新疆阿克蘇斷層H2濃度影響因素及映震效能分析

李 娜 向 陽 邢喜民 梁 卉

1 新疆維吾爾自治區(qū)地震局，烏魯木齊市科學(xué)二街338號(hào)，830011 2 中國地震局地殼應(yīng)力研究所，北京市安寧莊路1號(hào)，100085 3 新疆工程學(xué)院數(shù)理學(xué)院，烏魯木齊市艾丁湖路1350號(hào)，830023

地球內(nèi)部氣體及其揮發(fā)組分會(huì)不斷沿著活動(dòng)板塊、板內(nèi)塊體邊界以及活動(dòng)斷裂等地殼薄弱地帶向地球表層遷移和釋放。H2密度小、粘滯性小、穿透力強(qiáng)、溶解度小、遷移速度快[1]。自20世紀(jì)80年代Wakita等[2]發(fā)現(xiàn)H2濃度與斷層活動(dòng)具有相關(guān)性后，斷層H2開始被作為地震前兆進(jìn)行觀測與研究。研究表明，斷層H2濃度在一些地震前會(huì)存在大幅變化，可用來指示地震活動(dòng)[3]。斷層H2作為地震前兆異常的特點(diǎn)為震前濃度變化幅度大，測值可達(dá)背景值幾倍至幾十倍，異常出現(xiàn)距發(fā)震時(shí)間短，一般為幾天至幾十天，震后異?；謴?fù)，即斷層H2濃度值具有異常顯著及短臨異常的特性[4]。研究發(fā)現(xiàn)，斷層H2濃度受到氣象因素影響時(shí)會(huì)具有年變或突變特征[5-6]。

新疆阿克蘇斷層H2濃度自觀測以來已積累6 a的數(shù)據(jù)資料。向陽等[7]對(duì)庫爾勒斷層H2濃度的影響因素及其地震預(yù)測的潛在效能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，但至今未有針對(duì)阿克蘇斷層H2濃度動(dòng)態(tài)變化及其影響因素的系統(tǒng)研究。本文將基于氣溫、氣壓及斷層H2濃度觀測數(shù)據(jù)，利用回歸分析方法對(duì)阿克蘇斷層H2濃度的動(dòng)態(tài)變化及影響因素進(jìn)行深入分析，并結(jié)合周邊地震活動(dòng)情況，運(yùn)用R值評(píng)分方法對(duì)該測點(diǎn)斷層H2濃度進(jìn)行預(yù)測效能定量評(píng)估與檢驗(yàn)，提取地震預(yù)測指標(biāo)，以期為今后該測點(diǎn)周邊地區(qū)的震情跟蹤及地震趨勢判定提供依據(jù)。

1 觀測點(diǎn)概況

阿克蘇斷層H2觀測點(diǎn)(41.10°N, 80.18°E)位于阿克蘇斷層儀觀測室內(nèi)，室內(nèi)平均溫度為10 ℃～18 ℃，濕度為50%。觀測點(diǎn)構(gòu)造上處于庫車凹陷與阿瓦提斷陷的分界地帶，西側(cè)為柯坪隆起。區(qū)內(nèi)主要斷裂為柯坪斷裂，該斷裂為全新世活動(dòng)斷裂(圖1)。斷層H2觀測儀為ATG-6118H痕量H2在線自動(dòng)分析儀，該儀器自帶溫度、氣壓傳感器，可同時(shí)獲取斷層H2濃度、溫度和氣壓數(shù)據(jù)。

圖1 阿克蘇斷層H2觀測點(diǎn)區(qū)域構(gòu)造圖及地震震中分布Fig.1 Regional structure of Aksu fault H2 observation point and distribution of earthquake epicenters

