报道不断出现（，）。等在对 年神户地震前观测到的明显氡异常的研究中认为，强震发生前水氡异常的物理解释是孕震介质在区域构造应力的作用下发生了形变，导致岩石中吸附的氡被释放，因此，氡的映震以趋势升高为主（，）。汞作为揭示构造活动及强震孕育机制的重要化学示踪元素（，），其主要来源是地球深部地幔岩石和岩浆，汞的特点可以概括为溶解度小、蒸气压低及穿透能力强等。近些年来汞的同位素分馏技术发展迅速，这为深入研究断裂带汞的来源以及汞与地壳深部流体活动的关系提供了一种有效的手段（，；，），通过研究断裂带中汞及其同位素的异常特征，可以示踪地震断裂带汞异常的来源和汞的迁移路径，因此汞的前兆异常特征可作为地震前预测的重要指标。由于汞主要来自于地球深部，因此汞对地震的响应以升高为主。地下逸出气是地球内部物质和能量的信息载体（，；，；，），研究地下逸出气可以在一定程度上得到地壳深部的构造信息，如断层的断裂深度、开启性、活动性和壳幔的连通性乃至区域地球动力学环境等（陶明信等，）。地下逸出气的变化不仅与断裂构造之间有很好的空间对应关系，也与地震事件的分区分段特征相一致，对构造运动的反应相当灵敏。地下逸出气主要观测气氡、气汞、氦、二氧化碳和氢 期施得等：地下流体在地震孕育中的主要作用与流体前兆形成机制研究进展气五种气体，当地震前断层中出现岩石微破裂现象时，地下气体沿裂隙上升，形成震前异常现象，地下逸出气的地震响应主要以升高为主。水文地球化学是研究地震活动的重要手段，通过观测地下水中化学成分、氧化还原电位、酸碱度、电导率的变化，可以分析地震活动动态（张磊等，）。为研究地下流体化学组分对地震活动的响应规律，本文收集了相关研究成果列于表 中。表 水化学指标对地震活动的响应（据 等（）观测项目观测组分对地震的响应机理参考文献主要离子组分，离子浓度升高混合 等，（）主要离子组分，离子浓度升高混合 （）主要离子组分，离子浓度震前升高岩石渗透率增大 等（）主要离子组分微量粒子组分，离子浓度震前忽然升高混合 等（）主要离子组分同位素主要离子组分及、同位素，同位素含量升高混合 等（）主要离子组分微量离子组分，离子浓度震前升高混合 等（）主要离子组分微量离子组分主要离子组分、微量离子组分 ，升高，主 要 离 子 组 分无变化氧化物矿物中微量元素的解吸 溶解 等（）主要离子组分微量离子组分及同位素，同位素震前震后均升高混合 等（）主要离子组分微量离子组分 ，发生变化打破水文屏障，发生混合 等（）铅同位素和 铅同位素铅同位素增加 倍混合 等（）铁同位素和 铁同位素和 增加生物和非生物过程 等（）主要离子组分微量离子组分，含量在所测泉 水 中 增 加，含量变化不大岩石微破裂 等（）从表 可以看出，地下水中的化学组分对地震的响应通常体现为含量升高，这是因为大气降水中的化学组分含量很低，深部地下水中的化学组分含量较高，当断层出现破裂时，深部地下水混入地表水中，导致地表水化学组分含量增加。地下水中的、同位素对地震活动也具有映震作用（，；，），由于地震活动会疏通裂隙，引起不同含水层间渗透性增强，导致不同层位的地下水发生混合，使地下水中和 的值发生变化。另一方面，当应力 应变增强使岩石产生微破裂时，地下水与新产生的裂隙面上的岩石继续进行同位素交换反应，使水中、中国地震 卷 值在原有基础上增大（，；，）。因此，同位素含量变化可作为地震预测的重要参考依据（张磊等，）。地下流体物理观测与前兆特征分析地下流体物理测项主要包括水位、流量和水温等。在地震孕育过程中，由于区域应力改变导致构造发生变形，使水位和流量发生急剧升降运动，这是地下水动态预报地震的依据。实践证明，通过水动态观测可以分析强震活动区的构造运动，为地震预报提供理论依据，但由于区域应力调整有升有降，且随时空而发生改变，因此分析水动态的映震规律必须考虑具体的构造运动背景，无法用单一模式解释水动态变化规律。注：黑色线条为主要构造带或块体边界带，红色三角形自西向东分别表示腾冲火山、宁洱通关火山和屏边火山。图 青藏高原东南缘浅层地热场和地震活动平面分布（据王云等（）地热观测与前兆特征分析地热与岩浆活动有关，岩浆活动是地热产生的主要原因。王云等（）对 年间青藏高原东南缘 的中强度以上地震震中与地热异常带分布关系进行了研究，发现强震多发生在地热异常区域边缘或两个相近热区之间的地热梯度带（图 ），二者之间有明显的相互依存关系。地球物理学研究结果也表明，地震大多发生在低速异常区的边缘，与湿热物质上涌有关，结合相关地质资料，可以认为低速异常区可能是现存尚未冷凝的岩浆 期施得等：地下流体在地震孕育中的主要作用与流体前兆形成机制研究进展热场（，）。