姑咱臺氣氡測值異常與地震預報探討

李志鵬, 趙 冬, 袁 梅

(四川省地震局康定地震中心站姑咱水化綜合臺，四川 姑咱 626001)

姑咱臺氣氡測值異常與地震預報探討

李志鵬, 趙 冬, 袁 梅

(四川省地震局康定地震中心站姑咱水化綜合臺，四川 姑咱 626001)

總結了姑咱臺氣氡觀測資料的使用情況、存在的問題，對姑咱地震臺氣氡觀測值的年、月、日動態變化和儀器干擾進行了分析，并對姑咱臺氣氡觀測值在汶川8.0級地震、玉樹7.1級地震、蘆山7.0級地震以及康定6.3級地震前的異常進行了分析，討論了姑咱氣氡觀測數據的映震效能，認為：姑咱氣氡觀測值在周圍幾次強地震前異常形態的相似性和震后形態恢復的差異性，均表明姑咱氣氡觀測值異常變化能夠真實地記錄周圍強地震所處斷裂帶的應力變化，具有很好的映震效能，可作為地震預報的可靠依據。

氣氡觀測值；姑咱地震臺；映震效能；地震預報

地震地下流體是指與地震孕育、發生和構造活動有直接聯系的、賦存于地殼巖體空隙中的水、氣、油等物質。大陸地下流體前兆的物理力學機制，主要是基于強震孕育的動力學原理，即在區域應力作用下，當地殼介質受到力的作用而發生變形破壞時，賦存于介質中的流體會在動力作用、熱力作用和化學作用下發生動態變化。氡是一種放射性氣體，是鐳衰變的中間產物，氡在巖石的孔隙和裂隙中以自由氡、吸附氡和封閉氡的形式存在。實驗證明[1，2]，氡反應靈敏，當受到外界的壓力、振動等作用時，氡容易從其賦存的介質中逃逸出來，因此，當地下應力發生變化時，地下水中的氡濃度會出現不同程度的變化，這就是氡觀測的依據。氡作為地下流體學科的敏感組分，是地震科學研究中觀測時間最長、研究最廣泛的地下流體項目之一。

地下水中氣體的動態變化監測是地下流體地震前兆監測的主要手段之一。由于地下水中逸出氣參與地下水的循環，而且氣體對地下深處的應力—應變反映靈敏，會向壓力減小的方向迅速運移，攜帶的信息量也較為豐富[3]，因此受到地震科研人員的重視。自20世紀70年代以來，國內外地震學者為了實現數字化氡的觀測，曾研制了不同種類的脫氣裝置[4]。“九五”、“十五”期間，我國部分水氡觀測儀器得到數字化改造，近年來已完成了模擬觀測向數字化觀測的轉變。對姑咱臺數字化氣氡觀測的現狀的初步分析，希望能對該項觀測技術在今后地震監測預報中發揮更好的作用提供一些參考。

1 測點概況

姑咱海子泉位于四川省康定縣北東方向的姑咱鎮，地處北西向鮮水河斷裂帶、北東向龍門山斷裂帶和南北向安寧河斷裂帶的復合部位靠北地段，位于雞心梁子背斜的核部第三期中性江咀閃長巖和第四期的酸性瓦斯溝斜長花崗巖體的接觸部位，主要含水層為花崗巖。泉點向東距大渡河430 m，屬天然上升冷泉，水溫9.5～12.0℃,流量220～400 L/s，水質類型HCO3-Ca型，是監測鮮水河斷裂帶地震的“敏感點”。姑咱海子泉于1970年10月開始水氡觀測，40年來，姑咱水氡先后經歷了甘孜及鄰區5.0級以上地震10多次。幾乎每次地震前姑咱水氡觀測值均有不同程度的臨震異常和趨勢異常，特別是1973年爐霍7.9級地震和1976年松潘—平武7.2級地震前，姑咱水氡觀測值所表現出的臨震突跳異常，說明姑咱海子泉位于地下應力較強的敏感地段，其水氡觀測值的變化能間接反映地下應力情況，有較強的映震能力[5]。

