盤一井水氡映震效能及Rn值遷移機理分析

王喜龍，王海燕，李彤霞，付 聰，楊振鵬

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽110034）

0 引言

眾所周知，惰性化學元素Rn 作為研究地震孕育過程及預報地震的一種手段，它在地下水中主要以溶解氡和逸出氡兩種形式存在。早在前幾十年，許多國內外地震學家就開始對氡的遷移機理及氡濃度變化與地震的關系進行了廣泛而深入的觀測與研究，并取得了卓越的成果［1-4］。利用氡異常來預報發震三要素已成為我國前兆流體預報的一種重要手段，并且至今取得了相當數量的成功震例。本文就遼寧地區映震效能較好的盤一井水氡歷史震例進行研究，分析討論其具有高映震效能的原因，并對該井Rn元素的遷移機理進行初步討論，以期在遼寧地區水氡映震方面發揮出一定的指示意義。

1 地質背景

盤錦地區地處屬下遼河平原，為一斷陷盆地。本區出露地層主要為上第三系和第四系地層，第四系為平原組松散堆積物，巖性為砂巖、粘土等；上第三系明化鎮組及館陶組地層，主要巖性為砂礫巖、砂巖、泥巖等。就本區所處大地構造位置而言，本區地處中朝準地臺上的三級構造單元下遼河坳陷內，東部為遼東隆起，西為燕山褶皺帶，北依內蒙地軸與松遼盆地相隔（圖1），由前震旦紀偉晶巖組成基底，屬三面環山一面臨海的匯水盆地［5］。

本區構造斷裂發育，郯廬斷裂帶北段穿越該區。該區在晚中生代，由于地幔物質上涌，垂直拱升作用不斷加強，引起地殼隆起，從而產生較大的拉張應力，在隆起上產生兩組斷裂，即北東向與北西向，以北東向為主。北東向斷裂形成時間較早，大多形成于早古生代，中生代，為區域上最為發育、延續性最好的一組斷裂，且該規模較大，平行隆起軸向，自西而東主要斷裂包括臺安斷裂、遼中斷裂和牛居—油燕溝斷裂等；北西向斷裂規模較小，活動時代相對較新，斷裂橫切隆起并常常切割北東向斷裂，兩組斷裂縱橫交錯構成網格狀。

圖1 下遼河平原構造分區圖［6］Fig.1 Themapof tectonicdivisionsin lower LiaoheRiver Plain［6］

盤一井井深955.1m，觀測層為上第三系館陶組含水層，主要巖性為砂巖，所處水層為835～955的裂隙承壓水，含水層厚度100 m，水溫28℃，井孔套管直徑400.05mm，深度為86.49m。該井自1973年開始地震觀測，水文地質條件為背靠雙臺子河，地表垂直補給能力差，不受大氣降水和地表水的干擾，同時也避免了油田開采層，水質主要受深部補給（圖2）。

圖2 盤一井井孔柱狀圖Fig.2 Thehistogram of Panjin No.1Well

2 觀測現狀

遼寧省盤一井目前主要測項除水氡外，還有氣氡、水質和氣體觀測，輔助測項主要有井水流量與同層水溫。水氡為模擬觀測，觀測所使用的觀測儀器為FD-105K型測氡儀，采樣率為日均值數據；氣氡為十五數字化觀測，所使用的儀器為SD-3型氣氡測量儀，采樣率為整點值數據；離子測項主要包括Cl-、Ca2+、Mg2+和CO2-3，所用儀器為PXJ-IC，采樣率為日均值數據；氣體測項主要包CO2、N2、CH4、Ar2和氣體流量，所用儀器為SQ-206，采樣率為日均值數據。

近幾年該井水化學觀測項目各測點總體觀測環境基本正常，無明顯人為干擾，自然狀況也無明顯改變。觀測儀器及附屬設備整體運行基本良好，儀器定期校核、檢查、標定。個別測點出現的儀器故障已經解決，能夠進行正常觀測。各項數據參數齊全，各項觀測數據基本都保持了較良好的連續率和完整率［7］。

3 歷史震例分析

盤一井水氡自1973年開始觀測以來，數據變化連續穩定，因其前身為石油使用井，井深達1121m，受環境干擾小，歷史上出現多次前兆異常，且異常出現后遼寧及鄰區基本均對應發生了5級以上地震，如1975年海城7.3級地震、1976年唐山7.8級地震、1978年營口5.9級地震、1999年岫巖5.4級地震和2013年燈塔５.1級地震等。

