新疆庫爾勒43泉溶解氣氡異常特征分析①

徐長銀，錢 才，單曉琳，張嘉敏，李姍姍，劉青山

(1.新疆維吾爾自治區(qū)地震局庫爾勒地震監(jiān)測中心站，新疆 庫爾勒 841000；2.新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011)

流體是地殼的重要組成物質(zhì)，雖然所占比例不大，但對地殼的形成與演化，對各種地質(zhì)作用有著非常重要的意義，與地震的關(guān)系也十分密切。地震前兆機(jī)理的研究表明,地震的孕育過程伴隨有地下水物理與化學(xué)參量和逸出氣體濃度的異常變化，地下流體異常對孕震區(qū)和外圍區(qū)介質(zhì)變化的響應(yīng)靈敏,與區(qū)域構(gòu)造活動關(guān)系密切[1-2]。氡是一種放射性氣體，是鐳衰變的中間產(chǎn)物，在巖石的孔隙和裂隙中以自由氡、吸附氡和封閉氡的形式存在。在實際地球化學(xué)應(yīng)用中，測定的范疇是巖石中的自由氡，對于介質(zhì)的變化反應(yīng)靈敏，當(dāng)?shù)貧そ橘|(zhì)受到力的作用而發(fā)生變形破壞時，地下水中的氡含量將發(fā)生顯著變化，所以觀測地下水中氡含量的變化有可能捕捉到地震孕育發(fā)生的前兆信息[3-4]。也是探索地震孕育、發(fā)生前兆信息的重要窗口，在地震趨勢分析與短臨震情跟蹤中發(fā)揮著重要作用[5-7]。地震地下流體日常監(jiān)測主要是觀測地下水中逸出氡和溶解氡的含量。庫爾勒新43泉所處構(gòu)造部位良好，對地殼應(yīng)力—應(yīng)變反應(yīng)靈敏，是多年觀測表明較好的1個斷層泉。近年來庫爾勒鄰近區(qū)域中強(qiáng)地震活動頻繁，庫爾勒新43泉監(jiān)測站氣氡較為清晰的記錄到成組地震活動的異常變化。

1 基礎(chǔ)及背景資料

1.1 基礎(chǔ)資料

庫爾勒新43泉地震地下流體觀測點位于庫爾勒西霍拉山南麓吉格代布拉克，庫姆格列斷裂—哈桑托開斷裂附近。大地構(gòu)造上位于塔里木北緣活動帶麥丹塔烏—克孜爾塔格晚古生代陸緣地塊，處在南天山新構(gòu)造隆起與塔里木盆地拗陷交接部位。泉眼位于山腳下，地層巖性為元古代片麻花崗巖和第三系頁巖，泉水無色、無味，清澈透明。氣氡觀測的是井(泉)水中逸出氡和溶解氡的總濃度或斷裂帶土壤中氣氡的濃度及其隨時間的變化，氣氡濃度以單位體積中放射性物質(zhì)的活度表示。SD-3A型自動測氡儀由中國地震局地震預(yù)測研究所研制，采樣為1次/小時，測量精度0.1 Bq·L-1。2006年12月安裝觀測，使用新疆維吾爾自治區(qū)地震局研制的分體式脫氣裝置，觀測結(jié)果不受水流量、壓力影響，只與泉水中氡含量有關(guān)[8-9](圖1a)。同時安裝的還有數(shù)字水位儀、數(shù)字溫度計測項。2016年更換為一體式脫氣裝置，脫氣效率高，更加穩(wěn)定，觀測信息能夠?qū)崟r反映新43泉的實際變化情況[10]，達(dá)到預(yù)期的效果(圖1b)，安裝的輔助測項有溫度、氣壓和降雨量。儀器相對偏差檢查和K值標(biāo)定均符合規(guī)范要求，數(shù)據(jù)連續(xù)率90%以上，資料可信度高，觀測資料不具有年變規(guī)律。庫爾勒新43泉屬大陸干旱氣候，冷暖氣候交替，空氣對流強(qiáng)，多大風(fēng)、沙塵暴天氣，年平均降水量58.6 mm，蒸發(fā)量2 257.2 mm[11]。外界地表水滲入較少，干擾不明顯，周邊2 km內(nèi)無地下水開采及注水。

