新疆阿克蘇斷層H2濃度影響因素及映震效能分析

李 娜 向 陽 邢喜民 梁 卉

1 新疆維吾爾自治區地震局，烏魯木齊市科學二街338號，830011 2 中國地震局地殼應力研究所，北京市安寧莊路1號，100085 3 新疆工程學院數理學院，烏魯木齊市艾丁湖路1350號，830023

地球內部氣體及其揮發組分會不斷沿著活動板塊、板內塊體邊界以及活動斷裂等地殼薄弱地帶向地球表層遷移和釋放。H2密度小、粘滯性小、穿透力強、溶解度小、遷移速度快[1]。自20世紀80年代Wakita等[2]發現H2濃度與斷層活動具有相關性后，斷層H2開始被作為地震前兆進行觀測與研究。研究表明，斷層H2濃度在一些地震前會存在大幅變化，可用來指示地震活動[3]。斷層H2作為地震前兆異常的特點為震前濃度變化幅度大，測值可達背景值幾倍至幾十倍，異常出現距發震時間短，一般為幾天至幾十天，震后異?；謴?，即斷層H2濃度值具有異常顯著及短臨異常的特性[4]。研究發現，斷層H2濃度受到氣象因素影響時會具有年變或突變特征[5-6]。

新疆阿克蘇斷層H2濃度自觀測以來已積累6 a的數據資料。向陽等[7]對庫爾勒斷層H2濃度的影響因素及其地震預測的潛在效能進行了評價，但至今未有針對阿克蘇斷層H2濃度動態變化及其影響因素的系統研究。本文將基于氣溫、氣壓及斷層H2濃度觀測數據，利用回歸分析方法對阿克蘇斷層H2濃度的動態變化及影響因素進行深入分析，并結合周邊地震活動情況，運用R值評分方法對該測點斷層H2濃度進行預測效能定量評估與檢驗，提取地震預測指標，以期為今后該測點周邊地區的震情跟蹤及地震趨勢判定提供依據。

1 觀測點概況

阿克蘇斷層H2觀測點(41.10°N, 80.18°E)位于阿克蘇斷層儀觀測室內，室內平均溫度為10 ℃～18 ℃，濕度為50%。觀測點構造上處于庫車凹陷與阿瓦提斷陷的分界地帶，西側為柯坪隆起。區內主要斷裂為柯坪斷裂，該斷裂為全新世活動斷裂(圖1)。斷層H2觀測儀為ATG-6118H痕量H2在線自動分析儀，該儀器自帶溫度、氣壓傳感器，可同時獲取斷層H2濃度、溫度和氣壓數據。

圖1 阿克蘇斷層H2觀測點區域構造圖及地震震中分布Fig.1 Regional structure of Aksu fault H2 observation point and distribution of earthquake epicenters

2 阿克蘇斷層H2濃度變化特征及影響因素分析

2.1 阿克蘇斷層H2濃度變化特征

阿克蘇斷層H2觀測始于2013-11-09，觀測數據資料連續穩定(圖2(a))，2017-12-28首次對斷層H2觀測儀進行標定(圖2(b))。圖2(a)為2013-11～2020-03阿克蘇斷層H2濃度與氣溫、氣壓變化圖，由圖可見，斷層H2濃度年尺度動態特征整體呈現夏高冬低特點，且斷層H2濃度與氣壓呈負相關，與氣溫呈正相關；由圖2(c)、2(d)可見，斷層H2濃度日尺度動態特征表現為與氣壓呈反向變化。

圖2 阿克蘇斷層H2濃度與氣溫、氣壓變化曲線Fig.2 Variation curve of fault H2 concentration, air temperature and air pressure in Aksu

2.2 相關及回歸分析

為探究斷層H2濃度與氣象要素之間的關系，選取2013～2020年阿克蘇斷層H2濃度及氣象數據，以氣溫和氣壓為自變量，斷層H2濃度為因變量，選用R語言編寫程序代碼，繪制氣溫、氣壓與斷層H2濃度散點圖(圖3)，計算氣溫、氣壓與斷層H2濃度之間的相關系數(表1)，判斷氣象因素與斷層H2濃度之間的相關方向與強度，在此基礎上選取合適的回歸模型進行回歸分析，得到氣溫與斷層H2濃度之間的回歸方程以及相應的殘差序列。