3.1 1975 年2月4日遼寧海城7.3級地震

盤一井水氡自1973年9月開始觀測，設備運行正常，數據變化穩定。盤一井距海城7.3級地震震中80km。海城地震前，該井于1974年1月5日水氡出現趨勢上升動態變化，至同年5月10 日達到最高值，Rn含量由開始的6.1 Bq/L 升至8.7Bq/L，相對增高43%；5月11日之后Rn值開始轉為趨勢下降，至同年8-9月份下降趨勢開始加劇，11月底Rn含量相對減少了23%，之后Rn值回升并維持較高水平波動，在震前出現大幅度突跳，直到1975年2月4 日海城7.3級地震發生（圖3）。

圖3 盤一井水氡異常變化曲線Fig.3 Theabnormal curvesof radon in Panjin No.1Well

3.2 1976 年7 月28日唐山7.8級地震

盤一井距1976年唐山7.8級地震震中約360km，在1975年海城7.3級地震發生后，該井Rn值基本維持相對較平穩動態變化，但1975年11月5日后，該井水氡開始再次出現小幅突跳上升變化，之后基本維持高值波動狀態，至1976年5月4 日Rn值出現高值加速上升跡象，同年7月20日Rn值再次出現高值突跳變化，與海城7.3級地震發生前的高值突跳特征極為相似，且幅度明顯高于海城7.3級地震，至7月28日發生唐山7.8級震，震后至1976年12月高值有所恢復（圖3）。

3.3 1978 年5 月18日營口5.9級地震

盤一井距1978年營口5.9級地震震中約68km，1976年唐山7.8級地震發生后，盤一井水氡開始出現快速下降恢復變化（圖3），至1976年12 月，Rn 值恢復至20～27Bq/L 范圍內波動，但在1977年11月10日后，盤一井水氡再次出現較明顯的趨勢上升變化，1978年5月18 日發生營口5.9 級地震，水氡上升約5.5 Bq/L。

3.4 1999 年11月29日岫巖5.4級地震

盤一井距1999年岫巖5.4級地震震中約113km，營口發生5.9級地震以后，氡值至1986年基本完全恢復，1986年以后至1997年氡值變化較為平穩，基本無年變，正常波動值變化范圍為19.5～20.5Bq/L，月均值曲線基本為一直線。該井自1998年9月開始出現大幅度高值波動異常變化，高值波動變化持續至1999年5月基本恢復，異常變化幅度達8.5%。同年9月16日該井再次出現大幅度高值波動及上升短期異常變化，突跳頻次、幅度均較之前劇烈并持續至發震，異常前后氡值最大變化達2.0 Bq/L，最大變化幅度達12%［8-9］（圖4）。

3.5 2013 年1月23日遼陽燈塔5.1級地震

自1998年岫巖地震以后，盤一井Rn值至2003年已逐漸恢復，2004—2010 年Rn 值變化較平穩，正常值基本變化在16.40～18.40Bq/L范圍內。但2011年4 月19日起氡值開始連續出現高值波動異常，至同年7月高值有所恢復，后同年12月再次出現高值波動異常，差分結果也顯示出明顯的高值波動異常，異常持續高值波動階段，2013年發生了燈塔5.1級地震和內蒙科爾沁5.3級地震（圖5）。

4 盤一井水氡映震效能分析

通過研究總結分析遼寧地區1970 年以來5級以上中強地震震例發現，盤一井水氡自1973年開始觀測以來，多次在遼寧及鄰區發生的5級以上地震前均有明顯的異常顯示，具有很高的報準率。為了進一步對盤一井水氡映震效能進行科學評價，筆者通過總結歷史震例和盤一井水氡異常變化特征，應用R值評分方法，同時綜合該井水文地質條件和區域構造地質特征對盤一井水氡預報效能進行了評價。

4.1 R值評分

在目前地震預報效能評價中， R值評分方法是一種比較常用的地震前兆異常與地震相關性評價的方法［7］。該方法最早是由許紹燮［10］提出的用來科學評價地震預測效能，在時間序列研究中應用較多［11］，20 世紀80 年代以來， R值評分已被廣泛應用于不同學科對各測項預測效能的檢驗，并取得了較好的研究成果［11-14］。R值評分基本原理是有震報準率與預報時間占有率（或預報占時空域率）之差，即［12］

