盘一井水氡映震效能及Rn值迁移机理分析

王喜龙，王海燕，李彤霞，付 聪，杨振鹏

（辽宁省地震局，辽宁 沈阳110034）

0 引言

众所周知，惰性化学元素Rn 作为研究地震孕育过程及预报地震的一种手段，它在地下水中主要以溶解氡和逸出氡两种形式存在。早在前几十年，许多国内外地震学家就开始对氡的迁移机理及氡浓度变化与地震的关系进行了广泛而深入的观测与研究，并取得了卓越的成果［1-4］。利用氡异常来预报发震三要素已成为我国前兆流体预报的一种重要手段，并且至今取得了相当数量的成功震例。本文就辽宁地区映震效能较好的盘一井水氡历史震例进行研究，分析讨论其具有高映震效能的原因，并对该井Rn元素的迁移机理进行初步讨论，以期在辽宁地区水氡映震方面发挥出一定的指示意义。

1 地质背景

盘锦地区地处属下辽河平原，为一断陷盆地。本区出露地层主要为上第三系和第四系地层，第四系为平原组松散堆积物，岩性为砂岩、粘土等；上第三系明化镇组及馆陶组地层，主要岩性为砂砾岩、砂岩、泥岩等。就本区所处大地构造位置而言，本区地处中朝准地台上的三级构造单元下辽河坳陷内，东部为辽东隆起，西为燕山褶皱带，北依内蒙地轴与松辽盆地相隔（图1），由前震旦纪伟晶岩组成基底，属三面环山一面临海的汇水盆地［5］。

本区构造断裂发育，郯庐断裂带北段穿越该区。该区在晚中生代，由于地幔物质上涌，垂直拱升作用不断加强，引起地壳隆起，从而产生较大的拉张应力，在隆起上产生两组断裂，即北东向与北西向，以北东向为主。北东向断裂形成时间较早，大多形成于早古生代，中生代，为区域上最为发育、延续性最好的一组断裂，且该规模较大，平行隆起轴向，自西而东主要断裂包括台安断裂、辽中断裂和牛居—油燕沟断裂等；北西向断裂规模较小，活动时代相对较新，断裂横切隆起并常常切割北东向断裂，两组断裂纵横交错构成网格状。

图1 下辽河平原构造分区图［6］Fig.1 Themapof tectonicdivisionsin lower LiaoheRiver Plain［6］

盘一井井深955.1m，观测层为上第三系馆陶组含水层，主要岩性为砂岩，所处水层为835～955的裂隙承压水，含水层厚度100 m，水温28℃，井孔套管直径400.05mm，深度为86.49m。该井自1973年开始地震观测，水文地质条件为背靠双台子河，地表垂直补给能力差，不受大气降水和地表水的干扰，同时也避免了油田开采层，水质主要受深部补给（图2）。

图2 盘一井井孔柱状图Fig.2 Thehistogram of Panjin No.1Well

2 观测现状

辽宁省盘一井目前主要测项除水氡外，还有气氡、水质和气体观测，辅助测项主要有井水流量与同层水温。水氡为模拟观测，观测所使用的观测仪器为FD-105K型测氡仪，采样率为日均值数据；气氡为十五数字化观测，所使用的仪器为SD-3型气氡测量仪，采样率为整点值数据；离子测项主要包括Cl-、Ca2+、Mg2+和CO2-3，所用仪器为PXJ-IC，采样率为日均值数据；气体测项主要包CO2、N2、CH4、Ar2和气体流量，所用仪器为SQ-206，采样率为日均值数据。

近几年该井水化学观测项目各测点总体观测环境基本正常，无明显人为干扰，自然状况也无明显改变。观测仪器及附属设备整体运行基本良好，仪器定期校核、检查、标定。个别测点出现的仪器故障已经解决，能够进行正常观测。各项数据参数齐全，各项观测数据基本都保持了较良好的连续率和完整率［7］。

3 历史震例分析

盘一井水氡自1973年开始观测以来，数据变化连续稳定，因其前身为石油使用井，井深达1121m，受环境干扰小，历史上出现多次前兆异常，且异常出现后辽宁及邻区基本均对应发生了5级以上地震，如1975年海城7.3级地震、1976年唐山7.8级地震、1978年营口5.9级地震、1999年岫岩5.4级地震和2013年灯塔５.1级地震等。

