新疆阿克蘇痕量氫震前異常特征分析

蔣志英，劉海洋，賴愛京，祖力卡爾·艾則孜

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局阿克蘇地震監(jiān)測中心站，新疆 阿克蘇 843000)

0 引 言

地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)多伴隨著地下氣體的逸出，觀測和研究地下氣體的逸出，可能會(huì)捕捉有效的地下構(gòu)造活動(dòng)的信息，而氫氣作為一種靈敏的指標(biāo)能夠指示斷裂活動(dòng)的過程[1]。張培仁、車用太、魚金子等對氫氣異常與地震的關(guān)系進(jìn)行了大量研究，認(rèn)為氫氣具有較強(qiáng)的映震靈敏性，特別在短臨階段的映震能力明顯優(yōu)于其他測項(xiàng)[2]。新疆的南天山地區(qū)為近幾年來中強(qiáng)地震危險(xiǎn)區(qū)，具有地震多、地下流體觀測手段少的明顯特征。近年來該區(qū)域范圍內(nèi)地震活動(dòng)異?；钴S，為加強(qiáng)該區(qū)域的震情跟蹤工作，地下流體學(xué)科組在阿克蘇架設(shè)痕量氫儀器開始觀測[3]。

新疆阿克蘇臺(tái)痕量氫觀測儀器為杭州超距科技有限公司研制的ATG6118H痕量H2在線自動(dòng)分析儀，該儀器觀測精度較高，穩(wěn)定性較好，自2013年11月9日架設(shè)以來，累積了連續(xù)、可靠的觀測資料，觀測資料對周邊300 km以內(nèi)中強(qiáng)地震有很好的映震效果。在2013年12月1日柯坪5.3級地震、2017年9月16日庫車5.7級地震、2018年11月4日阿圖什5.1級地震和2019年10月27日烏什5.0級地震前，短期異常變化明顯，本文主要分析總結(jié)這4次地震前痕量氫異常變化特征及對比分析。

1 觀測儀器概況

阿克蘇痕量氫在線自動(dòng)分析儀觀測點(diǎn)位于阿克蘇西大橋斷層儀觀測室內(nèi)。該臺(tái)處在北東向柯坪山體北東末端，沿柯坪山體的東南一側(cè)發(fā)育規(guī)模較大的柯坪斷裂帶，全長460 km。柯坪斷裂帶是新疆發(fā)生6級以上地震頻次最高的活動(dòng)斷裂帶，為全新世活動(dòng)斷裂帶。觀測室為地下觀測室，被覆6 m，痕量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。痕量氫抽氣孔深1.25 m(距離地面1.25 m)，露出地表的抽氣管高0.7 m[4](圖1)。

圖1 阿克蘇痕量氫氣集氣裝置示意圖

2 震前異常特征

諸多研究結(jié)果認(rèn)為震前痕量氫的異常特征是“高值突跳、異常幅度大、時(shí)間短”[5]，結(jié)合近幾年ATG—6118H型痕量氫在全國20多個(gè)地震臺(tái)站的試運(yùn)行情況來看，斷層帶土壤氫觀測對地震臺(tái)站300 km范圍內(nèi)的中強(qiáng)震具有較好的前兆短臨異常。

阿克蘇痕量氫儀器2013年11月9日投入觀測，架設(shè)初期觀測數(shù)據(jù)呈上升趨勢，由于儀器運(yùn)行性能不穩(wěn)、廠家更新儀器等因素造成2013年11月18日至11月25日數(shù)據(jù)缺記；2015年儀器故障率較高造成數(shù)據(jù)不連續(xù)；2016年8月15日儀器故障，8月29日更換儀器后恢復(fù)正常觀測；2017年12月27日～29日對痕量氫儀器進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定后觀測數(shù)據(jù)波動(dòng)明顯變大，與廠家聯(lián)系后認(rèn)為儀器運(yùn)行正常，可能是由于儀器校準(zhǔn)過后靈敏度變高，能夠識(shí)別出更細(xì)微的氫氣變化量。

自正常觀測以來，痕量氫濃度有較清晰的年變，每年4月中下旬濃度值最低，7月下旬達(dá)到最高值。輔助觀測氣壓與痕量氫濃度值呈負(fù)相關(guān)，氣溫與痕量氫濃度值呈正相關(guān)。若氣溫升高，痕量氫濃度會(huì)上升；若氣壓升高，痕量氫濃度會(huì)下降。這4次異常變化在地震前氫氣濃度均出現(xiàn)幅值上升，且異常幅度較大，震后濃度下降恢復(fù)至背景值附近(表1)。

