山東區(qū)域氡觀測現(xiàn)狀與分析

王西寶 程樹岐 劉海剛 孟凱 胡子超

摘 要：總結(jié)了氡觀測資料的連續(xù)性、完整性、年變特征和影響因素，對聊古一井和沂水六和泉、德州4號井觀測資料的映震能力進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)聊古一井氣氡對聊城及周邊地區(qū)應(yīng)力場的變化較敏感，提出了存在的問題和建議。

關(guān)鍵詞：氡觀測 映震能力 影響因素

中圖分類號：P31 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）07（c）-0102-04

氡是一種放射性氣體，是鐳衰變的中間產(chǎn)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。氡存在于巖石的孔隙中，當(dāng)受外界的壓力、振動等作用時，容易從賦存的介質(zhì)中逃逸出來。因此，當(dāng)?shù)叵聭?yīng)力發(fā)生變化時，地下水中的氡濃度會出現(xiàn)不同程度的變化[1]。氡觀測與預(yù)報(bào)，在國內(nèi)外地震前兆探索中占有重要地位。我國早在20世紀(jì)60年代中期就開始氡的觀測，積累了大量的觀測資料，取得了很好的震例，使氡觀測成為地震地下流體觀測的重要組成部分。

山東地區(qū)具有氡觀測的臺站井孔是聊古一井、沂水六和泉、德州4號井，其中聊古一井水氡、氣氡觀測資料連續(xù)、完整、準(zhǔn)確、可靠，在全國觀測資料統(tǒng)評中多次進(jìn)入前三名。

1 山東區(qū)域氡觀測網(wǎng)概況

山東省地震局共有氡觀測臺站3個（空間分布見圖1），其中模擬水氡觀測站點(diǎn)4個，觀測儀器為FD-125氡釷分析儀，SD-3B智能數(shù)字測氡儀；數(shù)字化觀測站點(diǎn)1個，觀測儀器為“九五”期間安裝的SD-3A數(shù)字化氣氡儀，模擬和數(shù)字化并行觀測。“九五”改造的觀測站為聊城臺聊古一井，聊古一井位于聊城地震水化試驗(yàn)站院內(nèi)，為深層承壓自流井，不受地表水的影響，是理想的地震監(jiān)測用井[2]；德州臺德州井水氡觀測為FD-125氡釷分析儀觀測，主要受抽水影響；沂水臺六和泉為SD-3B智能數(shù)字測氡儀觀測主要受周圍環(huán)境和降雨影響。據(jù)以往山東省氡觀測點(diǎn)觀測資料效能評估，三個測點(diǎn)氡觀測資料質(zhì)量、預(yù)報(bào)與應(yīng)用以及綜合評價均為優(yōu)秀，學(xué)科分類為A級。各測點(diǎn)具體情況見表1。

2 觀測資料質(zhì)量分析

2.1 觀測資料的連續(xù)性

觀測數(shù)據(jù)連續(xù)率和完整率是衡量地震前兆觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，連續(xù)率統(tǒng)計(jì)對象是原始觀測數(shù)據(jù)，即由觀測儀器直接產(chǎn)出未經(jīng)任何處理的數(shù)據(jù)。完整率統(tǒng)計(jì)對象是預(yù)處理數(shù)據(jù)，即按照各學(xué)科觀測技術(shù)規(guī)范和技術(shù)要求進(jìn)行預(yù)處理后的數(shù)據(jù)。對于模擬觀測，只有日均值，原始數(shù)據(jù)缺失則預(yù)處理數(shù)據(jù)同樣缺失，故只需考慮連續(xù)率。

根據(jù)公式（1），對2011—2014年山東地區(qū)氡觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果詳見表2。各臺的連續(xù)率較高，觀測資料保持較好的連續(xù)性，表明各臺儀器穩(wěn)定性較高，觀測系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，能很好地為地震研究提供數(shù)據(jù)支持。

