新疆泥火山群地震前兆異常實時監(jiān)測與預(yù)報的研究1

高小其 王海濤 鄭黎明 李 娜 朱成英 楊曉芳 汪成國 向 陽 梁 卉 麻 榮

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新疆泥火山群地震前兆異常實時監(jiān)測與預(yù)報的研究1

高小其 王海濤 鄭黎明 李 娜 朱成英 楊曉芳 汪成國 向 陽 梁 卉 麻 榮

（新疆維吾爾自治區(qū)地震局，烏魯木齊 830011）

基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的視頻監(jiān)控服務(wù)，實現(xiàn)了對新疆北天山地區(qū)3個泥火山點的實時監(jiān)測，可在線實時查看泥火山活動情況，分析預(yù)報人員依據(jù)泥火山活動圖像可開展地震預(yù)測研究。新疆艾其溝泥火山網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控服務(wù)系統(tǒng)撲捉到了2次6級地震前火山液面明顯的宏觀異常變化現(xiàn)象，這說明基于寬帶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控服務(wù)，可實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)用戶使用客戶端遠程軟件連接服務(wù)器，實現(xiàn)在線實時查看泥火山活動情況的監(jiān)控畫面，并依據(jù)泥火山群地震觀測網(wǎng)，捕捉泥火山群地震前兆異常。

新疆 泥火山群 地震前兆 實時監(jiān)測

引言

目前，網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)成為實時監(jiān)控的主流，并且隨著基于寬帶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控的推廣使用，使得電子監(jiān)控已不僅僅局限于安全防范，而是成為了一種對各行各業(yè)都較為行之有效的觀測手段和管理資源，其應(yīng)用領(lǐng)域和靈活性也已經(jīng)遠遠超出了傳統(tǒng)的安防監(jiān)控所定義的范疇。

互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的蓬勃興起，圖像壓縮編碼與流媒體技術(shù)的逐步演進，系統(tǒng)處理能力的大幅度提升，都使得數(shù)字信息技術(shù)作為一項領(lǐng)先的技術(shù)手段，在促進網(wǎng)絡(luò)圖像應(yīng)用，降低產(chǎn)品成本，提高靈活性、可擴充性等方面提供了強大的技術(shù)驅(qū)動力。而新疆北天山地區(qū)泥火山群地震前兆異常實時監(jiān)測，正是通過網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)完成了對北天山地區(qū)泥火山群的實時監(jiān)測。分析預(yù)報人員可依據(jù)泥火山群觀測網(wǎng)的活動情況和經(jīng)驗，系統(tǒng)捕捉泥火山群地震前兆異常。

北天山地區(qū)自西向東依次分布著以下泥火山：溫泉縣泥火山群、烏蘇市白楊溝泥火山群、烏蘇市艾其溝泥火山、獨山子泥火山、沙灣霍爾果斯泥火山（范衛(wèi)平等，2007）。基于交通、通訊、電力和地球化學(xué)特征等因素的考慮，經(jīng)堪選確定烏蘇白楊溝泥火山群和烏蘇艾其溝泥火山為觀測點。2011年8月完成了新疆泥火山群監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)，自監(jiān)測網(wǎng)運行以來，在監(jiān)測點周圍200km范圍內(nèi)，僅發(fā)生過2次6級地震。但在地震發(fā)生前，烏蘇艾其溝泥火山液面都出現(xiàn)了明顯的宏觀異常變化現(xiàn)象。新疆泥火山群實施監(jiān)測的實現(xiàn)，填補了多項研究和監(jiān)測的空白，改寫了中國有關(guān)泥火山研究的歷史，正引領(lǐng)著泥火山的進一步深入研究。

