阿克蘇斷層氫中強(qiáng)震異常特征分析及預(yù)報(bào)效能評(píng)價(jià)＊

劉海洋 徐衍剛 祖力卡爾·艾則孜 蔣志英

（新疆維吾爾自治區(qū)地震局阿克蘇地震監(jiān)測(cè)中心站，新疆阿克蘇 843000）

引言

活動(dòng)斷層附近由于巖石破碎、裂隙發(fā)育，往往是地下氣體運(yùn)移的良好通道，早在40 多年前中外學(xué)者就開始研究斷層氫與地震的關(guān)系[1-2]，并取得了很好的映震實(shí)例。如：我國在1976年寧河6.9 級(jí)地震和1981年內(nèi)蒙5.8 級(jí)地震前均觀測(cè)到熱水井中溶解氫的高值異常[3]；1984年日本學(xué)者也發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)震前多個(gè)斷層氫觀測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)了高值異常[4]。前期受技術(shù)水平的限制，當(dāng)時(shí)研制使用的測(cè)氫儀存在信號(hào)檢出限較高、儀器穩(wěn)定性差，而且取樣復(fù)雜等原因未能在地震臺(tái)站推廣[5]。在“十二五”國家科技支撐項(xiàng)目的支持下，新研制的ATG-6118H 型斷層氫分析儀于2013年誕生，該儀器對(duì)氫氣的檢出限達(dá)到0.005 ppm，且誤差在5%以內(nèi)，儀器具有運(yùn)行穩(wěn)定、靈敏度高、操作簡單、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)[6]。從該儀器在全國臺(tái)站的試運(yùn)行結(jié)果來看，多個(gè)臺(tái)站在震前都獲得了較好的短臨前兆異常，異常變化特征主要表現(xiàn)為“突升—轉(zhuǎn)折下降—地震—恢復(fù)背景值”的變化過程，變化幅度一般達(dá)正常背景的數(shù)倍至數(shù)十倍，異常特征明顯，易于識(shí)別[7]。

阿克蘇斷層氫觀測(cè)點(diǎn)屬于全國開展ATG-6118H型斷層氫分析儀試運(yùn)行的臺(tái)站之一，觀測(cè)點(diǎn)在地下流體學(xué)科組完成前期勘選的基礎(chǔ)上于2013年11月架設(shè)，截止2021年12月已連續(xù)觀測(cè)積累了8年多的資料。在此期間，觀測(cè)點(diǎn)周邊300 km 范圍內(nèi)先后發(fā)生了多次中強(qiáng)地震，阿克蘇斷層氫觀測(cè)取得了8 次較好的短臨前兆異常，其中一些異常同全國其他臺(tái)站總結(jié)的震例異常特征相似，有些異常卻表現(xiàn)出不同的變化特征。通過對(duì)阿克蘇斷層氫已獲取的異常特征進(jìn)行分析總結(jié)，并對(duì)預(yù)報(bào)效能進(jìn)行評(píng)價(jià)，可以為今后斷層氫觀測(cè)的異常識(shí)別提供參考。

1 觀測(cè)點(diǎn)概況

阿克蘇斷層氫觀測(cè)點(diǎn)位于新疆阿克蘇市以西，距離市區(qū)約18 km。觀測(cè)點(diǎn)附近最大活動(dòng)斷裂為柯坪斷裂，該斷裂為柯坪地塊與塔里木中間地塊的構(gòu)造分區(qū)斷裂，屬全新世活動(dòng)斷裂，也是新疆6 級(jí)以上地震活動(dòng)頻次最高的活動(dòng)斷裂，觀測(cè)點(diǎn)位于柯坪斷裂北東末端[8]（圖1a）。

圖1 阿克蘇斷層氫觀測(cè)點(diǎn)概況圖Fig.1 Overview of the fault hydrogen observation point in Aksu

阿克蘇斷層氫觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)于斷層儀觀測(cè)室內(nèi)，該觀測(cè)室為一被覆2 m 的地下室。觀測(cè)孔為人工開挖，孔徑0.80 m，孔深1.25 m；孔內(nèi)巖性上部0.30 m 為破碎角礫巖，下部0.95 m 為含角礫粗砂。觀測(cè)孔集氣裝置結(jié)構(gòu)見圖1b，整體觀測(cè)裝置緊湊合理，符合斷層氣觀測(cè)規(guī)范基本要求。儀器設(shè)置自動(dòng)采樣間隔為60 min，采樣時(shí)間為10 s，氣體流量為310 mL/min，儀器自帶氣溫、氣壓輔助測(cè)項(xiàng)，用于測(cè)量觀測(cè)室內(nèi)空氣的溫度和氣壓變化。