2.2 穩(wěn)定性分析

2.2.1 氡（水氡、氣氡）年變特征

水氡的正常年動態(tài)，可分為平穩(wěn)型、夏高冬低型、冬高夏低型、無規(guī)律起伏型等4種基本動態(tài)。氣氡的動態(tài)特征較為復(fù)雜。氣氡的年動態(tài)類型有平穩(wěn)-脈沖型、起伏型、起伏-脈沖型、高頻脈沖型等[3]。由多年觀測資料發(fā)現(xiàn)，聊古一井水氡具有冬高夏低的年變特征，聊古一井?dāng)?shù)字化氣氡具有顯著的年動態(tài)變化，冬高夏低，最高值出現(xiàn)在2月份左右，最低值出現(xiàn)在8月份左右；沂水六和泉水氡屬年變周期型中的“夏高冬低”型。

德州4號井水氡從多年觀測數(shù)據(jù)曲線圖（圖2）來看，其年變規(guī)律不明顯，德州4號觀測井深度達(dá)800m，井孔的取水段的深度在586m以下，地表以下至220m為第四系粘土、淤泥質(zhì)泥土砂巖及粉細(xì)砂巖為主的隔水層，觀測井周邊無明顯的地下水開采，開泵時間固定，取水口流量穩(wěn)定在0.020L/s，水氡變化比較穩(wěn)定，可能是由于地下水的循環(huán)較長，大氣降水和地表水要經(jīng)過較長時間滲入補(bǔ)給井孔和泉點(diǎn)，從而消除了降水或地表水突發(fā)影響。

2.2.2 逸出氡（氣氡）的不穩(wěn)定性

氣氡的動態(tài)不太穩(wěn)定且起伏度較大，耿杰等[4]的研究較為定量的說明了聊古一井氣氡觀測數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定性，見表3。

2.3 觀測資料影響因素

氡的動態(tài)是在地質(zhì)構(gòu)造條件、水文地質(zhì)構(gòu)造和地球化學(xué)環(huán)境的綜合作用下形成的。氡值在氡觀測環(huán)節(jié)中（包括取樣、鼓泡及測試），受到多種因素的影響，如氣溫、氣壓、降水量、地下水開采、取樣水溫、觀測室室溫、濕度、儀器的穩(wěn)定性及人工操作方法的差異和取樣口流速[5]等。目前聊古一井水氡觀測資料主要受取樣口流速的影響；沂水六和泉水氡觀測資料則主要受到農(nóng)田灌溉和降水影響；水泵故障是影響德州4號井水氡觀測的主要因素，如何減少水泵故障次數(shù)，成為目前德州4號井水氡觀測工作中亟需解決的一個問題。

3 觀測資料映震能力

1998年11月11日聊古一井氣氡數(shù)據(jù)突然下降之后開始突跳，異常結(jié)束的第6天，即1998年12月26日發(fā)生了河南清豐ML4.0地震，震中位于聊考斷裂帶西側(cè)，距聊古一井100km。此異常已排除了各種干擾因素，具有一定的可信度[6]。2006年4月9日17時23分在與山東莘縣相鄰的河南濮陽境內(nèi)發(fā)生了ML4.6級地震。聊古一井距震中約96km。此次地震前，聊古一井氣氡出現(xiàn)了顯著的異常變化[6，7]，見圖3。由此可以看出，聊古一井氣氡具有一定的映震能力。

作者曾對沂水六和泉水氡采用db4小波及6階尺度函數(shù)進(jìn)行小波分析[5]，小波分析結(jié)果顯示到趨勢4階時，干擾就基本消失。

對于趨勢4階圖，我們以二倍均方差作為異常控制線，由圖4可以看到不明顯的高值異常和低值異常，高值異常沒有地震對應(yīng)，雖然在低值異常結(jié)束半年內(nèi)發(fā)生了2011年4月28日沂水縣ML2.1級地震和2011年5月20日安丘市ML3.7級地震。結(jié)合六和泉水氡的年變特征，我們分析認(rèn)為這只是反映了六和泉水氡正常的形態(tài)變化。

