阿克蘇西大橋斷層氫數(shù)據(jù)跟蹤淺析

馮英，賴愛京，劉海洋，蔣志英，南芳芳

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局阿克蘇中心地震臺，新疆 阿克蘇 843000)

0 引 言

數(shù)據(jù)跟蹤分析是以前兆異常變化數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)數(shù)據(jù)變化特征及所屬類型，以事件為單位，分析記錄各類事件并記入數(shù)據(jù)跟蹤分析產(chǎn)品信息庫保存。該信息庫是地震前兆數(shù)據(jù)產(chǎn)品開發(fā)的一種更高層次的產(chǎn)品，可以為一線觀測人員及時分析影響觀測資料質(zhì)量的因素和地震前異常變化的判定提供平臺，為科學研究人員進行地震分析預報提供高效的服務(wù)產(chǎn)品[1-2]。近年來，新疆地震局前兆臺網(wǎng)中心多次開展數(shù)據(jù)跟蹤分析培訓班，目的是讓臺站人員較好掌握數(shù)據(jù)跟蹤分析方法，從而能夠深入開展資料分析處理，最終提取出有效的前兆異常信息，為地震預報提供可靠的第一手資料。

1 觀測環(huán)境及儀器情況概述

1.1 臺址情況

阿克蘇西大橋觀測站位于阿克蘇西大橋水電站北西約2 km處，距阿克蘇市中心約12 km。觀測點在構(gòu)造上處在庫車坳陷和阿瓦提斷陷的分界地帶，其西為柯坪隆起，區(qū)內(nèi)的主要斷裂帶為柯坪斷裂帶?？缕簲嗔褞槟咸焐铰∑鹋c塔里木盆地之間的分界斷裂帶，西起八盤水磨，經(jīng)西克爾、硫磺礦及阿恰向東北延伸，出露長度約200 km，斷面傾向為北東向，傾向70°左右，為左旋逆走滑性質(zhì)，該斷裂帶是一條全新世活動斷裂帶[3]。

觀測室為地下觀測室，被覆6 m，室內(nèi)年變溫差約5～20℃。斷層氫出氣孔位于與斷層呈60°角的跨斷層水平斜交洞室的中間部位。

1.2 儀器情況

阿克蘇西大橋斷層氫所使用的儀器型號是ATG-6118H，生產(chǎn)廠家為杭州超距科技有限公司。斷層氫抽氣孔深1.25 m(距離地面1.25 m)，露出地表的管子高0.7 m，下面埋有0.35 m集氣筒，用沙土回填。

2013年11月9日阿克蘇西大橋斷層氫開始觀測，為整點值采樣，儀器自帶有氣溫觀測和氣壓觀測兩個輔助測項。供電系統(tǒng)采用交流加UPS的供電模式，確保供電不中斷。2016年11月7日設(shè)備接入阿克蘇中心地震臺前兆服務(wù)器，2017年使用集成版前兆數(shù)據(jù)處理軟件處理數(shù)據(jù)，使用“前兆觀測數(shù)據(jù)跟蹤分析”軟件進行觀測數(shù)據(jù)跟蹤分析工作，并按照中國地震局前兆臺網(wǎng)中心下發(fā)的有關(guān)規(guī)范和要求開展各項數(shù)據(jù)分析工作。

2 數(shù)據(jù)跟蹤分析

數(shù)據(jù)跟蹤分析軟件中將前兆觀測數(shù)據(jù)形態(tài)分為正常動態(tài)、觀測系統(tǒng)、自然環(huán)境、場地環(huán)境、人為干擾、地球物理事件和不明原因7大類。正常動態(tài)的分析為數(shù)據(jù)分析提供了參考背景，后6類非正常動態(tài)中前5類都是對數(shù)據(jù)變化原因進行干擾排查[4]。對2016～2019年10月阿克蘇西大橋斷層氫數(shù)據(jù)跟蹤分析，統(tǒng)計得到觀測系統(tǒng)事件5條，自然環(huán)境事件2條，人為干擾4條，不明原因5條。影響斷層氫觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的主要因素(事件)是觀測系統(tǒng)和人為干擾事件，其中觀測系統(tǒng)事件主要有儀器故障(數(shù)采故障)和供電故障，人為干擾主要是對儀器進行半年檢查、年底校準、維修儀器以及進洞異常核實資料變化等，5條不明原因事件均為疑似前兆異常，統(tǒng)計情況見表1。

