蚌埠臺水氡觀測數(shù)據(jù)變化分析＊

石小磊 王 俊 李良輝 張偉峰 肖 攀 潘 潔 杜默然

1) 蚌埠市地震局地震監(jiān)測中心，安徽蚌埠 233000

2) 安徽省地震局，合肥 230031

引言

氡是一種放射性物質(zhì)，在自然界中呈氣態(tài)物質(zhì)存在，在巖石中主要通過擴(kuò)散到地下流體中，以溶解的形式存在[1]。據(jù)前人學(xué)者研究，當(dāng)巖石處于穩(wěn)定狀態(tài)時，氡也處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，當(dāng)應(yīng)力發(fā)生變化時，巖石處于失穩(wěn)狀態(tài)或者溫度升高，吸附狀態(tài)和封閉狀態(tài)的氡都會轉(zhuǎn)化成自由狀態(tài)的氡擴(kuò)散在水中，有震例表明，地震的發(fā)生常伴有流體的異常[2]。因此，水氡是一項比較靈敏的映震指標(biāo)，結(jié)合前人學(xué)者的大量研究工作，目前水氡觀測技術(shù)已進(jìn)入比較成熟的階段[3]。本文通過對蚌埠臺4月份出現(xiàn)的水氡異常特征進(jìn)行分析，為今后該地區(qū)的前兆數(shù)據(jù)異常提取和震情研判提供依據(jù)。

1 蚌埠臺水氡觀測點概況

蚌埠地震臺位于蚌埠市西郊小黃山，地處郯廬斷裂帶西側(cè)，近側(cè)通過的斷裂有北西向的渦河斷裂和北北東的固鎮(zhèn)—懷遠(yuǎn)斷裂，臺基巖性為花崗巖。蚌埠臺水氡觀測井系1979年11月由省323地質(zhì)隊施工完成，井深88.20 m，觀測層水為花崗巖裂隙水，目前尚未發(fā)現(xiàn)干擾源。1980年，臺站擴(kuò)建并開始水氡觀測，2002年至今使用FD-125進(jìn)行觀測。

2 水氡數(shù)據(jù)變化特征分析

蚌埠地震臺水氡于2020年4月15日開始有轉(zhuǎn)折下降的趨勢，5月10日后恢復(fù)至正常動態(tài)。2019年4月也曾出現(xiàn)過類似變化，至2019年5月23日又恢復(fù)上升趨勢。從2012年以來的水氡數(shù)據(jù)變化來看，每年 1—6（7）月份水氡上升，7（8）月份以后水氡才開始出現(xiàn)下降變化。 從2012年以來的同期數(shù)據(jù)進(jìn)行對比可以看出，2020年4月15日水氡測值有小幅下降，4月20日轉(zhuǎn)平波動，目前已恢復(fù)至正常波動狀態(tài)（圖1）。

圖1 2012 年以來的同期水氡數(shù)據(jù)日均值變化（2012—2020年）Fig. 1 Daily mean change of radon data in the same period since 2012（2012—2020）

2.1 觀測環(huán)境

水氡觀測井房位于蚌埠臺大院正南方向，周圍較僻靜，無自然環(huán)境或人類活動干擾源。2020年5月14—15日聯(lián)合省局專家在蚌埠臺和蚌埠市監(jiān)測中心開展了觀測井周邊環(huán)境調(diào)查與核實工作，經(jīng)過實地踏勘調(diào)查后，結(jié)果顯示：周邊環(huán)境無明顯改變，未發(fā)現(xiàn)重大施工及抽水等情況。

2.2 降雨因素

對比蚌埠臺歷年的降雨資料發(fā)現(xiàn)，降雨是影響水氡變化的重要因素，水氡和降雨呈正相關(guān)關(guān)系。降雨量補(bǔ)給，水流速度增大，因此，水在井管中的停留時間變短，水氡測值增大[4]。當(dāng)冬季降雨量較少時，水氡測值下降。本次水位波動處于春雨期間，降雨量增加，水氡測值應(yīng)有所上升而非下降，因此，此次水氡變化排除降雨因素影響[5-6]。

2.3 氣壓、氣溫因素

通過對水氡與氣壓的相關(guān)性進(jìn)行對比研究發(fā)現(xiàn)，此次水氡與氣壓呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與氣溫呈正相關(guān)關(guān)系，且與氣溫的相關(guān)性更為顯著（圖2）。據(jù)研究，氣溫對水中氣體組分的影響大于水化離子的影響；對泉點和淺井的影響大于深井。短期、局部的水氡變化，與氣溫的變化關(guān)系密切。因2016年部分氣溫數(shù)據(jù)缺失，下文僅分別呈現(xiàn)出2017年4月16日、2018年4月5日、2019年4月9日及2020年4月18日的水氡變化（圖3）。

圖2 蚌埠水氡與氣溫呈正相關(guān)關(guān)系（2016—2020 年）Fig. 2 Comparative analysis of radon in water and temperature at Bengbu seismic station（2016—2020）

綜上分析，通過對比氣溫與觀測室溫度，初步判斷本次出現(xiàn)的水氡短期下降、波動變化與該區(qū)域的氣溫、水溫下降、波動變化關(guān)系密切[7-9]。氣溫引起水溫的變化，進(jìn)而引起氣體的溶解度和脫氣率改變，從而引起水氡測值的變化。由于2016年氣溫數(shù)據(jù)有部分缺失，氣溫下降幅度和下降持續(xù)時間不再統(tǒng)計（表1）。

