青海樂都斷層氣氡的年變異常特征分析

劉磊，李霞，趙玉紅，馮麗麗，馬茹瑩

（青海省地震局，青海西寧810001）

0 引 言

從氡測(cè)量被用于地震預(yù)報(bào)研究的機(jī)理分析，氡是與巖石應(yīng)力改變過程密切相關(guān)的物質(zhì)，地震在孕育時(shí)，震源區(qū)應(yīng)力集中，強(qiáng)大的能量導(dǎo)致巖石產(chǎn)生裂隙，使深部的氡通過裂隙、空隙向地表遷移，導(dǎo)致地震活動(dòng)區(qū)域介質(zhì)中氡濃度明顯高于外圍地區(qū)[1-3]。然而，并不是所有氡濃度的高值變化都指示地震孕育過程中的應(yīng)力集中現(xiàn)象，其中有相當(dāng)一部分原因是環(huán)境、人類活動(dòng)等因素的干擾，因此，須剔除引起異常變化的干擾因素。

青海樂都斷層氣氡觀測(cè)點(diǎn)地處達(dá)坂山和拉脊山交匯處的加里東期花崗巖長(zhǎng)巖NE向小斷裂帶[4]觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，在2016年門源6.4級(jí)地震發(fā)生前，氡觀測(cè)值出現(xiàn)了破年變異常，2017年氡觀測(cè)值再次出現(xiàn)異常變化，但并未出現(xiàn)對(duì)應(yīng)地震。為了深入分析樂都斷層氣氡異常與地震的關(guān)系，對(duì)樂都地震臺(tái)自2014年穩(wěn)定觀測(cè)以來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了系統(tǒng)分析研究，以期為今后該地區(qū)震情跟蹤工作提供依據(jù)。

1 樂都斷層氣氡觀測(cè)概況

樂都斷層氣氡自2007年開始觀測(cè)，所用儀器為SD-3A自動(dòng)測(cè)氡儀，原為人工取氣模擬觀測(cè)，后改造為數(shù)字化觀測(cè)。采用的是流體空吸原理，該集氣裝置的效率主要受空氣進(jìn)氣量、氣流量以及空氣與流量?jī)烧弑壤禂?shù)的影響[4]。2011—2013年完善了觀測(cè)技術(shù)裝置，2014年起，年變規(guī)律明顯。

觀測(cè)點(diǎn)位于青海省海東市樂都區(qū)引勝鄉(xiāng)熊家灣西側(cè)老爺山腳下，該測(cè)點(diǎn)5 m處有一條季節(jié)性河流（引勝河），該區(qū)屬于內(nèi)陸高原氣候，雨水集中在七、八月，年蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降雨量，日溫差變化大，并且具有垂直分帶性。全年日平均氣溫7℃，月相對(duì)濕度56%，月平均降雨量25 mm[4]。

樂都斷層氣氡觀測(cè)點(diǎn)在大地構(gòu)造單元上，處于祁呂賀蘭“山”字形構(gòu)造前弧西冀的達(dá)坂山、日月山、拉脊山等隆起帶及西寧-民和盆地拗陷帶內(nèi)[4]（見圖1）。由于受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的多次影響,該觀測(cè)點(diǎn)所處構(gòu)造在局域上呈網(wǎng)狀分布,雖然斷層分布密集但規(guī)模較小,斷層氣氡觀測(cè)點(diǎn)就位于兩組斷層交匯處的次級(jí)小斷層上,巖體破碎。南側(cè)與樂都盆地相鄰，其余三面是中高山區(qū)。斷層出露高100 m左右,破碎帶平均寬1.8 m，斷層泥及角礫發(fā)育。斷層上盤變質(zhì)作用強(qiáng)烈,巖性為花崗閃長(zhǎng)巖,巖石較為破碎。斷層下盤變質(zhì)作用小，巖性為閃長(zhǎng)巖，巖石較為完整。

圖1 樂都斷層氣氡觀測(cè)點(diǎn)周邊地質(zhì)構(gòu)造圖Fig.1 Structure map for Ledu gas radon observation station and surroundings

2 斷層氣氡年變異常對(duì)比分析

2.1 異常變化及震例分析

樂都斷層氣氡自穩(wěn)定觀測(cè)至今，共出現(xiàn)2次明顯破年變異常，第1次開始于2015年12月19日，2016年1月9日達(dá)到峰值，漲幅約150 Bq·L-1。第2次開始于2017年10月30日，2017年11月3日上升到 543 Bq·L-1，漲幅達(dá) 418 Bq·L-1。2 次異常具有極其類似的形態(tài)（見圖2）。

圖2 2014年以來(lái)樂都斷層氣氡原始曲線觀測(cè)數(shù)據(jù)Fig.2 Original Ledu gas radon observation data of hourly values since 2014