表1 阿克蘇西大橋斷層氫2016～2019年各類事件影響因素統(tǒng)計

2.1 觀測系統(tǒng)故障

觀測系統(tǒng)故障類型以數(shù)采故障和供電故障為主，2016～2019年斷層氫觀測系統(tǒng)故障共有5條事件記錄，其中供電故障4條、數(shù)采故障1條。觀測曲線的表現(xiàn)形態(tài)為缺數(shù)、階躍變化或錯誤數(shù)據(jù)，造成觀測資料連續(xù)率和完整率下降。

2.2 人為干擾

斷層氫觀測受人為影響主要是由于對儀器進行標定、半年檢查及儀器維修等。從觀測數(shù)據(jù)影響曲線來看，檢查、標定一般只是影響短時間內(nèi)數(shù)據(jù)，主要表現(xiàn)為缺數(shù)、突跳和階躍變化等，標定、檢查儀器完成后數(shù)據(jù)曲線就可恢復正常觀測。認為斷層氫觀測受人為影響較小，儀器抗人為干擾影響能力較強。

2018年7月9日15:00～20:00由于檢查、校核儀器，造成數(shù)據(jù)畸變(圖1)，21點數(shù)據(jù)恢復正常變化形態(tài)。由于進洞室檢查儀器，造成同時段溫度突升，氣壓變化不明顯，出洞后洞室溫度恢復。

(a)斷層氫；(b)氣壓；(c)氣溫圖1 阿克蘇斷層氫人為干擾曲線

2.3 不明原因事件

2016年至2019年10月期間，斷層氫數(shù)據(jù)共記錄了5條不明原因事件，臺站人員對上述事件均進行了異常核實，認定為疑似前兆異常。其中較為典型的是2017年8月30日開始出現(xiàn)的濃度值快速上升后達到最高值轉(zhuǎn)為下降的異常變化，該變化較好的對應了2017年9月16日庫車5.7級地震。

2017年8月30日15:00斷層氫濃度值出現(xiàn)快速上升變化，9月3日13:00達到峰值，濃度值由1.18 ppm上升至4.476 ppm，為正常背景值4.0 倍，同時期輔助氣溫、氣壓測值無明顯變化；9月3日13:00后濃度值數(shù)據(jù)呈波動下降趨勢(圖2)。阿克蘇中心地震臺于9月3日到觀測場地對觀測系統(tǒng)、儀器供電和觀測環(huán)境進行了現(xiàn)場核實。經(jīng)初步核實，沒有發(fā)現(xiàn)明顯干擾和觀測系統(tǒng)方面的原因。范雪芳、黃春玲等人的研究結(jié)果認為震前斷層氫的異常特征是“高值突跳、異常幅度大、時間短”[5-6]，與本次阿克蘇斷層氫濃度值大幅度上升、高值波動的變化相似，最后將此次異常暫定為前兆異常。在濃度值波動下降的過程中于9月16日發(fā)生了新疆庫車縣MS5.7地震(震中距為292 km)。臺站按照數(shù)據(jù)跟蹤事件核實研究報告大綱要求，撰寫了異常核實報告。

圖2 阿克蘇斷層氫2017年整點值曲線

3 數(shù)據(jù)跟蹤與應用

地震前兆觀測用來獲得異常信息，為地震預測特別是短臨預測提供依據(jù)。然而地震前兆觀測記錄到的信息具有多樣性和復雜性，導致日常觀測中出現(xiàn)的一些變化需要在一定時間內(nèi)進行跟蹤研究[7]。而開展數(shù)據(jù)跟蹤分析工作的目的就是要找出資料的非正常變化，通過對觀測系統(tǒng)、觀測環(huán)境(自然環(huán)境及場地環(huán)境)、人為干擾及地球物理事件等方面進行排查，從而給出該數(shù)據(jù)變化的具體原因。對于暫時不能歸類的事件經(jīng)異常核實后選擇疑似故障或干擾、長期不明原因、中短期不明原因或疑似前兆異常作為不明原因事件處理，并進行持續(xù)跟蹤，最終給出結(jié)論。