圖3 2016—2020 年蚌埠水氡與氣溫之間的對比分析Fig. 3 Comparative analysis between radon and air temperature in Bengbu from 2016 to 2020

表1 氣溫影響水氡數(shù)值下降幅度變化情況Table 1 Influence of temperature on the decline of radon in water

2.4 震例分析

根據(jù)以上研究可以判定氣溫對水氡的影響顯著，通過震例分析來檢驗這一結(jié)果的可靠性，我們選取安徽省地震臺網(wǎng)中心2016年1月1日—2020年6月30日蚌埠周邊ML3.5以上地震目錄。判定水氡測值下降是由于每年4月份季節(jié)更替容易出現(xiàn)氣溫變化現(xiàn)象而導(dǎo)致水氡測值下降，還是地殼應(yīng)力年度積累變化釋放的前兆信息變化，本文還需要更進(jìn)一步的分析研究。

圖4 2016—2020 蚌埠及周邊地區(qū)地震 M-t圖Fig. 4 M-t seismic map of Bengbu and its surrounding areas from 2016 to 2020

從M-t圖可以看出（圖4），蚌埠及周邊地區(qū)地震頻次上半年高于下半年，地震能量釋放多集中在上半年，以小震活躍為主，震中距小于200 km范圍內(nèi)ML3.5以上地震4次，其中3次發(fā)生在4月份（表2）。由此說明氣溫不是影響蚌埠臺水氡下降的單一因素，而是由環(huán)境干擾與地震前兆信息共同作用的結(jié)果。

通過增加震例進(jìn)行對比，我們選取蚌埠及周邊地區(qū)3.0級以上地震目錄投射在水氡-氣溫的相關(guān)系數(shù)圖上進(jìn)行分析（圖5），在觀測數(shù)據(jù)真實可靠的基礎(chǔ)上，排除人為干擾因素、觀測數(shù)據(jù)的變化，蚌埠地區(qū)地震年度釋放水平穩(wěn)定，多集中在上半年，因此，在此期間地殼應(yīng)力變化致使小震活躍，對前兆數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，當(dāng)水氡測值數(shù)據(jù)受到干擾后，發(fā)生動態(tài)變化，同時與氣溫的相關(guān)性這種平衡狀態(tài)被打破，相關(guān)系數(shù)發(fā)生變化。變化越明顯，說明映震能力越好?？梢园l(fā)現(xiàn)相關(guān)系數(shù)處于低值時和周邊發(fā)生地震也存在一定關(guān)聯(lián)性[10]。

表2 2016—2020 年蚌埠周邊發(fā)生 ML≥3.5 地震Table 2 Earthquakes with ML≥3.5 occurred around Bengbu from 2016 to 2020

圖5 水氡與氣溫相關(guān)系數(shù)圖Fig. 5 Correlation coefficient of radon in water and temperature

本文研究結(jié)果表明，蚌埠臺氡值與氣溫的相關(guān)性大于0.7，氣溫升高，水氡測值升高。反之，氣溫下降，水氡測值下降。但是，相關(guān)程度低的影響因素又更為復(fù)雜，比如地質(zhì)構(gòu)造、取樣方式和觀測手段的不同，對氣溫因素的影響和制約都會產(chǎn)生作用，特別是映震能力比較好的水井，當(dāng)前兆出現(xiàn)異常時，測項之間的相關(guān)性也會有所下降[11]。

2.5 觀測儀器對比分析

4月17日蚌埠臺業(yè)務(wù)人員早上5:40采集了水樣送到廬江地震臺，于27日下午14:30開始測試工作，其結(jié)果如下：蚌埠臺6:30測試，主樣185 Bq/L，副樣186 Bq/L。廬江臺 14:30測試，主樣 170 Bq/L，副樣161 Bq/L。結(jié)果顯示，廬江的測試結(jié)果偏低，主要是水樣在運送過程中釋放、逃逸所致。通過比測表明，本次蚌埠水氡的變化是客觀存在的。

3 討論

本文以2020年4月15日以來出現(xiàn)的水氡數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)折下降—恢復(fù)上升的變化趨勢為研究基礎(chǔ)，通過對環(huán)境調(diào)查、氣象因素對比和抽水取樣化驗后研究得出：①水氡與降雨呈正相關(guān)關(guān)系，本次氡值變化處于降雨量增加期間應(yīng)有所上升，因此，排除降雨因素干擾。②氡值與氣壓呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與氣溫水溫呈正相關(guān)關(guān)系且相關(guān)性更為顯著，氣溫引起水溫的變化，進(jìn)而引起氣體的溶解度和脫氣率改變，從而引起水氡測值的變化。③結(jié)合歷史地震情況，通過震例分析與相關(guān)系數(shù)計算，氣溫不是引起水氡測值下降的單一因素，應(yīng)該是環(huán)境干擾與地震前兆信息共同作用的結(jié)果，得出水氡與氣溫之間的相關(guān)系數(shù)降低，與周邊發(fā)生地震有一定的關(guān)聯(lián)性。