豐滿地震臺水氡對M≥5.0級東北深震的映震分析

馬銘志

（豐滿地震臺，吉林 吉林 132108）

0 引言

豐滿地震臺位于吉林省中部的吉林市東南郊豐滿區(qū)，海拔高度約240米。所處的大地構(gòu)造為東北斷塊區(qū)的老爺嶺－張廣才嶺斷塊隆起帶的中南部，北東向伊舒斷裂帶與敦化—密山斷裂帶之間，附近有北西向第二松花江斷裂帶經(jīng)過。區(qū)域出露地層主要為二疊系、侏羅系淺變質(zhì)巖系和中生代形成的海西期花崗巖。地球物理特征為區(qū)域布格重力異?？傮w走向為北北東方向，形態(tài)特征與區(qū)域北東向線性斷裂構(gòu)造相吻合，局部有北西向弱的異常條帶，航磁反映出來的特征與布格重力異常相似。豐滿地震臺水氡觀測井處于北西向第二松花江斷裂帶與北東向阿什—口前斷裂交匯處附近［1］。水氡井深約23米，在井下19米附近有一組斷層經(jīng)過。含水層主要是基巖裂隙水，節(jié)理不太發(fā)育（圖1）。

豐滿地震臺水氡井自1986年開始，至今已經(jīng)連續(xù)觀測了26年，積累了大量的數(shù)據(jù)資料。一些學者也對其水氡觀測與映震能力、地質(zhì)構(gòu)造的殊敏感點之間的關(guān)系做了研究。于清桐等（1996）根據(jù)豐滿地震臺水氡的觀測資料，分析研究了水氡含量動態(tài)變化和異常與遠域地震活動的關(guān)系，認為豐滿地震臺水氡含量變化與區(qū)域構(gòu)造活動密切相關(guān)，成為映震敏感點［2］。張亞奎等（1997）從 “古三論”（倍九論，節(jié)氣論，穴位論）的角度進行討論，認為該水氡井處于構(gòu)造敏感位置，有利于發(fā)現(xiàn)地震前兆異常，并且在近震臨震異常得以驗證，如1990年磐石大旺ML4.3級地震前，氡值發(fā)生大于二倍均方差的突跳［3］。東北深震區(qū)多為ML5.0級以上中強震，雖然對地面無破壞，但對社會影響很大。因此，對水氡異常與深震發(fā)生之間有無聯(lián)系的研究，非常必要和具有一定的實際意義。

1 豐滿地震臺水氡動態(tài)變化的影響因素

豐滿地震臺水氡動態(tài)變化主要受季節(jié)變化和水氡井附近溫度變化影響。

圖1 豐滿地震臺水氡井地質(zhì)構(gòu)造簡圖Fig.1 Geological structure map of water radon well in Fengman Seismic Station

1.1 水氡季節(jié)性變化

季節(jié)性變化主要指受季節(jié)性氣候影響，其實質(zhì)是補給水對氡值影響。豐滿水氡隨季節(jié)變化主要是春季桃花水和夏季大氣降水影響。由于吉林地區(qū)冬季比較寒冷，到初春季節(jié)，凍土層開始解凍，冰雪融化成水，俗稱桃花水。氡值每年在3、4月份受桃花水影響較大，桃花水經(jīng)地表深入巖層，把巖石裂隙中附著的氡帶入觀測井中，導致氡值升高，這一現(xiàn)象由于季節(jié)較為固定，在資料分析中容易剔除。7、8月份的大氣降水對水氡氡值的影響有一個延后效應，當降水后，雨水經(jīng)地表有一個滲透過程，可以通過氣象資料和輔助測項井水位變化加以甄別。桃花水和大氣降水引起氡值變化都是由流量的增加而引起的，二者都是抬高了補給方向的水位，從而使浸潤曲線斜率變陡，使氡值產(chǎn)生變化。

1.2 受水氡井附近溫度影響因素

由于豐滿地震臺觀測井口在山洞內(nèi)，山洞密封較好，水氡井附近的溫度變化受外界氣溫干擾年變化小于1.0°C，所以基本可以忽略不計。由桃花水和大氣降水補給引起的溫度異常變化，可以在排除上述影響時一并考慮。