本文在用于R值評分對盤一井水氡進行預報效能評估過程中，選取時間范圍為1970年以來，空間范圍為119～126°E，38～44°N的遼寧及鄰區發生的5級以上地震進行研究，1976年唐山地震由于震級及區域構造位置關系也納入研究范圍內，共選取9個地震，具體如表1所示。基于中國震例、遼寧省地震趨勢研究報告及前人公開發表文獻等資料統計了盤一井水氡自1973年以來不同時段異常持續時間及對應震例情況［15］，具體如表2所示。

表1 遼寧及鄰區1970 年以來中強地震

表2 盤一井水氡異常時間及對應震例統計

依據表1和表2統計結果并結合R值評分計算公式可以得出，1970 年以來盤一井水氡出現異常并報對地震次數為6次，而應預報總次數為9次，即有震報準率為0.67；盤一井預報占用時間為139個月，預報研究總時間約為542個月（1973年9月至今），預報時間占有率為0.26，則依據R值評分公式計算得到盤一井水氡的R值為0.41。依據R值公式計算原理，若R=1，則表示全部報對； R=-1，表示全部報反； R=0，表示預報未起作用［12］。即說明R值為正且越高（趨近于1），表明其預報效能越高。此前，馬宏生等［11］應用R值評分方法計算出中國大陸東部5級、西部6級以上地震預測檢驗尺R值的年度分布相對比，得出全國的R值為0.26左右；李瓊等［13］通過對云南地區水溫異常與5級以上地震對應關系應用R值評分進行檢驗，得出R值為0.374，具有較好的預報效能；焦明若等［12］應用R值評分方法對遼寧地區中強震前測震學和前兆學指標體系進行評估，計算得出遼寧地區R值平均水平為0.23。而本次通過應用R值評分方法對盤一井水氡進行預報效能檢驗，得出盤一井水氡R值為0.41，明顯高于遼寧地區R值結果，這也進一步表明，盤一井水氡不僅通過了R值檢驗（結果為正），且具有很好的映震效果。

4.2 地質條件分析

盤一井地處下遼河平原，下遼河平原屬三面環山，一面臨海的匯水盆地，地下水主要依靠大氣降水補給。根據對盤一井井孔結構的研究可以看出（圖2），本區三套含水層除第四系平原組含水層外，下第三系明化鎮組和館陶組兩套含水層均為承壓含水層，其封閉水頭高度可達地表以上，且含水層埋藏較深，從而致使下部的含水層不能直接接受上部含水層的補給，水質主要受深部補給，這樣即基本避免了大氣降水和地表水的干擾，同時也基本避免了油田開采層的影響。

通過總結前人研究成果發現，在地下流體觀測中出現的異常變化，往往與地殼介質的應力、應變狀態有關，特別是在強震孕育過程中，隨著區域應力場的增強，震源區周圍的斷裂構造也在不斷調整，因而沿斷裂帶及其附近的異常顯示往往比其他地區顯著集中。陳颙等［16］通過研究指出，地震空間的分布是不均勻的，他的展布規律與區域地質構造有著密切聯系，與地質構造帶相吻合，表現出了具有明顯的成帶性特征；李文英等［17］通過總結華北地區短臨異常綜合指標總結得出，水氡短臨異常的空間分布主要與震源周圍的主要活動斷裂層和發震機制有關；杜學彬等［18］年通過對唐山7.8級以及西北地區幾次6級以上強震前地下水動態中短臨異常空間特征及其與斷裂發震機制關系的研究，提出地下水動態異常主要與震源周圍活動斷裂有關；車用太等［19］在對比華北地區幾次強震前的地下流體異常形態及時空分布特征后，指出一次強震的孕育和發生可能不是某一條孕震或發震構造活動所致，而是大范圍內若干大的地震構造帶同步或準同步活動的結果；鄭文俊等［20］在渤海周圍地區地震構造帶的空間分布、區域構造背景及其活動分析的基礎上，通過對張北—尚義6.2級、5.6級和大同5.6級地震前后華北北部多種前兆異常的總體數量及其沿地震構造帶分布變化的情況研究，認為前兆異常沿地震構造帶分部數量的變化，對強震活動形式的分析與估計具有一定的指示意義。綜合前人研究結果可以看出，地震前兆異?？臻g分布與活動構造有著極為密切的關系。