2007年8月姑咱氣氡數字化改造通過驗收后正式投入觀測，觀測儀器為SD-3A型自動測氡儀，數據采用整點值。2008年5月12日汶川MS8.0級特大地震和2010年4月14日玉樹MS7.1級地震前姑咱氣氡均出現了較明顯的震前異常變化，2013年4月20日蘆山7.0級地震前姑咱氣氡也出現了測值的較大變化，但這種異常變化同之前汶川8.0級地震和玉樹7.1級地震前姑咱氣氡表現出來的變化有較大差異。然而姑咱氣氡偏低的背景值又讓國內流體專家感到十分困惑，為了搞清姑咱氣氡背景值偏低的原因， 這里對姑咱氣氡觀測資料作了全面的整理，排除了儀器故障和觀測環境變化對觀測造成的影響，分析了姑咱氣氡觀測值在周圍幾次地震前的異常變化，討論了姑咱氣氡數字化改造后的儀器工作狀況及其映震效能。

2 姑咱氣氡資料分析處理

數字化氣氡觀測的對象是逸出氡，它既包含有地下水自深部向淺部運移過程中由于溫度、壓力降低自然逸出的氡氣，也有經過氣水分離裝置脫出的部分溶解氣體中的氡，目前測的是混合氣體的氡含量，采用SD-3A自動測氡儀(儀器本底為每分鐘20個脈沖)觀測，整點采樣、自動測試，每日產出24個時值[6，7]，其濃度單位雖然也為Bq/L，但含義為每升氣體中氡的含量。

2.1 氣氡的動態分析

姑咱數字化氣氡觀測資料主要有脈沖和突變(臺階變化)2種大的變化，對觀測資料進行分析后發現，造成這2種變化的主要原因是電壓瞬間不穩、突然斷電、脫氣裝置故障(或氣量不足)、傳輸等問題，而不是地震前兆異常。整體來看，姑咱氣氡觀測資料的穩定性較差，但當臺站周圍中強地震較多時其氣氡測值也相對較高，當氣氡測值較低時(接近0)，臺站周圍的中強地震也較少，這是否也說明姑咱氣氡與周圍中強地震相關性較高呢(見圖1)。

圖1 姑咱臺氣氡觀測曲線

1)氣氡的年動態分析

對觀測資料相對穩定的氣氡測點以月均值為基礎繪制氣氡年動態曲線，其形態變化有一定的規律性，多數為“夏低冬高” 型與“平穩波動”型。年變形態特征有利于識別中強地震前可能出現的以破年變為標志的中期前兆異常[10]。

2)氣氡的月動態分析

氣氡的月動態曲線是以日均值為基礎繪制而成的。自有觀測以來的月動態特征分析結果表明，月動態類型多樣，月變幅不等，表現出較大的不穩定性。月動態具有起伏的特征，其規律性不明顯，變化幅度也偏大。這樣的特征，根據以往的水氡震例，是不利于識別地震前的階變、脈沖等短期或短臨前兆異常的[8，9]。

3)氣氡的日動態分析

氣氡的日動態曲線是以時值為基礎繪制而成的，其日動態特征是不穩定的，且變幅較大。多數測點的日變幅往往比月變幅大，說明觀測系統本身存在不穩定性。氣氡日動態觀測曲線的不穩定會嚴重影響氣氡觀測在地震前兆監測中的效能。根據以往水氡震例總結出來的前兆異常形態及幅度等特征[10]，在這樣不穩定的氣氡日動態觀測曲線中是很難識別出脈沖、階變等短臨前兆異常的[11]。

2.2 觀測儀器干擾情況及分析

2007年11月17日前姑咱氣氡觀測數據變化較大，8月12日氣氡儀主機故障，23日更換主機，更換主機前后數據一致性較好(圖2)。2007年11月17日原觀測水管堵塞，無法觀測，隨后更換進水管，測值突降到零附近。至2008年1月，通過對姑咱氣氡測值突降原因的查找，并多次向儀器生產廠家和地下流體組專家請教，對儀器水路、氣路和儀器狀態等進行多次檢查調整，確認儀器各觀測環節和儀器狀態都正常，泉點氡測值仍然偏低。2008年2月開始，觀測環境和儀器設備沒有過變動，每季度檢查儀器，儀器正常，2007年到2014年多次標定儀器，儀器正常，儀器K值無明顯變化。

圖2 姑咱臺氣氡2007年11月至2008年2月觀測曲線

2007年11月后姑咱臺氣氡測值偏低，分析原因可能有以下幾個方面：

1)姑咱海子泉為天然出露泉點，泉點出露面積達80多平方米，泉點有多個涌水點。而原觀測進水管引水位置和更換后進水管的引水位置不同，造成更換引水管前后氣氡測值產生差異。

