山东区域氡观测现状与分析

王西宝 程树岐 刘海刚 孟凯 胡子超

摘 要：总结了氡观测资料的连续性、完整性、年变特征和影响因素，对聊古一井和沂水六和泉、德州4号井观测资料的映震能力进行分析，发现聊古一井气氡对聊城及周边地区应力场的变化较敏感，提出了存在的问题和建议。

关键词：氡观测 映震能力 影响因素

中图分类号：P31 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）07（c）-0102-04

氡是一种放射性气体，是镭衰变的中间产物。氡在岩石的孔隙和裂隙中以自由氡、吸附氡和封闭氡的形式存在。氡存在于岩石的孔隙中，当受外界的压力、振动等作用时，容易从赋存的介质中逃逸出来。因此，当地下应力发生变化时，地下水中的氡浓度会出现不同程度的变化[1]。氡观测与预报，在国内外地震前兆探索中占有重要地位。我国早在20世纪60年代中期就开始氡的观测，积累了大量的观测资料，取得了很好的震例，使氡观测成为地震地下流体观测的重要组成部分。

山东地区具有氡观测的台站井孔是聊古一井、沂水六和泉、德州4号井，其中聊古一井水氡、气氡观测资料连续、完整、准确、可靠，在全国观测资料统评中多次进入前三名。

1 山东区域氡观测网概况

山东省地震局共有氡观测台站3个（空间分布见图1），其中模拟水氡观测站点4个，观测仪器为FD-125氡钍分析仪，SD-3B智能数字测氡仪；数字化观测站点1个，观测仪器为“九五”期间安装的SD-3A数字化气氡仪，模拟和数字化并行观测。“九五”改造的观测站为聊城台聊古一井，聊古一井位于聊城地震水化试验站院内，为深层承压自流井，不受地表水的影响，是理想的地震监测用井[2]；德州台德州井水氡观测为FD-125氡钍分析仪观测，主要受抽水影响；沂水台六和泉为SD-3B智能数字测氡仪观测主要受周围环境和降雨影响。据以往山东省氡观测点观测资料效能评估，三个测点氡观测资料质量、预报与应用以及综合评价均为优秀，学科分类为A级。各测点具体情况见表1。

2 观测资料质量分析

2.1 观测资料的连续性

观测数据连续率和完整率是衡量地震前兆观测数据质量的重要指标之一，连续率统计对象是原始观测数据，即由观测仪器直接产出未经任何处理的数据。完整率统计对象是预处理数据，即按照各学科观测技术规范和技术要求进行预处理后的数据。对于模拟观测，只有日均值，原始数据缺失则预处理数据同样缺失，故只需考虑连续率。

根据公式（1），对2011—2014年山东地区氡观测数据的连续率进行统计，结果详见表2。各台的连续率较高，观测资料保持较好的连续性，表明各台仪器稳定性较高，观测系统运转正常，能很好地为地震研究提供数据支持。

2.2 稳定性分析

2.2.1 氡（水氡、气氡）年变特征

水氡的正常年动态，可分为平稳型、夏高冬低型、冬高夏低型、无规律起伏型等4种基本动态。气氡的动态特征较为复杂。气氡的年动態类型有平稳-脉冲型、起伏型、起伏-脉冲型、高频脉冲型等[3]。由多年观测资料发现，聊古一井水氡具有冬高夏低的年变特征，聊古一井数字化气氡具有显著的年动态变化，冬高夏低，最高值出现在2月份左右，最低值出现在8月份左右；沂水六和泉水氡属年变周期型中的“夏高冬低”型。

德州4号井水氡从多年观测数据曲线图（图2）来看，其年变规律不明显，德州4号观测井深度达800m，井孔的取水段的深度在586m以下，地表以下至220m为第四系粘土、淤泥质泥土砂岩及粉细砂岩为主的隔水层，观测井周边无明显的地下水开采，开泵时间固定，取水口流量稳定在0.020L/s，水氡变化比较稳定，可能是由于地下水的循环较长，大气降水和地表水要经过较长时间渗入补给井孔和泉点，从而消除了降水或地表水突发影响。

