四川姑咱海子泉水氡數(shù)據(jù)動態(tài)特征研究

劉華姣，田思留，張 映，劉 濤，梁 慧，廖紹歡

（1.四川省地震局成都地震監(jiān)測中心站，四川 成都 611730；2.四川省地震局康定地震監(jiān)測中心站，四川 康定 626001）

流體地球化學(xué)成分含量的變化對地下應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)十分靈敏（Roeloffs，1996），是地震前兆研究中的重要手段之一。氡相較于其他流體地球化學(xué)成分能夠更加靈敏地反映地質(zhì)構(gòu)造活動狀態(tài)（李營等，2023）。在1966 年邢臺地震后，我國就開始建設(shè)一系列水化觀測臺站，其中姑咱海子泉水氡自1970 年10 月開始正式觀測，至今已積累50 多年的觀測數(shù)據(jù)。姑咱海子泉位于巴顏喀拉塊體與川滇菱形塊體、華南塊體的交界處，該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造活動強(qiáng)烈，曾發(fā)生多次中、強(qiáng)地震。前人通過分析姑咱海子泉水氡數(shù)據(jù)突跳、破年變、變化速率等，發(fā)現(xiàn)姑咱海子泉水氡觀測數(shù)據(jù)在多次中強(qiáng)地震前都有較好的短臨預(yù)測效能（賀天培，1989；官致君，1999；李志鵬等，2011）。以上分析多為基于原始數(shù)據(jù)的直接分析和計算，而水氡數(shù)據(jù)的干擾變化往往會影響地震前兆異常的識別。本文通過分析姑咱海子泉水氡數(shù)據(jù)與降雨、氣壓、氣溫之間的關(guān)系，利用數(shù)字信號處理方法矯正干擾動態(tài)，并進(jìn)行震例總結(jié)，以期為姑咱海子泉水氡異常識別提供更加可靠的依據(jù)。

1 姑咱海子泉概況

姑咱海子泉位于四川省甘孜藏族自治州康定市姑咱鎮(zhèn)，地質(zhì)構(gòu)造上位于青藏高原東緣的鮮水河斷裂帶南端（圖1a），地處青藏斷塊東部邊緣，鮮水河斷裂帶、安寧河斷裂帶和龍門山斷裂帶交會處。該區(qū)域受高原物質(zhì)側(cè)向擠出和重力滑塌影響，構(gòu)造變形強(qiáng)烈、中強(qiáng)地震頻發(fā)，近年來先后發(fā)生了2008 年汶川MS8.0、2013年蘆山MS7.0、2022 年蘆山MS6.1、2022 年瀘定MS6.8 等多次中強(qiáng)地震。姑咱海子泉以東5 km 為大渡河斷裂，以西10 km 為王母斷裂，其北和南1～2 km 處北西向斷層成組出現(xiàn)，且屬隆起與沉降的交界地區(qū)，構(gòu)造復(fù)雜、斷裂縱橫交錯。泉點處于向北傾伏的雞心梁子背斜核部的第三期中性江咀閃長巖、第四期的酸性瓦斯溝斜長花崗巖體的接觸部位（圖1b；李志鵬等，2011，2015）和大渡河西岸一級階地裂隙發(fā)育的風(fēng)化層上。泉點南側(cè)約5 m 處，出露一口流量約為30 L／s 的下降泉，即姑咱南泉，其東50 m 為標(biāo)高比泉口低15～20 m 為大渡河床姑咱段，其北8 km 處出露核桃灣基巖裂隙泉。據(jù)電測深資料，姑咱海子泉第四紀(jì)堆積物厚13 m，其下為節(jié)理、裂隙發(fā)育的風(fēng)化層，75 m 以下為完整的基巖，主要含水層為花崗巖，含水層深度為20～30 m （四川省地震局，2017）。姑咱海子泉屬天然上升冷泉，水溫年變化為9.5 ℃～12.0 ℃，年水流量為220～400 L／s，水質(zhì)類型為HCO3-Ca 型。