第1次破年變異常后一個(gè)月，門源發(fā)生6.4級(jí)地震，該異常點(diǎn)距震中約140 km，從震前、震中、震后異常變化形態(tài)及現(xiàn)場(chǎng)異常核實(shí)來(lái)看，認(rèn)為樂都?xì)怆碑惓＞哂泻芨叩男哦龋梢耘卸殚T源6.4級(jí)地震前兆異常。

第2次破年變異常，無(wú)相關(guān)震例對(duì)應(yīng)。

2.2 影響因素分析

2.2.1 系統(tǒng)工作狀態(tài)檢查

2次異常出現(xiàn)前后對(duì)儀器觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行檢查，結(jié)果顯示：（1）儀器工作電壓顯示正常。（2）儀器供電系統(tǒng)和線路接觸良好。（3）對(duì)儀器工作參數(shù)進(jìn)行復(fù)位，各項(xiàng)參數(shù)均符合要求。（4）測(cè)氡儀（SD-3A）系全自動(dòng)測(cè)氡裝置，不受人為影響。（5）測(cè)氡儀抽氣系統(tǒng)及氣路正常，無(wú)漏氣現(xiàn)象。

設(shè)計(jì)整流電路的目的是將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓,根據(jù)系統(tǒng)需要,選用單相橋式結(jié)構(gòu)作為整流電路,電路包括單相整流橋、濾波電感L、濾波電容C等,為了電路仿真優(yōu)化,用10 Ω電阻作為負(fù)載進(jìn)行仿真,仿真模型如圖1所示。

2.2.2 環(huán)境干擾情況調(diào)查

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，結(jié)果顯示：（1）自2014年1月以來(lái)，輔助測(cè)項(xiàng)氣象三要素的溫度、濕度、氣壓均正常，無(wú)突變(見圖 3)，且保持較好的年變規(guī)律[5-6]；（2）2016年8—10月底，斷層氣氡觀測(cè)點(diǎn)周圍5～200 m處有大型施工作業(yè)（引勝河河道改造，3臺(tái)3.5 k W大功率抽水機(jī)抽水作業(yè)，河床下挖近3 m），初步分析認(rèn)為，此次施工對(duì)斷層氣氡穩(wěn)定觀測(cè)干擾明顯；(3)經(jīng)調(diào)查，附近無(wú)打井或注水作業(yè)；(4）觀測(cè)室溫度和濕度符合規(guī)范要求，無(wú)明顯變化。

2.3 地球化學(xué)特征分析

在樂都斷層氣氡年變異常特征分析過程中，分不同期次采集附近區(qū)域水樣進(jìn)行測(cè)試分析，得到的地球化學(xué)數(shù)據(jù)，可為異常判定提供輔助依據(jù)。

選取觀測(cè)點(diǎn)附近1 km范圍內(nèi)的3個(gè)采樣點(diǎn)，在2017—2018兩年間采樣2次，進(jìn)行地球化學(xué)組分測(cè)試（委托中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所地殼動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和中國(guó)科學(xué)院西北高原生物研究所分析測(cè)試中心測(cè)試），分析結(jié)果見表1～表3和圖4～圖6。

表1 2017年11月8日水樣化學(xué)組分分析結(jié)果表Table 1 T he analysis results of water chemical composition on November 8，2017

對(duì) 3個(gè)水樣的化學(xué)組成繪制piper圖（見圖4），包括冷熱井（泉）水，由圖4可知，藥王泉水質(zhì)為重碳酸鹽型，樂都、樂都深井為氯化鈉型，反映觀測(cè)點(diǎn)地下水循環(huán)深度深、滯留時(shí)間長(zhǎng)、補(bǔ)給路徑較遠(yuǎn)[7-9]。

水-巖平衡圖（見圖5）用來(lái)分析水-巖平衡狀態(tài)，區(qū)分不同類型水樣，由完全平衡線和部分平衡線將三角圖分為完全平衡區(qū)、部分平衡區(qū)和未成熟區(qū)，由圖5可知，所有水樣均為“未成熟水”，并集中分布在Mg2+端元附近，表明采樣點(diǎn)水樣與周圍環(huán)境的水-巖反應(yīng)程度較弱，循環(huán)深度較淺[5,10-11]。

圖3 樂都斷層氣氡輔助觀測(cè)原始曲線圖Fig.3 Original Ledu gas radon data of assistant observation

表2 2018年8月8日水樣化學(xué)組分分析結(jié)果表T able 2 The analysis results of water chemical composition on August8，2018

表3 2018年8月8日氫氧同位素測(cè)試結(jié)果Table 3 The analysis results of hydrogen and oxygen isotopes on August 8，2018

從圖6給出的各水樣分布特征看，所有采樣點(diǎn)均落在西北地區(qū)大氣降水線附近，說(shuō)明這些采樣點(diǎn)的補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水，且由于青海地區(qū)遠(yuǎn)離海洋，氣候干燥，產(chǎn)生的降水有相當(dāng)一部分來(lái)自局地蒸發(fā)的水汽循環(huán)。

圖4 采樣點(diǎn)水化學(xué)piper圖Fig.4 Piper diagram of at sampling sites water chemistry

