梁卉 高小其 向阳1， 朱成英

1）新疆维吾尔自治区地震局，乌鲁木齐市新市区科学二街338号 830011

2）中国地震局地壳应力研究所（地壳动力学重点实验室），北京 100085

0 引言

泥火山是一种由泥浆形成的特殊地质体，多分布于沉积盆地中（段海岗等，2007；何家雄等，2010）。在地壳浅部层次地质流体作用下，当温压达到一定条件时，混有泥质、黏土质沉积物的水与气体的混合物不断从喷出口喷涌而出，随后慢慢干涸形成类似火山锥的泥丘，在其顶部常常有凹坑，坑内泥浆液面偶见漂浮的油花，喷出的气体能被点燃。虽然在外形上泥火山与熔岩火山有些类似，但相比之下，泥火山的温压较低、规模较小，无岩浆通道，且在来源、运动机制、物源补给及深度等方面都与熔岩火山有着根本的差异（万园等，2011；Milkov，2000；朱佛宏，2003；Chiu et al，2006；杨晓芳等，2014；范卫平等，2007）。

目前世界上已有将近900座泥火山为人们所知，伊朗的马克兰、罗马尼亚的布扎和美国的黄石公园的泥火山都久负盛名，最大且最多的泥火山分布于阿塞拜疆的巴库地区。在海底也发育着数量众多的泥火山，它与泥底辟有着十分密切的联系（何家雄等，2010；高小其等，2008；陈志等，2015；戴金星等，2012）。在中国，新疆维吾尔自治区分布着国内最大的泥火山群，约90多个泥火山喷出口，其中近70余座分布于乌苏地区，规模大小不一；台湾省多地也发现了具有典型地貌特征的活动的泥火山，更有甚者还会出现喷火的壮观景象。

地震活动带是泥火山的主要分布区域，我们常常在地震前后观察到其周边泥火山的喷发现象（范卫平等，2007）。例如，位于1948年土库曼斯坦MS7.3地震极震区的泥火山，在震后出现了剧烈活动；1959年12月，在阿塞拜疆巴库地区发生有感地震前，其附近的泥火山出现了喷发活动；乌克兰万诺弗兰泥火山周边300km范围内的地震与其喷发有着很好的对应关系（陈志等，2015）；2004年12月缅甸泥火山喷发就是由苏门答腊MS8.7地震引起的（万园等，2011）。由此可见，泥火山的喷发活动可作为地壳新构造活动的标志之一，与地震活动关系密切。

新疆乌苏艾其沟泥火山位于中强地震活动频发的天山中段，自2011年建点连续观测以来，在其周围200km范围内共发生4次MS6.0以上地震，并且这几次地震前后，艾其沟泥火山均出现了不同程度的宏观异常喷发活动。本文将全面梳理、总结艾其沟泥火山喷发活动在地震前后的宏观异常特征，并对其异常机理进行初步分析。

1 艾其沟泥火山概况

乌苏艾其沟泥火山位于赛力克提牧场艾其沟山前阶地上，地处准葛尔盆地南缘断裂与亚玛特断裂的交汇部位，在构造上属于托斯台背斜轴部的艾其沟断裂带（图1、2），是亚洲最大的泥火山锥，该泥火山由2座相距10m、喷口直径分别为2m（北侧喷口）和1m（南侧喷口）左右的泥火山锥组成，高约9m，北侧的泥火山（编号为艾其沟1号泥火山）底座大约5m，偶有银灰色泥浆溢出外流，液面可见漂浮的油花，南侧的泥火山（编号为艾其沟2号泥火山）喷口较小（王海涛等，2014）。实时监控系统于2011年8月底建成，实现了泥火山活动的连续、实时的监控，有利于捕捉地震前兆异常（高小其等，2015b）。2014年 8月、2015年4月和2015年7月完成了3次系统的升级改造。

图1 新疆乌苏艾其沟泥火山构造简图

图2 新疆乌苏艾其沟泥火山位置（a）及地貌（b）

2 4次地震宏观异常现象

2011年以来，新疆乌苏艾其沟泥火山周围200km范围内共发生了4次6级以上地震（表1），分别是2011年11月1日尼勒克 MS6.0地震（震中距170km）、2012年 6月 30日新源MS6.6地震（震中距92km）、2016年12月8日呼图壁MS6.2地震（震中距155km）及2017年8月9日精河MS6.6地震（震中距119km）（图3、表1）。地震前后，艾其沟泥火山均出现了不同程度的喷发活动。

表1 北天山地区MS≥6.0地震参数统计表（2011年以来）

2.1 2011年11月1日尼勒克MS6.0地震

艾其沟泥火山实时监控系统显示，2011年9月20～9月30日，艾其沟2号泥火山口出现了明显的持续性泥浆喷涌活动现象，且活动强烈，但是从10月开始，泥浆停止外溢，泥火山液面开始逐渐下降，活动减弱，在泥火山液面下降的过程中，发生了2011年11月1日尼勒克MS6.0地震，震后泥火山液面逐渐回升，直至11月底恢复到其背景状态（图4、5）。

