新疆库尔勒43泉溶解气氡异常特征分析①

徐长银，钱 才，单晓琳，张嘉敏，李姗姗，刘青山

(1.新疆维吾尔自治区地震局库尔勒地震监测中心站，新疆 库尔勒 841000；2.新疆维吾尔自治区地震局，新疆 乌鲁木齐 830011)

流体是地壳的重要组成物质，虽然所占比例不大，但对地壳的形成与演化，对各种地质作用有着非常重要的意义，与地震的关系也十分密切。地震前兆机理的研究表明,地震的孕育过程伴随有地下水物理与化学参量和逸出气体浓度的异常变化，地下流体异常对孕震区和外围区介质变化的响应灵敏,与区域构造活动关系密切[1-2]。氡是一种放射性气体，是镭衰变的中间产物，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。在实际地球化学应用中，测定的范畴是岩石中的自由氡，对于介质的变化反应灵敏，当地壳介质受到力的作用而发生变形破坏时，地下水中的氡含量将发生显著变化，所以观测地下水中氡含量的变化有可能捕捉到地震孕育发生的前兆信息[3-4]。也是探索地震孕育、发生前兆信息的重要窗口，在地震趋势分析与短临震情跟踪中发挥着重要作用[5-7]。地震地下流体日常监测主要是观测地下水中逸出氡和溶解氡的含量。库尔勒新43泉所处构造部位良好，对地壳应力—应变反应灵敏，是多年观测表明较好的1个断层泉。近年来库尔勒邻近区域中强地震活动频繁，库尔勒新43泉监测站气氡较为清晰的记录到成组地震活动的异常变化。

1 基础及背景资料

1.1 基础资料

库尔勒新43泉地震地下流体观测点位于库尔勒西霍拉山南麓吉格代布拉克，库姆格列断裂—哈桑托开断裂附近。大地构造上位于塔里木北缘活动带麦丹塔乌—克孜尔塔格晚古生代陆缘地块，处在南天山新构造隆起与塔里木盆地拗陷交接部位。泉眼位于山脚下，地层岩性为元古代片麻花岗岩和第三系页岩，泉水无色、无味，清澈透明。气氡观测的是井(泉)水中逸出氡和溶解氡的总浓度或断裂带土壤中气氡的浓度及其随时间的变化，气氡浓度以单位体积中放射性物质的活度表示。SD-3A型自动测氡仪由中国地震局地震预测研究所研制，采样为1次/小时，测量精度0.1 Bq·L-1。2006年12月安装观测，使用新疆维吾尔自治区地震局研制的分体式脱气装置，观测结果不受水流量、压力影响，只与泉水中氡含量有关[8-9](图1a)。同时安装的还有数字水位仪、数字温度计测项。2016年更换为一体式脱气装置，脱气效率高，更加稳定，观测信息能够实时反映新43泉的实际变化情况[10]，达到预期的效果(图1b)，安装的辅助测项有温度、气压和降雨量。仪器相对偏差检查和K值标定均符合规范要求，数据连续率90%以上，资料可信度高，观测资料不具有年变规律。库尔勒新43泉属大陆干旱气候，冷暖气候交替，空气对流强，多大风、沙尘暴天气，年平均降水量58.6 mm，蒸发量2 257.2 mm[11]。外界地表水渗入较少，干扰不明显，周边2 km内无地下水开采及注水。

图1 库尔勒新43泉SD-3A型自动测氡仪观测系统示意图

1.2 干扰因素

新43泉泉眼距地表约0.8 m，地表的盐碱随降水进入泉眼再进入测量系统，因泉水流量较小，脱气装置水路中的泥沙和盐碱不能及时排出，泥沙沉淀和盐碱堵塞造成恒压失效，数据波动较大。SD-3A型自动测氡仪运行观测初期，由于观测技术不完善，引气管内工作过程中水蒸气形成的冷凝水珠影响气体流动，造成数据低值波动较大。高温、低温引起气路密封性能降低，气路连通管老化漏气造成气体采集量快速下降。排水管存在裂隙，树根、芦苇根进入管内导致排水不畅，对气氡观测造成一定的影响。当观测资料出现异常时，需要在可能的多种干扰中识别出自然、外界环境、人为和仪器自身等典型干扰特征(仪器设备工作状态，脱气装置水路、气路)并逐项排除[12]。结合测项固有的变化特征，进行综合分析，从而得出正确结论。