2 阿克蘇斷層H2濃度變化特征及影響因素分析

2.1 阿克蘇斷層H2濃度變化特征

阿克蘇斷層H2觀測始于2013-11-09，觀測數(shù)據(jù)資料連續(xù)穩(wěn)定(圖2(a))，2017-12-28首次對(duì)斷層H2觀測儀進(jìn)行標(biāo)定(圖2(b))。圖2(a)為2013-11～2020-03阿克蘇斷層H2濃度與氣溫、氣壓變化圖，由圖可見，斷層H2濃度年尺度動(dòng)態(tài)特征整體呈現(xiàn)夏高冬低特點(diǎn)，且斷層H2濃度與氣壓呈負(fù)相關(guān)，與氣溫呈正相關(guān)；由圖2(c)、2(d)可見，斷層H2濃度日尺度動(dòng)態(tài)特征表現(xiàn)為與氣壓呈反向變化。

圖2 阿克蘇斷層H2濃度與氣溫、氣壓變化曲線Fig.2 Variation curve of fault H2 concentration, air temperature and air pressure in Aksu

2.2 相關(guān)及回歸分析

為探究斷層H2濃度與氣象要素之間的關(guān)系，選取2013～2020年阿克蘇斷層H2濃度及氣象數(shù)據(jù)，以氣溫和氣壓為自變量，斷層H2濃度為因變量，選用R語言編寫程序代碼，繪制氣溫、氣壓與斷層H2濃度散點(diǎn)圖(圖3)，計(jì)算氣溫、氣壓與斷層H2濃度之間的相關(guān)系數(shù)(表1)，判斷氣象因素與斷層H2濃度之間的相關(guān)方向與強(qiáng)度，在此基礎(chǔ)上選取合適的回歸模型進(jìn)行回歸分析，得到氣溫與斷層H2濃度之間的回歸方程以及相應(yīng)的殘差序列。

將2013-11～2020-03作為一個(gè)整體時(shí)間序列，散點(diǎn)圖顯示阿克蘇斷層H2濃度和氣溫呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)r=0.517 285 4(圖3(a)、表1)；而斷層H2濃度與氣壓無相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)r=-0.199 239 9(圖3(d)、表1)。以斷層H2濃度動(dòng)態(tài)變化的拐點(diǎn)作為分界點(diǎn)對(duì)H2濃度及相應(yīng)時(shí)間序列的氣溫、氣壓進(jìn)行分段相關(guān)性分析，采用相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到殘差序列。結(jié)果表明，在絕大多數(shù)時(shí)間段內(nèi)，斷層H2濃度與氣溫呈現(xiàn)較好正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)r在0.759 115 6～0.962 570 4之間(圖3(b)、3(c)、表1)；斷層H2濃度與氣壓呈現(xiàn)出一定負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)r在-0.216 245 3～-0.642 441 5之間(圖3(e)、3(f)、表1)。

表1 阿克蘇斷層H2濃度與氣溫、氣壓相關(guān)系數(shù)及回歸分析結(jié)果Tab.1 Correlation coefficient and regression analysis results of fault H2 concentration and air temperature, air pressure in Aksu

圖3 阿克蘇斷層H2濃度與氣溫、氣壓散點(diǎn)圖Fig.3 Scatter diagram of fault H2 concentration, air temperature and air pressure in Aksu

土壤溫度相對(duì)于氣溫具有滯后效應(yīng)[8]。阿克蘇觀測點(diǎn)僅有氣溫觀測而無地溫觀測，因此分析斷層H2濃度與溫度的相關(guān)性只能考慮觀測資料受氣溫因素影響的滯后效應(yīng)。以半年為尺度進(jìn)行分析可以看出，當(dāng)阿克蘇斷層H2濃度滯后氣溫天數(shù)為15 d時(shí)，斷層H2濃度與氣溫相關(guān)系數(shù)達(dá)到最高值(圖4)。

圖4 阿克蘇斷層H2濃度滯后時(shí)間與相關(guān)系數(shù)的關(guān)系Fig.4 The relationship between lag time of fault H2 concentration and correlation coefficient in Aksu

以上分析結(jié)果表明，在半年時(shí)間尺度內(nèi)，阿克蘇斷層H2濃度的主要影響因素為氣溫，斷層H2濃度隨氣溫的升高而增大，且氣溫對(duì)阿克蘇斷層H2濃度的影響存在15 d的滯后效應(yīng)；而斷層H2濃度與氣壓相關(guān)性較差。該結(jié)論與前人研究結(jié)果基本一致[5]。本文在回歸分析時(shí)僅選擇氣溫為自變量，分段回歸的可決系數(shù)R2在0.576 2～0.926 5之間，相比整體時(shí)間序列回歸的可決系數(shù)R2=0.267 6，分段回歸的回歸方程擬合效果較好。

