氡觀測預(yù)報發(fā)震地點和震級的方法初探＊

楊紹富 張嘉敏 徐長銀

（新疆維吾爾自治區(qū)地震局庫爾勒地震臺，新疆庫爾勒841000）

（作者電子信箱，楊紹富：49846678＠qq.com）

引言

氡的化學(xué)性質(zhì)是惰性的，它在地下水中以溶解氡和逸出氡兩種方式存在。作為研究地震的孕育過程及預(yù)報地震的一種手段，中外學(xué)者對氡濃度變化與地震的關(guān)系進(jìn)行了廣泛而深入的觀測與研究。1966年4月前蘇聯(lián)學(xué)者烏洛莫夫在蘇聯(lián)塔什干地區(qū)發(fā)生的5.3級地震的前兆資料中發(fā)現(xiàn)了水氡濃度在震前具有明顯異常變化以后，各國學(xué)者相繼發(fā)現(xiàn)了震前氡濃度變化的實例［1］。利用氡異常預(yù)報發(fā)震時間，郭增建等［2］做過一些有益的探討，并取得過成功震例。然而，在預(yù)報發(fā)震地點和震級方面還未得出較好方法。日本地震學(xué)者力武常次提出利用各種前兆資料預(yù)報發(fā)震地點和震級的實用方法［3］。姚慶春等［4］就水氡觀測資料對發(fā)生在我國大陸的地震進(jìn)行了抽樣驗證，結(jié)果是令人滿意的。本文引用力武常次的統(tǒng)計結(jié)果，對新疆發(fā)生的兩次地震進(jìn)行驗證和探討。

1 預(yù)測方法和資料介紹

1.1 預(yù)測方法介紹

對于不同震級的地震，出現(xiàn)氡觀測異常的范圍和幅度也不同。一般來說，震級越大其異常范圍也越大。根據(jù)力武常次統(tǒng)計研究提出的震級與水氡異常出現(xiàn)的最大距離關(guān)系（表1），可以預(yù)測未來發(fā)震的可能區(qū)域和震級。

在井（泉）異常已經(jīng)確認(rèn)的情況下，分別以各異常點為圓心，以表1給出的最大異常距離Dmax為半徑做圓，各圓相交的公共區(qū)域即為發(fā)震區(qū)域。震級根據(jù)經(jīng)驗假設(shè)，從低到高逐一嘗試，若假設(shè)震級偏小，各圓沒有交集，需往大一級假設(shè)，直到出現(xiàn)面積不小于實際地震極震區(qū)面積的公共區(qū)域。當(dāng)然，震級也不可假設(shè)得太大，否則各圓相交的公共區(qū)域過大，甚至超出了實際地震的有感范圍，這便失去了預(yù)測意義。

1.2 資料介紹

考慮到資料連續(xù)率等方面因素，本文選取新15泉（水磨溝公園冷泉）和新43 泉（庫爾勒501泉）氡觀測資料作為研究對象。新15泉位于烏魯木齊市水磨溝公園內(nèi)（43°49′N，87°39′E），海拔高度831 m。構(gòu)造上處于水磨溝背斜軸部，巖石破碎，裂隙發(fā)育，周圍區(qū)域多次發(fā)生中強(qiáng)以上地震。泉水沿二疊系砂巖及薄層灰?guī)r中滲出，地下水屬基巖裂隙潛水類型，水溫10℃左右，年變規(guī)律明顯，流量1.5L／s，礦化度為0.87g／L，PH 值為7.6。1979年開始觀測水氡，2007年6月進(jìn)行數(shù)字化改造，所用儀器為FD－125型測氡儀。新43泉位于庫爾勒市西霍拉山南麓吉格代布拉克（41°54′N，85°48′E），海拔高度1 090m。構(gòu)造上處于南天山構(gòu)造帶北輪臺斷裂帶附近。泉水出露于元古代片麻花崗巖和第三系頁巖交界地帶，水溫20℃，不具有年變規(guī)律，流量0.03L／s，礦化度為1.7g／L，PH 值為7.2。2006年投入觀測，2008年由巴州地震局移交給庫爾勒地震臺，氣氡觀測儀器為SD－3A 型測氡儀。多年的資料表明，新43泉氣氡資料對該地區(qū)的中強(qiáng)地震有較好的前兆顯示［5］。

表1 震級與水氡異常出現(xiàn)的最大距離關(guān)系

2 驗證實例

2.1 反演2013年3月29日烏魯木齊—昌吉交界MS5.6地震

選取2012年1月1日至2013年4月30日新15泉水氡、新43泉氣氡原始日均值數(shù)據(jù)（圖1），從圖上看，新15泉水氡2012年11月出現(xiàn)異常，氡值明顯高于其他時間；新43泉氣氡2 0 1 3年1月1 1日突然下降11.2Bq／L，2月1日上升5.9Bq／L，現(xiàn)場調(diào)查排除儀器和環(huán)境因素。

圖1 氡觀測原始數(shù)據(jù)

根據(jù)預(yù)測方法，對發(fā)震地點和震級做一驗證。考慮表1中震級間隔偏大，為使預(yù)測結(jié)果更加準(zhǔn)確，用內(nèi)插法得到新的MS－Dmax關(guān)系（表2）。