阿克蘇斷層氫濃度值觀測具有清晰的年變形態(tài)，春季年轉(zhuǎn)向時間一般在3月份，秋季轉(zhuǎn)向時間一般為7月份。氫氣濃度值的變化與氣溫、氣壓有一定的相關(guān)性，經(jīng)相關(guān)分析阿克蘇斷層氫與氣溫呈正相關(guān)，與氣壓呈負相關(guān)性。阿克蘇斷層氫自觀測以來，對周邊發(fā)生的5級左右地震有較好的映震效果。通過對阿克蘇斷層氫自2013年11月到2018年12月周邊300 km范圍內(nèi)中強震進行梳理，發(fā)現(xiàn)在其中5次中強震前阿克蘇斷層氫出現(xiàn)了不同程度的異常變化。經(jīng)過典型震例特征總結(jié)可以明顯看出，這5次典型震例可以分為兩類(表2)，其中第一種震例類型與全國其他臺站震例相似，表現(xiàn)為臨震異常，異常往往開始于震前二十天內(nèi)，異常特征是“高值突跳、異常幅度大、時間短”；第二種震例類型異常持續(xù)時間相對較長，以中短期異常為主，異常一般開始于震前半年左右，表現(xiàn)為日變化增大的波動上升變化，異常變化幅度相對較小。

表2 4級以上地震前阿克蘇斷層氫濃度值異常特征

2019年3月19日開始斷層氫濃度值出現(xiàn)快速上升變化，20日1時達到最高值2.419 ppm后轉(zhuǎn)為快速下降變化，21日14時達到最低值1.023 3 ppm，之后轉(zhuǎn)為加速上升變化，25日后上升變化速率有所減緩。26日斷層氫數(shù)據(jù)相比較2014年及2016年同期出現(xiàn)顯著的升高變化，往年3月份測值在1.2 ppm左右變化，而今年3月測值達到了1.9 ppm左右，有時測值已超過2 ppm，變化幅度相差0.7 ppm，數(shù)值變化與往年明顯不同。2019年4月3日，按照局有關(guān)部門的要求，阿克蘇中心地震臺派人員到觀測場地對觀測系統(tǒng)、儀器供電和觀測環(huán)境進行了現(xiàn)場核實。經(jīng)初步核實，沒有發(fā)現(xiàn)明顯環(huán)境干擾和觀測系統(tǒng)方面的原因，根據(jù)之前震例總結(jié)分析認為本次斷層氫濃度值與往年同期值相比存在顯著升高變化存在中短期震前異常，這種變化與2018年11月4日阿圖什5.1級地震前出現(xiàn)的異常特征比較相似。目前氫氣濃度值處于波動下降變化，臺站工作人員仍在持續(xù)跟蹤資料變化情況，在臺站周會商、月會商中及時分析資料進展。10月27日13時29分，新疆烏什縣發(fā)生5.0級地震，震源深度11 km，震中距阿克蘇斷層氫觀測點114 km，震后氫氣濃度值變化平穩(wěn)，呈現(xiàn)緩慢下降變化(圖3)。

圖3 阿克蘇斷層氫年變對比

4 結(jié)論及思考

阿克蘇斷層氫濃度值觀測具有清晰的年變形態(tài)，通過梳理，發(fā)現(xiàn)在5次中強震前阿克蘇斷層氫出現(xiàn)了不同程度的異常變化。這5次典型震例分為兩類，第一種表現(xiàn)為臨震異常，異常往往開始于震前二十天內(nèi)，異常特征是“高值突跳、異常幅度大、時間短”；第二種以中短期異常為主，異常一般開始于震前半年左右，表現(xiàn)為日變化增大的波動上升變化，異常變化幅度相對較小。

通過近幾年對阿克蘇西大橋斷層氫觀測數(shù)據(jù)跟蹤分析工作總結(jié)后認為，觀測系統(tǒng)故障和人為干擾是影響資料質(zhì)量的主要原因，特別是當儀器出現(xiàn)故障后，臺站缺少配件，導致維修、維護不及時。針對以上干擾因素，應給臺站配備易發(fā)生故障的儀器配件，當儀器出現(xiàn)故障時經(jīng)檢查判斷為儀器零件損壞后可以及時更換備用零件，盡快排除故障，減少資料斷記率，確保儀器正常運行。對儀器配備的UPS電瓶進行定期維護，當出現(xiàn)市電停電后，及時與當?shù)仉娏韭?lián)系，確認停電時間，確保電瓶能不間斷供電。同時加強儀器檢查和標定的操作熟練程度，縮短標定時間，從而提高觀測資料的連續(xù)率。

今后臺站要繼續(xù)加強斷層氫數(shù)據(jù)跟蹤變化的分析，采用不同的分析方法，不斷提高數(shù)據(jù)跟蹤分析能力，結(jié)合臺站對斷層氫近幾年的典型震例總結(jié)，可以較好的對觀測資料出現(xiàn)的異常變化進行有效的判斷，不放過任何一種非正常變化細節(jié)，從而提取出有用的地震前兆異常，更好地服務(wù)于地震預測和防震減災事業(yè)。