2)原引水管是“十五”數字化改造時用50 cm×50 cm喇叭口接直徑25 mm鍍鋅鋼管通過虹吸方式引到儀器，而更換后的引水管是2007年11月通過埋地直接引入儀器的，兩者引水口位置、喇叭口大小、引水方式的不同，再加上泉點氡濃度偏低，儀器脫氣裝置脫氣效率低等因素，造成姑咱氣氡觀測在更換引水管后測值突降。

3)2012年3月25日到9月25日對姑咱海子出水點A、B處用相同儀器進行了不同引水管、脫氣裝置的交叉對比觀測。2012年9月26日起用出水口B處作日常觀測。

4)清洗和更換脫氣裝置氣管，對觀測結果影響很大，通常會引起數據突升。

3 姑咱氣氡觀測的映震效能分析

1)2008年5月12日汶川8.0級地震

在對收集到的觀測資料進行分析后，發現汶川地震前姑咱測點氣氡測值為緩慢上升的高值異常(圖3a)。2008年5月7日18時姑咱氣氡在近半年低值波動后測值突然上升，震前最大上升幅度達到12.5 Bq/L，在達到最大變化幅度后氡值回返減小，5月11日出現小幅波動， 5月12日14時28分在距姑咱海子泉點直線距離160 km的汶川發生了8.0級特大地震。

2)2010年4月14日玉樹7.1級地震

2010年4月8日姑咱氣氡測值在近4個月的低值波動后突然上升，4月9日小幅回返，4月11日繼續上升，震前最大上升幅度達到21.7 Bq/L ，4月14日距姑咱直線距離620 km的玉樹發生了7.1級強地震(見圖3b)。

圖3 姑咱臺氣氡震前異常曲線

分析姑咱地震臺氣氡觀測曲線在汶川8.0級地震和玉樹7.1級地震震前異常形態相似，均為低值波動后出現高值突升，并在震前出現小幅波動。表明姑咱氣氡測值在周邊地區強地震前的異常真實反映了發震斷裂帶地下應力變化，異常引起的氡濃度變化具有可統計性；汶川8.0級地震震前氣氡測值突升，震后繼續上升，玉樹7.1級地震震前氣氡測值大幅度突升并在震前達到最大值，震后逐漸恢復，2次強地震后姑咱氣氡測值異常變化形態存在差異性，分析其差異原因認為：汶川8.0級地震發生在大型逆沖斷裂龍門山斷裂帶，玉樹7.1級地震發生在巴顏喀拉塊體南部的右旋走滑型金沙江—鮮水河斷裂帶，而姑咱海子泉點位于鮮水河斷裂帶和龍門山斷裂帶的交匯帶上，該泉點是反映龍門山斷裂帶和金沙江—鮮水河斷裂帶地下應力變化的敏感點，但由于逆沖型斷裂與右旋走滑型斷裂在強地震時的應力釋放與強地震后的應力恢復方式不同，所表現出的氣氡濃度變化的差異正是姑咱氣氡測值在這2次強地震中異常變化的最好解釋，表明姑咱氣氡觀測具有很好的映震效能。

3)2013年4月20日蘆山7.0級地震

蘆山7.0級地震是在2012年9月26日姑咱氣氡更換引水管后觀測到的1次強震，地震發生在龍門山斷裂帶，距觀測泉點80 km。地震前兩個月姑咱氣氡測值一直處在較大的波動中,波動幅度為0.0～15.0 Bq/L，4月2日12時開始，姑咱氣氡測值出現突升，最大值達到31.3 Bq/L，之后小幅度波動，4月20日發生蘆山7.0級地震。汶川8.0級地震和蘆山7.0級地震都發生在大型逆沖斷裂龍門山斷裂帶上，2次地震前姑咱氣氡測值都出現了類似的異常變化，但又有所不同，相同的是2次地震都發生在氣氡測值大幅度上升后一段時間內,其中汶川地震是在測值升高后1周發震,而蘆山地震是在測值升高18天后發震；不同的是汶川地震前氣氡測值一直穩定在0.5 Bq/L左右，而蘆山地震前氣氡測值在15.0 Bq/L內上下波動。也說明引水管B處能更敏感地感受到地下應力的變化，并通過其測值表現出來(見圖4)。