1 觀測點簡介

1.1 烏蘇市白楊溝泥火山群

烏蘇市白楊溝泥火山群位于烏蘇市西南43km處。根據(jù)筆者2010、2011、2012連續(xù)3年的統(tǒng)計，目前有40個泥火山口正在噴發(fā)，是目前中國發(fā)現(xiàn)的最大規(guī)模的泥火山群。這些泥火山口集中在白楊溝鎮(zhèn)附近不到0.5km2的范圍內(nèi)，最大的直徑達1.6m（44.183°N，84.389°E），小的有如蠶豆大小。泥火山的噴發(fā)口呈圓形和橢圓形等不同形狀，有的測深達3m以上，地下噴出的天然氣和泥漿在噴發(fā)口不停地翻騰。其中噴發(fā)劇烈的泥火山泉口每分鐘噴發(fā)超過60次，噴發(fā)物有青灰色與褐紅色兩種，有的噴發(fā)物上面還漂浮著黑色的石油。在該處布設(shè)有2個實時觀測點。

1.2 烏蘇市艾其溝雙泥火山錐

新疆烏蘇艾其溝泥火山為3個24小時連續(xù)觀測點之一，該泥火山高約8m，而相距10m的雙泥火山錐，在構(gòu)造上位于清水河子斷裂與亞瑪特斷裂的交匯部位。在兩座泥火山錐中，南邊的噴口直徑在1m左右，北邊的噴口直徑近2m；觀測點位于北邊噴口處（44.2°N，84.5°E）；最大的泥火山錐錐高15m，具體如圖1所示。

1.3 監(jiān)測點的地球化學(xué)背景

地震孕育和發(fā)生過程中常伴有泥火山的異常活動。地震能夠觸發(fā)泥火山噴發(fā)、地下水噴涌、間歇泉活動。在地震和火山發(fā)生前、發(fā)生時和發(fā)生后一般會出現(xiàn)流體地球化學(xué)異常，根據(jù)這些地球化學(xué)異常可以判斷未來地震和火山活動。此外，泥火山氣體同位素地球化學(xué)異常也可用來研究地震和泥火山活動趨勢（杜建國等，2013）。

2011年以來，筆者進行了3次取樣，分別完成了對各泥火山的地球化學(xué)背景測試。下列數(shù)據(jù)是2011年6月9日—15日取樣后的分析測試結(jié)果。

1.3.1 水中溶解氣測試結(jié)果

根據(jù)分析結(jié)果，筆者發(fā)現(xiàn)在泥火山活躍期，氣體成分含量由多到少依次為甲烷、氮氣、二氧化碳，同時氦氣含量也會明顯上升。但在泥火山平靜期，氣體含量和活躍期明顯不同，氣體含量最多的兩個成分為氮氣和甲烷，氮氣含量在36—49%，甲烷含量在23—36%；各測點不含氧氣或者氧氣含量很低；測點的二氧化碳含量基本穩(wěn)定，大都在12—25%之間；在平靜期，氣體中氫氣、氦氣含量為零或者很低。氣體測試結(jié)果表明，泥火山劇烈噴涌時，深層成分會大幅度增加，從而導(dǎo)致深層氣體甲烷、二氧化碳、氦氣含量都會大幅度上升（表1）。

表1 泥火山實時監(jiān)測點水中溶解氣測試結(jié)果

1.3.2 水質(zhì)測試結(jié)果

各泥火山液體（離心水）礦化度基本分布在8—13g/L，處在咸水和鹽水之間；陰離子基本上以Cl-為主；氡含量在2—6Bq/L之間；汞含量在8—20ng/L之間；測點中都含有硫化氫氣體或者硫化物。上述離子測試結(jié)果表明，泥火山液來自地層深處（表2）。

表2 泥火山實時監(jiān)測點水質(zhì)測試結(jié)果

續(xù)表

水質(zhì)（mg/L）烏蘇白楊溝1（監(jiān)測）烏蘇白楊溝2（監(jiān)測）烏蘇艾其溝（監(jiān)測） K++Na+2875.022728.421102.83 硫化物5.495.491.10 電導(dǎo)率10.29.95.6 干渣（g/L）8.868.6084.688 汞含量(ng/L)15148