圖5 采樣點(diǎn)水-巖平衡圖Fig.5 water-rock equilibrium diagram of the sampling sites

圖6 采樣點(diǎn)氫氧同位素比值和大氣降水關(guān)系圖Fig.6 Hydrogen and oxygen isotope ratio and atmospheric precipitation at sampling sites

綜上所述，樂都斷層氣氡及其附近水樣的地球化學(xué)特征均表明，地下水補(bǔ)給主要為大氣降水，且滯留時(shí)間較長(zhǎng)，與周圍環(huán)境的水-巖反應(yīng)程度較弱，循環(huán)深度較淺，進(jìn)一步說(shuō)明2017年10月30日樂都斷層氣氡值出現(xiàn)異常并非由震源附近應(yīng)力集中所致。

3 年變異常成因及機(jī)理分析

3.1 年變異常成因

在門源6.4級(jí)地震發(fā)生前，樂都斷層氣氡濃度發(fā)生顯著變化，出現(xiàn)快速上升，漲幅約150 Bq·L-1。該測(cè)項(xiàng)距震中約140 km，對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)工作狀態(tài)檢查、井房周圍環(huán)境干擾情況調(diào)查、水化學(xué)組分測(cè)試等結(jié)果分析，均未發(fā)現(xiàn)明確干擾源及異常情況[9,15-18]，認(rèn)為該斷層氣氡值的變化是附近區(qū)域地殼應(yīng)力場(chǎng)變化的真實(shí)反映，為地震前兆異常。

而2017年10月30日出現(xiàn)的氡濃度破年變異常，雖然形態(tài)與門源地震前極其類似，但經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)及綜合分析，最終認(rèn)為是由河道改造影響氣體運(yùn)移路徑所致，并非地震前兆異常[15-16]。

3.2 機(jī)理分析

地下巖體的孔隙、裂隙中有 He、H2、Hg、Rn、CO2等氣體存在，大多呈自由狀態(tài)或吸附在巖土顆粒表面。這些斷層氣體濃度的變化取決于流體動(dòng)力學(xué)機(jī)制，當(dāng)外部條件不變時(shí)，這些氣體處于平衡狀態(tài)；當(dāng)?shù)貧そ橘|(zhì)應(yīng)力狀態(tài)改變時(shí)，地殼巖石中的裂隙和孔隙會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，互相聯(lián)通或是閉鎖，促使氣體運(yùn)動(dòng)、遷移和重新富集，從而導(dǎo)致液體-固體系統(tǒng)中氣體流量的動(dòng)態(tài)變化[19]。

在地震孕育過程中，由于這種應(yīng)力所引起的氣體遷移導(dǎo)致地震活動(dòng)區(qū)域介質(zhì)中氡的濃度明顯高于外圍地區(qū)，這就是地震前兆氡濃度異常的成因，但并不是所有高值變化都指示地震孕育過程中的應(yīng)力集中現(xiàn)象，還有相當(dāng)一部分由環(huán)境、人類活動(dòng)等因素的干擾所致，最顯著的特點(diǎn)就是應(yīng)力、應(yīng)變和裂隙通道的改變，使這些氣體上升的路徑遭到破壞，氣體測(cè)值隨之變化。

2008年，ANNUNZIATELLIS等[20]提出的斷層氣地表測(cè)量形態(tài)模型示意圖（見圖7）表明，在不同斷層狀態(tài)下地表提取斷層氣所呈現(xiàn)的不同形態(tài)與本文的由于河道施工引起斷層氣上升路徑改變所導(dǎo)致的數(shù)據(jù)形態(tài)異常變化機(jī)理高度一致。

4 結(jié) 論

通過對(duì)樂都斷層氣氡資料的詳細(xì)梳理和分析，得到以下結(jié)論：

圖7 不同運(yùn)移通道提取斷層氣濃度示意圖Fig.7 Schematic diagram of extracting fault gas concentration from different migration channels

4.1 樂都斷層氣氡觀測(cè)點(diǎn)地處達(dá)坂山、拉脊山交匯處NE向小斷裂帶，由于受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的多次影響，該觀測(cè)點(diǎn)所處構(gòu)造在局域上呈網(wǎng)狀分布，巖體破碎，是構(gòu)造活動(dòng)的敏感部位。

4.2 通過對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)檢查、環(huán)境干擾情況調(diào)查、地球化學(xué)組分測(cè)試、機(jī)理分析等，在2016年1月21日門源6.4級(jí)地震發(fā)生前，樂都斷層氣氡濃度發(fā)生顯著變化是附近區(qū)域地殼應(yīng)力場(chǎng)變化的真實(shí)反映。2017年10月30日出現(xiàn)的氡觀測(cè)值破年變異常，是由于河道改造影響氣體運(yùn)移路徑所致，并非地震前兆。

4.3 由于環(huán)境變化（河道改造），造成樂都斷層氣氡觀測(cè)值由原來(lái)的“夏高冬低”變?yōu)椤跋牡投摺?，需在日后分析工作中予以注意?/p>