表1 痕量氫異常情況與地震關(guān)系

2.1 柯坪5.3級地震

阿克蘇痕量氫自2013年11月9日投入觀測，氫氣濃度一直處于不斷上升過程中，但相對較為平穩(wěn)。11月19日至11月24日由于儀器網(wǎng)絡(luò)故障造成數(shù)據(jù)缺記，經(jīng)過維修后恢復(fù)正常。11月29日15時(shí)開始濃度值快速上升，由2.523 ppm上升到12月1日15時(shí)的3.720 ppm，上升幅度達(dá)到1.39 ppm。16時(shí)34分發(fā)生了柯坪5.3級地震(距觀測點(diǎn)139 km)。震后經(jīng)過反復(fù)的下降、突升變化，于12月4日20點(diǎn)濃度值達(dá)到4.51 ppm后開始下降，總體上升幅度為1.987 ppm，異常持續(xù)6天，12月14日后濃度值恢復(fù)到震前正常范圍(圖2)。阿克蘇痕量氫架設(shè)初期背景值在1.3ppm左右，本次地震前異常變化特征為氫氣快速上升變化，變化幅度是背景值的1.53倍，是在氫氣濃度值快速上升過程中發(fā)震。

圖2 阿克蘇痕量氫氣在線自動(dòng)分析儀整點(diǎn)值曲線(2013-11～2013-12)

2.2 庫車5.7級地震

阿克蘇痕量氫2017年8月30日13時(shí)出現(xiàn)快速上升變化，由1.10 ppm上升到9月1日00時(shí)3.14 ppm，上升幅度為2.04 ppm，15時(shí)氫氣濃度值再次持續(xù)上升，5日23點(diǎn)達(dá)到最高值4.536 ppm后緩慢下降，整體上升幅度達(dá)到3.526 ppm，是正常背景值的3倍左右。本次異常共持續(xù)7天，在氫氣濃度值下降的過程中發(fā)生2017年9月17日新疆庫車縣5.7級地震(距離觀測點(diǎn)279 km)。震后氫氣濃度值仍然處于下降變化過程中，直到2017年12月底完全恢復(fù)背景值，歷時(shí)4個(gè)月時(shí)間(圖3)。本次地震前異常變化特征為氫氣快速上升變化，異常幅度是背景值3倍左右，且在氫氣濃度達(dá)到最高值后下降過程中發(fā)震。

圖3 阿克蘇痕量氫整點(diǎn)值曲線(2017-08～2017-09)

2.3 阿圖什5.1級地震

每年4月中下旬氫氣濃度值開始上升，7月中下旬痕量氫濃度值達(dá)到峰值之后轉(zhuǎn)為下降變化。然而2018年6月24日氫氣濃度開始波動(dòng)上升，且濃度值高于往年同期。9月12日22時(shí)氫氣濃度值達(dá)到峰值4.052 ppm，總計(jì)上升幅度達(dá)到1.651 ppm，輔助觀測的氣溫、氣壓數(shù)據(jù)與往年同期數(shù)據(jù)變化形態(tài)一致，9月13日23時(shí)氫氣濃度值由3.335 ppm快速下降至9月17日15時(shí)1.995 ppm，變化幅度為1.34 ppm。之后觀測數(shù)據(jù)一直處于波動(dòng)變化過程中，10月23日氫氣濃度開始快速上升，10月25日濃度值達(dá)到3.441 ppm后轉(zhuǎn)為緩慢下降，在下降恢復(fù)背景值的過程發(fā)生了2018年11月4日阿圖什5.1級地震(距離觀測點(diǎn)263 km)。震后氫氣濃度值持續(xù)到2019年1月2日才恢復(fù)到背景值(圖4a)。本次地震前異常變化特征為氫氣濃度值異常變化持續(xù)時(shí)間長，期間經(jīng)歷觀測值反復(fù)上升—下降過程，且恢復(fù)背景值時(shí)間較長。2018年濃度值達(dá)到峰值時(shí)間是9月，較往年(每年7月)滯后2個(gè)月，數(shù)據(jù)形態(tài)與往年明顯不同。從2014年、2016年、2018年這三年年變來看，2018年8月5日年底氫氣濃度測值整體高于往年同期，且濃度值達(dá)到最高值時(shí)間晚于往年同期(圖4b)。

圖4 阿克蘇痕量氫日均值(2018-01-01～2018-12-31)(a)、年變(b)曲線

2.4 烏什5.0級地震

2019年3月19日痕量氫氫氣濃度值開始出現(xiàn)波動(dòng)上升，至10月27日測值超過往年同期測值0.7 ppm，輔助觀測氣壓、氣溫值變化與往年相當(dāng)。8月26日12時(shí)氫氣濃度值出現(xiàn)快速上升，23時(shí)達(dá)到5.4 ppm，26日當(dāng)日上升幅度達(dá)到1.92 ppm，總計(jì)上升幅度為3.5 ppm，是背景值3倍左右，之后觀測數(shù)據(jù)逐漸下降(圖5)，隨后發(fā)生2019年10月27日烏什5.0級地震。震后氫氣濃度值緩慢下降，直到2020年1月恢復(fù)到背景值。本次地震前異常變化特征為氫氣濃度值緩慢上升，累計(jì)變化幅度是背景值3倍左右，在氫氣濃度值下降過程中發(fā)震，震后恢復(fù)背景值較長。

