0 引言

泥火山是地下深部以高压泥浆和气体为主的流体通过断层等通道运移到地表从而形成的锥状沉积体，类似岩浆-火山作用形成的火山锥(刘嘉麒，2003；范卫平等，2007；何家雄等，2012)。泥火山作为地壳运动的产物，喷发时可将深层大量有价值的信息带到地表。不少科学家将泥火山称为深度可达7~12km的“天赐钻井”(栗周熊，2003；朱婷婷等，2009)，对大地构造属性、油气勘探、生物地球化学、地质灾害、地震预测和全球气候变化等方面的研究具有重要意义，并逐渐成为地球科学一个新的研究热点(黄华谷等，2011；马向贤等，2014)。

地震是对人民生命财产危害最大的自然灾害之一，防震减灾事关社会发展和公共安全，地震预测作为防震减灾核心科学问题之一，全球众多科学家将地震预测作为终身奋斗目标，不断研究新的地震监测手段和预测方法(张国民等，2004)。泥火山作为一种对应变场波动敏感的深层承压含水层构造(Milkov et al，2005；Mazzini et al，2009)，逐渐成为地壳运动的监测对象之一，对其开展监测、分析有助于进一步了解正在进行的构造活动和孕震过程，进而为地震预测提供更多依据。意大利、印度尼西亚等国家及中国台湾地区对泥火山开展了Rn、He、CO₂、He和CH₄等气体浓度、Cl/Sr比值及³ He/⁴ He等的监测；在中国台湾地区西南部活动断裂带最大泥火山坑之一的岸边建立了一个多参数气体自动监测站，用于连续监测逸出气泡中的CO₂、CH₄、N₂和H₂O(Yang et al，2006a)。泥火山中的²²²Rn、H₂、CH₄等气体浓度、CO₂/CH₄和Cl/Sr等比值及³ He/⁴ He测值在震前几天到几周时间内出现明显增大；部分泥火山出现大规模喷发，如印度尼西亚瓜哇露西(Lusi)泥火山震前喷出泥浆的体积由0~120000m³/d急剧上升至160000m³/d(Gorgoni et al，1988；D’Alessandro et al，1993；Martinelli et al，1995；Yang et al，2006b；Mazzini et al，2007)。新疆作为中国大陆最早开展泥火山实时监控和喷涌物定期取样分析的地区之一，在泥火山活动和中强震关系研究方面取得了很多有意义的成果(王道，2000；高小其等, 2008, 2015a；戴金星等，2012；杜建国等，2013；王海涛等，2014；陈志等，2015a；张涛等，2017；梁卉等，2018；Chen et al，2019；朱成英等，2019；许世阳等，2021；麻荣等，2022)，为新疆地区地震预测提供了可靠的资料。

本文将介绍目前新疆地区已发现的泥火山分布及其特征、监测系统发展历程、区域中强震前宏、微观异常特征及其在震情跟踪中的应用。

1 新疆泥火山分布及活动特征

目前，新疆地区发现的泥火山分布在准噶尔盆地南缘、塔里木盆地东北缘和南缘的山前和山间坳陷地带，是塔里木、哈萨克斯坦、准噶尔板块之间受到了强烈的陆内造山作用的结果(蒋雨函等，2020)。

准噶尔盆地南缘山前坳陷带泥火山地处准噶尔—北天山盆山过渡带，该过渡带走向NWW，EW向延伸长度350~500km，SN影响宽度约100km(王道等，1997)。该地区发现了一系列泥火山，自西向东有温泉县泥火山群、乌苏市白杨沟泥火山群、乌苏市艾其沟泥火山群、克拉玛依市独山子区泥火山群、沙湾县霍尔果斯泥火山群、石河子市紫泥泉泥火山群(图 1)。在塔里木盆地边缘，已发现的泥火山有乌恰县黑孜苇乡泥火山群、阿克陶县木吉乡泥火山群、民丰县叶亦克乡泥火山群。

准噶尔盆地南缘的泥火山群由多个泥火山喷口组成，多则成百上千个，少则几个。这些泥火山出露地层多为泥砂质岩石，岩石中富含多层地下水，且地下水具有层压高、矿化度高、天然气或石油含量高的特点(王立功等，1990；高小其等，2009；陈志等，2015b；樊海龙等，2017；思积勇，2019)。近些年，众多学者对该区域的泥火山在油气勘探、生物地球化学、地震预测等方面进行了大量研究，特别是艾其沟泥火山群、白杨沟泥火山群、独山子泥火山群、霍尔果斯泥火山群在地震监测和预测方面的研究成果尤为突出。而对塔里木盆地边缘的泥火山开展的研究相对较少，其中，黑孜苇乡泥火山群、叶亦克乡泥火山群由多个泥火山口组成，大部分处于“休眠”状态，部分泥火山正在活动，有气泡、泥浆逸出。木吉乡泥火山群是目前发现的亚洲最大泥火山群，由1000多个泥火山组成，大多数火山口正在活动，其数量和规模仅次于阿塞拜疆和美国黄石公园的泥火山群(赵来清，2019)。

