姑咱臺氣氡測值異常與地震預(yù)報探討

李志鵬, 趙 冬, 袁 梅

(四川省地震局康定地震中心站姑咱水化綜合臺，四川 姑咱 626001)

姑咱臺氣氡測值異常與地震預(yù)報探討

李志鵬, 趙 冬, 袁 梅

(四川省地震局康定地震中心站姑咱水化綜合臺，四川 姑咱 626001)

總結(jié)了姑咱臺氣氡觀測資料的使用情況、存在的問題，對姑咱地震臺氣氡觀測值的年、月、日動態(tài)變化和儀器干擾進(jìn)行了分析，并對姑咱臺氣氡觀測值在汶川8.0級地震、玉樹7.1級地震、蘆山7.0級地震以及康定6.3級地震前的異常進(jìn)行了分析，討論了姑咱氣氡觀測數(shù)據(jù)的映震效能，認(rèn)為：姑咱氣氡觀測值在周圍幾次強地震前異常形態(tài)的相似性和震后形態(tài)恢復(fù)的差異性，均表明姑咱氣氡觀測值異常變化能夠真實地記錄周圍強地震所處斷裂帶的應(yīng)力變化，具有很好的映震效能，可作為地震預(yù)報的可靠依據(jù)。

氣氡觀測值；姑咱地震臺；映震效能；地震預(yù)報

地震地下流體是指與地震孕育、發(fā)生和構(gòu)造活動有直接聯(lián)系的、賦存于地殼巖體空隙中的水、氣、油等物質(zhì)。大陸地下流體前兆的物理力學(xué)機制，主要是基于強震孕育的動力學(xué)原理，即在區(qū)域應(yīng)力作用下，當(dāng)?shù)貧そ橘|(zhì)受到力的作用而發(fā)生變形破壞時，賦存于介質(zhì)中的流體會在動力作用、熱力作用和化學(xué)作用下發(fā)生動態(tài)變化。氡是一種放射性氣體，是鐳衰變的中間產(chǎn)物，氡在巖石的孔隙和裂隙中以自由氡、吸附氡和封閉氡的形式存在。實驗證明[1，2]，氡反應(yīng)靈敏，當(dāng)受到外界的壓力、振動等作用時，氡容易從其賦存的介質(zhì)中逃逸出來，因此，當(dāng)?shù)叵聭?yīng)力發(fā)生變化時，地下水中的氡濃度會出現(xiàn)不同程度的變化，這就是氡觀測的依據(jù)。氡作為地下流體學(xué)科的敏感組分，是地震科學(xué)研究中觀測時間最長、研究最廣泛的地下流體項目之一。

地下水中氣體的動態(tài)變化監(jiān)測是地下流體地震前兆監(jiān)測的主要手段之一。由于地下水中逸出氣參與地下水的循環(huán)，而且氣體對地下深處的應(yīng)力—應(yīng)變反映靈敏，會向壓力減小的方向迅速運移，攜帶的信息量也較為豐富[3]，因此受到地震科研人員的重視。自20世紀(jì)70年代以來，國內(nèi)外地震學(xué)者為了實現(xiàn)數(shù)字化氡的觀測，曾研制了不同種類的脫氣裝置[4]?！熬盼濉薄ⅰ笆濉逼陂g，我國部分水氡觀測儀器得到數(shù)字化改造，近年來已完成了模擬觀測向數(shù)字化觀測的轉(zhuǎn)變。對姑咱臺數(shù)字化氣氡觀測的現(xiàn)狀的初步分析，希望能對該項觀測技術(shù)在今后地震監(jiān)測預(yù)報中發(fā)揮更好的作用提供一些參考。

1 測點概況

姑咱海子泉位于四川省康定縣北東方向的姑咱鎮(zhèn)，地處北西向鮮水河斷裂帶、北東向龍門山斷裂帶和南北向安寧河斷裂帶的復(fù)合部位靠北地段，位于雞心梁子背斜的核部第三期中性江咀閃長巖和第四期的酸性瓦斯溝斜長花崗巖體的接觸部位，主要含水層為花崗巖。泉點向東距大渡河430 m，屬天然上升冷泉，水溫9.5～12.0℃,流量220～400 L/s，水質(zhì)類型HCO3-Ca型，是監(jiān)測鮮水河斷裂帶地震的“敏感點”。姑咱海子泉于1970年10月開始水氡觀測，40年來，姑咱水氡先后經(jīng)歷了甘孜及鄰區(qū)5.0級以上地震10多次。幾乎每次地震前姑咱水氡觀測值均有不同程度的臨震異常和趨勢異常，特別是1973年爐霍7.9級地震和1976年松潘—平武7.2級地震前，姑咱水氡觀測值所表現(xiàn)出的臨震突跳異常，說明姑咱海子泉位于地下應(yīng)力較強的敏感地段，其水氡觀測值的變化能間接反映地下應(yīng)力情況，有較強的映震能力[5]。