圖1 姑咱海子泉（a）空間位置分布和（b）剖面位置分布（四川省地震局，2017）

2 觀測數(shù)據(jù)干擾動態(tài)變化特征

2.1 年變動態(tài)特征

姑咱海子泉1971—2023 年的水氡觀測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)明顯的周期特征，年變規(guī)律上呈現(xiàn)出“夏低冬高”的形態(tài)（圖2），低值一般出現(xiàn)在5—8 月，高值出現(xiàn)在11 至次年3 月。秋季開始數(shù)據(jù)呈逐步上升趨勢，春季開始數(shù)據(jù)呈下降趨勢。從長趨勢來看，在泉點周緣地震活動較弱的年份水氡觀測數(shù)據(jù)較為平穩(wěn)。而數(shù)據(jù)長趨勢的上升或下降與大區(qū)域的應(yīng)力變化有較好的對應(yīng)關(guān)系，如2004 年該數(shù)據(jù)趨勢上升，2008 年汶川MS8.0 地震后數(shù)據(jù)趨勢逐步下降，與汶川地震前后地下應(yīng)力變化有明顯的相關(guān)性（李志鵬等，2015）。

圖2 姑咱海子泉（a）1971-01-01—2023-07-29 和（b）2016—2019 年水氡原始日均值

2.2 降雨、氣溫、氣壓與水氡關(guān)系

氣象條件的變化會引起地下流體中氡含量的明顯改變（車用太等，2011），其中降雨量是主要的影響因素之一。降雨對姑咱海子泉水氡的影響主要表現(xiàn)為“稀釋”作用，即隨著降雨量的增加，地下水中的溶解氡氣被稀釋，水氡數(shù)據(jù)出現(xiàn)下降變化。氣溫是影響氡氣溶解度的另一項重要指標(biāo)，氣溫增高時，水溫增高，氡氣的溶解度降低，使水氡值有所下降。此外觀測室溫度影響到鼓泡脫氣過程，室溫越高，脫出的氡氣越多，擴(kuò)散器內(nèi)殘留的氡量愈小，儀器最終測得的水氡值也越高。氣壓同樣影響水氡的溶解度和脫氣率，氣壓越高，氡氣的溶解度越大，但鼓泡過程中脫氣也更加困難。

姑咱海子泉水氡與降雨、氣溫、氣壓觀測數(shù)據(jù)曲線對比見圖3a～f，從長趨勢來看，隨著夏季降雨量的增加，水氡觀測值逐步降低，冬季隨著降雨減少水氡觀測值逐步上升（圖3a）。但短趨勢上（圖3b）降雨量與水氡的對應(yīng)關(guān)系并不明顯，水氡值的短期波動變化可能是其他多項因素綜合影響的結(jié)果。氣溫與水氡在長趨勢上存在負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖3c），這是由于夏季氣溫升高氡的溶解度降低，同時夏季降雨量的增加稀釋了水氡含量，因此水氡數(shù)據(jù)呈降低趨勢。從數(shù)據(jù)曲線長趨勢變化形態(tài)（圖3e）來看，氣壓與水氡似乎存在正相關(guān)關(guān)系，但這主要是因為夏季溫度升高引起了氣壓降低，而夏季降雨量的增加才是引起水氡數(shù)據(jù)降低的真正原因，因此在年尺度上影響水氡數(shù)據(jù)動態(tài)變化的主要因素應(yīng)為降雨。而在短趨勢上，姑咱海子泉水氡與氣溫（圖3 d）在月尺度上表現(xiàn)出一定的正相關(guān)關(guān)系，其在無降雨時間段表現(xiàn)尤其明顯，而氣壓則在日尺度上與水氡數(shù)據(jù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。因此短期（幾日至幾個月的時間尺度上）姑咱海子泉水氡數(shù)據(jù)正常動態(tài)變化應(yīng)為氣溫、氣壓等因素綜合影響的結(jié)果。

圖3 姑咋海子泉水氡與降雨量、氣溫、氣壓和氣氡數(shù)據(jù)對比曲線

2.3 其他干擾變化

姑咱海子泉水氡觀測站自1970-10 開始觀測以來經(jīng)歷了多次海子泉點改造、水氡觀測室修繕、觀測儀器更新、K 值變更等，期間由于觀測環(huán)境、觀測系統(tǒng)、人為因素等影響，數(shù)據(jù)存在缺測、階躍等干擾變化（李志鵬等，2011）。如1971-10—1972-01 期間，由于泉點改造，數(shù)據(jù)存在缺測現(xiàn)象；1972-02-05、1977-01-01 和1978-01-01，由于K 值變化，數(shù)據(jù)曲線存在臺階現(xiàn)象（圖4）。