2.2.2 逸出氡（气氡）的不稳定性

气氡的动态不太稳定且起伏度较大，耿杰等[4]的研究较为定量的说明了聊古一井气氡观测数据的不稳定性，见表3。

2.3 观测资料影响因素

氡的动态是在地质构造条件、水文地质构造和地球化学环境的综合作用下形成的。氡值在氡观测环节中（包括取样、鼓泡及测试），受到多种因素的影响，如气温、气压、降水量、地下水开采、取样水温、观测室室温、湿度、仪器的稳定性及人工操作方法的差异和取样口流速[5]等。目前聊古一井水氡观测资料主要受取样口流速的影响；沂水六和泉水氡观测资料则主要受到农田灌溉和降水影响；水泵故障是影响德州4号井水氡观测的主要因素，如何减少水泵故障次数，成为目前德州4号井水氡观测工作中亟需解决的一个问题。

3 观测资料映震能力

1998年11月11日聊古一井气氡数据突然下降之后开始突跳，异常结束的第6天，即1998年12月26日发生了河南清丰ML4.0地震，震中位于聊考断裂带西侧，距聊古一井100km。此异常已排除了各种干扰因素，具有一定的可信度[6]。2006年4月9日17时23分在与山东莘县相邻的河南濮阳境内发生了ML4.6级地震。聊古一井距震中约96km。此次地震前，聊古一井气氡出现了显著的异常变化[6，7]，见图3。由此可以看出，聊古一井气氡具有一定的映震能力。

作者曾对沂水六和泉水氡采用db4小波及6阶尺度函数进行小波分析[5]，小波分析结果显示到趋势4阶时，干扰就基本消失。

对于趋势4阶图，我们以二倍均方差作为异常控制线，由图4可以看到不明显的高值异常和低值异常，高值异常没有地震对应，虽然在低值异常结束半年内发生了2011年4月28日沂水县ML2.1级地震和2011年5月20日安丘市ML3.7级地震。结合六和泉水氡的年变特征，我们分析认为这只是反映了六和泉水氡正常的形态变化。

采用db4小波及6阶尺度函数对德州4号井水氡观测资料进行小波分析，小波分析结果显示到趋势5阶时，Daubeehies小波形态光滑，波动性明显，干扰就基本消失。

对应地震笔者选择以德州4号井为圆心，半径100km范围内ML≥3.0级地震，半径100km～300km范围内ML≥4.0级地震。对于趋势5阶图，以二倍均方差作为异常控制线，由图5可以看到2012年6月出现高值异常和2014年4月低值异常，整个资料区间内并没有明显突出的异常。由于观测区间内对应震例和异常较少，结合德州4号井水氡的年变特征，笔者分析认为令人信服的地震前兆异常暂时是不存在的，还需根据资料的积累进一步的分析。

4 存在问题与建议

4.1 存在的问题

（1）水氡观测点因地下水过度开采和城市飞速扩张面临断流威胁。沂水六和泉受降水影响较大，近年来，沂水地区降水偏少，加上地下水的过度开采，泉水即将断流干涸。

（2）目前山东局氡观测设备标定只有聊城地震水化站具有标定条件，德州台和沂水台设备标定都要到聊城水化站进行標定。每次标定需要将设备运输到聊城水化站，标定完后再运会台站使用，在运输过程中，由于运输和环境的变化，设备的性能会有所改变，同时也会影响数据的连续性和完整率（季度检查工作一般往返需要耽搁3d时间，年度标定需要耽搁5d甚至更多时间）。

（3）观测备用仪器紧缺，设备发生故障无法及时更换仪器保证连续性。

4.2 建议

（1）各观测点在现有运行观测点的基础上就近开发新的备用观测点。

（2）建议由聊城地震水化站成立设备标定组，带着标准源到德州台和沂水台标定设备。

（3）建立水氡观测设备更新淘汰机制，定期对设备进行评估更新，以保证水氡观测数据的连续可靠，配备备用仪器，以防不时之需。

参考文献

[1] 车用太，鱼金子，王基华，等.地震地下流体学[M].北京：气象出版社，2006.

[2] 魏汝庆，王华，陈其锋，等.聊城水化站数字化氡与模拟氡观测资料的对比分析[J].四川地震，2004，111（2）：42-45.

[3] 中国地震局监测预报司.地震地下流体理论基础与观测技术[M].北京：地震出版社，2007.

[4] 耿杰，张玲，吴春华.聊古一井数字化氡影响因素分析[J].地震学刊，2002，22（4）：16-20.

[5] 山东省地震局.齐鲁地震科学专辑（第一辑）[M].北京：地震出版社，2014.

[6] 陈其锋，魏汝庆，赵杰锋，等.聊古一井数字化观测资料数据分析与研究[J].地震地磁观测与研究，2008，29（5）：58 -64.

[7] 魏汝庆.一次4.6级地震前的气氡异常变化分析[J].东北地震研究，2007，23（3）：52-56.