丰满地震台水氡对M≥5.0级东北深震的映震分析

马铭志

（丰满地震台，吉林 吉林 132108）

0 引言

丰满地震台位于吉林省中部的吉林市东南郊丰满区，海拔高度约240米。所处的大地构造为东北断块区的老爷岭－张广才岭断块隆起带的中南部，北东向伊舒断裂带与敦化—密山断裂带之间，附近有北西向第二松花江断裂带经过。区域出露地层主要为二叠系、侏罗系浅变质岩系和中生代形成的海西期花岗岩。地球物理特征为区域布格重力异常总体走向为北北东方向，形态特征与区域北东向线性断裂构造相吻合，局部有北西向弱的异常条带，航磁反映出来的特征与布格重力异常相似。丰满地震台水氡观测井处于北西向第二松花江断裂带与北东向阿什—口前断裂交汇处附近［1］。水氡井深约23米，在井下19米附近有一组断层经过。含水层主要是基岩裂隙水，节理不太发育（图1）。

丰满地震台水氡井自1986年开始，至今已经连续观测了26年，积累了大量的数据资料。一些学者也对其水氡观测与映震能力、地质构造的殊敏感点之间的关系做了研究。于清桐等（1996）根据丰满地震台水氡的观测资料，分析研究了水氡含量动态变化和异常与远域地震活动的关系，认为丰满地震台水氡含量变化与区域构造活动密切相关，成为映震敏感点［2］。张亚奎等（1997）从 “古三论”（倍九论，节气论，穴位论）的角度进行讨论，认为该水氡井处于构造敏感位置，有利于发现地震前兆异常，并且在近震临震异常得以验证，如1990年磐石大旺ML4.3级地震前，氡值发生大于二倍均方差的突跳［3］。东北深震区多为ML5.0级以上中强震，虽然对地面无破坏，但对社会影响很大。因此，对水氡异常与深震发生之间有无联系的研究，非常必要和具有一定的实际意义。

1 丰满地震台水氡动态变化的影响因素

丰满地震台水氡动态变化主要受季节变化和水氡井附近温度变化影响。

图1 丰满地震台水氡井地质构造简图Fig.1 Geological structure map of water radon well in Fengman Seismic Station

1.1 水氡季节性变化

季节性变化主要指受季节性气候影响，其实质是补给水对氡值影响。丰满水氡随季节变化主要是春季桃花水和夏季大气降水影响。由于吉林地区冬季比较寒冷，到初春季节，冻土层开始解冻，冰雪融化成水，俗称桃花水。氡值每年在3、4月份受桃花水影响较大，桃花水经地表深入岩层，把岩石裂隙中附着的氡带入观测井中，导致氡值升高，这一现象由于季节较为固定，在资料分析中容易剔除。7、8月份的大气降水对水氡氡值的影响有一个延后效应，当降水后，雨水经地表有一个渗透过程，可以通过气象资料和辅助测项井水位变化加以甄别。桃花水和大气降水引起氡值变化都是由流量的增加而引起的，二者都是抬高了补给方向的水位，从而使浸润曲线斜率变陡，使氡值产生变化。

1.2 受水氡井附近温度影响因素

由于丰满地震台观测井口在山洞内，山洞密封较好，水氡井附近的温度变化受外界气温干扰年变化小于1.0°C，所以基本可以忽略不计。由桃花水和大气降水补给引起的温度异常变化，可以在排除上述影响时一并考虑。

2 丰满台水氡变化对应M≥5.0级深震的异常特征

2.1 深震前后水氡值异常形态种类

东北深源地震区位于北纬42.6～44.9°、东经129～131°，东西宽度约140千米、南北长度约300千米内的牡丹江、东宁、穆棱、珲春、图门等地。据仪器记录，自1905年至今已发生10多次7.0级以上强深源地震。虽然对地面无破坏，但其震感强烈，波及范围较广，对社会影响较大［4］。

实际工作中发现，中强深震前后水氡有明显的异常反应，以下对1987年1月1日到2011年12月31日期间共发生的14个M≥5.0级以上深震进行研究，探讨深震发生前后与水氡数据异常形态之间关系，并总结其映震特征。从曲线形态上可将水氡异常形态归纳为五类：V字形、脉冲形、震前缓慢向上形、高位震荡形和震后上升形。

（1）V字形异常

图2 V字形曲线异常形态Fig.2 Abnormal morphology of V－shaped curve

如图2所示，2010年2月18日6.5级深震和2011年5月10日5.6级深震，两次深震前10天左右，水氡曲线均出现低值异常（在排除各类影响因素后，认定为异常），即氡值曲线突然下降再回升，异常形态成V字形。

（2）脉冲形异常

如图3所示，1987年2月11日5.5级深震、1999年4月8日7.0级深震、 2000年2月13日6.0级深震和2002年6月29日7.2级深震，深震前均出现尖脉冲异常形态，与正常的背景值有明显差异。异常出现到深震发生大约1个月左右。

图3 脉冲形异常曲线形态Fig.3 Abnormal morphology of Pulse－shaped curve

（3）震前缓慢向上形

如图4所示，2007年3月9日6.1级深震和2011年1月8日5.6级深震，震前曲线形态是缓慢上升形态，持续时间约为1个月左右。

（4）高位震荡形

如图5所示，1990年5月11日6.3级深震、1994年7月21日7.3级和5.7级深震、2003年8月31日6.2级深震以及2008年5月19日5.7级深震，都处在相对时间段内的高值，维持一种高位震荡形态，在震荡过程中发生深震。