圖5 阿克蘇痕量氫日均值曲線(2019-01-01～2019-12-31)

3 小波分析

宋志平等研究員將小波理論用于分析前兆觀測資料，為我們提供了前兆資料高、低頻信息分離與識(shí)別的一種有效方法[6]。用小波分析法提取觀測數(shù)據(jù)的各類信息，是基于小波變換理論識(shí)別、消除數(shù)字化資料干擾以及對不同頻率范圍內(nèi)的信息進(jìn)行識(shí)別與分離，即對痕量氫觀測資料進(jìn)行近似部分(低頻)與細(xì)節(jié)部分(高頻)信息的分離。

對日均值數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理，利用db4小波將其分解，選取細(xì)節(jié)部分第5階作圖分析(圖6)。結(jié)果顯示，2013年11月～12月、2017年8月～10月、2018年6月～10月和2019年3月～9月數(shù)據(jù)超2倍均方差閾值，存在異常變化，與形態(tài)法、年變對比得出結(jié)論保持一致。這4個(gè)時(shí)段的觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)幅值超閾值范圍變化，說明該頻率范圍內(nèi)的正常周期信號(hào)上疊加了相同頻率的其它信號(hào)，而疊加的信號(hào)排除了氣壓、氣溫干擾后認(rèn)為是地震前兆異常。

圖6 阿克蘇痕量氫小波分析細(xì)節(jié)第5階結(jié)果曲線

4 結(jié)論及討論

通過對阿克蘇痕量氫積累6年的觀測資料進(jìn)行分析總結(jié)，發(fā)現(xiàn)我臺(tái)痕量氫對周邊發(fā)生的5級左右地震有很好的映震效果。這4次地震具有代表性，將阿克蘇痕量氫觀測震例基本可以劃分為兩種表現(xiàn)形式，具體如下：

(1)一種為震前痕量氫測值均出現(xiàn)明顯高于背景值上升變化，且均在達(dá)到高值后轉(zhuǎn)為下降變化中發(fā)震。此種類型與黃春玲、范雪芳等人對山西地震臺(tái)痕量氫典型震例相似?？缕?.3級地震和庫車5.7級地震前異常變化具有突發(fā)性，即數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式幾乎為震前直線上升與震后快速下降，異常幅度大，異常變化特征明顯，易于識(shí)別。一種表現(xiàn)為震前數(shù)月開始痕量氫日變化幅度波動(dòng)增大，最大日變幅幅度約為0.4～1倍背景值；隨著臨近地震波動(dòng)幅度逐漸加大，一般在發(fā)震前20天～40天左右開始波動(dòng)明顯增大，日最大波動(dòng)幅度約1～3倍背景值；且痕量氫總體呈現(xiàn)波動(dòng)上升變化，地震往往于波動(dòng)上升達(dá)到最高值附近或回返中發(fā)生。阿圖什5.1級地震和烏什5.0級地震前異常變化持續(xù)時(shí)間較長，期間經(jīng)歷觀測值反復(fù)上升-下降過程，震后恢復(fù)時(shí)間較長。

(2)利用小波分析方法分析4次地震前異常變化，震前均出現(xiàn)超閾值現(xiàn)象。

(3)柯坪5.3級地震、阿圖什5.1級地震和烏什5.1級地震發(fā)生在同一個(gè)地質(zhì)構(gòu)造帶，但柯坪5.3級地震的震前異常變化與二者不完全一致，與庫車5.7級地震震前異常變化相似。根據(jù)范雪芳等的研究[5]，在震源機(jī)制解、深度幾乎相同的地震前，同一測點(diǎn)痕量氫濃度觀測值均出現(xiàn)相同的異常變化，且變化形態(tài)相似、幅度相當(dāng)。阿圖什5.1級地震和烏什5.0級地震都是逆沖型，震源機(jī)制解相同，且震源深度均在10 km左右，異常重現(xiàn)性好；柯坪5.3級地震是逆斷型，庫車5.7級地震是逆沖型，震源機(jī)制解不同，震源深度相同，但變化形態(tài)相同，這需要需要筆者進(jìn)一步研究。

這4次地震前痕量氫觀測資料的異常變化，皆是反映區(qū)域應(yīng)力場變化。由于該觀測點(diǎn)監(jiān)測手段單一，利用痕量氫預(yù)報(bào)地震有一定制約性．且目前積累的資料較為有限，因此對于痕量氫氣體的認(rèn)知具有很大的局限性，需進(jìn)一步分析研究。