1.3.3 固體測試結(jié)果

在泥火山噴發(fā)泥漿中已檢測的非金屬元素中，硅、硫、氟元素百分含量相對較高，而金屬元素中，鐵、鈣元素百分含量相對較高；同時汞含量相對比較高，但是還沒有到污染的程度（表3）。

表3 北天山地區(qū)泥火山固體分析結(jié)果（單位：%）

1.3.4 同位素測試結(jié)果

根據(jù)δ13CCH4和δ13CCO2測值顯示，除了溫泉縣泥火山點外，其余各點測值基本接近，說明這些泥火山可能具有同源或者同因性。3He/4He值測試結(jié)果顯示，北天山地區(qū)的泥火山R/Ra值，均顯示為殼源氣體。而獨山子和沙灣霍爾果斯泥火山R/Ra值顯示，其氣體來源相對更深層（表4）。

表4 北天山地區(qū)泥火山同位素分析結(jié)果

1.4 監(jiān)測點周圍的地質(zhì)構(gòu)造情況

新疆烏蘇艾其溝泥火山位于準(zhǔn)噶爾盆地南緣的新疆烏蘇市境內(nèi)。準(zhǔn)噶爾盆地是晚古生代至中、新生代多旋回疊合盆地，其上沉積石炭紀、二疊紀、三疊紀、侏羅紀、白堊紀、第三紀和第四紀地層。下部為前寒武紀結(jié)晶基底，上部為晚海西期（泥盆～早中石炭世）的褶皺基底。艾其溝泥火山在構(gòu)造上位于準(zhǔn)葛爾南緣斷裂與亞瑪特斷裂的交匯部位（圖2）。

2 觀測系統(tǒng)概況

在泥火山群（點）觀測監(jiān)控現(xiàn)場，通過專線方式可監(jiān)控現(xiàn)場的泥火山群活動，并由寬帶網(wǎng)絡(luò)將信息傳送至遠程監(jiān)控中心（新疆地震局、烏蘇市地震局或因特網(wǎng)到達的地方都可以）；監(jiān)控中心隨時可查看泥火山探頭所轄范圍內(nèi)的所有泥火山活動信息（圖3）。

在地震會商監(jiān)控中心，具有權(quán)限的值班人員可以實時瀏覽轄區(qū)內(nèi)的泥火山監(jiān)控媒體信息，控制管理轄區(qū)內(nèi)的系統(tǒng)資源。同時，監(jiān)控中心作為系統(tǒng)的媒體管理平臺，實現(xiàn)就近存儲和分發(fā)轄區(qū)范圍內(nèi)的媒體信息，可有效地降低監(jiān)控系統(tǒng)承載網(wǎng)的壓力。為確保重要的監(jiān)控資料和媒體信息的安全性，除了在烏蘇市地震局存儲外，還在新疆地震局前兆臺網(wǎng)中心同步存儲，從而可降低網(wǎng)絡(luò)壓力和信息存儲風(fēng)險。

2.1 遠程監(jiān)控中心

在地震會商監(jiān)控中心，用戶可實現(xiàn)查看轄區(qū)內(nèi)的監(jiān)控信息，并且可以通過鼠標(biāo)、PC鍵盤等多種方式進行視頻切換顯示、云臺鏡頭控制等操作；具有權(quán)限的用戶，能夠查詢相關(guān)的錄像信息，進行本地回放等操作。

2.2 監(jiān)控現(xiàn)場

監(jiān)控現(xiàn)場主要由多媒體接入單元、攝像機等主要設(shè)備組成。監(jiān)控現(xiàn)場擔(dān)負著監(jiān)控系統(tǒng)的媒體數(shù)據(jù)采集和控制命令的執(zhí)行部分。主要完成視頻及其他告警信息的采集、編碼、壓縮和傳輸，攝像機的控制和報警的輸入/輸出工作。

監(jiān)控現(xiàn)場的作用是根據(jù)要求實時采集監(jiān)控點的視音頻等媒體信息，并將模擬信息進行編碼，壓縮成數(shù)字媒體信息。同時，媒體信息通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控中心的媒體轉(zhuǎn)發(fā)單元，進行存儲和分發(fā)，實現(xiàn)集中存儲和遠程瀏覽。