2 觀測(cè)資料概述

阿克蘇斷層氫自2013年11月開始觀測(cè)，采樣頻率為整點(diǎn)值采樣，本文選取資料的截止時(shí)間為2021年12月。由8年多來所積累的整點(diǎn)值數(shù)據(jù)來看，阿克蘇斷層氫濃度值呈夏高冬低的年變形態(tài)，測(cè)值一般在0.5—4.0 ppm 之間，7—8月達(dá)到最高值，2—3月為最低值。日變形態(tài)無規(guī)律可循，日變幅一般小于1.0 ppm。從輔助觀測(cè)氣溫、氣壓來看，觀測(cè)室內(nèi)年氣溫溫差約12℃，日溫差約0.1℃；室溫年變化在12—24℃之間，每年2月室溫達(dá)最低值，8月達(dá)最高值；氣壓變化在868—915 hPa 之間（圖2）。

根據(jù)阿克蘇斷層氫儀器運(yùn)行情況來看，2014年之前由于軟件兼容問題儀器死機(jī)現(xiàn)象較多，后期對(duì)儀器軟件進(jìn)行升級(jí)后，儀器運(yùn)行穩(wěn)定，故障率較低，數(shù)據(jù)連續(xù)率較高。從日常觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)積累來看，阿克蘇斷層氫觀測(cè)數(shù)據(jù)一般不受人為、車輛及機(jī)械施工等因素影響，影響主要來自市電停電和標(biāo)定等，但影響一般時(shí)間較短，在數(shù)小時(shí)內(nèi)可恢復(fù)正常。根據(jù)已有研究顯示，斷層氫觀測(cè)一般受大氣溫度和氣壓影響，降雨對(duì)斷層氫觀測(cè)基本無影響[9]。通過最新阿克蘇斷層氫濃度值與氣溫、氣壓相關(guān)性研究結(jié)果來看，阿克蘇斷層氫濃度值主要受氣溫影響，相關(guān)性為正；氣壓影響相對(duì)較小，且為負(fù)相關(guān)[10]，該結(jié)果同全國其他臺(tái)站一般性結(jié)果相同。

圖2 阿克蘇斷層氫觀測(cè)整點(diǎn)值時(shí)序圖Fig.2 Time series of fault hydrogen observations in Aksu

3 震例異常特征分析

通過對(duì)阿克蘇斷層氫2013年11月—2021年12月周邊300 km 范圍內(nèi)中強(qiáng)震進(jìn)行梳理后發(fā)現(xiàn)，阿克蘇斷層氫濃度值在多次地震前均出現(xiàn)了不同程度的異常變化（表1）。由典型震例異常特征的系統(tǒng)對(duì)比分析，可以將它們劃分為3 種類型。

3.1 波動(dòng)型

一般在地震前2 個(gè)月內(nèi)斷層氫濃度值出現(xiàn)波動(dòng)增大現(xiàn)象，變幅一般在1.00 ppm 以上；地震往往發(fā)生于斷層氫濃度值大幅波動(dòng)變化過程中，地震后測(cè)值波動(dòng)減小而且整體呈下降趨勢(shì)。已有震例，如：

（1）2014年7月9 日麥蓋提5.1 級(jí)地震前，阿克蘇斷層氫濃度值在震前20 天開始出現(xiàn)日變幅增大現(xiàn)象，最大日變幅約1.50 ppm，且整體呈波動(dòng)上升變化。斷層氫濃度值波動(dòng)上升過程中7月9 日發(fā)生了麥蓋提5.1 級(jí)地震，地震后波動(dòng)上升至7月25 日達(dá)到最高值后，轉(zhuǎn)為波動(dòng)下降變化，逐漸恢復(fù)至背景值。此次異常斷層氫濃度值由6月20 日的1.33 ppm波動(dòng)上升至7月25 日的最高值3.02 ppm，上升幅度達(dá)1.69 ppm（圖3a）。