2.2 2012年6月30日新源MS6.6地震

乌苏艾其沟2号泥火山在2011年12月10日，再次出现明显的喷涌活动，实时监控视频显示泥火山液面有大量的气泡鼓出，泥浆外溢面积逐渐增大，2012年4月起，艾其沟泥火山液面出现了类似2011年11月1日尼勒克MS6.0地震前的逐渐下降变化，变化持续3个月后，于2012年6月30日发生了新源MS6.6地震。震后，其液面仍未恢复到背景活动状态（图 6、7）。

图3 新疆艾其沟泥火山与4次地震震中分布

2.3 2016年12月8日呼图壁MS6.2地震

2015年对实时监控系统进行了技术升级改造，可以调整角度同时监控艾其沟1号、2号泥火山活动情况。监控系统显示，2016年5～6月、9～10月、12月，艾其沟1号泥火山出现多组间歇性喷涌量增大现象，液面有油花，震后逐渐恢复至背景活动状态，无泥浆溢出（图8、9）。艾其沟2号泥火山从2016年5月以来也呈现出间歇性活动状态，且喷涌现象较为显著（图10、11）。从2015年7月开始，每月 1次定期前往艾其沟现场取样，取回后即时用 sp-3400型气相色谱仪按实验要求对样品进行 CO2、CH4检测，结果显示，艾其沟 1号泥火山CO2含量从2016年3月8日起逐渐上升，之后持续高值波动变化，8月17日开始下降恢复，11月15日恢复至背景状态后持续下降，12月6日达最低值后回升，CH4含量从9月21日到11月15日出现一组高值变化，而后恢复至背景值范围内波动变化（图12），在此过程中发生了2016年12月8日呼图壁MS6.2地震。

2.4 2017年8月9日精河MS6.6地震

2017年1月1日起，艾其沟1号泥火山出现持续喷涌现象，有明显的泥浆溢出痕迹，2月4日该监测点首次出现持续喷发现象，之后于2月8日和14日再次出现强烈喷涌现象，持续时间较长，而后其喷涌活动有所减弱但仍持续，6月又出现了一组较大的喷涌活动（图13、14）。同时，该点的 CO2含量从 4月 28日到 7月 19日亦呈现一组高值变化（图12）。艾其沟2号泥火山自2017年初至6月一直处于干涸状态，7月5日起有泥浆溢出，溢出面积不断增大，8月1日在现场能看到间歇性剧烈鼓泡现象（图15、16），新疆维吾尔自治区地震局地下流体学科在8月2日根据持续密切跟踪的泥火山显著喷涌现象及其周边异常资料，结合以往震例给出了近期地震预测意见，8天后即2017年8月9日在预测区发生了精河6.6级地震。震后艾其沟1号泥火山喷涌活动才持续减弱直至恢复平静，艾其沟2号泥火山在8月25日后恢复平静，未见明显喷涌活动。

图4 新疆尼勒克MS6.0地震前后乌苏艾其沟2号泥火山监控截图

图5 新疆尼勒克MS6.0地震前后乌苏艾其沟2号泥火山液面变化示意图

图6 新疆新源MS6.6地震前后乌苏艾其沟2号泥火山监控截图

图7 新疆新源MS6.6地震前后乌苏艾其沟2号泥火山液面变化示意图

图8 新疆呼图壁MS6.2地震前后乌苏艾其沟1号泥火山监控截图

图9 新疆呼图壁MS6.2地震前后乌苏艾其沟1号泥火山液面变化示意图

3 异常特征及机理分析

3.1 异常时间特征

震前区域构造应力的强弱交替变化通常会影响其附近泥火山的活动，以致可直观地由泥火山口泥浆的喷涌量呈现出来。通过梳理2011年以来新疆4次6级以上地震震前艾其沟泥火山泥浆开始出现明显喷涌活动距发震时间（表2）可知，当艾其沟泥火山出现喷涌活动时，其周边可能发生中强震的时间段为：艾其沟1号泥火山泥浆开始出现明显溢出活动距发震时间为8～70天，平均为39天；艾其沟2号泥火山泥浆开始出现明显溢出活动距发震时间为36～203天，平均为110.25天。整体来看，艾其沟泥火山异常喷涌活动均表现为地震前兆宏观短期异常。