將2013-11～2020-03作為一個整體時間序列，散點圖顯示阿克蘇斷層H2濃度和氣溫呈現正相關關系，相關系數r=0.517 285 4(圖3(a)、表1)；而斷層H2濃度與氣壓無相關性，相關系數r=-0.199 239 9(圖3(d)、表1)。以斷層H2濃度動態變化的拐點作為分界點對H2濃度及相應時間序列的氣溫、氣壓進行分段相關性分析，采用相應的數學模型計算得到殘差序列。結果表明，在絕大多數時間段內，斷層H2濃度與氣溫呈現較好正相關關系，相關系數r在0.759 115 6～0.962 570 4之間(圖3(b)、3(c)、表1)；斷層H2濃度與氣壓呈現出一定負相關性，相關系數r在-0.216 245 3～-0.642 441 5之間(圖3(e)、3(f)、表1)。

表1 阿克蘇斷層H2濃度與氣溫、氣壓相關系數及回歸分析結果Tab.1 Correlation coefficient and regression analysis results of fault H2 concentration and air temperature, air pressure in Aksu

圖3 阿克蘇斷層H2濃度與氣溫、氣壓散點圖Fig.3 Scatter diagram of fault H2 concentration, air temperature and air pressure in Aksu

土壤溫度相對于氣溫具有滯后效應[8]。阿克蘇觀測點僅有氣溫觀測而無地溫觀測，因此分析斷層H2濃度與溫度的相關性只能考慮觀測資料受氣溫因素影響的滯后效應。以半年為尺度進行分析可以看出，當阿克蘇斷層H2濃度滯后氣溫天數為15 d時，斷層H2濃度與氣溫相關系數達到最高值(圖4)。

圖4 阿克蘇斷層H2濃度滯后時間與相關系數的關系Fig.4 The relationship between lag time of fault H2 concentration and correlation coefficient in Aksu

以上分析結果表明，在半年時間尺度內，阿克蘇斷層H2濃度的主要影響因素為氣溫，斷層H2濃度隨氣溫的升高而增大，且氣溫對阿克蘇斷層H2濃度的影響存在15 d的滯后效應；而斷層H2濃度與氣壓相關性較差。該結論與前人研究結果基本一致[5]。本文在回歸分析時僅選擇氣溫為自變量，分段回歸的可決系數R2在0.576 2～0.926 5之間，相比整體時間序列回歸的可決系數R2=0.267 6，分段回歸的回歸方程擬合效果較好。

3 映震效能分析

地震的孕育和發生會伴隨地下應力或應變改變，從而引起地殼形變、斷層活動增強、地下氣體濃度發生變化[9]。阿克蘇斷層H2研究已積累一定的數據和震例資料，系統分析現有觀測資料，提取預測指標信息，對前兆觀測及分析預測具有現實指導意義。

阿克蘇斷層H2濃度受氣溫影響較大，通過分段回歸分析認為，殘差序列可反映剔除氣溫影響后斷層H2濃度的動態變化。因此本文將通過對比斷層H2濃度原始曲線和殘差序列，結合周邊震例，并通過R值評分方法對阿克蘇斷層H2的映震效能進行檢驗與分析。選取2013-11-09～2020-03-23時段76°～84°E、38°～43°N范圍內，震中距小于300 km的9次5.0～6.3級境內地震進行分析。

3.1 典型震例

2013-11～2020-03阿克蘇斷層H2濃度可反映6次典型震例(圖5)，分別為2013-12-01柯坪5.3級地震(震中距138 km)、2014-07-09麥蓋提5.1級地震(震中距258 km)、2017-09-16庫車5.7級地震(震中距292 km)、2018-11-04阿圖什5.1級地震(震中距238 km)、2019-10-27烏什5.0級地震(震中距113 km)、2020-01-16庫車5.6級地震(震中距287 km)。

圖5 阿克蘇斷層H2濃度整點值原始曲線與殘差序列及柯坪與庫車地震震例Fig.5 Original curve and residual series of hourly value of fault H2 concentration in Aksu and the example of Keping earthquake and Kuqa earthquake