3 映震效能分析

地震的孕育和發(fā)生會(huì)伴隨地下應(yīng)力或應(yīng)變改變，從而引起地殼形變、斷層活動(dòng)增強(qiáng)、地下氣體濃度發(fā)生變化[9]。阿克蘇斷層H2研究已積累一定的數(shù)據(jù)和震例資料，系統(tǒng)分析現(xiàn)有觀測資料，提取預(yù)測指標(biāo)信息，對(duì)前兆觀測及分析預(yù)測具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

阿克蘇斷層H2濃度受氣溫影響較大，通過分段回歸分析認(rèn)為，殘差序列可反映剔除氣溫影響后斷層H2濃度的動(dòng)態(tài)變化。因此本文將通過對(duì)比斷層H2濃度原始曲線和殘差序列，結(jié)合周邊震例，并通過R值評(píng)分方法對(duì)阿克蘇斷層H2的映震效能進(jìn)行檢驗(yàn)與分析。選取2013-11-09～2020-03-23時(shí)段76°～84°E、38°～43°N范圍內(nèi)，震中距小于300 km的9次5.0～6.3級(jí)境內(nèi)地震進(jìn)行分析。

3.1 典型震例

2013-11～2020-03阿克蘇斷層H2濃度可反映6次典型震例(圖5)，分別為2013-12-01柯坪5.3級(jí)地震(震中距138 km)、2014-07-09麥蓋提5.1級(jí)地震(震中距258 km)、2017-09-16庫車5.7級(jí)地震(震中距292 km)、2018-11-04阿圖什5.1級(jí)地震(震中距238 km)、2019-10-27烏什5.0級(jí)地震(震中距113 km)、2020-01-16庫車5.6級(jí)地震(震中距287 km)。

圖5 阿克蘇斷層H2濃度整點(diǎn)值原始曲線與殘差序列及柯坪與庫車地震震例Fig.5 Original curve and residual series of hourly value of fault H2 concentration in Aksu and the example of Keping earthquake and Kuqa earthquake

從阿克蘇斷層H2濃度測值曲線形態(tài)可以看出，在震前存在兩類高值異常形態(tài)：1)測值在震前短時(shí)間內(nèi)快速上升，隨后出現(xiàn)較快下降并恢復(fù)正常，如2013年柯坪5.3級(jí)地震(圖5(a)、5(c))和2017年庫車5.7級(jí)地震(圖5(a)、5(d))；2)斷層H2濃度測值持續(xù)波動(dòng)上升，在濃度達(dá)到最高值后波動(dòng)下降，并在測值下降恢復(fù)過程中發(fā)震，如2014年麥蓋提5.1級(jí)地震和2018年阿圖什5.1級(jí)地震(圖5(a))。

從時(shí)間上看，阿克蘇斷層H2濃度高值變化對(duì)發(fā)震時(shí)間指示可分為兩類：1)地震在H2濃度測值快速升高之后幾天至十幾天內(nèi)發(fā)生，表現(xiàn)為臨震異常；2)地震在斷層H2濃度測值持續(xù)上升至最高值之后發(fā)生，高值通?？蛇_(dá)(3.049 0～5.475 1)×10-6。但此類高值異常變化往往持續(xù)時(shí)間較長，最長可達(dá)185 d(表2)，且濃度最高值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間無法確定，所以依據(jù)斷層H2濃度原始曲線判定發(fā)震時(shí)間較為困難。