（2）2016年8月13 日阿合奇4.7 級(jí)地震前16 天開始，阿克蘇斷層氫濃度值同樣出現(xiàn)日變幅明顯增大的波動(dòng)變化，最大日變幅達(dá)1.05 ppm，地震之后濃度值呈波動(dòng)減小變化。由于8月16—29 日儀器故障造成數(shù)據(jù)缺記，儀器修復(fù)后斷層氫濃度值已基本恢復(fù)至正常變化水平（圖3b）。

（3）2018年11月4 日阿圖什5.1 級(jí)地震前51 天，阿克蘇斷層氫濃度值也出現(xiàn)了大幅波動(dòng)變化，大幅波動(dòng)變化由9月14 日持續(xù)至11月4 日地震發(fā)生，地震后斷層氫濃度值波動(dòng)減小且呈下降變化（圖3c）。

3.2 突升型

一般在震前20 天內(nèi)，斷層氫濃度值會(huì)出現(xiàn)連續(xù)數(shù)天的持續(xù)快速上升變化，變化幅度達(dá)正常背景值的數(shù)倍以上，異常形態(tài)明顯，信噪比高；地震一般發(fā)生于斷層氫濃度值快速上升轉(zhuǎn)為下降恢復(fù)背景值的過程中。此類震例異常特征同全國其他臺(tái)站總結(jié)的斷層氫典型震例異常特征相似。已有震例，如：

表1 阿克蘇斷層氫震例匯總Table 1 Summary of fault hydrogen seismic cases in Aksu

圖3 阿克蘇斷層氫觀測(cè)曲線Fig.3 Fault hydrogen observation curve in Aksu

（1）2013年柯坪5.3 級(jí)地震前3 天，阿克蘇斷層氫濃度值由11月29 日的2.51 ppm 快速上升至12月1 日的3.98 ppm，在12月1 日發(fā)生了柯坪5.3 級(jí)地震。震后斷層氫濃度值經(jīng)過下降、突升的反復(fù)變化，于12月4 日上升至最高值4.51 ppm 后，呈波動(dòng)下降逐漸恢復(fù)至背景值（圖4a）。

圖4 阿克蘇斷層氫觀測(cè)曲線Fig.4 Fault hydrogen observation curves in Aksu

（2）2017年9月16 日庫車5.7 級(jí)地震前17 天，阿克蘇斷層氫濃度值自8月30 日開始出現(xiàn)快速上升變化，該異常變化持續(xù)5 天。斷層氫濃度值由8月30 日的1.18 ppm 上升至9月3 日的4.48 ppm，異常變化幅度達(dá)正常背景值的2.8 倍，在9月3 日達(dá)到最高值后轉(zhuǎn)為波動(dòng)下降變化，在波動(dòng)下降過程中9月16 日發(fā)生了庫車5.7 級(jí)地震，地震后濃度值逐漸恢復(fù)至背景值（圖4b）。

3.3 突升恢復(fù)型

一般在地震前3 個(gè)月內(nèi)斷層氫濃度值會(huì)出現(xiàn)短時(shí)的快速上升變化，快速上升變化一般持續(xù)1—3天，上升幅度為0.5—1.0 倍背景值。斷層氫濃度值上升至最高值后10 天內(nèi)基本可恢復(fù)至背景值，地震往往發(fā)生于恢復(fù)至背景值后的2 個(gè)月內(nèi)，異常形態(tài)相對(duì)明顯，易于識(shí)別。已有震例，如：

（1）2019年10月27 日烏什5.0 級(jí)地震前62 天，阿克蘇斷層氫濃度值由8月26 日4 時(shí)的3.24 ppm上升至23 時(shí)的5.48 ppm，上升幅度2.24 ppm，之后轉(zhuǎn)為波動(dòng)下降變化，于9月5 日恢復(fù)至正常背景。斷層氫濃度恢復(fù)至背景值后51 天，距觀測(cè)點(diǎn)114 km 發(fā)生了烏什5.0 級(jí)地震（圖5a）。