從阿克蘇斷層H2濃度測值曲線形態可以看出，在震前存在兩類高值異常形態：1)測值在震前短時間內快速上升，隨后出現較快下降并恢復正常，如2013年柯坪5.3級地震(圖5(a)、5(c))和2017年庫車5.7級地震(圖5(a)、5(d))；2)斷層H2濃度測值持續波動上升，在濃度達到最高值后波動下降，并在測值下降恢復過程中發震，如2014年麥蓋提5.1級地震和2018年阿圖什5.1級地震(圖5(a))。

從時間上看，阿克蘇斷層H2濃度高值變化對發震時間指示可分為兩類：1)地震在H2濃度測值快速升高之后幾天至十幾天內發生，表現為臨震異常；2)地震在斷層H2濃度測值持續上升至最高值之后發生，高值通?？蛇_(3.049 0～5.475 1)×10-6。但此類高值異常變化往往持續時間較長，最長可達185 d(表2)，且濃度最高值所對應的時間無法確定，所以依據斷層H2濃度原始曲線判定發震時間較為困難。

將斷層H2濃度測值殘差序列超過2倍標準差定為異常指標，通過梳理2013-11～2020-03斷層H2濃度測值殘差序列發現，斷層H2濃度殘差序列顯示出超標準差高值持續時間短的異常特征，超差幅度為0.069～1.681，異常持續時間為1～33 d，地震發生在出現超標準差1～157 d。由于異常的起止時間相對短且較明確，因此能較好地把握發震的時間尺度(表2、圖5(b))。由此可知，回歸分析可基本消除斷層H2濃度隨氣溫上升而增大的影響，有助于判定異常起止時間。

表2 阿克蘇斷層H2濃度原始曲線與殘差序列的高值變化及震例Tab.2 High-value variation of the original curve and residual series of fault H2 concentration in Aksu and earthquake examples

從空間上看，在阿克蘇斷層H2濃度觀測點周邊300 km范圍內，5級以上地震較多分布在測點西南方向的烏什-伽師地區，少數分布在東部拜城-庫車地區(圖1)。

3.2 R值評分方法檢驗

R值評分方法由許紹燮[10]院士提出，可通過某種預報方法在較長的時間段內，對一定范圍內一定震級下限的地震進行若干次地震預報檢驗，從而評價其整體預報效能。

為檢驗阿克蘇斷層H2濃度的映震效能，本文利用R值評分方法對發生在觀測點周圍300 km范圍內9次5.0 ～ 6.3級地震進行檢驗。通過對比分析斷層H2濃度原始曲線與殘差序列可知，以斷層H2濃度測值殘差序列超過2倍標準差為異常指標，高值開始后60 d內發生地震視為合理預報，預報占時以d為單位，為所有對應地震的異常出現至發震時長之和，預報研究時間為2013-11-09～2020-03-23?；谏鲜鰳藴士烧J為，2013-12-01柯坪MS5.3地震、2014-07-09麥蓋提MS5.1地震、2017-09-16庫車MS5.7地震、2018-11-04阿圖什MS5.1地震、2019-10-27烏什MS5.0 地震以及2020-01-16庫車MS5.6地震預報合理。

根據上述判定條件，阿克蘇斷層H2濃度對于周邊300 km范圍內5級以上地震的R值為：(報對地震次數/應報對地震總次數)-(預報占用時間/預報研究總時間)=(6/9)-(138/232 6)≈0.607 3，5級地震R值為：(6/8)-(138/232 6)=0.690 7，地震發生的平均對應時間為23 d，優勢對應空間為南天山西段，表明其對5級地震的預測效果較好。

4 結 語

1)阿克蘇斷層H2濃度具有一定的年周期特征，相關性分析結果顯示，斷層H2濃度與氣溫具有較好相關性，斷層H2濃度的年變周期主要受控于氣溫的年變規律，而短時間高值突變可能與地震活動等因素有關。

2)回歸殘差曲線與震例分析結果表明，回歸分析能夠在一定程度上剔除氣象因素的影響，有助于識別地震前兆異常。

3)通過R值評分方法檢驗可知，阿克蘇斷層H2濃度的變化對發生在距觀測點300 km范圍內的5級地震反應較為靈敏，映震效能較好。