新疆阿克苏断层H2浓度影响因素及映震效能分析

2021-01-07邢喜民

大地测量与地球动力学 2021年1期

李娜向阳邢喜民梁卉

1 新疆维吾尔自治区地震局，乌鲁木齐市科学二街338号，830011 2 中国地震局地壳应力研究所，北京市安宁庄路1号，100085 3 新疆工程学院数理学院，乌鲁木齐市艾丁湖路1350号，830023

地球内部气体及其挥发组分会不断沿着活动板块、板内块体边界以及活动断裂等地壳薄弱地带向地球表层迁移和释放。H2密度小、粘滞性小、穿透力强、溶解度小、迁移速度快[1]。自20世纪80年代Wakita等[2]发现H2浓度与断层活动具有相关性后，断层H2开始被作为地震前兆进行观测与研究。研究表明，断层H2浓度在一些地震前会存在大幅变化，可用来指示地震活动[3]。断层H2作为地震前兆异常的特点为震前浓度变化幅度大，测值可达背景值几倍至几十倍，异常出现距发震时间短，一般为几天至几十天，震后异常恢复，即断层H2浓度值具有异常显著及短临异常的特性[4]。研究发现，断层H2浓度受到气象因素影响时会具有年变或突变特征[5-6]。

新疆阿克苏断层H2浓度自观测以来已积累6 a的数据资料。向阳等[7]对库尔勒断层H2浓度的影响因素及其地震预测的潜在效能进行了评价，但至今未有针对阿克苏断层H2浓度动态变化及其影响因素的系统研究。本文将基于气温、气压及断层H2浓度观测数据，利用回归分析方法对阿克苏断层H2浓度的动态变化及影响因素进行深入分析，并结合周边地震活动情况，运用R值评分方法对该测点断层H2浓度进行预测效能定量评估与检验，提取地震预测指标，以期为今后该测点周边地区的震情跟踪及地震趋势判定提供依据。

1 观测点概况

阿克苏断层H2观测点(41.10°N, 80.18°E)位于阿克苏断层仪观测室内，室内平均温度为10 ℃～18 ℃，湿度为50%。观测点构造上处于库车凹陷与阿瓦提断陷的分界地带，西侧为柯坪隆起。区内主要断裂为柯坪断裂，该断裂为全新世活动断裂(图1)。断层H2观测仪为ATG-6118H痕量H2在线自动分析仪，该仪器自带温度、气压传感器，可同时获取断层H2浓度、温度和气压数据。

图1 阿克苏断层H2观测点区域构造图及地震震中分布Fig.1 Regional structure of Aksu fault H2 observation point and distribution of earthquake epicenters

2 阿克苏断层H2浓度变化特征及影响因素分析

2.1 阿克苏断层H2浓度变化特征

阿克苏断层H2观测始于2013-11-09，观测数据资料连续稳定(图2(a))，2017-12-28首次对断层H2观测仪进行标定(图2(b))。图2(a)为2013-11～2020-03阿克苏断层H2浓度与气温、气压变化图，由图可见，断层H2浓度年尺度动态特征整体呈现夏高冬低特点，且断层H2浓度与气压呈负相关，与气温呈正相关；由图2(c)、2(d)可见，断层H2浓度日尺度动态特征表现为与气压呈反向变化。

图2 阿克苏断层H2浓度与气温、气压变化曲线Fig.2 Variation curve of fault H2 concentration, air temperature and air pressure in Aksu

2.2 相关及回归分析

为探究断层H2浓度与气象要素之间的关系，选取2013～2020年阿克苏断层H2浓度及气象数据，以气温和气压为自变量，断层H2浓度为因变量，选用R语言编写程序代码，绘制气温、气压与断层H2浓度散点图(图3)，计算气温、气压与断层H2浓度之间的相关系数(表1)，判断气象因素与断层H2浓度之间的相关方向与强度，在此基础上选取合适的回归模型进行回归分析，得到气温与断层H2浓度之间的回归方程以及相应的残差序列。

将2013-11～2020-03作为一个整体时间序列，散点图显示阿克苏断层H2浓度和气温呈现正相关关系，相关系数r=0.517 285 4(图3(a)、表1)；而断层H2浓度与气压无相关性，相关系数r=-0.199 239 9(图3(d)、表1)。以断层H2浓度动态变化的拐点作为分界点对H2浓度及相应时间序列的气温、气压进行分段相关性分析，采用相应的数学模型计算得到残差序列。结果表明，在绝大多数时间段内，断层H2浓度与气温呈现较好正相关关系，相关系数r在0.759 115 6～0.962 570 4之间(图3(b)、3(c)、表1)；断层H2浓度与气压呈现出一定负相关性，相关系数r在-0.216 245 3～-0.642 441 5之间(图3(e)、3(f)、表1)。

表1 阿克苏断层H2浓度与气温、气压相关系数及回归分析结果Tab.1 Correlation coefficient and regression analysis results of fault H2 concentration and air temperature, air pressure in Aksu

图3 阿克苏断层H2浓度与气温、气压散点图Fig.3 Scatter diagram of fault H2 concentration, air temperature and air pressure in Aksu

土壤温度相对于气温具有滞后效应[8]。阿克苏观测点仅有气温观测而无地温观测，因此分析断层H2浓度与温度的相关性只能考虑观测资料受气温因素影响的滞后效应。以半年为尺度进行分析可以看出，当阿克苏断层H2浓度滞后气温天数为15 d时，断层H2浓度与气温相关系数达到最高值(图4)。