2 豐滿臺水氡變化對應M≥5.0級深震的異常特征

2.1 深震前后水氡值異常形態(tài)種類

東北深源地震區(qū)位于北緯42.6～44.9°、東經(jīng)129～131°，東西寬度約140千米、南北長度約300千米內(nèi)的牡丹江、東寧、穆棱、琿春、圖門等地。據(jù)儀器記錄，自1905年至今已發(fā)生10多次7.0級以上強深源地震。雖然對地面無破壞，但其震感強烈，波及范圍較廣，對社會影響較大［4］。

實際工作中發(fā)現(xiàn)，中強深震前后水氡有明顯的異常反應，以下對1987年1月1日到2011年12月31日期間共發(fā)生的14個M≥5.0級以上深震進行研究，探討深震發(fā)生前后與水氡數(shù)據(jù)異常形態(tài)之間關(guān)系，并總結(jié)其映震特征。從曲線形態(tài)上可將水氡異常形態(tài)歸納為五類：V字形、脈沖形、震前緩慢向上形、高位震蕩形和震后上升形。

（1）V字形異常

圖2 V字形曲線異常形態(tài)Fig.2 Abnormal morphology of V－shaped curve

如圖2所示，2010年2月18日6.5級深震和2011年5月10日5.6級深震，兩次深震前10天左右，水氡曲線均出現(xiàn)低值異常（在排除各類影響因素后，認定為異常），即氡值曲線突然下降再回升，異常形態(tài)成V字形。

（2）脈沖形異常

如圖3所示，1987年2月11日5.5級深震、1999年4月8日7.0級深震、 2000年2月13日6.0級深震和2002年6月29日7.2級深震，深震前均出現(xiàn)尖脈沖異常形態(tài)，與正常的背景值有明顯差異。異常出現(xiàn)到深震發(fā)生大約1個月左右。

圖3 脈沖形異常曲線形態(tài)Fig.3 Abnormal morphology of Pulse－shaped curve

（3）震前緩慢向上形

如圖4所示，2007年3月9日6.1級深震和2011年1月8日5.6級深震，震前曲線形態(tài)是緩慢上升形態(tài)，持續(xù)時間約為1個月左右。

（4）高位震蕩形

如圖5所示，1990年5月11日6.3級深震、1994年7月21日7.3級和5.7級深震、2003年8月31日6.2級深震以及2008年5月19日5.7級深震，都處在相對時間段內(nèi)的高值，維持一種高位震蕩形態(tài)，在震蕩過程中發(fā)生深震。

圖4 震前緩慢上升形異常曲線形態(tài)Fig.4 Abnormal morphology of slowly rising curve before the earthquake

圖5 高位震蕩形異常曲線形態(tài)Fig.5 Abnormal morphology of high and volatile curve

（5）震后上升形

如圖6所示，2002年9月15日6.4級深震和2006年9月16日5.9級深震，兩次深震是在震后氡值上升。

從圖2到圖6可以較明顯看出深震前后水氡的異常變化。研究時間段內(nèi)共有14個M≥5.0級深震，震前異常的有12次，震后出現(xiàn)異常有2次。

圖6 震后上升形異常曲線形態(tài)Fig.6 Abnormal morphology of rising curve after the earthquake

2.2 異常形態(tài)判別分析

依據(jù)原始日測值曲線法，用原始數(shù)據(jù)計算出平均值和均方差，用2倍均方差做閾值，進行異常判定。異常閾值G=2σ。表1為14個深震異常閾值計算表。

表1 水氡異常閾值表

深震日期 經(jīng)度 緯度 震級（ML）平均值均方差異常閾值2002年9月15日 129.92 44.83 6.4 202 14 230 2003年8月31日 132.27 43.39 6.2 210 8 226 2006年9月16日 135.70 41.36 5.9 232 25 282 2007年3月09日 133.53 43.22 6.1 217 22 261 2008年5月19日 131.89 42.51 5.7 241 12 265 2010年2月18日 130.92 42.73 6.5 262 14 290 2011年1月08日 131.25 43.00 5.6 271 14 299 2011年5月10日 130.86 43.23 5.6 267 22 311