就遼寧地區而言，斷裂構造發育，主要以北東和北西向斷裂為主。遼寧地區的地震活動與地質構造之間具有高度的相關性，地震受到了北東—北北東向和北西向兩組構造的制約，而構造交會部位往往是破壞性地震的多發區。對盤一井所處地質構造背景分析認為，該井地處NW西向與NE 向斷裂活動帶交匯部位，北東向主要以郯廬地震帶北延段為主（歷史上在其斷裂帶上或斷裂帶周圍曾發生多次5級以上中強震，如1969年渤海7.4 級地震、1976年河北唐山7.8級地震），在該地區北東向斷裂自西而東主要包括臺安斷裂、遼中斷裂和牛居—油燕溝斷裂；北西向斷裂規模較小，且形成時間較北東向斷裂晚，斷裂橫切北東向斷裂，同時該井地處北西向海城河隱伏斷裂近西北端。斷裂構造發育，從而既導致該區成為下遼河盆地高產油區，同時又為地下流體運移、存儲等活動提供了優越的地質條件。對比遼寧地區所發生的歷史地震發現，中強地震活動及小震活動呈現具有較明顯的條帶狀、團簇狀特征，且地震主要沿北西向與北東向斷裂構造發生，其分布與地質構造之間具有密切的關聯性，如1973年海城7.3級地震和1999年岫巖5.4 級地震就發生在北西走向海城河隱伏斷裂上（圖6），這也進一步驗證了前人研究成果。綜合以上分析可以得出，正因為盤一井所具有的優越水文地質條件與所處區域構造交匯敏感部位，致使盤一井在多次中強地震前均有明顯的異常出現。

5 盤一井水氡遷移機理分析

眾所周知，地震的孕育與發生是一個極其復雜的物理化學過程［21］。就氡而言，作為研究地震孕育過程及預報地震的一種重要手段，它是一種惰性的放射性元素，由鈾和鐳衰變而來，在地下水中主要以逸出氡和溶解氡兩種形式出現［4］（楊紹富等，2014）。近些年眾多國內外地震學家對氡濃度變化與地震的關系進行了廣泛而深入的研究，在利用氡異常預報發震時間和級震等方面取得了較多的成功震例，因此人們對于氡的遷移機理方面的研究也愈加重視。

通過對國內外氡遷移機理的研究進展進行分析總結得出，氡遷移機理的研究主要分外因和內因兩個方面［3］。外因的研究進行得比較早，并且提出了很多遷移模式，在氡的遷移機理中一直占有重要地位。氡的遷移機制概括起來主要包括應力應變作用、接力傳遞作用、孔隙流體作用、擴散對流作用、溫度壓力作用等。內因的研究從本世紀初才剛起步，尚處于探索階段，國內賈文懿［22-24］、樂仁昌［25-26］、劉鴻福［27］等學者通過研究認為氡及其子體和母體多為α輻射體，它們放出α 粒子減速后成為4He，4He可以同氡及其子體、母體形成復合團簇，而4He很輕，當形成的復合團簇浮力大于重力時，團簇便會自行上升，成為氡及其子體向上遷移的內因。

盤一井地處北東向與北西向斷裂構造交匯部位，北東向主斷裂臺安斷裂、遼中斷裂和牛居—油燕溝斷裂不但錯斷了基底層，而且控制了中新生代沉積和玄武巖噴發。北西向斷裂形成時間較晚，斷裂常常切割北東向斷裂，兩組斷裂縱橫交錯構成網格狀。通過分析遼寧地區歷史5.0 級以上地震得出，1975年海城7.3級地震和1999年岫巖5.4級地震發震構造均為北西向的海城河隱伏斷裂，該斷裂為一扭性左旋走滑斷層，由北東向主應力作用下，使北西向海城河隱伏斷裂發生左旋走滑錯動，從而引發地震［9］。2013年遼陽燈塔5.1級地震發震構造為北東向營口—佟二堡斷裂北端，震源機制解表明為走滑行，精定位結果為北東向破裂［28］。對比總結近年遼寧地區歷史中強震發震構造認為，海城與岫巖地震震前，由于區域應力作用加強，導致北西向斷裂構造活動增強，而盤一井恰處主發震斷裂海城河隱伏斷裂近北西端，在區域應力場作用下，區域構造活動加強，導致深部巖石氡得到釋放，致使盤一井水氡出現異常。燈塔地震亦是如此，遼陽燈塔地區地處盤一井北東方位，為郯廬斷裂帶北延段，區域應力作用使北東向斷裂構造活動加強，深部巖石中氡得到釋放，從而使盤一井水氡出現異常。