圖5 阿克蘇斷層氫觀測(cè)曲線Fig.5 Fault hydrogen observation curves in Aksu

（2）2020年1月16 日庫車5.6 級(jí)地震和1月19 日伽師6.4 級(jí)地震前同樣出現(xiàn)了類似變化，斷層氫濃度值在2019年11月29 日3 時(shí)由3.45 ppm 上升至30 日11 時(shí)的4.86 ppm，于12月2 日波動(dòng)下降至背景值。恢復(fù)至背景值后47 天，距觀測(cè)點(diǎn)300 km范圍內(nèi)先后發(fā)生了2 次中強(qiáng)地震（圖5b）。

（3）2020年4月12 日斷層氫濃度值再次出現(xiàn)快速上升變化，由4月12 日16 時(shí)的2.33 ppm 快速上升至4月14 日9 時(shí)的4.53 ppm，上升幅度2.20 ppm，4月17 日恢復(fù)至背景值。恢復(fù)至背景值后21 天，即2020年5月9 日距觀測(cè)點(diǎn)126 km 發(fā)生了柯坪5.2 級(jí)地震（圖5c）。

從以上震例異常特征來看，3 種震例異常均表現(xiàn)為短臨異常，但異常特征和表現(xiàn)形式完全不同。第1 種波動(dòng)型震例異常特征一般為，異常開始于震前2 個(gè)月左右，表現(xiàn)為濃度值的大幅度波動(dòng)變化，異常持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長，地震一般發(fā)生于斷層氫濃度值大幅度波動(dòng)變化過程中，異常變化幅度相對(duì)較小。第2 種突升型震例異常特征同全國其他臺(tái)站震例相似，異常往往開始于震前數(shù)十天內(nèi)，表現(xiàn)為濃度值持續(xù)數(shù)天的快速上升變化；上升幅度達(dá)背景值數(shù)倍以上，異常明顯，信噪比高，易于識(shí)別，地震一般發(fā)生于高值下降恢復(fù)背景值的過程中。第3 種突升恢復(fù)型震例異常特征同前兩種有所不同，其特點(diǎn)是快速上升持續(xù)時(shí)間短，且地震往往發(fā)生于濃度值恢復(fù)至背景值后。

4 預(yù)測(cè)效能評(píng)價(jià)

R值評(píng)分方法是許紹燮院士于1973年最先提出，幾十年來經(jīng)過地震學(xué)家的不斷完善和改進(jìn)，已被廣泛用于地震預(yù)報(bào)效能評(píng)估中，R值評(píng)分表達(dá)式為[11]：

使用R值評(píng)分法，對(duì)2013年11月9 日—2021年12月31 日阿克蘇斷層氫觀測(cè)5.0 級(jí)及以上地震進(jìn)行預(yù)報(bào)效能評(píng)價(jià)。其中，應(yīng)報(bào)地震總數(shù)為分析時(shí)間段內(nèi)觀測(cè)點(diǎn)周邊300 km 范圍內(nèi)發(fā)生的5.0 級(jí)及以上地震總數(shù)，共計(jì)14 次地震。報(bào)對(duì)地震數(shù)以取得震例異常的地震為準(zhǔn)，總計(jì)8 次地震。預(yù)報(bào)研究總時(shí)間以資料選取時(shí)間段總天數(shù)計(jì)算，共2 975 天。預(yù)報(bào)占用時(shí)間，即異常天數(shù)累計(jì)，總計(jì)324 天。由此計(jì)算阿克蘇斷層氫觀測(cè)點(diǎn)周邊300 km 范圍內(nèi)5.0 級(jí)及以上地震的R值為0.462，R0為0.281，通過預(yù)報(bào)效能檢驗(yàn)（表2）。可以看出，阿克蘇斷層氫觀測(cè)對(duì)周邊300 km范圍內(nèi)5.0 級(jí)及以上地震的預(yù)測(cè)效果較好。