從監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備安全方面考慮，室外攝像機采用配有高強度防護罩的防暴攝像機，可有效防止外力損壞，在充分考慮監(jiān)控現(xiàn)場的實際需要后，選用低照度的彩轉(zhuǎn)黑高速球機的攝像機；室外的多媒體接入單元，配備了高強度室外專業(yè)安裝箱，在抵御外界暴力破壞的同時還能自動控制箱內(nèi)溫度，且具有良好的防塵、防潮、防水功能，保證了現(xiàn)場多媒體接入單元或光端機的正常工作；在視頻、電源及信號線等傳輸線纜處理方面，采用質(zhì)地優(yōu)良的PVC管進行保護，并且隱藏在安裝支架內(nèi)部，可避免傳輸線路遭受破壞。

2.3 監(jiān)控數(shù)據(jù)的存儲與處理

對監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲，系統(tǒng)多媒體接入單元具有強大的存儲功能，單臺設(shè)備最多支持1—8塊硬盤，能夠滿足泥火山監(jiān)控現(xiàn)場視頻長時間存儲的要求。同時采用多媒體接入單元存儲方案，有效地解決了監(jiān)控點通訊線路故障或者接入帶寬不足而造成的媒體信息丟失問題。

2.4 觀測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)維護

對于觀測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全，采樣通過多個設(shè)備之間負載分擔(dān)以及冗余備份方式以保證網(wǎng)絡(luò)的安全性與可靠性。同時，監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備內(nèi)置專用自檢安全工具，對可疑的入侵自行拒絕且上報網(wǎng)管系統(tǒng)。啟用防火墻設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)安全軟件，實時監(jiān)控整個網(wǎng)絡(luò)的運行狀態(tài)，以保證網(wǎng)絡(luò)安全可靠運行。

2.5 基于視頻監(jiān)測系統(tǒng)對泥火山活動異常的判定

分析預(yù)報人員可以通過遠程視頻監(jiān)控對泥火山活動情況進行實時查看。目前可通過觀察泥火山口內(nèi)泥漿液面的高低以及每分鐘鼓泡的頻率，對火山活動情況以及異常進行宏觀判定。泥火山活動相對平靜時，泥漿的液面會低于火山口，鼓泡頻率大約為20—30個/分鐘；泥火山活動劇烈時，泥漿會不斷噴涌，泥漿甚至?xí)鞒龌鹕娇诓㈨樆鹕娇诹鞒鰯?shù)10m，鼓泡頻率會增加到30—50個/分鐘。

3 兩次6級地震前泥火山宏觀異常現(xiàn)象

新疆烏蘇艾其溝泥火山為3個24小時連續(xù)觀測點之一。自2011年8月底開始觀測以來，在監(jiān)測點周圍200km范圍內(nèi)共發(fā)生過2次6級地震，分別為2011年11月1日新疆尼勒克6.0級地震（震中距170km）和2012年6月30日在新疆新源、和靜6.6級地震（震中距92km）。在2次6級地震發(fā)生前，新疆艾其溝泥火山液面都出現(xiàn)了明顯的“背景值—上升—轉(zhuǎn)折—下降—背景值”的顯著宏觀異常變化現(xiàn)象（王海濤等，2014）。

3.1 2011年11月1日新疆尼勒克6.0級地震

自2011年9月22日起，烏蘇艾其溝泥火山觀測點的泥漿出現(xiàn)明顯外溢現(xiàn)象，這種溢出變化一直持續(xù)到9月30日；進入10月以后，艾其溝泥火山觀測點的液面開始逐漸下降，在持續(xù)下降過程中，2011年10月16日新疆精河首先發(fā)生了5.0級地震（44.3°N，82.7°E）；15天后的2011年11月1日新疆伊犁哈薩克自治州尼勒克縣、伊寧縣、鞏留縣交界處（43.6°N，82.4°E）又發(fā)生了6.0級地震，震源深度為28km。至11月底，泥火山液面緩慢恢復(fù)至背景值（圖4、圖5）。