圖4 姑咱臺氣氡在蘆山地震和康定地震前異常曲線

4)2014年11月22日康定6.3級地震和11月25日5.8級地震

2014年11月22日康定6.3級地震前后，距震中46 km的姑咱氣氡觀測引水管A處與引水管B處都沒有觀測到明顯的異常變化，2008年2月27日康定5.1級地震前后，引水管A處也沒有觀測到數據的異常變化。11月25日康定5.8級地震前8小時引水管B處觀測到了數據的異常變化,而引水管A處沒有。(見圖5)更進一步說明引水管B處的映震效果更好，觀測效果優于引水管A處[12]。

圖5 康定6.3級和5.8級地震時姑咱氣氡觀測曲線對比

4 討論與結論

1)姑咱氣氡觀測低背景值是泉點自身的情況反映。2)姑咱氣氡在汶川8.0級、玉樹7.1和蘆山7.0級強地震前出現的突變異常，是在排除儀器故障和觀測環境變化后得出的結論，其異常真實可靠。姑咱氣氡觀測在幾次強地震前異常形態的相似性和震后恢復的差異性，均表明姑咱氣氡異常變化能夠真實反映強地震所處斷裂帶的應力變化，表明姑咱氣氡觀測具有很好的映震能力。特別是當姑咱氣氡測值升到20 Bq/L以上時，臺站周圍300 km范圍內發生5.0級地震的可能性比較大。3)姑咱氣氡測值在康定6.3級地震前沒有明顯的異常變化,而在康定5.8級地震前幾小時又出現了一些異常變化,說明地震預報的復雜性,沒有一種觀測項目能在每次地震前都發現異常,只能通過各學科各測項的綜合分析才能提高地震預報的可靠性。

[1] 陰朝明,高榮勝,付子忠,等.地震前兆臺網觀測技術[M].北京:地震出版社,2001.

[2] 盂曉春.地震信息分析技術[M].北京:地震出版社，2005.

[3] 武建華,刑玉安,朱自強,等.數字化測逸出氡替代模擬測水氡的理論與實踐[J].地震,2002,22(4):100-104.

[4] 陳華靜，張朝明，朱方保，等．氣體數字化觀測氣水分離裝置研究[J]．地震，2002,22(1)：105-109.

[5] 顧功敘,等.中國地震目錄(公元1970—1979年)[M].北京:地震出版社,1983 .

[6] 車用太,孔令昌,陳華靜,等.地下流體數字化觀測技術[M].北京:地震出版社,2002.

[7] 邢玉安,張平,武建華,等. SD-3A自動測氡儀山東網逸出氡資料分析與研究[J].華北地震科學,2000,18(2):12-17

[8] 劉成龍,魚金子,趙文忠,等.京津冀地區氡的數字化觀測及其地震前兆監測效能評估[J].地震,2006,26(4)l13-120

[9] 張煒,李宣瑚,鄂秀滿 ,等.水文地球化學地震前兆觀測與預報[M].北京,地震出版社，1992.

[10] 車用太,魚金子.地下流體典型異常的調查與研究[M].北京,地震出版社,2005.

[11] 汪成民,車用太,萬迪堃，等.地下水微動態研究[M].北京:地震出版社,1988.

[12] 李志鵬,趙冬.姑咱氣氡測值穩定性研究[J].四川地震,2013(3).

Abnormal changes of the gas radon data in Guza Seismic Station and the earthquake prediction

Li Zhipeng,Zhao Dong,Yuan Mei

(Hydro-chemical comprehensive observatory, Guza Seismic Central Station, Earthquake Administration of Sichuan Province, Sichuan Kangding 626001, China)

We first discuss the observation data of the gas radon and problems in Guza Seismic Station and then analyze interferences included in the dynamic changes and caused by observation instrument. The observation data show some of abnormal changes before the 2008 WenchuanM8.0 Earthquake, the 2010 YishuM7.1 Earthquake, the 2013 LushanM7.0 Earthquake and the 2014 KangdingM6.3 Earthquake. The responsive effects included in these observation data in Guza Seismic Station are discussed in this article. We think that the observation data changes can response near earthquakes with magnitude of 5.0 or greater occurred around Guza. The observation data restore to the original state after the earthquakes. So we think that the observation data from Guza Seismic Station can response the stress changes of the geological structure nearby regions. We predict the possible earthquake around.

gas radon observation; Guza Seismic Central Station; responsive effect; earthquake prediction

2015-04-10

中國地震局“三結合”課題項目資助

李志鵬(1972-)，男，四川省漢源縣人，高級工程師，主要從事地震地下流體觀測與研究.

P315.72

A

1001-8115(2015)04-0024-05

10.13716/j.cnki.1001-8115.2015.04.006