2 新疆泥火山监测

新疆地区是国内最早开展泥火山监测并用于震情跟踪的地区之一，先后经历了3个阶段：第一个阶段是对具备条件的泥火山开展动水位连续监测；第二个阶段是对泥火山活动状态的实时监控和喷涌物不定期的地球化学组分进行分析；第三个阶段是泥火山活动状态的实时监控、喷涌物定期检测和气体流量的连续监测。新疆泥火山监测逐步由单一监测向实时监控和多测项连续监测结合、宏观观测向宏观观测与微观观测结合的方向发展，为新疆震情跟踪提供了可靠依据。

其中，第一个阶段始于1990年，当时沙湾县霍尔果斯泥火山(新26泉)活动较为活跃，新疆地震局在具备条件的一个喷涌口架设了红旗-Ⅰ型水位仪(图 2)，进行液面动态的连续观测，全程记录泥火山的活动状态；记录曲线上“脉冲”幅度的大小在一定程度上反映了泥火山活动的强度，是泥火山活动的定量观测(王道，2000)。

第二阶段始于2011年，新疆地震局高小其研究员团队依托中国地震局科技星火攻关项目，在乌苏市艾其沟“孪生”泥火山和白杨沟比较大的2个泥火山旁架设了3台实时监控设备(图 3)，实现了泥火山活动状态的实时监控，主要通过观察泥火山口液面的升降变化，鼓泡量的大小、数量以及泥浆外溢量等定性评估泥火山活动强弱。自2015年起，在中国地震局监测预报司的支持下，新疆地震局实现了艾其沟“孪生”泥火山、白杨沟2个活跃泥火山喷涌物每月取样、分析，主要开展了水质(F^-、Cl^-、SO₄^2-、CO₃^2-、HCO₃^-、SO₄^2-、Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺、Na⁺、电导率、矿化度和水汞)、气体(CH₄、CO₂、He、Ar和H₂)、水氡和逸出氡的监测(王海涛等，2014；高小其等，2015b)。

第三个阶段始于2018年，原中国地震局地壳应力研究所和新疆地震局联合在白杨沟泥火山群中的一座泥火山架设了甲烷观测仪器，因仪器对甲烷气体分辨率低，仪器显示甲烷气体含量近100%，无法有效分析数据而停止观测。2023年6月，中国地震局地震预测研究所和新疆地震局联合在乌苏市白杨沟泥火山和沙湾县霍尔果斯泥火山各架设了1套气体流量连续观测仪器(图 4)，实时监测泥火山逸出气体的流量值。

3 泥火山震前活动特征

自1990年开始至2024年，泥火山的监测方式经历了3个阶段，因观测方式不同，泥火山的异常特征存在较大差别，具体总结如下：

第一阶段始于1990年，代表性泥火山是沙湾县霍尔果斯泥火山(新26泉)和克拉玛依市独山子区泥火山。霍尔果斯泥火山(新26泉)喷出大量夹带烃类气体和高矿化度的泥浆水，连续观测的“脉冲”变化明显，以中期异常为主；中强震多发生在“脉冲”变化集中出现时段，远场强震发生在“脉冲”变化由密集到减弱的过程中(高小其等，2008)。独山子区泥火山在中强震前喷出大量泥浆、水和天然气，喷发时泥浆柱高20~50cm，形成的泥火山堆直径达5~6m，高度超过2m(王道等，1997)。

第二阶段始于2011年，代表性泥火山是乌苏市艾其沟泥火山和白杨沟泥火山，此阶段为泥火山实时监控加定期地球化学组分检测的观测方式。2011年8月—2024年4月期间，周边300km范围内天山中段发生9次5级和4次6级地震，积累了大量的泥火山震例，异常特征也较为丰富：

(1) 泥火山出现“背景值—上升—转折—下降—背景值”的宏观异常时间进程变化，地震多发生在转折后。

(2) 艾其沟泥火山喷涌量持续增大，逸出气泡直径可达十几厘米，鼓泡数量增加，鼓泡速度每分钟60余个，液面油花增多增厚，油花颜色由棕褐色变为黑色，泥浆向外溢流到锥体底部或更远的地方，锥体上出现小的泥火山并有泥浆溢出。白杨沟泥火山鼓泡次数和鼓泡点位增加，气体鼓泡每分钟80余个，气泡直径可达十几厘米，气体流量增大，泥浆颜色由灰绿色变为砖红色，出现少量油花，泥火山群的活动明显增强，溢出泥浆的泥火山点位明显增多。