2007年8月姑咱氣氡數(shù)字化改造通過驗收后正式投入觀測，觀測儀器為SD-3A型自動測氡儀，數(shù)據(jù)采用整點值。2008年5月12日汶川MS8.0級特大地震和2010年4月14日玉樹MS7.1級地震前姑咱氣氡均出現(xiàn)了較明顯的震前異常變化，2013年4月20日蘆山7.0級地震前姑咱氣氡也出現(xiàn)了測值的較大變化，但這種異常變化同之前汶川8.0級地震和玉樹7.1級地震前姑咱氣氡表現(xiàn)出來的變化有較大差異。然而姑咱氣氡偏低的背景值又讓國內(nèi)流體專家感到十分困惑，為了搞清姑咱氣氡背景值偏低的原因， 這里對姑咱氣氡觀測資料作了全面的整理，排除了儀器故障和觀測環(huán)境變化對觀測造成的影響，分析了姑咱氣氡觀測值在周圍幾次地震前的異常變化，討論了姑咱氣氡數(shù)字化改造后的儀器工作狀況及其映震效能。

2 姑咱氣氡資料分析處理

數(shù)字化氣氡觀測的對象是逸出氡，它既包含有地下水自深部向淺部運移過程中由于溫度、壓力降低自然逸出的氡氣，也有經(jīng)過氣水分離裝置脫出的部分溶解氣體中的氡，目前測的是混合氣體的氡含量，采用SD-3A自動測氡儀(儀器本底為每分鐘20個脈沖)觀測，整點采樣、自動測試，每日產(chǎn)出24個時值[6，7]，其濃度單位雖然也為Bq/L，但含義為每升氣體中氡的含量。

2.1 氣氡的動態(tài)分析

姑咱數(shù)字化氣氡觀測資料主要有脈沖和突變(臺階變化)2種大的變化，對觀測資料進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，造成這2種變化的主要原因是電壓瞬間不穩(wěn)、突然斷電、脫氣裝置故障(或氣量不足)、傳輸?shù)葐栴}，而不是地震前兆異常。整體來看，姑咱氣氡觀測資料的穩(wěn)定性較差，但當(dāng)臺站周圍中強地震較多時其氣氡測值也相對較高，當(dāng)氣氡測值較低時(接近0)，臺站周圍的中強地震也較少，這是否也說明姑咱氣氡與周圍中強地震相關(guān)性較高呢(見圖1)。

圖1 姑咱臺氣氡觀測曲線

1)氣氡的年動態(tài)分析

對觀測資料相對穩(wěn)定的氣氡測點以月均值為基礎(chǔ)繪制氣氡年動態(tài)曲線，其形態(tài)變化有一定的規(guī)律性，多數(shù)為“夏低冬高” 型與“平穩(wěn)波動”型。年變形態(tài)特征有利于識別中強地震前可能出現(xiàn)的以破年變?yōu)闃?biāo)志的中期前兆異常[10]。

2)氣氡的月動態(tài)分析

氣氡的月動態(tài)曲線是以日均值為基礎(chǔ)繪制而成的。自有觀測以來的月動態(tài)特征分析結(jié)果表明，月動態(tài)類型多樣，月變幅不等，表現(xiàn)出較大的不穩(wěn)定性。月動態(tài)具有起伏的特征，其規(guī)律性不明顯，變化幅度也偏大。這樣的特征，根據(jù)以往的水氡震例，是不利于識別地震前的階變、脈沖等短期或短臨前兆異常的[8，9]。

3)氣氡的日動態(tài)分析

氣氡的日動態(tài)曲線是以時值為基礎(chǔ)繪制而成的，其日動態(tài)特征是不穩(wěn)定的，且變幅較大。多數(shù)測點的日變幅往往比月變幅大，說明觀測系統(tǒng)本身存在不穩(wěn)定性。氣氡日動態(tài)觀測曲線的不穩(wěn)定會嚴(yán)重影響氣氡觀測在地震前兆監(jiān)測中的效能。根據(jù)以往水氡震例總結(jié)出來的前兆異常形態(tài)及幅度等特征[10]，在這樣不穩(wěn)定的氣氡日動態(tài)觀測曲線中是很難識別出脈沖、階變等短臨前兆異常的[11]。