3.2 2012年6月30日6.6級地震

從2011年12月10日起，艾其溝泥火山觀測點的泥漿再次出現(xiàn)明顯外溢現(xiàn)象，這種溢出變化一直持續(xù)到2012年3月；進入2012年4月以后，艾其溝泥火山觀測點的液面又開始逐漸下降。在持續(xù)下降過程中，發(fā)生了2012年6月30日距離艾其溝泥火山觀測點92km的新疆伊犁哈薩克自治州新源縣、巴音郭楞蒙古自治州和靜縣交界處（43.4°N，84.8°E）的6.6級地震。在地震發(fā)生前后，艾其溝泥火山口液面又再次出現(xiàn)了6.0級地震前后的類似變化（圖6、圖7）。

4 認識與討論

4.1 因地制宜，開展適宜新疆地質(zhì)條件的前兆監(jiān)測

泥火山是特定地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)環(huán)境下的一種構(gòu)造流體地質(zhì)現(xiàn)象。泥火山的出現(xiàn)通常與生油氣帶有關(guān)，某些地區(qū)的地表或近地表有天然氣或者地下水，而地層是比較松軟的泥巖，當(dāng)?shù)貙邮艿降叵聣毫r，比較松軟的物質(zhì)就會沿著裂縫或斷層上升，并在地下水或天然氣的挾帶下穿透地表的空隙噴出，將攜帶的泥沙等濺落到地面，形成泥火山。由于泥火山噴發(fā)時可以將大量有價值的信息帶到地表，因此，不少科學(xué)家將泥火山稱為深度可達12km的“天賜鉆井”（高小其等，2008；李錳等，1996；王道，2000）。

泥火山所在的北天山地區(qū)是新疆經(jīng)濟發(fā)展的核心區(qū)域，也是2006—2020年全國重點監(jiān)視防御區(qū)。僅1900年以來，該地區(qū)就發(fā)生過7級以上地震4次、6級地震17次、5級地震104次，該地區(qū)目前地震前兆監(jiān)測點密度很低。新疆艾其溝泥火山在2次6級地震前的類似顯著宏觀異常變化，進一步驗證了泥火山具有較好的映震靈敏性。因此，因地制宜地加大新疆地區(qū)的泥火山監(jiān)測，比如可以考慮在多個泥火山口增上甲烷、氦氣、氡氣等觀測，這將對新疆地區(qū)、尤其是北天山地區(qū)中強以上地震的震情跟蹤起到積極作用。

4.2 豐富了對地震宏觀異常的跟蹤手段

新疆艾其溝泥火山網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控服務(wù)系統(tǒng)撲捉到了2次6級地震發(fā)生前火山液面都出現(xiàn)了明顯的宏觀異常現(xiàn)象，這說明基于寬帶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的視頻監(jiān)控服務(wù)，可實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)用戶使用客戶端遠程軟件連接服務(wù)器，以達到在線實時查看宏觀異常的監(jiān)控畫面，并依據(jù)已有的觀測經(jīng)驗，該系統(tǒng)應(yīng)用到對地震宏觀異常的短臨跟蹤中，豐富了對地震宏觀異常的跟蹤手段。

4.3 泥火山研究有待深入

北天山地區(qū)分布著眾多泥火山，地球化學(xué)成因顯示上述多座泥火山具有同源或同因性。但是，其在地震前的宏觀噴發(fā)顯示差異很大，這一現(xiàn)象的存在，說明對泥火山的研究還需更加深入和全面。