3.1 1975 年2月4日辽宁海城7.3级地震

盘一井水氡自1973年9月开始观测，设备运行正常，数据变化稳定。盘一井距海城7.3级地震震中80km。海城地震前，该井于1974年1月5日水氡出现趋势上升动态变化，至同年5月10 日达到最高值，Rn含量由开始的6.1 Bq/L 升至8.7Bq/L，相对增高43%；5月11日之后Rn值开始转为趋势下降，至同年8-9月份下降趋势开始加剧，11月底Rn含量相对减少了23%，之后Rn值回升并维持较高水平波动，在震前出现大幅度突跳，直到1975年2月4 日海城7.3级地震发生（图3）。

图3 盘一井水氡异常变化曲线Fig.3 Theabnormal curvesof radon in Panjin No.1Well

3.2 1976 年7 月28日唐山7.8级地震

盘一井距1976年唐山7.8级地震震中约360km，在1975年海城7.3级地震发生后，该井Rn值基本维持相对较平稳动态变化，但1975年11月5日后，该井水氡开始再次出现小幅突跳上升变化，之后基本维持高值波动状态，至1976年5月4 日Rn值出现高值加速上升迹象，同年7月20日Rn值再次出现高值突跳变化，与海城7.3级地震发生前的高值突跳特征极为相似，且幅度明显高于海城7.3级地震，至7月28日发生唐山7.8级震，震后至1976年12月高值有所恢复（图3）。

3.3 1978 年5 月18日营口5.9级地震

盘一井距1978年营口5.9级地震震中约68km，1976年唐山7.8级地震发生后，盘一井水氡开始出现快速下降恢复变化（图3），至1976年12 月，Rn 值恢复至20～27Bq/L 范围内波动，但在1977年11月10日后，盘一井水氡再次出现较明显的趋势上升变化，1978年5月18 日发生营口5.9 级地震，水氡上升约5.5 Bq/L。

3.4 1999 年11月29日岫岩5.4级地震

盘一井距1999年岫岩5.4级地震震中约113km，营口发生5.9级地震以后，氡值至1986年基本完全恢复，1986年以后至1997年氡值变化较为平稳，基本无年变，正常波动值变化范围为19.5～20.5Bq/L，月均值曲线基本为一直线。该井自1998年9月开始出现大幅度高值波动异常变化，高值波动变化持续至1999年5月基本恢复，异常变化幅度达8.5%。同年9月16日该井再次出现大幅度高值波动及上升短期异常变化，突跳频次、幅度均较之前剧烈并持续至发震，异常前后氡值最大变化达2.0 Bq/L，最大变化幅度达12%［8-9］（图4）。

3.5 2013 年1月23日辽阳灯塔5.1级地震

自1998年岫岩地震以后，盘一井Rn值至2003年已逐渐恢复，2004—2010 年Rn 值变化较平稳，正常值基本变化在16.40～18.40Bq/L范围内。但2011年4 月19日起氡值开始连续出现高值波动异常，至同年7月高值有所恢复，后同年12月再次出现高值波动异常，差分结果也显示出明显的高值波动异常，异常持续高值波动阶段，2013年发生了灯塔5.1级地震和内蒙科尔沁5.3级地震（图5）。

4 盘一井水氡映震效能分析

通过研究总结分析辽宁地区1970 年以来5级以上中强地震震例发现，盘一井水氡自1973年开始观测以来，多次在辽宁及邻区发生的5级以上地震前均有明显的异常显示，具有很高的报准率。为了进一步对盘一井水氡映震效能进行科学评价，笔者通过总结历史震例和盘一井水氡异常变化特征，应用R值评分方法，同时综合该井水文地质条件和区域构造地质特征对盘一井水氡预报效能进行了评价。

4.1 R值评分

在目前地震预报效能评价中， R值评分方法是一种比较常用的地震前兆异常与地震相关性评价的方法［7］。该方法最早是由许绍燮［10］提出的用来科学评价地震预测效能，在时间序列研究中应用较多［11］，20 世纪80 年代以来， R值评分已被广泛应用于不同学科对各测项预测效能的检验，并取得了较好的研究成果［11-14］。R值评分基本原理是有震报准率与预报时间占有率（或预报占时空域率）之差，即［12］