2.2 觀測儀器干擾情況及分析

2007年11月17日前姑咱氣氡觀測數(shù)據(jù)變化較大，8月12日氣氡儀主機故障，23日更換主機，更換主機前后數(shù)據(jù)一致性較好(圖2)。2007年11月17日原觀測水管堵塞，無法觀測，隨后更換進(jìn)水管，測值突降到零附近。至2008年1月，通過對姑咱氣氡測值突降原因的查找，并多次向儀器生產(chǎn)廠家和地下流體組專家請教，對儀器水路、氣路和儀器狀態(tài)等進(jìn)行多次檢查調(diào)整，確認(rèn)儀器各觀測環(huán)節(jié)和儀器狀態(tài)都正常，泉點氡測值仍然偏低。2008年2月開始，觀測環(huán)境和儀器設(shè)備沒有過變動，每季度檢查儀器，儀器正常，2007年到2014年多次標(biāo)定儀器，儀器正常，儀器K值無明顯變化。

圖2 姑咱臺氣氡2007年11月至2008年2月觀測曲線

2007年11月后姑咱臺氣氡測值偏低，分析原因可能有以下幾個方面：

1)姑咱海子泉為天然出露泉點，泉點出露面積達(dá)80多平方米，泉點有多個涌水點。而原觀測進(jìn)水管引水位置和更換后進(jìn)水管的引水位置不同，造成更換引水管前后氣氡測值產(chǎn)生差異。

2)原引水管是“十五”數(shù)字化改造時用50 cm×50 cm喇叭口接直徑25 mm鍍鋅鋼管通過虹吸方式引到儀器，而更換后的引水管是2007年11月通過埋地直接引入儀器的，兩者引水口位置、喇叭口大小、引水方式的不同，再加上泉點氡濃度偏低，儀器脫氣裝置脫氣效率低等因素，造成姑咱氣氡觀測在更換引水管后測值突降。

3)2012年3月25日到9月25日對姑咱海子出水點A、B處用相同儀器進(jìn)行了不同引水管、脫氣裝置的交叉對比觀測。2012年9月26日起用出水口B處作日常觀測。

4)清洗和更換脫氣裝置氣管，對觀測結(jié)果影響很大，通常會引起數(shù)據(jù)突升。

3 姑咱氣氡觀測的映震效能分析

1)2008年5月12日汶川8.0級地震

在對收集到的觀測資料進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)汶川地震前姑咱測點氣氡測值為緩慢上升的高值異常(圖3a)。2008年5月7日18時姑咱氣氡在近半年低值波動后測值突然上升，震前最大上升幅度達(dá)到12.5 Bq/L，在達(dá)到最大變化幅度后氡值回返減小，5月11日出現(xiàn)小幅波動， 5月12日14時28分在距姑咱海子泉點直線距離160 km的汶川發(fā)生了8.0級特大地震。

2)2010年4月14日玉樹7.1級地震

2010年4月8日姑咱氣氡測值在近4個月的低值波動后突然上升，4月9日小幅回返，4月11日繼續(xù)上升，震前最大上升幅度達(dá)到21.7 Bq/L ，4月14日距姑咱直線距離620 km的玉樹發(fā)生了7.1級強地震(見圖3b)。

圖3 姑咱臺氣氡震前異常曲線

分析姑咱地震臺氣氡觀測曲線在汶川8.0級地震和玉樹7.1級地震震前異常形態(tài)相似，均為低值波動后出現(xiàn)高值突升，并在震前出現(xiàn)小幅波動。表明姑咱氣氡測值在周邊地區(qū)強地震前的異常真實反映了發(fā)震斷裂帶地下應(yīng)力變化，異常引起的氡濃度變化具有可統(tǒng)計性；汶川8.0級地震震前氣氡測值突升，震后繼續(xù)上升，玉樹7.1級地震震前氣氡測值大幅度突升并在震前達(dá)到最大值，震后逐漸恢復(fù)，2次強地震后姑咱氣氡測值異常變化形態(tài)存在差異性，分析其差異原因認(rèn)為：汶川8.0級地震發(fā)生在大型逆沖斷裂龍門山斷裂帶，玉樹7.1級地震發(fā)生在巴顏喀拉塊體南部的右旋走滑型金沙江—鮮水河斷裂帶，而姑咱海子泉點位于鮮水河斷裂帶和龍門山斷裂帶的交匯帶上，該泉點是反映龍門山斷裂帶和金沙江—鮮水河斷裂帶地下應(yīng)力變化的敏感點，但由于逆沖型斷裂與右旋走滑型斷裂在強地震時的應(yīng)力釋放與強地震后的應(yīng)力恢復(fù)方式不同，所表現(xiàn)出的氣氡濃度變化的差異正是姑咱氣氡測值在這2次強地震中異常變化的最好解釋，表明姑咱氣氡觀測具有很好的映震效能。

