阿克苏西大桥断层氢数据跟踪浅析

冯英，赖爱京，刘海洋，蒋志英，南芳芳

(新疆维吾尔自治区地震局阿克苏中心地震台，新疆 阿克苏 843000)

0 引 言

数据跟踪分析是以前兆异常变化数据为基础，根据数据变化特征及所属类型，以事件为单位，分析记录各类事件并记入数据跟踪分析产品信息库保存。该信息库是地震前兆数据产品开发的一种更高层次的产品，可以为一线观测人员及时分析影响观测资料质量的因素和地震前异常变化的判定提供平台，为科学研究人员进行地震分析预报提供高效的服务产品[1-2]。近年来，新疆地震局前兆台网中心多次开展数据跟踪分析培训班，目的是让台站人员较好掌握数据跟踪分析方法，从而能够深入开展资料分析处理，最终提取出有效的前兆异常信息，为地震预报提供可靠的第一手资料。

1 观测环境及仪器情况概述

1.1 台址情况

阿克苏西大桥观测站位于阿克苏西大桥水电站北西约2 km处，距阿克苏市中心约12 km。观测点在构造上处在库车坳陷和阿瓦提断陷的分界地带，其西为柯坪隆起，区内的主要断裂带为柯坪断裂带。柯坪断裂带为南天山隆起与塔里木盆地之间的分界断裂带，西起八盘水磨，经西克尔、硫磺矿及阿恰向东北延伸，出露长度约200 km，断面倾向为北东向，倾向70°左右，为左旋逆走滑性质，该断裂带是一条全新世活动断裂带[3]。

观测室为地下观测室，被覆6 m，室内年变温差约5～20℃。断层氢出气孔位于与断层呈60°角的跨断层水平斜交洞室的中间部位。

1.2 仪器情况

阿克苏西大桥断层氢所使用的仪器型号是ATG-6118H，生产厂家为杭州超距科技有限公司。断层氢抽气孔深1.25 m(距离地面1.25 m)，露出地表的管子高0.7 m，下面埋有0.35 m集气筒，用沙土回填。

2013年11月9日阿克苏西大桥断层氢开始观测，为整点值采样，仪器自带有气温观测和气压观测两个辅助测项。供电系统采用交流加UPS的供电模式，确保供电不中断。2016年11月7日设备接入阿克苏中心地震台前兆服务器，2017年使用集成版前兆数据处理软件处理数据，使用“前兆观测数据跟踪分析”软件进行观测数据跟踪分析工作，并按照中国地震局前兆台网中心下发的有关规范和要求开展各项数据分析工作。

2 数据跟踪分析

数据跟踪分析软件中将前兆观测数据形态分为正常动态、观测系统、自然环境、场地环境、人为干扰、地球物理事件和不明原因7大类。正常动态的分析为数据分析提供了参考背景，后6类非正常动态中前5类都是对数据变化原因进行干扰排查[4]。对2016～2019年10月阿克苏西大桥断层氢数据跟踪分析，统计得到观测系统事件5条，自然环境事件2条，人为干扰4条，不明原因5条。影响断层氢观测数据质量的主要因素(事件)是观测系统和人为干扰事件，其中观测系统事件主要有仪器故障(数采故障)和供电故障，人为干扰主要是对仪器进行半年检查、年底校准、维修仪器以及进洞异常核实资料变化等，5条不明原因事件均为疑似前兆异常，统计情况见表1。

表1 阿克苏西大桥断层氢2016～2019年各类事件影响因素统计

2.1 观测系统故障

观测系统故障类型以数采故障和供电故障为主，2016～2019年断层氢观测系统故障共有5条事件记录，其中供电故障4条、数采故障1条。观测曲线的表现形态为缺数、阶跃变化或错误数据，造成观测资料连续率和完整率下降。

2.2 人为干扰

断层氢观测受人为影响主要是由于对仪器进行标定、半年检查及仪器维修等。从观测数据影响曲线来看，检查、标定一般只是影响短时间内数据，主要表现为缺数、突跳和阶跃变化等，标定、检查仪器完成后数据曲线就可恢复正常观测。认为断层氢观测受人为影响较小，仪器抗人为干扰影响能力较强。

2018年7月9日15:00～20:00由于检查、校核仪器，造成数据畸变(图1)，21点数据恢复正常变化形态。由于进洞室检查仪器，造成同时段温度突升，气压变化不明显，出洞后洞室温度恢复。

(a)断层氢；(b)气压；(c)气温图1 阿克苏断层氢人为干扰曲线

2.3 不明原因事件

2016年至2019年10月期间，断层氢数据共记录了5条不明原因事件，台站人员对上述事件均进行了异常核实，认定为疑似前兆异常。其中较为典型的是2017年8月30日开始出现的浓度值快速上升后达到最高值转为下降的异常变化，该变化较好的对应了2017年9月16日库车5.7级地震。