圖4 姑咱海子泉（a）1971-01-01—1972-10-31 和（b）1976—1978 年水氡干擾變化動態(tài)曲線

2.4 氣氡與水氡對比分析

2006 年9 月姑咱海子泉觀測站新增數(shù)字化氣氡觀測手段，此后該泉點氣氡、水氡同步觀測持續(xù)至今已近17 a，為氣氡與水氡對比分析積累了豐富的歷史資料。水氡與氣氡觀測的物理量均為地下水中氡氣含量，但水氡觀測以溶解氡為主，逸出氡為輔，觀測方式是氡射氣進(jìn)入閃爍室后，封存靜置等待放射性平衡后再計數(shù)。而氣氡觀測則以逸出氡為主，在觀測中采用氣體流通方式，即氡氣源源不斷地從閃爍室中流過，采集器定時采集數(shù)據(jù)。一般而言，同泉點觀測水氡含量越高則氣氡含量越高。從數(shù)據(jù)動態(tài)變化特征來看，姑咱海子泉水氡和氣氡趨勢變化較為一致（圖3 g、h），這表明姑咱海子泉水氡觀測值是真實可靠的，在異常分析中兩者可作為佐證手段相互驗證。

3 數(shù)據(jù)干擾動態(tài)矯正

觀測數(shù)據(jù)動態(tài)變化包括因氣象水文環(huán)境、觀測系統(tǒng)故障、人為因素等引起的干擾變化和地震前地下應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)改變導(dǎo)致的前兆異常變化，其中干擾變化往往會影響地震前兆異常信息的識別和判斷，因此在運(yùn)用觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行地震預(yù)測預(yù)報實踐中，須對干擾動態(tài)變化構(gòu)建清晰認(rèn)知。同時為了更好地識別地震異常信息，利用數(shù)字信息處理方法進(jìn)行干擾剔除或數(shù)據(jù)動態(tài)矯正也是十分必要的。

3.1 年變消除

在進(jìn)行年變化信息提取之前，首先對因K 值變化、更換儀器產(chǎn)生的臺階進(jìn)行歸零，隨后通過多項式插值對缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)數(shù)處理，利用傅里葉滑動的方法進(jìn)行年變矯正。傅里葉滑動方法進(jìn)行年變矯正最早應(yīng)用于地電數(shù)據(jù)年變周期成分排除，對于年變周期較強(qiáng)的其他觀測物理量中的年變成分也同樣適用。按照趙躍辰等（1984）的思路計算年變成分，得到矯正后的數(shù)據(jù)形態(tài)如圖5b 所示，即排除了人為因素、儀器系統(tǒng)、降雨干擾后的數(shù)據(jù)形態(tài)。

圖5 姑咱海子泉水氡（a）原始數(shù)據(jù)、（b）去年變后觀測數(shù)據(jù)、（c）14 日滑動平均數(shù)據(jù)和（d）14 日滑動殘差數(shù)據(jù)曲線

3.2 固體潮消除

殘差法是土壤氣氡濃度的連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)異常提取的一種有效的分析方法（Fu et al，2016；Barberio et al，2018；劉兆飛等，2023），其根本原理是利用殘差計算排除周期為14～15 天的固體潮影響。本文將該方法應(yīng)用于水氡數(shù)據(jù)異常信息提取，利用去除年變成分后的姑咱海子泉水氡數(shù)據(jù)進(jìn)行殘差計算，圖5c 為14 日滑動平均處理結(jié)果，圖5 d 為殘差計算結(jié)果。

4 震例分析

由于姑咱海子泉地處幾大斷裂交會的特殊地質(zhì)構(gòu)造位置，該泉點附近曾發(fā)生多次中強(qiáng)地震。本文選取距姑咱海子泉500 km 范圍內(nèi)MS≥7.0 和300 km 范圍內(nèi)MS≥6.0 地震進(jìn)行震例分析。以超過殘差值的2倍標(biāo)準(zhǔn)差作為異常閾值（Fu et al，2016；Shukla et al，2020），異常信息見表1。