本文在用于R值评分对盘一井水氡进行预报效能评估过程中，选取时间范围为1970年以来，空间范围为119～126°E，38～44°N的辽宁及邻区发生的5级以上地震进行研究，1976年唐山地震由于震级及区域构造位置关系也纳入研究范围内，共选取9个地震，具体如表1所示。基于中国震例、辽宁省地震趋势研究报告及前人公开发表文献等资料统计了盘一井水氡自1973年以来不同时段异常持续时间及对应震例情况［15］，具体如表2所示。

表1 辽宁及邻区1970 年以来中强地震

表2 盘一井水氡异常时间及对应震例统计

依据表1和表2统计结果并结合R值评分计算公式可以得出，1970 年以来盘一井水氡出现异常并报对地震次数为6次，而应预报总次数为9次，即有震报准率为0.67；盘一井预报占用时间为139个月，预报研究总时间约为542个月（1973年9月至今），预报时间占有率为0.26，则依据R值评分公式计算得到盘一井水氡的R值为0.41。依据R值公式计算原理，若R=1，则表示全部报对； R=-1，表示全部报反； R=0，表示预报未起作用［12］。即说明R值为正且越高（趋近于1），表明其预报效能越高。此前，马宏生等［11］应用R值评分方法计算出中国大陆东部5级、西部6级以上地震预测检验尺R值的年度分布相对比，得出全国的R值为0.26左右；李琼等［13］通过对云南地区水温异常与5级以上地震对应关系应用R值评分进行检验，得出R值为0.374，具有较好的预报效能；焦明若等［12］应用R值评分方法对辽宁地区中强震前测震学和前兆学指标体系进行评估，计算得出辽宁地区R值平均水平为0.23。而本次通过应用R值评分方法对盘一井水氡进行预报效能检验，得出盘一井水氡R值为0.41，明显高于辽宁地区R值结果，这也进一步表明，盘一井水氡不仅通过了R值检验（结果为正），且具有很好的映震效果。

4.2 地质条件分析

盘一井地处下辽河平原，下辽河平原属三面环山，一面临海的汇水盆地，地下水主要依靠大气降水补给。根据对盘一井井孔结构的研究可以看出（图2），本区三套含水层除第四系平原组含水层外，下第三系明化镇组和馆陶组两套含水层均为承压含水层，其封闭水头高度可达地表以上，且含水层埋藏较深，从而致使下部的含水层不能直接接受上部含水层的补给，水质主要受深部补给，这样即基本避免了大气降水和地表水的干扰，同时也基本避免了油田开采层的影响。

通过总结前人研究成果发现，在地下流体观测中出现的异常变化，往往与地壳介质的应力、应变状态有关，特别是在强震孕育过程中，随着区域应力场的增强，震源区周围的断裂构造也在不断调整，因而沿断裂带及其附近的异常显示往往比其他地区显著集中。陈颙等［16］通过研究指出，地震空间的分布是不均匀的，他的展布规律与区域地质构造有着密切联系，与地质构造带相吻合，表现出了具有明显的成带性特征；李文英等［17］通过总结华北地区短临异常综合指标总结得出，水氡短临异常的空间分布主要与震源周围的主要活动断裂层和发震机制有关；杜学彬等［18］年通过对唐山7.8级以及西北地区几次6级以上强震前地下水动态中短临异常空间特征及其与断裂发震机制关系的研究，提出地下水动态异常主要与震源周围活动断裂有关；车用太等［19］在对比华北地区几次强震前的地下流体异常形态及时空分布特征后，指出一次强震的孕育和发生可能不是某一条孕震或发震构造活动所致，而是大范围内若干大的地震构造带同步或准同步活动的结果；郑文俊等［20］在渤海周围地区地震构造带的空间分布、区域构造背景及其活动分析的基础上，通过对张北—尚义6.2级、5.6级和大同5.6级地震前后华北北部多种前兆异常的总体数量及其沿地震构造带分布变化的情况研究，认为前兆异常沿地震构造带分部数量的变化，对强震活动形式的分析与估计具有一定的指示意义。综合前人研究结果可以看出，地震前兆异常空间分布与活动构造有着极为密切的关系。