陳志（2014）在2012年6月30日新源6.6級地震的震前（6月26—27日）、震后（7月1—3日）對白楊溝和艾其溝泥火山進行過考察，并對采集的樣品進行了化學(xué)分析測定后發(fā)現(xiàn)，兩處泥火山的水化學(xué)參數(shù)在地震前后都出現(xiàn)了異常變化，其中多項測值與筆者2011年測試的背景值有顯著的不一致。分析其原因，可能是地震孕育中隨著區(qū)域應(yīng)力的加強，使孕震區(qū)及其附近的巖層發(fā)生了變形，導(dǎo)致封閉構(gòu)造中流體的孔隙壓力增大或孔隙塌陷，從而造成來自不同源區(qū)流體的混合或者噴發(fā)，形成觀測區(qū)的流體地球化學(xué)異常現(xiàn)象。由此筆者認為，白楊溝和艾其溝泥火山在震前出現(xiàn)的噴發(fā)以及水化學(xué)參數(shù)的異常變化，應(yīng)歸因于地震孕育時的區(qū)域應(yīng)力不斷增強，促使泥火山打破原有的周期活動而噴發(fā)，導(dǎo)致泥水的水化學(xué)參數(shù)的異常變化。

目前，隨著中國地震局援疆政策的啟動，中國地震局地質(zhì)研究所、中國地震局地震預(yù)測研究所和中國地震局地殼應(yīng)力研究所也分別建立了所長基金，幫助新疆開展泥火山與地震、泥火山地球化學(xué)成因和泥火山噴發(fā)輪回機制等研究。隨著上述研究的深入和項目的完成，必將在一定程度上提升新疆地區(qū)泥火山地震監(jiān)測和成因機理的研究推進。

陳志，2014．2012年6月30日新源S6.6地震前后北天山泥火山及溫泉的水化學(xué)變化．地震，34（3）：97—107．

杜建國，周曉成等，2013．北天山泥火山對2012年6月30日新源-和靜S6.6地震的響應(yīng)．地震學(xué)報，35（6）：876—887．

范衛(wèi)平，鄭雷清等，2007．泥火山的形成及其與油氣的關(guān)系．吐哈油氣，12（1）：43—47．

高小其，王海濤等，2008．霍爾果斯泥火山活動與新疆地區(qū)中強以上地震活動關(guān)系的初步研究．地震地質(zhì)，30（2）：464—474．

李錳，王道等，1996．新疆獨山子泥火山噴發(fā)特征的研究．內(nèi)陸地震，10（4）：359—362．

王道，2000．新疆北天山地區(qū)泥火山與地震．內(nèi)陸地震，14（4）：350—353．

王海濤，高小其，李志海等，2014．新疆6.0和6.6兩次地震前近場泥火山宏觀異常現(xiàn)象．地震學(xué)，6（1）：139—145．

Real-Time Mud Volcano Group Monitoring and Earthquake Precursor Anomaly Analysis in Xinjiang

.Gao Xiaoqi, Wang Haitao, Zheng Liming, Li Na, Zhu Chengying,Yang Xiaofang, Wang Chengguo, Xiang Yang, Liang Hui and Ma Rong

(Earthquake Administration of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Urumqi 830011, China)

Video monitoring service based on the network technology, realized 3 mud points of real-time monitoring in the north Tianshan region of Xinjiang. By real-time online check of mud volcano activity, we are able to detect earthquake precursor anomaly on the basis of mud volcano activity image. Two remarkable phenomenon of macroscopic anomalies before6 earthquake volcanic have been found from Aiqigou network video monitoring system. With application of broadband network technology of network video monitoring system, we could connect the server to achieve real-time online check mud volcano activity monitor screen, and to capture the mud system observation as the possible precursor anomaly.

Xinjiang; Mud volcano group; Earthquake precursor; Real-time monitoring

國家自然科學(xué)基金（40962006）和地震科技星火計劃公關(guān)項目（XH1029）聯(lián)合資助

2014-09-25

高小其，男，生于1966年。研究員。主要從事地震地下流體監(jiān)測、預(yù)報和泥火山等研究工作。E-mail：gaoxq06@126.com

李娜，女，生于1986年。助理工程師。主要從事地震地下流體監(jiān)測預(yù)報工作。E-mail：lina_xiaopang@163.com