图10 新疆呼图壁MS6.2地震前后乌苏艾其沟2号泥火山监控截图

图11 新疆呼图壁MS6.2地震前后乌苏艾其沟2号泥火山液面变化示意图

图12 新疆乌苏艾其沟1号泥火山CO2、CH4含量曲线

3.2 泥火山喷出物地球化学特征

图13 新疆精河MS6.6地震前后乌苏艾其沟1号泥火山监控截图

图14 新疆精河MS6.6地震前后乌苏艾其沟1号泥火山液面变化示意图

图15 新疆精河MS6.6地震前后乌苏艾其沟2号泥火山监控截图

岩浆火山的喷发物质来源于地壳以下的高温高压岩浆，而泥火山的喷发物则一般为数千米的地下水、天然气和温度较低的泥砂质岩石（王道等，1997）。目前位于南边的艾其沟2号泥火山一直处于干涸状态，北边的艾其沟1号泥火山喷口较大，泥浆较稠，不时有气泡鼓出。杜建国等（2013）、陈志等（2014）在 2012年 6月、7月 2次对北天山泥火山及温泉进行考察，期间发生了新源6.6级地震，通过对比地震前后样品分析结果发现，震后泥浆温度、pH、电导率、K＋都出现了小幅上升，气泡排放率有所增加，氮浓度明显增高且呈增大趋势变化，氦同位素变幅小，但在震后略有增高。高小其等（2015b）在2010年6月、2011年6月、2012年6月3次对北天山地区泥火山进行取样研究，其气体稳定同位素结果显示，艾其沟泥火山气体中3He/4He（×10－8）为 3.11±0.16，R/Ra为 0.022，属壳源氦，烷烃气碳同位素测值显示艾其沟泥火山气体为热解烃类气；发现泥火山鼓泡时带出的气体在其平静时期与活跃时期有着明显的不同，平静时气体中的H2、He含量很低，甚至可能为零，而在活跃期时气体中的CH4、CO2含量都会有一定程度的上升。

图16 新疆精河MS6.6地震前后乌苏艾其沟2号泥火山液面变化示意图

表2 震前艾其沟泥火山喷涌活动统计表

3.3 异常机理分析

当地层处于高压状态下时，地下深部比较松软的泥页岩在地下水、气的裹挟下通过裂隙或断层等高渗透性通道被喷出地表就形成了泥火山。而泥火山的喷发主要受制于挤压类构造运动、快速沉积造成的构造载荷、烃类连续活跃的产生及深部可塑性沉积物的生成等因素（Milkov，2000；Dimitrov，2002；何家雄等，2012）。准噶尔盆地南缘为再生前陆坳陷区，其内部多发育冲断构造，新生代以来，由印-藏碰撞远程效应产生的持续挤压使得近EW向的冲断褶皱带在天山两侧发育，乌苏艾其沟泥火山就位于准噶尔盆地天山北缘山前坳陷带托斯台背斜轴部，与天山山脉基本都呈EW走向，轴部及北翼区域附近多发育有活动逆断裂，地层多为泥砂质岩层。北天山山前强烈的挤压作用使得地处该区的托斯台背斜在地表产生了3个近EW向的构造带，在这些构造带中均有活动断裂发育，断裂切割了中、新生代地层（余兴等，2013；邓起东等，1999；冯先岳等，1993；罗福忠等，2008；樊海龙等，2017）。乌苏艾其沟泥火山所处的天山北麓乌鲁木齐山前坳陷带内，新生代沉积地层地势较高，由于地势差异，地下水、气在这里产生了一定的压力差，2011年以来，全球新构造运动和地震活动最为强烈的天山地震带进入了新一轮的活跃期，活动断层间的相互挤压使得区域地壳构造应力不断增强，造成地下水、气压力异常，高压推动下的地下水沿裂隙与气体相互作用，向托斯台背斜顶端运移，同时在此过程中也使得通道周围的黏土液化形成泥浆，最终沿孔隙溢出地表，产生了艾其沟泥火山喷涌现象，并检测出泥浆中气体含量明显增加。2011～2016年在天山中段发生的3次6级以上地震均是在此现象发生后的一年内、距该点200km范围内发生的，再次验证了断层活动引起的区域地壳构造应力增强是导致泥火山活动和地震孕育发生的主要因素，在动力机制方面，二者具有同源性（李梦等，2013）。2017年7月新疆维吾尔自治区地震局结合艾其沟泥火山异常喷涌现象及以往震例，对精河6.6级地震做出了具有减灾实效的预测。

4 结论与展望

泥火山是一种独特的资源，通过研究其喷发物，我们可以了解地下深处的地质信息，有利于确定泥火山区沉积剖面；了解它的分布及地球化学特征对油气探勘有着重要的意义。更重要的是它还与断层活动、地震关系密切（万园等，2011）。本文较为全面地梳理了2011年以来天山中段4次6级地震前艾其沟泥火山出现的喷涌活动，认为艾其沟泥火山喷涌活动与地震发生具有一定的对应关系，对未来地震的预测、尤其是对时间和地点具有一定的预测指导意义。但由于目前积累资料有限，泥火山喷涌活动的强弱与地震震级仍没有统计到统一的规律，2011年以来新疆天山中段地区除了4次6级以上地震外，5级地震频发，艾其沟泥火山仅在2015年2月22日沙湾5.0级地震、2016年1月14日轮台5.3级地震和2016年2月11日新源5.0级地震震前出现过较大喷涌现象，而杜建国等（2013）在2012年6月30日新源6.6级地震后观察到，7月2日发生的4.2级余震亦引起了泥火山的再次喷发。因此，目前仍难以将其活动规律进行系统、全面的总结，这就需要我们继续密切跟踪、分析泥火山的活动情况，发散思维，结合新技术、新方法，有针对性地进一步加深相关研究，以期有所新突破。