圖1 庫爾勒新43泉SD-3A型自動測氡儀觀測系統(tǒng)示意圖

1.2 干擾因素

新43泉泉眼距地表約0.8 m，地表的鹽堿隨降水進(jìn)入泉眼再進(jìn)入測量系統(tǒng)，因泉水流量較小，脫氣裝置水路中的泥沙和鹽堿不能及時排出，泥沙沉淀和鹽堿堵塞造成恒壓失效，數(shù)據(jù)波動較大。SD-3A型自動測氡儀運(yùn)行觀測初期，由于觀測技術(shù)不完善，引氣管內(nèi)工作過程中水蒸氣形成的冷凝水珠影響氣體流動，造成數(shù)據(jù)低值波動較大。高溫、低溫引起氣路密封性能降低，氣路連通管老化漏氣造成氣體采集量快速下降。排水管存在裂隙，樹根、蘆葦根進(jìn)入管內(nèi)導(dǎo)致排水不暢，對氣氡觀測造成一定的影響。當(dāng)觀測資料出現(xiàn)異常時，需要在可能的多種干擾中識別出自然、外界環(huán)境、人為和儀器自身等典型干擾特征(儀器設(shè)備工作狀態(tài)，脫氣裝置水路、氣路)并逐項排除[12]。結(jié)合測項固有的變化特征，進(jìn)行綜合分析，從而得出正確結(jié)論。

2 成組地震活動特征

巖石空隙中的自由氡，有一部分溶解于地下水中，成為溶解氡，另一部分成為游離氡，這就形成了目前地球物理觀測中水氡和氣氡測項。在地震孕育過程中，作為傳遞、轉(zhuǎn)換、接受異常信息的載體起著非常重要的作用[13]。庫爾勒新43泉氣氡2011年12月中旬結(jié)束下降轉(zhuǎn)向上升，2012年3月20日上升結(jié)束轉(zhuǎn)向下降，下降幅度1.8 Bq·L-1，3月21日～4月9日再次出現(xiàn)上升變化，最大變幅為6.6 Bq·L-1。4月10～28日期間下降—上升波動，最大變化幅度為6.3 Bq·L-1，4月29日～6月26日持續(xù)波動下降。這種特點反映了震前構(gòu)造應(yīng)力場出現(xiàn)較為明顯的增強(qiáng)[14]。6月15日發(fā)生新疆輪臺縣MS5.4地震。6月27日出現(xiàn)轉(zhuǎn)折上升，幅度5.1 Bq·L-1，6月30日新疆新源—和靜交界發(fā)生MS6.6地震(圖2)。成組地震空間上約143 km，時間上間隔15 d(表1)，達(dá)到異常指標(biāo)，較好對應(yīng)了2次中強(qiáng)地震。

圖2 2012年庫爾勒新43泉氣氡整點值曲線圖

表1 庫爾勒新43泉溶解氣氡成組地震異常參數(shù)

2012年12月1日新43泉氣氡由下降轉(zhuǎn)向上升，2013年1月11日氣氡出現(xiàn)快速下降，下降幅度11.2 Bq·L-1，其后保持低值狀態(tài)，現(xiàn)場調(diào)查排除儀器和環(huán)境因素，2月初快速上升 11.2 Bq·L-1恢復(fù)正常背景。2013年3月29日發(fā)生新疆昌吉—烏魯木齊交界MS5.6地震。

2013年6～7月氣氡低值突跳密集，現(xiàn)場調(diào)查排除儀器和環(huán)境因素，查明了引氣管漏氣，冷凝水珠影響、水路內(nèi)沉淀物、水垢等影響因素。8月初出現(xiàn)上升，8月22下降3.1 Bq·L-1保持低值，8月27日較快上升6.0 Bq·L-1恢復(fù)正常背景，3 d后發(fā)生新疆烏魯木齊MS5.1地震。由于異常與干擾疊加，較難從中提取異常(圖3)。地震空間上約76 km，時間上間隔154 d(表2)。2次地震異常特征均表現(xiàn)為凹形形態(tài)，幅度和持續(xù)時間與震級、震中距相關(guān)。

