0 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(Boore et al，2014；Crespi et al，2020)，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(Asim et al，2018；Bakun et al，2005)，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(Kamer et al，2021)。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(Bhardwaj et al，2021；Igarashi et al，1995；Jaimes et al，2020；Roeloffs，1988；Toutain et al，1999；Yan et al，2022)，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(Shi et al，2013；杜建国等，2000)。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(Ishido et al，1999；Martinelli，2020；Matsumoto et al，2013；Sukanya et al，2022；Wei et al，2016；Zhou et al，2022；李营等，2022)，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(Toutain et al，1999；刘耀炜等，2006；孙小龙等，2020)，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。

1 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Reid(1910)提出的弹性回跳模型、郭增建等(1973)提出的组合模型、梅世蓉(1995)提出的坚固体孕震模型、陈立德(2000)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(Chester et al，1993；Cox，1995；Faulkner et al，2010；Heath et al，2022；Rice，2006；Sibson，1996；Sortino et al，2021；Townend et al，2000)。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Nur提出的“扩容-渗透”模型(Nur，1972)，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Sibson等提出的“断层阀”模型(Sibson et al，1975、1988；Sibson，1987)，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，Sibson又提出了“抽吸泵”模型(Sibson，1992、1994、1996)，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设(车用太等，2000)和岩石圈流体通道模型(刘耀炜等，2001；施锦等，2002)，分述如下：

(1) 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 1)。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。

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。

(2) 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 2(a))，地球岩石圈中形成了板块构造(图 2(b))，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 2(c))，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，2001；施锦等，2004)，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，20世纪80年代中国地震局组织兰州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 3(a)所示。从人工地震探测结果(图 3(b))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15~20km深度存在一个P波速度约5.85km/s的低速体。如 图 3(c)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(1995)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 3(d))。刘耀炜等(2001)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 4(a))，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 4(b))，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10000km²的区域在历史上竟发生过十次6级以上的地震(李清河，1991)。

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况(Zhao，2015；Cappa et al，2009；Hua et al，2019；Okada et al，2010；Smith，1994；Wang et al，1997；Zhao et al，2018)。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(Kuria et al，2010)。该地区深部地球物理探测结果如 图 5所示，从图中能够看出，格雷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。

2 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，2005)，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。

2.1 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(Raleigh et al，1976；李凯达等，2018)。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。Hubbert等(1961)提出了计算极限应力的数学表达式τ_crit=μ(σ_n-P)+τ_o，式中τ_crit为极限应力，μ为摩擦系数，σ_n为不考虑流体影响时断层两盘之间的正压力，P为断层中存在流体时产生的孔隙压力，τ_o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(Li et al，2017)。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(Bedford et al，2022；Buatier et al，2012；Sánchez-Roa et al，2016)。

水库地震的发生为上述观点提供了直接证据(Yaghoubi et al，2022；Ellsworth，2013)。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(Yao et al，2022)。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(He et al，2019；Chang et al，2022；Pérez-López et al，2022)。

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。Zhao(2022)利用三维P波和S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，Valenzuela-Malebrán等(2022)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。

2008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(Duan et al，2016)，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(Chen et al，2002)和美国圣安德烈斯断裂带(Williams et al，2021)，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。

2.2 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(Wang et al，2019、2021；刘冠男等，2021)，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。Zhao(2015)采用高分辨率层析成像技术对2011年东北大地震(M_W9.0)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2011年4月11日东北偏东的磐城7.0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2000年10月6日鸟取7.3级地震的震源区三维地震结构进行分析(Zhao et al，2018)，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。

2.3 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(Sabah et al，2022)。在地震孕育和发生的过程中，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(Zhang et al，2019)。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。Jamtveit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(Jamtveit et al，2019)。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。Campbell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(Campbell et al，2020)。

岩石的脱水和脱碳(CO₂)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(1995)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。Chen等(2013)采用实验和模拟相结合的方法研究了流体增压对2008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。Kurzawski等(2016)研究俯冲带地震火山成因时指出，大气中的CO₂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CO₂对构造运动产生了显著影响，同时也是火山喷发物中CO₂的主要来源。

3 地下流体前兆的形成机制初探 3.1 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(Pippan et al，2018)，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 6)，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(Sicking et al，2019；Dempsey et al，2014；Reddy et al，2004)，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(Novotný et al，2013；Gratier et al，2002)，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。

3.2 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(Zhou et al，2010)，一般认为，大多数氢气来自于地幔(Farver，2010)，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。CO₂也是地球化学研究的重要对象(Li et al，2017)，现有研究结果证明，CO₂的释放与地震活动密切相关(Chiodini et al，2011)，例如Famin等(2008)对1995年神户地震进行研究时发现，地震发生前地下有CO₂排出，虽然CO₂来源复杂(Burton et al，2013)，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He、Ne、Ar、CO、H₂S等，其前兆成因也与流体通道有关。

3.3 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(1995a、1995b)研究发现(图 7)，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(2008)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。

4 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。

4.1 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(Cicerone et al，2009；Ghosh et al，2009)。20世纪50年代，前苏联科学家在哈萨克斯坦设立试验区，并于1966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(Ingebritsen et al，2014)。Igarashi等在对1995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(Igarashi et al，1995)。

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(Blum et al，2017)，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(Zhang et al，2014；Zhou et al，2010)，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(Das et al，2005；Semenov et al，2020；Virk et al，2001)，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，2005)。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，2019)。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 1中。

从 表 1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²H、¹⁸O同位素对地震活动也具有映震作用(Ingebritsen et al，2014；Zhang et al，2020)，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δ²H和δ¹⁸O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δ²H、δ¹⁸O值在原有基础上增大(Reddy et al，2012；Onda et al，2018)。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，2016)。

4.2 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。

4.3 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(2018)对1900—2016年间青藏高原东南缘M_S≥6.0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 8)，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热场(Lei et al，2012)。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(Hu et al，2018；Xu et al，2005)，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10km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(Cheng et al，2022)。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。

5 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：

(1) 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；

(2) 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；

(3) 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；

(4) 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。