就辽宁地区而言，断裂构造发育，主要以北东和北西向断裂为主。辽宁地区的地震活动与地质构造之间具有高度的相关性，地震受到了北东—北北东向和北西向两组构造的制约，而构造交会部位往往是破坏性地震的多发区。对盘一井所处地质构造背景分析认为，该井地处NW西向与NE 向断裂活动带交汇部位，北东向主要以郯庐地震带北延段为主（历史上在其断裂带上或断裂带周围曾发生多次5级以上中强震，如1969年渤海7.4 级地震、1976年河北唐山7.8级地震），在该地区北东向断裂自西而东主要包括台安断裂、辽中断裂和牛居—油燕沟断裂；北西向断裂规模较小，且形成时间较北东向断裂晚，断裂横切北东向断裂，同时该井地处北西向海城河隐伏断裂近西北端。断裂构造发育，从而既导致该区成为下辽河盆地高产油区，同时又为地下流体运移、存储等活动提供了优越的地质条件。对比辽宁地区所发生的历史地震发现，中强地震活动及小震活动呈现具有较明显的条带状、团簇状特征，且地震主要沿北西向与北东向断裂构造发生，其分布与地质构造之间具有密切的关联性，如1973年海城7.3级地震和1999年岫岩5.4 级地震就发生在北西走向海城河隐伏断裂上（图6），这也进一步验证了前人研究成果。综合以上分析可以得出，正因为盘一井所具有的优越水文地质条件与所处区域构造交汇敏感部位，致使盘一井在多次中强地震前均有明显的异常出现。

5 盘一井水氡迁移机理分析

众所周知，地震的孕育与发生是一个极其复杂的物理化学过程［21］。就氡而言，作为研究地震孕育过程及预报地震的一种重要手段，它是一种惰性的放射性元素，由铀和镭衰变而来，在地下水中主要以逸出氡和溶解氡两种形式出现［4］（杨绍富等，2014）。近些年众多国内外地震学家对氡浓度变化与地震的关系进行了广泛而深入的研究，在利用氡异常预报发震时间和级震等方面取得了较多的成功震例，因此人们对于氡的迁移机理方面的研究也愈加重视。

通过对国内外氡迁移机理的研究进展进行分析总结得出，氡迁移机理的研究主要分外因和内因两个方面［3］。外因的研究进行得比较早，并且提出了很多迁移模式，在氡的迁移机理中一直占有重要地位。氡的迁移机制概括起来主要包括应力应变作用、接力传递作用、孔隙流体作用、扩散对流作用、温度压力作用等。内因的研究从本世纪初才刚起步，尚处于探索阶段，国内贾文懿［22-24］、乐仁昌［25-26］、刘鸿福［27］等学者通过研究认为氡及其子体和母体多为α辐射体，它们放出α 粒子减速后成为4He，4He可以同氡及其子体、母体形成复合团簇，而4He很轻，当形成的复合团簇浮力大于重力时，团簇便会自行上升，成为氡及其子体向上迁移的内因。

盘一井地处北东向与北西向断裂构造交汇部位，北东向主断裂台安断裂、辽中断裂和牛居—油燕沟断裂不但错断了基底层，而且控制了中新生代沉积和玄武岩喷发。北西向断裂形成时间较晚，断裂常常切割北东向断裂，两组断裂纵横交错构成网格状。通过分析辽宁地区历史5.0 级以上地震得出，1975年海城7.3级地震和1999年岫岩5.4级地震发震构造均为北西向的海城河隐伏断裂，该断裂为一扭性左旋走滑断层，由北东向主应力作用下，使北西向海城河隐伏断裂发生左旋走滑错动，从而引发地震［9］。2013年辽阳灯塔5.1级地震发震构造为北东向营口—佟二堡断裂北端，震源机制解表明为走滑行，精定位结果为北东向破裂［28］。对比总结近年辽宁地区历史中强震发震构造认为，海城与岫岩地震震前，由于区域应力作用加强，导致北西向断裂构造活动增强，而盘一井恰处主发震断裂海城河隐伏断裂近北西端，在区域应力场作用下，区域构造活动加强，导致深部岩石氡得到释放，致使盘一井水氡出现异常。灯塔地震亦是如此，辽阳灯塔地区地处盘一井北东方位，为郯庐断裂带北延段，区域应力作用使北东向断裂构造活动加强，深部岩石中氡得到释放，从而使盘一井水氡出现异常。