图4 震前缓慢上升形异常曲线形态Fig.4 Abnormal morphology of slowly rising curve before the earthquake

图5 高位震荡形异常曲线形态Fig.5 Abnormal morphology of high and volatile curve

（5）震后上升形

如图6所示，2002年9月15日6.4级深震和2006年9月16日5.9级深震，两次深震是在震后氡值上升。

从图2到图6可以较明显看出深震前后水氡的异常变化。研究时间段内共有14个M≥5.0级深震，震前异常的有12次，震后出现异常有2次。

图6 震后上升形异常曲线形态Fig.6 Abnormal morphology of rising curve after the earthquake

2.2 异常形态判别分析

依据原始日测值曲线法，用原始数据计算出平均值和均方差，用2倍均方差做阈值，进行异常判定。异常阈值G=2σ。表1为14个深震异常阈值计算表。

表1 水氡异常阈值表

深震日期 经度 纬度 震级（ML）平均值均方差异常阈值2002年9月15日 129.92 44.83 6.4 202 14 230 2003年8月31日 132.27 43.39 6.2 210 8 226 2006年9月16日 135.70 41.36 5.9 232 25 282 2007年3月09日 133.53 43.22 6.1 217 22 261 2008年5月19日 131.89 42.51 5.7 241 12 265 2010年2月18日 130.92 42.73 6.5 262 14 290 2011年1月08日 131.25 43.00 5.6 271 14 299 2011年5月10日 130.86 43.23 5.6 267 22 311

根据异常阈值画出深震前后异常曲线图。以上14个深震前后异常阈值曲线可分为3类：

（1）大于2倍均方差异常曲线

如图7所示，震前超过2倍均方差8次，有的超出很多，有的接近。

图7 大于2倍均方差异常曲线Fig.7 Abnormal curve with more than 2 times mean square deviation

（2）震后超出2倍均方差和震前低值异常曲线

如图8所示，震后超过有一次，低值异常一次。

（3）震前震后低于2倍均方差异常曲线

如图9所示，震前震后均低于2倍均方差。

图8 震后超出2倍均方差和震前低值异常曲线Fig.8 Abnormal curve with more than 2 times mean square deviation after the earthquake and low－value anomaly before the earthquake

图9 震前震后低于2倍均方差异常曲线Fig.9 Abnormal curve with lower than 2 times mean square deviation before and after the earthquake

3 结论

通过对东北M≥5.0级深震前后丰满地震台水氡异常分析，可以有以下几点认识：

（1）丰满地震台水氡观测存在深震效应，即深震对水氡值有提前或滞后的异常反应。对研究时间段内14个M≥5.0级深震统计表明，震前有异常反应的为12次；震后有异常反应的为2次。

（2）在上述几种异常形态中，V字形、震前缓慢向上形和脉冲形异常比较明显，一般在异常高点或低点结束后十天到一个月左右发震。震前缓慢向上形、高位震荡形比较难判断，应仔细甄别，以上异常形态属于深震前兆。震后上升形也是一种深震异常形态。这些不同异常形态，与深震应力积累与释放的类型有关。当应力积累处于弹性变形时，产生异常较明显；当应力积累处于塑性变形时，产生异常形态不明显。

（3）氡值异常持续时间不同，异常持续时间和异常幅度与震级大小无关，而与深震的震源机制有关。如图2到图6所示，氡值异常持续时间不同，一般为10天到40天，异常幅度约为15Bq／L到100Bq／L左右，且异常幅度与震级大小无关。陈棋福（2012）对东北地区的深震震源机制进行了研究表明，深震大多以低角度逆冲为主的震源机制，是太平洋板块俯冲动力作用的结果。深震能量孕育与发生对其周边地下介质影响具有很强的方向性，即有些方向利于传递深震异常，有些方向传递能力较弱［5］。如图3所示，1999年4月8日7.0级深震和2002年6月29日7.3级深震，其变化幅度不如1987年2月11日5.5级深震和2000年2月13日6.0级深震大，异常形态也没那么尖锐。

（4）丰满地震台水氡观测井可以说是东北中强深震的敏感 “窗口”。该井在深震前后出现各种异常形态变化，说明丰满地震台处于构造敏感位置。由其所处的区域构造部位、水文地质条件和井孔结构共同决定的。如前所述，该井位于伊舒断裂带与敦化—密山断裂带之间，井口位处在NW向第二松花江断裂带的丰满—二道甸子断裂上，是区域构造运动的穴位点，深大断裂是中强地震应力和应变场变化的有力传导者。由于地下流体的流动性和不可被压缩性，其动态可较为灵敏地反映出地壳中发生的各种过程，地下流体动态对强震孕育与发生过程表现很强的反映能力［6］。

［1］吉林省地震局.吉林省地震监测志［M］.北京：地震出版社，2005.

［2］于清桐，等.丰满台水氡映震敏感特征的分析研究［J］.东北地震研究，1996，12（4）：32－33.

［3］张亚奎，等.丰满水氡及水氡井水位异常的初步研究［J］.东北地震研究，1997，13（4）：30－31.

［4］马铭志，等.吉林深震的构造背景和区域地震能量的异常讨论［J］.地震地磁观测与研究，2006，27（158）：11.

［5］陈棋福，等.2011年5月中俄边界深震震源机制所展示的太平洋板块俯冲动力作用［J］.国际地震动态，2012，402（06）：23.

［6］路鹏，等.地震地下水动态观测［M］.北京：地震出版社，1998.