3)2013年4月20日蘆山7.0級地震

蘆山7.0級地震是在2012年9月26日姑咱氣氡更換引水管后觀測到的1次強震，地震發(fā)生在龍門山斷裂帶，距觀測泉點80 km。地震前兩個月姑咱氣氡測值一直處在較大的波動中,波動幅度為0.0～15.0 Bq/L，4月2日12時開始，姑咱氣氡測值出現(xiàn)突升，最大值達(dá)到31.3 Bq/L，之后小幅度波動，4月20日發(fā)生蘆山7.0級地震。汶川8.0級地震和蘆山7.0級地震都發(fā)生在大型逆沖斷裂龍門山斷裂帶上，2次地震前姑咱氣氡測值都出現(xiàn)了類似的異常變化，但又有所不同，相同的是2次地震都發(fā)生在氣氡測值大幅度上升后一段時間內(nèi),其中汶川地震是在測值升高后1周發(fā)震,而蘆山地震是在測值升高18天后發(fā)震；不同的是汶川地震前氣氡測值一直穩(wěn)定在0.5 Bq/L左右，而蘆山地震前氣氡測值在15.0 Bq/L內(nèi)上下波動。也說明引水管B處能更敏感地感受到地下應(yīng)力的變化，并通過其測值表現(xiàn)出來(見圖4)。

圖4 姑咱臺氣氡在蘆山地震和康定地震前異常曲線

4)2014年11月22日康定6.3級地震和11月25日5.8級地震

2014年11月22日康定6.3級地震前后，距震中46 km的姑咱氣氡觀測引水管A處與引水管B處都沒有觀測到明顯的異常變化，2008年2月27日康定5.1級地震前后，引水管A處也沒有觀測到數(shù)據(jù)的異常變化。11月25日康定5.8級地震前8小時引水管B處觀測到了數(shù)據(jù)的異常變化,而引水管A處沒有。(見圖5)更進(jìn)一步說明引水管B處的映震效果更好，觀測效果優(yōu)于引水管A處[12]。

圖5 康定6.3級和5.8級地震時姑咱氣氡觀測曲線對比

4 討論與結(jié)論

1)姑咱氣氡觀測低背景值是泉點自身的情況反映。2)姑咱氣氡在汶川8.0級、玉樹7.1和蘆山7.0級強地震前出現(xiàn)的突變異常，是在排除儀器故障和觀測環(huán)境變化后得出的結(jié)論，其異常真實可靠。姑咱氣氡觀測在幾次強地震前異常形態(tài)的相似性和震后恢復(fù)的差異性，均表明姑咱氣氡異常變化能夠真實反映強地震所處斷裂帶的應(yīng)力變化，表明姑咱氣氡觀測具有很好的映震能力。特別是當(dāng)姑咱氣氡測值升到20 Bq/L以上時，臺站周圍300 km范圍內(nèi)發(fā)生5.0級地震的可能性比較大。3)姑咱氣氡測值在康定6.3級地震前沒有明顯的異常變化,而在康定5.8級地震前幾小時又出現(xiàn)了一些異常變化,說明地震預(yù)報的復(fù)雜性,沒有一種觀測項目能在每次地震前都發(fā)現(xiàn)異常,只能通過各學(xué)科各測項的綜合分析才能提高地震預(yù)報的可靠性。

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Abnormal changes of the gas radon data in Guza Seismic Station and the earthquake prediction

Li Zhipeng,Zhao Dong,Yuan Mei

(Hydro-chemical comprehensive observatory, Guza Seismic Central Station, Earthquake Administration of Sichuan Province, Sichuan Kangding 626001, China)

We first discuss the observation data of the gas radon and problems in Guza Seismic Station and then analyze interferences included in the dynamic changes and caused by observation instrument. The observation data show some of abnormal changes before the 2008 WenchuanM8.0 Earthquake, the 2010 YishuM7.1 Earthquake, the 2013 LushanM7.0 Earthquake and the 2014 KangdingM6.3 Earthquake. The responsive effects included in these observation data in Guza Seismic Station are discussed in this article. We think that the observation data changes can response near earthquakes with magnitude of 5.0 or greater occurred around Guza. The observation data restore to the original state after the earthquakes. So we think that the observation data from Guza Seismic Station can response the stress changes of the geological structure nearby regions. We predict the possible earthquake around.

gas radon observation; Guza Seismic Central Station; responsive effect; earthquake prediction

2015-04-10

中國地震局“三結(jié)合”課題項目資助

李志鵬(1972-)，男，四川省漢源縣人，高級工程師，主要從事地震地下流體觀測與研究.

P315.72

A

1001-8115(2015)04-0024-05

10.13716/j.cnki.1001-8115.2015.04.006