5 討論及結(jié)論

5.1 討論

氫氣在地殼中的分布是不均勻的，在活動(dòng)斷層部位由于巖石破碎釋放的氫和水巖化學(xué)作用產(chǎn)生的氫，使得活動(dòng)斷層附近氫氣相對(duì)集中，加之?dāng)鄬痈浇鼛r石裂隙發(fā)育，這又給深部氫氣向上運(yùn)移提供了通道，因此，在地表活動(dòng)斷層位置可以觀測(cè)到一定的氫氣異常變化[5]。阿克蘇斷層氫由于所處構(gòu)造位置的優(yōu)越性，使得其在觀測(cè)中取得了一些較好的異常實(shí)例。通過不同異常類型同震級(jí)、震中距、異常幅度的關(guān)系（圖6），我們可以看出，第1 種信噪比相對(duì)較低的波動(dòng)型震例異常，其對(duì)應(yīng)的地震震級(jí)均在MS5.2 以下，后兩種信噪比較高的異常震例對(duì)應(yīng)的地震震級(jí)則較大；且異常幅度同震級(jí)具有一定的線性關(guān)系，表現(xiàn)出震級(jí)越大異常幅度也越大。但這種關(guān)系并不是絕對(duì)的，如2020年的庫車MS5.6、伽師MS6.6 地震并未呈現(xiàn)該線性關(guān)系，分析原因可能同地震構(gòu)造類型、震中距等有關(guān)。由此可以看出，不同異常類型同震級(jí)具有較明顯的相關(guān)性，而同震中距、異常幅度的關(guān)系相對(duì)較復(fù)雜。分析引起斷層氫不同異常類型的主要因素應(yīng)同地震所釋放能量大小有關(guān)，一般較小震級(jí)釋放能量相對(duì)較小，巖石發(fā)生破裂變形的程度就相對(duì)有限，進(jìn)而引起巖石破碎釋放的氫和在應(yīng)力作用下水巖化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氫自然也較低，故在觀測(cè)中記錄到的異常類型則以低信噪比的波動(dòng)型異常為主，反之則表現(xiàn)出高信噪比的突升型異常。

表2 阿克蘇斷層氫R 值計(jì)算Table 2 Fault hydrogen R value calculation in Aksu

圖6 異常類型與震級(jí)、震中距和異常幅度之間的關(guān)系Fig.6 Relationship between anomaly type and magnitude，epicenter distance and anomaly amplitude

5.2 結(jié)論

通過對(duì)阿克蘇斷層氫震例異常特征的梳理和總結(jié)，并利用R值評(píng)分對(duì)其預(yù)報(bào)效能進(jìn)行評(píng)價(jià)，可以得到如下結(jié)論：

（1）阿克蘇斷層氫觀測(cè)對(duì)周邊300 km 范圍內(nèi)的中強(qiáng)地震，表現(xiàn)為3 種明顯不同的短臨異常特征。第1種波動(dòng)型異常特征：震前2 個(gè)月內(nèi)濃度值大幅波動(dòng)變化—波動(dòng)中發(fā)震—恢復(fù)至正常波動(dòng)；第2 種突升型異常特征：震前20 天內(nèi)濃度值快速上升（持續(xù)數(shù)天）—轉(zhuǎn)折下降—發(fā)震—恢復(fù)至背景值；第3 種突升恢復(fù)型異常特征：震前2 個(gè)月濃度值快速上升（持續(xù)1—3 天）—10 天內(nèi)恢復(fù)至背景值—恢復(fù)背景值后2 個(gè)月內(nèi)發(fā)震。

（2）阿克蘇斷層氫觀測(cè)對(duì)周邊300 km 范圍內(nèi)5級(jí)以上地震具有較好的預(yù)報(bào)效能，R值評(píng)分達(dá)0.462。

（3）不同異常類型同震級(jí)大小具有一定關(guān)系，一般MS5.2 以下地震表現(xiàn)為低信噪比的波動(dòng)型異常，反之震級(jí)越大則表現(xiàn)為高信噪比的突升型異常。但不同異常類型同震中距、異常幅度之間的關(guān)系是復(fù)雜的，還需進(jìn)一步積累震例加以研究。

地震預(yù)報(bào)迄今為止還是一項(xiàng)未能實(shí)現(xiàn)突破的科學(xué)難題，尤其是短臨階段的預(yù)報(bào)更為困難。由本文的梳理可以看出，阿克蘇斷層氫觀測(cè)對(duì)周邊300 km 范圍內(nèi)中強(qiáng)震表現(xiàn)出了較好的短臨預(yù)報(bào)效能。因此，選取合適的位置進(jìn)行斷層氫組網(wǎng)式觀測(cè)，也許可以獲得一些地震短臨方面的異常信息，從而為地震預(yù)報(bào)的實(shí)現(xiàn)提供可供借鑒的經(jīng)驗(yàn)。