(3) 艾其沟泥火山地球化学组分的震前异常不明显，仅在部分6级地震前有高值异常显示。白杨沟泥火山气体中Rn、Ar和N₂最大异常值为背景值的3余倍，CH₄最大异常值约为背景值1.5倍，离子中F^-最大异常值为背景值的5倍多，CO₃^2-为2倍左右；Rn和CH₄在震前6个月内出现高值异常，其他组分异常出现在震前3个月左右。

(4) 喷涌量异常出现的时间点至发震的时间间隔以中期(6~12个月)为主。

(5) 以国内最大泥火山乌苏市艾其沟“孪生”泥火山为例，其300km范围内天山中段5级及以上地震前，泥火山异常持续时间平均为107d，异常开始到发震时间平均为179d，说明泥火山活动是间歇性的。5级地震前泥火山异常开始到发震时间约为148d、异常持续时间约为36d，6级及以上地震前泥火山异常开始到发震时间约为155d、异常持续时间约为115d。震中距与泥火山异常持续时间、异常开始时间均成反比，震中距越远，异常持续时间和异常开始时间越短(越晚)，反之亦然。震级与异常持续时间、异常开始到发震时间均成正比，震级越大异常持续时间和异常开始到发震时间越长，反之亦然。震级与异常幅度(活动强度)成正比，震级越大，异常幅度越大(活动强度越强)，反之亦然。

第三阶段始于2018年，代表性泥火山是乌苏市白杨沟泥火山和沙湾县霍尔果斯泥火山。此时监测方法已经过多次的调整，2023年6月气体流量连续观测正式投入应用，目前资料积累不到一年时间，监测点300km范围内未发生5级及以上地震，异常特征待进一步积累。

4 泥火山在震情跟踪中的应用

经过30多年的观测，积累了一定量的泥火山震例，作为天山中段5级、6级地震的预测指标之一，在年中、年度、学科会商及日常震情跟踪中发挥了重要作用。根据新疆震例统计，2011年以来，乌苏市艾其沟和白杨沟泥火山300km范围内的天山中段共发生13次中强震(5级地震9次、6级地震4次)，9次地震前(5级地震5次、6级地震4次)泥火山出现明显喷涌量增大的现象，异常时间以中期异常为主。因此，乌苏市泥火山活动对天山中段中强震的发震时间、震级具有一定指示意义。

2011年以来乌苏市艾其沟泥火山、白杨沟泥火山的实时监测资料和2015年以来定期取样的地球化学资料连续可靠。期间，天山中段发生了2011年11月1日尼勒克6.0级、2012年6月30日新源—和静6.6级、2016年12月8日呼图壁6.2级、2017年8月9日精河6.6级4次6级地震，震中距均在170km范围内，震前200多天泥火山出现喷涌量明显增大、大喷涌量持续时间长、鼓泡速度加快、液面油层加厚等异常。2012年新源—和静6.6级地震前，新疆地震局根据乌苏泥火山液面变化的异常特征及其与2011年尼勒克6.0级地震的相似性提出预测意见。2016年呼图壁6.2级、2017年精河6.6级地震前，艾其沟泥火山喷涌物的CO₂、CH₄和F^-，以及白杨沟泥火山喷涌物的Ar、N₂、F^-和CO₃^2-等出现明显高值异常，2017年精河6.6级地震前泥火山异常点位和异常特征明显(图 5、图 6)。这两次6级地震前新疆地震局进行了现场异常核实工作，对异常进行及时跟踪和分析，并提出预测意见。2011年尼勒克6.0级地震前，乌苏泥火山实时监控运行不到3个月时间，因没有震例总结而未对震前出现的变化进行分析和跟踪，对其余3次6级地震均进行了震情跟踪(表 1)。

5 结论与讨论 5.1 结论

新疆北天山泥火山对天山中段的中强地震有较好的震前响应，13次中强地震中9次地震前乌苏泥火山有异常显示，其中9次5级地震中有5次地震前有异常显示，4次6级地震前均有前兆异常，说明泥火山的活动与地震活动具有同源关系，两者均与地球内部应力和热能的作用直接相关(赵来清，2019)。通过震例总结来看：震级越大，乌苏泥火山出现异常的时间越早，异常持续的时间越长，异常强度越大，异常点位和异常项也越多，地震对应率也越高(5级地震为5/9，6级地震为4/4)。喷涌量异常出现的时间至发震的时间间隔以中期(6~12个月)为主；对于6级地震，泥火山喷涌量异常开始距发震时间集中在7个月左右，震后恢复到背景值；地球化学组分异常开始距发震时间在6个月内，且在震前1个月左右出现高值转折或恢复。艾其沟泥火山的地球化学组分震前异常不明显，仅在2017年精河6.6级地震前有高值异常显示，而其喷涌量在9次震例中均表现出前兆异常；白杨沟泥火山的地球化学组分相对其实时监控宏观异常更明显，因此可把艾其沟泥火山喷涌活跃和白杨沟泥火山喷涌物地球化学组分变化作为震情跟踪的重要监测项目和异常指标。