根據(jù)異常閾值畫出深震前后異常曲線圖。以上14個深震前后異常閾值曲線可分為3類：

（1）大于2倍均方差異常曲線

如圖7所示，震前超過2倍均方差8次，有的超出很多，有的接近。

圖7 大于2倍均方差異常曲線Fig.7 Abnormal curve with more than 2 times mean square deviation

（2）震后超出2倍均方差和震前低值異常曲線

如圖8所示，震后超過有一次，低值異常一次。

（3）震前震后低于2倍均方差異常曲線

如圖9所示，震前震后均低于2倍均方差。

圖8 震后超出2倍均方差和震前低值異常曲線Fig.8 Abnormal curve with more than 2 times mean square deviation after the earthquake and low－value anomaly before the earthquake

圖9 震前震后低于2倍均方差異常曲線Fig.9 Abnormal curve with lower than 2 times mean square deviation before and after the earthquake

3 結(jié)論

通過對東北M≥5.0級深震前后豐滿地震臺水氡異常分析，可以有以下幾點認識：

（1）豐滿地震臺水氡觀測存在深震效應，即深震對水氡值有提前或滯后的異常反應。對研究時間段內(nèi)14個M≥5.0級深震統(tǒng)計表明，震前有異常反應的為12次；震后有異常反應的為2次。

（2）在上述幾種異常形態(tài)中，V字形、震前緩慢向上形和脈沖形異常比較明顯，一般在異常高點或低點結(jié)束后十天到一個月左右發(fā)震。震前緩慢向上形、高位震蕩形比較難判斷，應仔細甄別，以上異常形態(tài)屬于深震前兆。震后上升形也是一種深震異常形態(tài)。這些不同異常形態(tài)，與深震應力積累與釋放的類型有關(guān)。當應力積累處于彈性變形時，產(chǎn)生異常較明顯；當應力積累處于塑性變形時，產(chǎn)生異常形態(tài)不明顯。

（3）氡值異常持續(xù)時間不同，異常持續(xù)時間和異常幅度與震級大小無關(guān)，而與深震的震源機制有關(guān)。如圖2到圖6所示，氡值異常持續(xù)時間不同，一般為10天到40天，異常幅度約為15Bq／L到100Bq／L左右，且異常幅度與震級大小無關(guān)。陳棋福（2012）對東北地區(qū)的深震震源機制進行了研究表明，深震大多以低角度逆沖為主的震源機制，是太平洋板塊俯沖動力作用的結(jié)果。深震能量孕育與發(fā)生對其周邊地下介質(zhì)影響具有很強的方向性，即有些方向利于傳遞深震異常，有些方向傳遞能力較弱［5］。如圖3所示，1999年4月8日7.0級深震和2002年6月29日7.3級深震，其變化幅度不如1987年2月11日5.5級深震和2000年2月13日6.0級深震大，異常形態(tài)也沒那么尖銳。

（4）豐滿地震臺水氡觀測井可以說是東北中強深震的敏感 “窗口”。該井在深震前后出現(xiàn)各種異常形態(tài)變化，說明豐滿地震臺處于構(gòu)造敏感位置。由其所處的區(qū)域構(gòu)造部位、水文地質(zhì)條件和井孔結(jié)構(gòu)共同決定的。如前所述，該井位于伊舒斷裂帶與敦化—密山斷裂帶之間，井口位處在NW向第二松花江斷裂帶的豐滿—二道甸子斷裂上，是區(qū)域構(gòu)造運動的穴位點，深大斷裂是中強地震應力和應變場變化的有力傳導者。由于地下流體的流動性和不可被壓縮性，其動態(tài)可較為靈敏地反映出地殼中發(fā)生的各種過程，地下流體動態(tài)對強震孕育與發(fā)生過程表現(xiàn)很強的反映能力［6］。

［1］吉林省地震局.吉林省地震監(jiān)測志［M］.北京：地震出版社，2005.

［2］于清桐，等.豐滿臺水氡映震敏感特征的分析研究［J］.東北地震研究，1996，12（4）：32－33.

［3］張亞奎，等.豐滿水氡及水氡井水位異常的初步研究［J］.東北地震研究，1997，13（4）：30－31.

［4］馬銘志，等.吉林深震的構(gòu)造背景和區(qū)域地震能量的異常討論［J］.地震地磁觀測與研究，2006，27（158）：11.

［5］陳棋福，等.2011年5月中俄邊界深震震源機制所展示的太平洋板塊俯沖動力作用［J］.國際地震動態(tài)，2012，402（06）：23.

［6］路鵬，等.地震地下水動態(tài)觀測［M］.北京：地震出版社，1998.