图4 阿克苏断层H2浓度滞后时间与相关系数的关系Fig.4 The relationship between lag time of fault H2 concentration and correlation coefficient in Aksu

以上分析结果表明，在半年时间尺度内，阿克苏断层H2浓度的主要影响因素为气温，断层H2浓度随气温的升高而增大，且气温对阿克苏断层H2浓度的影响存在15 d的滞后效应；而断层H2浓度与气压相关性较差。该结论与前人研究结果基本一致[5]。本文在回归分析时仅选择气温为自变量，分段回归的可决系数R2在0.576 2～0.926 5之间，相比整体时间序列回归的可决系数R2=0.267 6，分段回归的回归方程拟合效果较好。

3 映震效能分析

地震的孕育和发生会伴随地下应力或应变改变，从而引起地壳形变、断层活动增强、地下气体浓度发生变化[9]。阿克苏断层H2研究已积累一定的数据和震例资料，系统分析现有观测资料，提取预测指标信息，对前兆观测及分析预测具有现实指导意义。

阿克苏断层H2浓度受气温影响较大，通过分段回归分析认为，残差序列可反映剔除气温影响后断层H2浓度的动态变化。因此本文将通过对比断层H2浓度原始曲线和残差序列，结合周边震例，并通过R值评分方法对阿克苏断层H2的映震效能进行检验与分析。选取2013-11-09～2020-03-23时段76°～84°E、38°～43°N范围内，震中距小于300 km的9次5.0～6.3级境内地震进行分析。

3.1 典型震例

2013-11～2020-03阿克苏断层H2浓度可反映6次典型震例(图5)，分别为2013-12-01柯坪5.3级地震(震中距138 km)、2014-07-09麦盖提5.1级地震(震中距258 km)、2017-09-16库车5.7级地震(震中距292 km)、2018-11-04阿图什5.1级地震(震中距238 km)、2019-10-27乌什5.0级地震(震中距113 km)、2020-01-16库车5.6级地震(震中距287 km)。

图5 阿克苏断层H2浓度整点值原始曲线与残差序列及柯坪与库车地震震例Fig.5 Original curve and residual series of hourly value of fault H2 concentration in Aksu and the example of Keping earthquake and Kuqa earthquake

从阿克苏断层H2浓度测值曲线形态可以看出，在震前存在两类高值异常形态：1)测值在震前短时间内快速上升，随后出现较快下降并恢复正常，如2013年柯坪5.3级地震(图5(a)、5(c))和2017年库车5.7级地震(图5(a)、5(d))；2)断层H2浓度测值持续波动上升，在浓度达到最高值后波动下降，并在测值下降恢复过程中发震，如2014年麦盖提5.1级地震和2018年阿图什5.1级地震(图5(a))。

从时间上看，阿克苏断层H2浓度高值变化对发震时间指示可分为两类：1)地震在H2浓度测值快速升高之后几天至十几天内发生，表现为临震异常；2)地震在断层H2浓度测值持续上升至最高值之后发生，高值通常可达(3.049 0～5.475 1)×10-6。但此类高值异常变化往往持续时间较长，最长可达185 d(表2)，且浓度最高值所对应的时间无法确定，所以依据断层H2浓度原始曲线判定发震时间较为困难。

将断层H2浓度测值残差序列超过2倍标准差定为异常指标，通过梳理2013-11～2020-03断层H2浓度测值残差序列发现，断层H2浓度残差序列显示出超标准差高值持续时间短的异常特征，超差幅度为0.069～1.681，异常持续时间为1～33 d，地震发生在出现超标准差1～157 d。由于异常的起止时间相对短且较明确，因此能较好地把握发震的时间尺度(表2、图5(b))。由此可知，回归分析可基本消除断层H2浓度随气温上升而增大的影响，有助于判定异常起止时间。

表2 阿克苏断层H2浓度原始曲线与残差序列的高值变化及震例Tab.2 High-value variation of the original curve and residual series of fault H2 concentration in Aksu and earthquake examples

从空间上看，在阿克苏断层H2浓度观测点周边300 km范围内，5级以上地震较多分布在测点西南方向的乌什-伽师地区，少数分布在东部拜城-库车地区(图1)。

3.2 R值评分方法检验

R值评分方法由许绍燮[10]院士提出，可通过某种预报方法在较长的时间段内，对一定范围内一定震级下限的地震进行若干次地震预报检验，从而评价其整体预报效能。

为检验阿克苏断层H2浓度的映震效能，本文利用R值评分方法对发生在观测点周围300 km范围内9次5.0 ～ 6.3级地震进行检验。通过对比分析断层H2浓度原始曲线与残差序列可知，以断层H2浓度测值残差序列超过2倍标准差为异常指标，高值开始后60 d内发生地震视为合理预报，预报占时以d为单位，为所有对应地震的异常出现至发震时长之和，预报研究时间为2013-11-09～2020-03-23。基于上述标准可认为，2013-12-01柯坪MS5.3地震、2014-07-09麦盖提MS5.1地震、2017-09-16库车MS5.7地震、2018-11-04阿图什MS5.1地震、2019-10-27乌什MS5.0 地震以及2020-01-16库车MS5.6地震预报合理。

根据上述判定条件，阿克苏断层H2浓度对于周边300 km范围内5级以上地震的R值为：(报对地震次数/应报对地震总次数)-(预报占用时间/预报研究总时间)=(6/9)-(138/232 6)≈0.607 3，5级地震R值为：(6/8)-(138/232 6)=0.690 7，地震发生的平均对应时间为23 d，优势对应空间为南天山西段，表明其对5级地震的预测效果较好。