就该井水氡异常机理而言，通过分析该区地质特征及总结前人研究成果发现，在地震孕育过程中，由于区域应力应变发生变化，可以引起该区岩石孔隙的压缩、膨胀以及裂隙的产生和发展，导致岩石发生变形及次生效应，造成断层的错动、蠕动等，这一系列作用会造成岩石中Rn的释放，再加上深部热物质活动作用，会导致岩石介质与水发生反应，即强烈的水-岩反应，这往往会引起地下水中化学组分发生变化，从而导致多种离子、元素及气体出现异常。1999年岫岩5.4 级地震前盘一井水氡、氯离子、钙离子、二氧化碳、甲烷等浓度、含量出现异常恰恰证明了这一点［29］。此外，由于含水层是多孔隙介质，在很低的应力水平下即可发生变形，因此应力-应变作用会改变岩体的孔隙率及空隙压力，导致水动力水平和状态的变化，引起Rn 的迁移，从而造成Rn 高值异常［2，30］。

通过对盘一井水氡历史震例进行研究发现，在中强地震发生前，盘一井水氡异常多以高值突跳为主，趋势上升变化为辅，这与水氡前兆异常形成的物理学机制及水动力学机制存在一定的差异性。为何会出现如此变化，笔者通过结合该井水文地质特征可以看出，该井水虽为基岩裂隙水，但含水岩层主要以砂岩和泥岩等沉积岩为主而非岩浆岩。根据范树全等［31］的岩石破裂实验结果，岩石在受压变形、破裂后逸出氡的含量与岩性存在直接的关系，通常酸性岩浆岩、碱性岩以及花岗片麻岩受压变形破裂过程中逸出氡含量较高，而中-超基性岩、灰岩、砂岩和大理岩则逸出氡含量相对较低，有时甚至检测不到。因此，虽然通过分析得出该区域地震活动性和区域应力场存在明显增强的特点，但由于水文地质条件的制约，使得盘一井水氡历史上多次震前水氡异常多表示出高值波动状态，而加速上升变化相对较少。

6 结论

基于历史震例对盘一井水氡异常变化特征进行分析，结果表明，盘一井水氡在中强地震发生前，异常变化主要以中短期高值波动异常及上升变化为主。基于R值评分方法对盘一井水氡预报效能进行检验，计算得到盘一井水氡的R值为0.41，明显高于前人关于辽宁地区中强震前R值检验结能，表明盘一井水氡具有很好的映震效能。通过对盘一井水文地质条件及辽宁地区区域地质构造特征进行分析，盘一井所具有的优越水文地质条件与所处区域构造交汇敏感部位也是导致其具有很好映震效能原因之一。通过结合前人研究资料、本区构造地质特征及地震地质特征综合分析研究认为，盘一井水氡异常产生机理主要是由于在地震孕育过程中，由于区域应力场发生改变，从而导致地下深部岩石发生变形、破裂，造成氡的释放，并发生水-岩反应，产生水氡高值异常。

东北地区2018年第三季度M L≥3.0 级地震目录TheEarthquakes（M L≥3.0）CatalogueofThirdQuarterinNortheasternArea，2018.序号 发震时间 地震位置 震级（M L）深度（km） 精度北纬 东经 地点171207：45：5541.843123.919辽宁抚顺3.202 271612：48：1040.646122.246辽宁营口361 381723：45：3640.64122.931辽宁海城3.291 481202：00：2245.229124.697吉林松原3.881 59519：38：5340.658122.848辽宁海城3.281 691916：30：2941.864123.927辽宁抚顺3.501 792321：22：0342.459123.602辽宁调兵山3.602 891509：33：0845.207124.632吉林松原3.441月 日 时分秒（注：吉林与黑龙江省地震目录摘自全国统一编目系统）李恩来供稿