將斷層H2濃度測值殘差序列超過2倍標(biāo)準(zhǔn)差定為異常指標(biāo)，通過梳理2013-11～2020-03斷層H2濃度測值殘差序列發(fā)現(xiàn)，斷層H2濃度殘差序列顯示出超標(biāo)準(zhǔn)差高值持續(xù)時(shí)間短的異常特征，超差幅度為0.069～1.681，異常持續(xù)時(shí)間為1～33 d，地震發(fā)生在出現(xiàn)超標(biāo)準(zhǔn)差1～157 d。由于異常的起止時(shí)間相對(duì)短且較明確，因此能較好地把握發(fā)震的時(shí)間尺度(表2、圖5(b))。由此可知，回歸分析可基本消除斷層H2濃度隨氣溫上升而增大的影響，有助于判定異常起止時(shí)間。

表2 阿克蘇斷層H2濃度原始曲線與殘差序列的高值變化及震例Tab.2 High-value variation of the original curve and residual series of fault H2 concentration in Aksu and earthquake examples

從空間上看，在阿克蘇斷層H2濃度觀測點(diǎn)周邊300 km范圍內(nèi)，5級(jí)以上地震較多分布在測點(diǎn)西南方向的烏什-伽師地區(qū)，少數(shù)分布在東部拜城-庫車地區(qū)(圖1)。

3.2 R值評(píng)分方法檢驗(yàn)

R值評(píng)分方法由許紹燮[10]院士提出，可通過某種預(yù)報(bào)方法在較長的時(shí)間段內(nèi)，對(duì)一定范圍內(nèi)一定震級(jí)下限的地震進(jìn)行若干次地震預(yù)報(bào)檢驗(yàn)，從而評(píng)價(jià)其整體預(yù)報(bào)效能。

為檢驗(yàn)阿克蘇斷層H2濃度的映震效能，本文利用R值評(píng)分方法對(duì)發(fā)生在觀測點(diǎn)周圍300 km范圍內(nèi)9次5.0 ～ 6.3級(jí)地震進(jìn)行檢驗(yàn)。通過對(duì)比分析斷層H2濃度原始曲線與殘差序列可知，以斷層H2濃度測值殘差序列超過2倍標(biāo)準(zhǔn)差為異常指標(biāo)，高值開始后60 d內(nèi)發(fā)生地震視為合理預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)占時(shí)以d為單位，為所有對(duì)應(yīng)地震的異常出現(xiàn)至發(fā)震時(shí)長之和，預(yù)報(bào)研究時(shí)間為2013-11-09～2020-03-23?；谏鲜鰳?biāo)準(zhǔn)可認(rèn)為，2013-12-01柯坪MS5.3地震、2014-07-09麥蓋提MS5.1地震、2017-09-16庫車MS5.7地震、2018-11-04阿圖什MS5.1地震、2019-10-27烏什MS5.0 地震以及2020-01-16庫車MS5.6地震預(yù)報(bào)合理。

根據(jù)上述判定條件，阿克蘇斷層H2濃度對(duì)于周邊300 km范圍內(nèi)5級(jí)以上地震的R值為：(報(bào)對(duì)地震次數(shù)/應(yīng)報(bào)對(duì)地震總次數(shù))-(預(yù)報(bào)占用時(shí)間/預(yù)報(bào)研究總時(shí)間)=(6/9)-(138/232 6)≈0.607 3，5級(jí)地震R值為：(6/8)-(138/232 6)=0.690 7，地震發(fā)生的平均對(duì)應(yīng)時(shí)間為23 d，優(yōu)勢對(duì)應(yīng)空間為南天山西段，表明其對(duì)5級(jí)地震的預(yù)測效果較好。

4 結(jié) 語

1)阿克蘇斷層H2濃度具有一定的年周期特征，相關(guān)性分析結(jié)果顯示，斷層H2濃度與氣溫具有較好相關(guān)性，斷層H2濃度的年變周期主要受控于氣溫的年變規(guī)律，而短時(shí)間高值突變可能與地震活動(dòng)等因素有關(guān)。

2)回歸殘差曲線與震例分析結(jié)果表明，回歸分析能夠在一定程度上剔除氣象因素的影響，有助于識(shí)別地震前兆異常。

3)通過R值評(píng)分方法檢驗(yàn)可知，阿克蘇斷層H2濃度的變化對(duì)發(fā)生在距觀測點(diǎn)300 km范圍內(nèi)的5級(jí)地震反應(yīng)較為靈敏，映震效能較好。