就該井水氡異常機理而言，通過分析該區地質特征及總結前人研究成果發現，在地震孕育過程中，由于區域應力應變發生變化，可以引起該區巖石孔隙的壓縮、膨脹以及裂隙的產生和發展，導致巖石發生變形及次生效應，造成斷層的錯動、蠕動等，這一系列作用會造成巖石中Rn的釋放，再加上深部熱物質活動作用，會導致巖石介質與水發生反應，即強烈的水-巖反應，這往往會引起地下水中化學組分發生變化，從而導致多種離子、元素及氣體出現異常。1999年岫巖5.4 級地震前盤一井水氡、氯離子、鈣離子、二氧化碳、甲烷等濃度、含量出現異常恰恰證明了這一點［29］。此外，由于含水層是多孔隙介質，在很低的應力水平下即可發生變形，因此應力-應變作用會改變巖體的孔隙率及空隙壓力，導致水動力水平和狀態的變化，引起Rn 的遷移，從而造成Rn 高值異常［2，30］。

通過對盤一井水氡歷史震例進行研究發現，在中強地震發生前，盤一井水氡異常多以高值突跳為主，趨勢上升變化為輔，這與水氡前兆異常形成的物理學機制及水動力學機制存在一定的差異性。為何會出現如此變化，筆者通過結合該井水文地質特征可以看出，該井水雖為基巖裂隙水，但含水巖層主要以砂巖和泥巖等沉積巖為主而非巖漿巖。根據范樹全等［31］的巖石破裂實驗結果，巖石在受壓變形、破裂后逸出氡的含量與巖性存在直接的關系，通常酸性巖漿巖、堿性巖以及花崗片麻巖受壓變形破裂過程中逸出氡含量較高，而中-超基性巖、灰巖、砂巖和大理巖則逸出氡含量相對較低，有時甚至檢測不到。因此，雖然通過分析得出該區域地震活動性和區域應力場存在明顯增強的特點，但由于水文地質條件的制約，使得盤一井水氡歷史上多次震前水氡異常多表示出高值波動狀態，而加速上升變化相對較少。

6 結論

基于歷史震例對盤一井水氡異常變化特征進行分析，結果表明，盤一井水氡在中強地震發生前，異常變化主要以中短期高值波動異常及上升變化為主。基于R值評分方法對盤一井水氡預報效能進行檢驗，計算得到盤一井水氡的R值為0.41，明顯高于前人關于遼寧地區中強震前R值檢驗結能，表明盤一井水氡具有很好的映震效能。通過對盤一井水文地質條件及遼寧地區區域地質構造特征進行分析，盤一井所具有的優越水文地質條件與所處區域構造交匯敏感部位也是導致其具有很好映震效能原因之一。通過結合前人研究資料、本區構造地質特征及地震地質特征綜合分析研究認為，盤一井水氡異常產生機理主要是由于在地震孕育過程中，由于區域應力場發生改變，從而導致地下深部巖石發生變形、破裂，造成氡的釋放，并發生水-巖反應，產生水氡高值異常。

東北地區2018年第三季度M L≥3.0 級地震目錄TheEarthquakes（M L≥3.0）CatalogueofThirdQuarterinNortheasternArea，2018.序號 發震時間 地震位置 震級（M L）深度（km） 精度北緯 東經 地點171207：45：5541.843123.919遼寧撫順3.202 271612：48：1040.646122.246遼寧營口361 381723：45：3640.64122.931遼寧海城3.291 481202：00：2245.229124.697吉林松原3.881 59519：38：5340.658122.848遼寧海城3.281 691916：30：2941.864123.927遼寧撫順3.501 792321：22：0342.459123.602遼寧調兵山3.602 891509：33：0845.207124.632吉林松原3.441月 日 時分秒（注：吉林與黑龍江省地震目錄摘自全國統一編目系統）李恩來供稿