5.2 讨论

板块间的构造应力、超高压和地震活动是诱发泥火山喷发的主要因素，地震活动被认为是触发泥火山喷发的重要因素。区域应力增强是引起泥火山喷发的内在驱动力，而地震的孕育过程就是应力集中的过程，研究表明2011年11月1日尼勒克6.0级、2012年6月30日新源—和静6.6级、2016年12月8日呼图壁6.2级、2017年8月9日精河6.6级4次6级地震前，天山中段出现了3级、4级地震活跃(王琼等，2013；高荣等，2017；周龙泉等，2021)，表明该区域应力增强，乌苏泥火山出现了活动增强、喷涌量增大现象。泥火山地层多为泥砂质岩层，挤压泥角砾岩具有黏度低的特点，且含有丰富的气体(主要为CH₄)，这些气态相气源长期存在于泥浆储集层深度或更深的区域，当区域构造应力增大时，密闭系统中的游离气体或溶解气体会上升，当压力超过阻碍管道的岩石强度时，气体携带水、泥浆上移涌出地表，发生喷溢现象，气体以气泡形式扩散到大气中(Manga et al，2007；Davies et al，2008；Kusumoto et al，2015)，结果便是泥火山的喷涌量增大、喷溢出泥浆水中的溶解气和离子等化学组分和逸出气体增大，部分弱活动或者“休眠”的泥火山又重新喷涌。

北天山泥火山受到了天山和准噶尔盆地近SN向挤压作用(李杰等，2016)，使得水-岩反应速度加快，离子组分发生变化，深埋在泥浆下方的气体在应力挤压的作用下发生上移，离子和气体伴随泥浆涌出地面。但距离很近且处在同一构造上的泥火山在震前反映特征有较大差别，例如2017年精河6.6级地震前，相距仅10m的艾其沟“孪生”泥火山，相比于2号泥火山，其1号泥火山喷涌量更大，持续时间更长；相距仅几十米的白杨沟2座泥火山，一座喷涌量明显变大，一座在喷涌量变大的基础上喷涌物颜色发生变化。一些学者通过烷烃类数据和碳、氦等同位素值等分析认为，艾其沟“孪生”泥火山、白杨沟泥火山有“同源性”(戴金星等，2012；高小其等，2015a)，震前反应的不同，可能是由于每个泥火山口均有不同的“泥浆和气体”运输通道，随着区域应力的加载，泥浆和气体会冲出通道喷涌而出，由于泥浆通道的宽窄、内壁岩石强度不同等因素，造成了不同通道通畅度不同，进而表现出喷涌状态不同。加之震前多座泥火山喷涌物化学组分变化的不同步，可以将临近区域、构造相近的多座泥火山活动状态和喷涌物化学组分异常综合作为中强震震情跟踪的中短期或临震异常指标。

北天山泥火山在新疆震情跟踪中的应用取得了一些经验，例如乌苏泥火山的观测模式值得推广，先架设实时监控设备开展宏观观测，对观测条件比较好的泥火山开展地球化学组分定期采样、分析，经过一定量的震例积累，确定哪些泥火山可作为地震监测点，将其纳入地震监测台网并对其优先架设数字化连续观测设备。但在应用中也存在一些问题，实时监控需要人为实时监测泥火山活动变化，是定性的描述，需要花费大量人力实时监控，这需要定量明确泥火山异常的阀值，基于图像识别技术自动报警来解放人力，并可以异常定量化。目前的泥火山喷涌物检测包括了水质、离子、气体、水氡等，由于没有合适的实时检测仪器，只能每月定期取样，再回到实验室分析，每月只取一个值的数据不但可能丢失部分异常信息，也花费了大量人力、财力。虽然已有针对气体流量的实时监测仪器，但仍需要研制能适用泥火山喷涌物和气体组分分析的现场监测仪器，实时检测地球化学组分变化。目前，新疆发现的泥火山相对分散，距离成场、成网还有很大差距，开展泥火山的普查，筛选条件好的泥火山开展地震监测，充分发挥泥火山这一“天然赐井”的独特优势，方可为区域中强震预测提供可靠依据。相信不久的将来，随着地震监测技术的发展和泥火山普查成果的应用，泥火山监测将很快成为我国地震监测台网重要的观测手段之一。