表2 庫爾勒新43泉溶解氣氡成組地震參數(shù)

圖3 2013年庫爾勒新43泉氣氡整點值曲線圖

2017年3月24日～6月17日新43泉氣氡經(jīng)歷上升—下降—上升—下降過程，6月17日后轉(zhuǎn)向持續(xù)上升，8月2日再次出現(xiàn)小幅度下降，2017年8月9日新疆精河縣發(fā)生MS6.6地震。2017年8月12日～9月9日新43泉氣氡又一次出現(xiàn)上升—下降—上升變化(圖4)，2017年9月16日新疆庫車發(fā)生MS5.7地震。成組地震空間上約244 km，時間上間隔39 d，成組地震活動為先大后小。新43泉氣氡資料在鄰近區(qū)域中強(qiáng)地震前有較好的前兆顯示(表3)。一般MS≥5.0地震的前兆異常平均顯示半徑在300 km左右，MS≥6.0地震的前兆異常平均顯示半徑在400 km左右，MS≥7.0大震在500～600 km[15]。對于不同震級的地震，氡觀測異常范圍和幅度也不同，震級越大異常范圍也越大[16]。學(xué)者一直關(guān)注地下流體震前異常成因問題，認(rèn)為這種異常來自震源。然而，有學(xué)者得出地下流體中短期異常主體不是來自震源，而是來自區(qū)域構(gòu)造活動的觀點[17]。新43泉鄰近區(qū)域中強(qiáng)地震前氣氡的中短期異常與發(fā)震時間的關(guān)系為，異常開始—異常峰值—異常結(jié)束—發(fā)震—恢復(fù)正常，短臨異常則以突變、波動等異常為主，異常持續(xù)時間和異常幅度與震級相關(guān)。新源—和靜MS6.6地震、精河MS6.6地震的異常形態(tài)相似，可能是區(qū)域應(yīng)力加載作用引起斷裂帶裂隙逐漸閉合—恢復(fù)的機(jī)理[18]。

圖4 2017年庫爾勒新43泉氣氡整點值曲線圖

表3 庫爾勒新43泉溶解氣氡MS≥5.0地震異常參數(shù)

3 預(yù)報效能分析

R值評分方法由許紹燮提出，該方法被廣泛應(yīng)用于地震預(yù)報效能檢驗[19-26],R值越大，預(yù)測效能越好。

(1)

為了統(tǒng)計地震震例，預(yù)報準(zhǔn)確的地震及在能對應(yīng)區(qū)域內(nèi)發(fā)生的地震次數(shù)的比值。選取觀測點200 km范圍內(nèi)MS5.0～5.9地震；300 km范圍內(nèi)MS6.0～6.9地震，利用公式對庫爾勒新43泉氣氡進(jìn)行預(yù)測效能檢驗，R值計算結(jié)果為0.190 1，R0值為0.272，R值小于R0值，沒有通過顯著性檢驗，但R值大于0，具有預(yù)測價值，在地球物理觀測中可發(fā)揮一定的效能[27-28]。

4 結(jié) 語

庫爾勒新43泉氣氡的中短期異常特點，多數(shù)為上升異常，震后繼續(xù)上升或恢復(fù)下降背景。輪臺、和靜與精河、庫車震例表明，新43泉300 km左右中強(qiáng)地震前，氣氡資料都有不同程度的異常出現(xiàn)，多數(shù)能在震前觀測到一些相似的信息，異常結(jié)束2～3個月發(fā)震，異常結(jié)束到地震發(fā)生的時間間隔與震級有關(guān)，異常時間長則震級較大，反之震級則較小。震情跟蹤中對觀測資料出現(xiàn)的類似異常，對資料的異常跟蹤分析時不能只確定異常的真實性，不利于地震中短期異常的識別，應(yīng)該注意不同時間尺度的動態(tài)變化，更多地關(guān)注資料的短期變化，準(zhǔn)確分析構(gòu)造活動與震后恢復(fù)的動態(tài)特征，加深對異常和地震活動關(guān)系的認(rèn)識。地震尤其是強(qiáng)震前是有異常的，應(yīng)密切關(guān)注資料的變化情況。