表1 姑咱海子泉500 km 范圍內(nèi)MS ≥7.0 和300 km 范圍內(nèi)MS ≥6.0 地震前水氡異常

從表1 可知，對于500 km 范圍內(nèi)MS≥7.0 地震僅2008 年汶川MS8.0 和2013 年蘆山MS7.0 地震前出現(xiàn)超閾值異常，且兩次地震震中距均在200 km 范圍內(nèi)。對于300 km 范圍內(nèi)MS≥6.0 地震，超閾值異常也均出現(xiàn)在震中距在200 km 范圍內(nèi)的地震發(fā)生之前。1981 年道孚MS6.9、2008 年汶川MS8.0、2014 年康定MS6.3 地震前曾多次出現(xiàn)超閾值現(xiàn)象，其中2014 年康定MS6.3 地震的震中距僅為49.01 km，該次地震前出現(xiàn)超閾值異常的次數(shù)最多。2008 年汶川MS8.0 地震震中距為152.29 km，雖然震中距相對較遠(yuǎn)，但該地震沿北東向的龍門山斷裂帶破裂長度達(dá)300 km，其影響的空間范圍廣、量級大，不能以單一的震中距來衡量其震前前兆異常的范圍和特征，汶川MS8.0 地震前的多次超閾值異常可能與造成如此大規(guī)模破裂的震前應(yīng)力應(yīng)變有關(guān)。1981 年道孚MS6.9 地震發(fā)生在鮮水河斷裂帶西北段，此前該段曾發(fā)生1967 年侏倭MS6.8 和1973 年爐霍MS7.9 地震。唐榮昌等（1984）認(rèn)為這幾次地震是在近東西向應(yīng)力作用下，鮮水河斷裂北段由西北向東南完整的破裂過程的結(jié)果，在1973 年爐霍MS7.9 地震后，在道孚附近存在閉鎖段，應(yīng)力不斷在其附近集中。姑咱海子泉水氡含量變化在1981 年道孚MS6.9 地震前的多次超閾值異常是在多次地震作用下，應(yīng)力沿鮮水河斷裂北段由西北向東南不斷調(diào)整的結(jié)果，而1973 年爐霍MS7.9 地震由于其震中距相對較遠(yuǎn)，在震前無明顯異常現(xiàn)象。

存在超閾值異常的，地震幾乎均發(fā)生在龍門山斷裂帶和鮮水河斷裂帶，姑咱海子泉位于龍門山斷裂與鮮水河斷裂交會地區(qū)，其水氡異常與其特殊的構(gòu)造位置存在一定的關(guān)系。而在9 次異常現(xiàn)象中正異常出現(xiàn)6 次，負(fù)異常出現(xiàn)4 次，其中2014 年康定MS6.3 地震前既出現(xiàn)了正異常也存在負(fù)異常。最大異常幅度出現(xiàn)在1975 年九龍MS6.2 地震前，為超過2 倍標(biāo)準(zhǔn)差的0.61。但異常幅度和異常正負(fù)與地震震級、震中距無明顯對應(yīng)關(guān)系，這與地震發(fā)生的構(gòu)造位置、震前應(yīng)力水平變化程度、地下水文環(huán)境以及應(yīng)力應(yīng)變變化導(dǎo)致的復(fù)雜裂隙系統(tǒng)變化有關(guān)，是多種因素綜合影響的結(jié)果。

5 結(jié)論

通過對姑咱海子泉水氡數(shù)據(jù)動態(tài)特征分析，得出以下結(jié)論：（1）姑咱海子水氡數(shù)據(jù)具有“夏低冬高”年變特征，降雨是造成該年變特征的主要因素。（2）氣溫、氣壓會引起姑咱海子水氡數(shù)據(jù)短期動態(tài)變化，而K值變化、泉點改造、更換儀器系統(tǒng)則是造成數(shù)據(jù)臺階、缺數(shù)的主要原因。（3）利用傅里葉滑動方法能夠有效消除年變影響，并降低降雨造成的數(shù)據(jù)干擾。（4）14 日滑動殘差法能夠有效識別姑咱海子泉水氡震中距200 km 范圍內(nèi)MS≥6.0 地震前兆異常信息，該方法可作為姑咱海子泉水氡異常識別的一項有效手段。