孕震过程中地热异常所扮演的角色可以概括为：热异常区正上方的一定范围内容易发生地表隆起现象，这主要是由于热异常区周围一定范围内呈压性区，且压性随与热异常区的距离接近而加强。热异常区自下地壳向上迁移过程中，在地表造成的整个张性区范围可能随热异常体的层位发生变化而产生收缩过程（，；，），张性区的厚度受热异常区所在层位影响，层位越深，厚度越大，而地壳某些特定位置则可能在热异常区的温度足够高时发生破裂。庞忠和课题组在研究康定地热田时发现，地热田的形成与鲜水河断裂带有关，鲜水河断裂带是中国最活跃的地震带之一，康定地热田下方 处存在部分熔融带，为地热田提供了热量，部分熔融带下方存在岩浆热源（，）。可见，岩石圈内的流体通道在地热传递过程中起了重要作用。结论本文综述了地震地下流体的研究进展，阐释了岩石圈内流体通道的形成机制，研究了地下流体在地震孕育过程中的所起的主要作用，分析了流体前兆的形成机制与主要特征，得出结论如下：（）岩石圈流体通道是由构造运动引起的，地震活动促进了岩石圈内流体通道的形成和发育，其空间分布位置与构造断裂带一致，研究岩石圈流体通道对于认识地下流体孕震作用和流体前兆形成机制至关重要；（）地下流体在地震孕育过程中起到关键作用，地下流体通过对断层的弱化作用、扩容膨胀作用、流体 岩石 地热耦合作用对地震活动产生影响，是诱发地震的关键因素之一；（）地下流体与地震前兆的形成机制密切相关，破坏性地震发生前，由于地壳中出现微破裂，地下流体出现各种异动，通过观测地下流体的动态变化规律，可以为地震预报提供有价值的信息；（）研究地下流体在地震孕育过程中所起的主要作用，揭示流体前兆形成机制，需要地球物理学家、地球化学家、构造学家、地质学家联合攻关，共同研究岩浆上涌、对流、层流、水 岩反应、应力应变等流体活动过程机理，以期达到深入了解地壳深部物质特性及演化规律的共同目的。致谢：感谢应急管理部国家自然灾害研究院张磊博士、王阳洋博士和云南地震局王云博士在工作中给予的诸多帮助，感谢评审专家和编辑对本文提出宝贵意见和建议。参考文献车用太，刘五洲，鱼金子，等 板内强震的中地壳硬夹层孕震与流体促震假设 地震学报，（）：陈立德 震源硬化模型的理论、实验及观测事实依据 地震，（）：杜建国，康春丽 地震地下流体发展概述 地震，（增刊）：杜乐天 地球排气作用的重大意义及研究进展 地质论评，（）：郭增建，秦保燕，徐文耀，等 震源孕育模式的初步讨论 地球物理学报，（）：李凯达，胡少斌，李小春，等 单相流体对砂岩强度特性的影响 岩土力学，（）：，李清河 天水地震区区域地质、地球物理场和地震活动背景 西北地震学报，（增刊）：李营，陈志，胡乐，等 流体地球化学进展及其在地震预测研究中的应用 科学通报，（）：中国地震 卷林长佑，武玉霞，杨长福 天水地区莫霍面附近的高导层及壳幔过渡带 地震学报，（）：刘冠男，柳存喜，王志 青藏高原东南缘深部多参数属性变化与中强震孕育响应关系 地球物理学报，（）：刘耀炜，陈华静，车用太 我国地震地下流体观测研究 年发展与展望 国际地震动态，（）：刘耀炜，施锦，曹玲玲，等 岩石圈内的流体通道研究概述 国际地震动态，（）：马胜利，蜸本利彦 蒙脱石的脱水作用对断层摩擦本构行为的影响 地震地质，（）：梅世蓉 地震前兆场物理模式与前兆时空分布机制研究（一）坚固体孕震模式的由来与证据 地震学报，（）：施锦，刘耀炜 西秦岭北缘深浅部流体通道特征 地震，（）：施锦，刘耀炜，高安泰 深部热流体上涌对天水强震区深部发震环境形成演化过程的影响作用 西北地震学报，（）：孙小龙，刘耀炜，付虹，等 我国地震地下流体学科分析预报研究进展回顾 地震研究，（）：汤懋苍，高晓清 年我国“地热涡”的若干统计特征 “地热涡”的时空分布 中国科学（辑），（）：汤懋苍，高晓清 年我国“地热涡”的若干统计特征 “地热涡”与地震的统计相关 中国科学（辑），（）：陶明信，徐永昌，史宝光，等 中国不同类型断裂带的地幔脱气与深部地质构造特征 中国科学：（辑），（）：王云，李其林，冉华，等 青藏高原东南缘地热与地震活动：来自氦同位素的约束 矿物岩石地球化学通报，（）：魏乐军，郭坚峰，蔡慧，等 卫星热红外异常 四川汶川 大地震的短临震兆 地球学报，（）：张磊，刘耀炜，任宏微，等 氢氧稳定同位素在地下水异常核实中的应用 地震地质，（）：张磊，刘耀炜，任宏微，等 水化学分析方法在地下水异常核实中的应用 地震，（）：，：，（）：，（），（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，（）：，?，（）：，（）：，期施得等：地下流体在地震孕育中的主要作用与流体前兆形成机制研究进展 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