采用db4小波及6階尺度函數(shù)對德州4號井水氡觀測資料進(jìn)行小波分析，小波分析結(jié)果顯示到趨勢5階時，Daubeehies小波形態(tài)光滑，波動性明顯，干擾就基本消失。

對應(yīng)地震筆者選擇以德州4號井為圓心，半徑100km范圍內(nèi)ML≥3.0級地震，半徑100km～300km范圍內(nèi)ML≥4.0級地震。對于趨勢5階圖，以二倍均方差作為異常控制線，由圖5可以看到2012年6月出現(xiàn)高值異常和2014年4月低值異常，整個資料區(qū)間內(nèi)并沒有明顯突出的異常。由于觀測區(qū)間內(nèi)對應(yīng)震例和異常較少，結(jié)合德州4號井水氡的年變特征，筆者分析認(rèn)為令人信服的地震前兆異常暫時是不存在的，還需根據(jù)資料的積累進(jìn)一步的分析。

4 存在問題與建議

4.1 存在的問題

（1）水氡觀測點(diǎn)因地下水過度開采和城市飛速擴(kuò)張面臨斷流威脅。沂水六和泉受降水影響較大，近年來，沂水地區(qū)降水偏少，加上地下水的過度開采，泉水即將斷流干涸。

（2）目前山東局氡觀測設(shè)備標(biāo)定只有聊城地震水化站具有標(biāo)定條件，德州臺和沂水臺設(shè)備標(biāo)定都要到聊城水化站進(jìn)行標(biāo)定。每次標(biāo)定需要將設(shè)備運(yùn)輸?shù)搅某撬荆瑯?biāo)定完后再運(yùn)會臺站使用，在運(yùn)輸過程中，由于運(yùn)輸和環(huán)境的變化，設(shè)備的性能會有所改變，同時也會影響數(shù)據(jù)的連續(xù)性和完整率（季度檢查工作一般往返需要耽擱3d時間，年度標(biāo)定需要耽擱5d甚至更多時間）。

（3）觀測備用儀器緊缺，設(shè)備發(fā)生故障無法及時更換儀器保證連續(xù)性。

4.2 建議

（1）各觀測點(diǎn)在現(xiàn)有運(yùn)行觀測點(diǎn)的基礎(chǔ)上就近開發(fā)新的備用觀測點(diǎn)。

（2）建議由聊城地震水化站成立設(shè)備標(biāo)定組，帶著標(biāo)準(zhǔn)源到德州臺和沂水臺標(biāo)定設(shè)備。

（3）建立水氡觀測設(shè)備更新淘汰機(jī)制，定期對設(shè)備進(jìn)行評估更新，以保證水氡觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)可靠，配備備用儀器，以防不時之需。

參考文獻(xiàn)

[1] 車用太，魚金子，王基華，等.地震地下流體學(xué)[M].北京：氣象出版社，2006.

[2] 魏汝慶，王華，陳其鋒，等.聊城水化站數(shù)字化氡與模擬氡觀測資料的對比分析[J].四川地震，2004，111（2）：42-45.

[3] 中國地震局監(jiān)測預(yù)報(bào)司.地震地下流體理論基礎(chǔ)與觀測技術(shù)[M].北京：地震出版社，2007.

[4] 耿杰，張玲，吳春華.聊古一井?dāng)?shù)字化氡影響因素分析[J].地震學(xué)刊，2002，22（4）：16-20.

[5] 山東省地震局.齊魯?shù)卣鹂茖W(xué)專輯（第一輯）[M].北京：地震出版社，2014.

[6] 陳其鋒，魏汝慶，趙杰鋒，等.聊古一井?dāng)?shù)字化觀測資料數(shù)據(jù)分析與研究[J].地震地磁觀測與研究，2008，29（5）：58 -64.

[7] 魏汝慶.一次4.6級地震前的氣氡異常變化分析[J].東北地震研究，2007，23（3）：52-56.