2 成组地震活动特征

岩石空隙中的自由氡，有一部分溶解于地下水中，成为溶解氡，另一部分成为游离氡，这就形成了目前地球物理观测中水氡和气氡测项。在地震孕育过程中，作为传递、转换、接受异常信息的载体起着非常重要的作用[13]。库尔勒新43泉气氡2011年12月中旬结束下降转向上升，2012年3月20日上升结束转向下降，下降幅度1.8 Bq·L-1，3月21日～4月9日再次出现上升变化，最大变幅为6.6 Bq·L-1。4月10～28日期间下降—上升波动，最大变化幅度为6.3 Bq·L-1，4月29日～6月26日持续波动下降。这种特点反映了震前构造应力场出现较为明显的增强[14]。6月15日发生新疆轮台县MS5.4地震。6月27日出现转折上升，幅度5.1 Bq·L-1，6月30日新疆新源—和静交界发生MS6.6地震(图2)。成组地震空间上约143 km，时间上间隔15 d(表1)，达到异常指标，较好对应了2次中强地震。

图2 2012年库尔勒新43泉气氡整点值曲线图

表1 库尔勒新43泉溶解气氡成组地震异常参数

2012年12月1日新43泉气氡由下降转向上升，2013年1月11日气氡出现快速下降，下降幅度11.2 Bq·L-1，其后保持低值状态，现场调查排除仪器和环境因素，2月初快速上升 11.2 Bq·L-1恢复正常背景。2013年3月29日发生新疆昌吉—乌鲁木齐交界MS5.6地震。

2013年6～7月气氡低值突跳密集，现场调查排除仪器和环境因素，查明了引气管漏气，冷凝水珠影响、水路内沉淀物、水垢等影响因素。8月初出现上升，8月22下降3.1 Bq·L-1保持低值，8月27日较快上升6.0 Bq·L-1恢复正常背景，3 d后发生新疆乌鲁木齐MS5.1地震。由于异常与干扰叠加，较难从中提取异常(图3)。地震空间上约76 km，时间上间隔154 d(表2)。2次地震异常特征均表现为凹形形态，幅度和持续时间与震级、震中距相关。

表2 库尔勒新43泉溶解气氡成组地震参数

图3 2013年库尔勒新43泉气氡整点值曲线图

2017年3月24日～6月17日新43泉气氡经历上升—下降—上升—下降过程，6月17日后转向持续上升，8月2日再次出现小幅度下降，2017年8月9日新疆精河县发生MS6.6地震。2017年8月12日～9月9日新43泉气氡又一次出现上升—下降—上升变化(图4)，2017年9月16日新疆库车发生MS5.7地震。成组地震空间上约244 km，时间上间隔39 d，成组地震活动为先大后小。新43泉气氡资料在邻近区域中强地震前有较好的前兆显示(表3)。一般MS≥5.0地震的前兆异常平均显示半径在300 km左右，MS≥6.0地震的前兆异常平均显示半径在400 km左右，MS≥7.0大震在500～600 km[15]。对于不同震级的地震，氡观测异常范围和幅度也不同，震级越大异常范围也越大[16]。学者一直关注地下流体震前异常成因问题，认为这种异常来自震源。然而，有学者得出地下流体中短期异常主体不是来自震源，而是来自区域构造活动的观点[17]。新43泉邻近区域中强地震前气氡的中短期异常与发震时间的关系为，异常开始—异常峰值—异常结束—发震—恢复正常，短临异常则以突变、波动等异常为主，异常持续时间和异常幅度与震级相关。新源—和静MS6.6地震、精河MS6.6地震的异常形态相似，可能是区域应力加载作用引起断裂带裂隙逐渐闭合—恢复的机理[18]。

图4 2017年库尔勒新43泉气氡整点值曲线图

表3 库尔勒新43泉溶解气氡MS≥5.0地震异常参数

3 预报效能分析

R值评分方法由许绍燮提出，该方法被广泛应用于地震预报效能检验[19-26],R值越大，预测效能越好。

(1)

为了统计地震震例，预报准确的地震及在能对应区域内发生的地震次数的比值。选取观测点200 km范围内MS5.0～5.9地震；300 km范围内MS6.0～6.9地震，利用公式对库尔勒新43泉气氡进行预测效能检验，R值计算结果为0.190 1，R0值为0.272，R值小于R0值，没有通过显著性检验，但R值大于0，具有预测价值，在地球物理观测中可发挥一定的效能[27-28]。

4 结 语

库尔勒新43泉气氡的中短期异常特点，多数为上升异常，震后继续上升或恢复下降背景。轮台、和静与精河、库车震例表明，新43泉300 km左右中强地震前，气氡资料都有不同程度的异常出现，多数能在震前观测到一些相似的信息，异常结束2～3个月发震，异常结束到地震发生的时间间隔与震级有关，异常时间长则震级较大，反之震级则较小。震情跟踪中对观测资料出现的类似异常，对资料的异常跟踪分析时不能只确定异常的真实性，不利于地震中短期异常的识别，应该注意不同时间尺度的动态变化，更多地关注资料的短期变化，准确分析构造活动与震后恢复的动态特征，加深对异常和地震活动关系的认识。地震尤其是强震前是有异常的，应密切关注资料的变化情况。