2017年8月30日15:00断层氢浓度值出现快速上升变化，9月3日13:00达到峰值，浓度值由1.18 ppm上升至4.476 ppm，为正常背景值4.0 倍，同时期辅助气温、气压测值无明显变化；9月3日13:00后浓度值数据呈波动下降趋势(图2)。阿克苏中心地震台于9月3日到观测场地对观测系统、仪器供电和观测环境进行了现场核实。经初步核实，没有发现明显干扰和观测系统方面的原因。范雪芳、黄春玲等人的研究结果认为震前断层氢的异常特征是“高值突跳、异常幅度大、时间短”[5-6]，与本次阿克苏断层氢浓度值大幅度上升、高值波动的变化相似，最后将此次异常暂定为前兆异常。在浓度值波动下降的过程中于9月16日发生了新疆库车县MS5.7地震(震中距为292 km)。台站按照数据跟踪事件核实研究报告大纲要求，撰写了异常核实报告。

图2 阿克苏断层氢2017年整点值曲线

3 数据跟踪与应用

地震前兆观测用来获得异常信息，为地震预测特别是短临预测提供依据。然而地震前兆观测记录到的信息具有多样性和复杂性，导致日常观测中出现的一些变化需要在一定时间内进行跟踪研究[7]。而开展数据跟踪分析工作的目的就是要找出资料的非正常变化，通过对观测系统、观测环境(自然环境及场地环境)、人为干扰及地球物理事件等方面进行排查，从而给出该数据变化的具体原因。对于暂时不能归类的事件经异常核实后选择疑似故障或干扰、长期不明原因、中短期不明原因或疑似前兆异常作为不明原因事件处理，并进行持续跟踪，最终给出结论。

阿克苏断层氢浓度值观测具有清晰的年变形态，春季年转向时间一般在3月份，秋季转向时间一般为7月份。氢气浓度值的变化与气温、气压有一定的相关性，经相关分析阿克苏断层氢与气温呈正相关，与气压呈负相关性。阿克苏断层氢自观测以来，对周边发生的5级左右地震有较好的映震效果。通过对阿克苏断层氢自2013年11月到2018年12月周边300 km范围内中强震进行梳理，发现在其中5次中强震前阿克苏断层氢出现了不同程度的异常变化。经过典型震例特征总结可以明显看出，这5次典型震例可以分为两类(表2)，其中第一种震例类型与全国其他台站震例相似，表现为临震异常，异常往往开始于震前二十天内，异常特征是“高值突跳、异常幅度大、时间短”；第二种震例类型异常持续时间相对较长，以中短期异常为主，异常一般开始于震前半年左右，表现为日变化增大的波动上升变化，异常变化幅度相对较小。

表2 4级以上地震前阿克苏断层氢浓度值异常特征

2019年3月19日开始断层氢浓度值出现快速上升变化，20日1时达到最高值2.419 ppm后转为快速下降变化，21日14时达到最低值1.023 3 ppm，之后转为加速上升变化，25日后上升变化速率有所减缓。26日断层氢数据相比较2014年及2016年同期出现显著的升高变化，往年3月份测值在1.2 ppm左右变化，而今年3月测值达到了1.9 ppm左右，有时测值已超过2 ppm，变化幅度相差0.7 ppm，数值变化与往年明显不同。2019年4月3日，按照局有关部门的要求，阿克苏中心地震台派人员到观测场地对观测系统、仪器供电和观测环境进行了现场核实。经初步核实，没有发现明显环境干扰和观测系统方面的原因，根据之前震例总结分析认为本次断层氢浓度值与往年同期值相比存在显著升高变化存在中短期震前异常，这种变化与2018年11月4日阿图什5.1级地震前出现的异常特征比较相似。目前氢气浓度值处于波动下降变化，台站工作人员仍在持续跟踪资料变化情况，在台站周会商、月会商中及时分析资料进展。10月27日13时29分，新疆乌什县发生5.0级地震，震源深度11 km，震中距阿克苏断层氢观测点114 km，震后氢气浓度值变化平稳，呈现缓慢下降变化(图3)。

图3 阿克苏断层氢年变对比

4 结论及思考

阿克苏断层氢浓度值观测具有清晰的年变形态，通过梳理，发现在5次中强震前阿克苏断层氢出现了不同程度的异常变化。这5次典型震例分为两类，第一种表现为临震异常，异常往往开始于震前二十天内，异常特征是“高值突跳、异常幅度大、时间短”；第二种以中短期异常为主，异常一般开始于震前半年左右，表现为日变化增大的波动上升变化，异常变化幅度相对较小。

通过近几年对阿克苏西大桥断层氢观测数据跟踪分析工作总结后认为，观测系统故障和人为干扰是影响资料质量的主要原因，特别是当仪器出现故障后，台站缺少配件，导致维修、维护不及时。针对以上干扰因素，应给台站配备易发生故障的仪器配件，当仪器出现故障时经检查判断为仪器零件损坏后可以及时更换备用零件，尽快排除故障，减少资料断记率，确保仪器正常运行。对仪器配备的UPS电瓶进行定期维护，当出现市电停电后，及时与当地电力公司联系，确认停电时间，确保电瓶能不间断供电。同时加强仪器检查和标定的操作熟练程度，缩短标定时间，从而提高观测资料的连续率。

今后台站要继续加强断层氢数据跟踪变化的分析，采用不同的分析方法，不断提高数据跟踪分析能力，结合台站对断层氢近几年的典型震例总结，可以较好的对观测资料出现的异常变化进行有效的判断，不放过任何一种非正常变化细节，从而提取出有用的地震前兆异常，更好地服务于地震预测和防震减灾事业。