表2 擴(kuò)展后震級與水氡異常出現(xiàn)的最大距離關(guān)系

新15泉與新43泉相距262km，若以各點為圓心，兩點之間距離的一半為半徑做圓，則兩圓相切，其公共部分為一點。若半徑小于131km，則兩圓沒有公共部分。對照表2可知，此次氡觀測異常，預(yù)測地震震級不低于5.1。假設(shè)震級為5.5，由表2查得，Dmax為174km，分別以新15泉和新43泉為圓心，174km 為半徑做圓得圖2a，兩圓有公共區(qū)域，但實際地震并不發(fā)生在公共區(qū)域內(nèi)。因此，認(rèn)為震級偏小，需逐步增加震級大小。假設(shè)震級為5.6，查表2 知，Dmax為190km，用上述方法做圓得圖2b。兩圓有公共部分，且實際地震處于公共部分內(nèi)，認(rèn)為震級合適。若繼續(xù)增大震級，則兩圓公共部分面積會逐步增大，當(dāng)半徑超過262km 時，兩圓公共部分基本包括了兩點間的廣大區(qū)域，因此，可以確定6.1級是此次氡異常預(yù)測震級的上限。

圖2 （a）預(yù)測發(fā)震地點示意圖（假設(shè)MS=5.5）；（b）預(yù)測發(fā)震地點示意圖（假設(shè)MS=5.6）

2.2 反演2012年6月30日新源—和靜交界MS6.6地震

圖3 氡觀測數(shù)據(jù)曲線

圖4 預(yù)測發(fā)震地點示意圖（假設(shè)MS＝6.1）

選取2012年1月1日至2012年10月31日新15泉水氡原始日均值數(shù)據(jù)，2012年1月1日至2012年8月31日新43泉氣氡小波分析第4階趨勢結(jié)果（圖3）［5］，小波分析第4階趨勢結(jié)果是利用“基于GIS的地震分析預(yù)報系統(tǒng)”MapSIS軟件中的Matlab小波趨勢、細(xì)節(jié)分析工具，將數(shù)據(jù)分析為趨勢部分和細(xì)節(jié)部分，分析結(jié)果共6階，對比后選取較好的第4階趨勢結(jié)果進(jìn)行分析。

從圖上看，新15泉水氡4月26日出現(xiàn)異常，氡值顯著上升，明顯高于其他時間；新43泉氣氡4月26日趨勢信號部分的周期相位和幅值發(fā)生顯著變化，變化超出了2倍均方差，可以認(rèn)為是地震前兆。按照2.1節(jié)的分析，6.1級應(yīng)該是預(yù)測震級的上限。據(jù)此，假設(shè)震級為6.1，由表2 查得Dmax為282km，考慮到兩個異常點之間距離實際為262km，分別以新15泉和新43泉為圓心，260km 為半徑做圓（圖4），兩圓有公共區(qū)域，且實際地震就發(fā)生在公共區(qū)域內(nèi)。

實際地震為6.6級，若根據(jù)表2查詢結(jié)果，氡異常出現(xiàn)的最大距離應(yīng)該為410km。對比預(yù)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，預(yù)測震級偏小。但實際上，本次地震氡異常出現(xiàn)的最大距離為260km，即約為兩個異常點之間的路離。因此，分析認(rèn)為，異常點的數(shù)量少和相互之間的距離影響了預(yù)測結(jié)果。

3 結(jié)論與討論

（1）文中利用氡觀測資料對發(fā)生在新疆的兩次中強(qiáng)地震進(jìn)行了反演，結(jié)果是令人滿意的。力武常次統(tǒng)計研究提出的MS－Dmax預(yù)測未來發(fā)震的可能區(qū)域和震級是準(zhǔn)確、可行的。若結(jié)合楊紹富等人［5］利用氣氡觀測異常預(yù)測發(fā)震時間的初步研究成果，有望嘗試取得同時對地震三要素的預(yù)測結(jié)果。

（2）目前新疆地下流體，尤其是氡觀測臺站數(shù)量少，且分布極不均勻。這一現(xiàn)狀造成利用氡觀測預(yù)報發(fā)震地點和震級方法的結(jié)果具有一定局限性，可能會出現(xiàn)2.2節(jié)中預(yù)測震級偏小等問題。隨著防震減災(zāi)事業(yè)的不斷發(fā)展，在觀測點數(shù)量增加、布局合理的條件下，該方法預(yù)測的發(fā)震區(qū)域和震級范圍將具有一定的參考價值。

（3）力武常次提出利用各種前兆資料預(yù)報發(fā)震地點和震級的實用方法，文中利用氡觀測資料進(jìn)行了初步的探討，認(rèn)為其他觀測資料，如傾斜、重力、應(yīng)力應(yīng)變等也可進(jìn)行嘗試。若結(jié)果可行，則可進(jìn)一步增強(qiáng)預(yù)測地震方法的多樣性，提高預(yù)報的準(zhǔn)確性。

［1］張煒，史勇，張平.地下水中逸出氣氡的研究：水化地震前兆新項目探索.中國地震，1992，8（1）：18－25

［2］郭增建，秦保燕，李海華.地震活動的倍九日期.地震戰(zhàn)線，1978：4

［3］力武常次.根據(jù)前兆現(xiàn)象的經(jīng)驗公式進(jìn)行實用性地震預(yù)報（2）：地震發(fā)生時間.地震譯文集，1989（1）：1－9

［4］姚慶春，閻賢臣.水氡觀測預(yù)報發(fā)震地點和震級的一種方法.地震預(yù)報方法實用化研究文集，北京：地震出版社，1990：374－379

［5］楊紹富，徐長銀.小波分析在庫爾勒地震臺氣氡資料處理中的應(yīng)用.內(nèi)陸地震，2011，25（4）：329－333