姑咱台气氡测值异常与地震预报探讨

李志鹏, 赵 冬, 袁 梅

(四川省地震局康定地震中心站姑咱水化综合台，四川 姑咱 626001)

姑咱台气氡测值异常与地震预报探讨

李志鹏, 赵 冬, 袁 梅

(四川省地震局康定地震中心站姑咱水化综合台，四川 姑咱 626001)

总结了姑咱台气氡观测资料的使用情况、存在的问题，对姑咱地震台气氡观测值的年、月、日动态变化和仪器干扰进行了分析，并对姑咱台气氡观测值在汶川8.0级地震、玉树7.1级地震、芦山7.0级地震以及康定6.3级地震前的异常进行了分析，讨论了姑咱气氡观测数据的映震效能，认为：姑咱气氡观测值在周围几次强地震前异常形态的相似性和震后形态恢复的差异性，均表明姑咱气氡观测值异常变化能够真实地记录周围强地震所处断裂带的应力变化，具有很好的映震效能，可作为地震预报的可靠依据。

气氡观测值；姑咱地震台；映震效能；地震预报

地震地下流体是指与地震孕育、发生和构造活动有直接联系的、赋存于地壳岩体空隙中的水、气、油等物质。大陆地下流体前兆的物理力学机制，主要是基于强震孕育的动力学原理，即在区域应力作用下，当地壳介质受到力的作用而发生变形破坏时，赋存于介质中的流体会在动力作用、热力作用和化学作用下发生动态变化。氡是一种放射性气体，是镭衰变的中间产物，氡在岩石的孔隙和裂隙中以自由氡、吸附氡和封闭氡的形式存在。实验证明[1，2]，氡反应灵敏，当受到外界的压力、振动等作用时，氡容易从其赋存的介质中逃逸出来，因此，当地下应力发生变化时，地下水中的氡浓度会出现不同程度的变化，这就是氡观测的依据。氡作为地下流体学科的敏感组分，是地震科学研究中观测时间最长、研究最广泛的地下流体项目之一。

地下水中气体的动态变化监测是地下流体地震前兆监测的主要手段之一。由于地下水中逸出气参与地下水的循环，而且气体对地下深处的应力—应变反映灵敏，会向压力减小的方向迅速运移，携带的信息量也较为丰富[3]，因此受到地震科研人员的重视。自20世纪70年代以来，国内外地震学者为了实现数字化氡的观测，曾研制了不同种类的脱气装置[4]。“九五”、“十五”期间，我国部分水氡观测仪器得到数字化改造，近年来已完成了模拟观测向数字化观测的转变。对姑咱台数字化气氡观测的现状的初步分析，希望能对该项观测技术在今后地震监测预报中发挥更好的作用提供一些参考。

1 测点概况

姑咱海子泉位于四川省康定县北东方向的姑咱镇，地处北西向鲜水河断裂带、北东向龙门山断裂带和南北向安宁河断裂带的复合部位靠北地段，位于鸡心梁子背斜的核部第三期中性江咀闪长岩和第四期的酸性瓦斯沟斜长花岗岩体的接触部位，主要含水层为花岗岩。泉点向东距大渡河430 m，属天然上升冷泉，水温9.5～12.0℃,流量220～400 L/s，水质类型HCO3-Ca型，是监测鲜水河断裂带地震的“敏感点”。姑咱海子泉于1970年10月开始水氡观测，40年来，姑咱水氡先后经历了甘孜及邻区5.0级以上地震10多次。几乎每次地震前姑咱水氡观测值均有不同程度的临震异常和趋势异常，特别是1973年炉霍7.9级地震和1976年松潘—平武7.2级地震前，姑咱水氡观测值所表现出的临震突跳异常，说明姑咱海子泉位于地下应力较强的敏感地段，其水氡观测值的变化能间接反映地下应力情况，有较强的映震能力[5]。

2007年8月姑咱气氡数字化改造通过验收后正式投入观测，观测仪器为SD-3A型自动测氡仪，数据采用整点值。2008年5月12日汶川MS8.0级特大地震和2010年4月14日玉树MS7.1级地震前姑咱气氡均出现了较明显的震前异常变化，2013年4月20日芦山7.0级地震前姑咱气氡也出现了测值的较大变化，但这种异常变化同之前汶川8.0级地震和玉树7.1级地震前姑咱气氡表现出来的变化有较大差异。然而姑咱气氡偏低的背景值又让国内流体专家感到十分困惑，为了搞清姑咱气氡背景值偏低的原因， 这里对姑咱气氡观测资料作了全面的整理，排除了仪器故障和观测环境变化对观测造成的影响，分析了姑咱气氡观测值在周围几次地震前的异常变化，讨论了姑咱气氡数字化改造后的仪器工作状况及其映震效能。

2 姑咱气氡资料分析处理

数字化气氡观测的对象是逸出氡，它既包含有地下水自深部向浅部运移过程中由于温度、压力降低自然逸出的氡气，也有经过气水分离装置脱出的部分溶解气体中的氡，目前测的是混合气体的氡含量，采用SD-3A自动测氡仪(仪器本底为每分钟20个脉冲)观测，整点采样、自动测试，每日产出24个时值[6，7]，其浓度单位虽然也为Bq/L，但含义为每升气体中氡的含量。

2.1 气氡的动态分析

姑咱数字化气氡观测资料主要有脉冲和突变(台阶变化)2种大的变化，对观测资料进行分析后发现，造成这2种变化的主要原因是电压瞬间不稳、突然断电、脱气装置故障(或气量不足)、传输等问题，而不是地震前兆异常。整体来看，姑咱气氡观测资料的稳定性较差，但当台站周围中强地震较多时其气氡测值也相对较高，当气氡测值较低时(接近0)，台站周围的中强地震也较少，这是否也说明姑咱气氡与周围中强地震相关性较高呢(见图1)。

图1 姑咱台气氡观测曲线

1)气氡的年动态分析

对观测资料相对稳定的气氡测点以月均值为基础绘制气氡年动态曲线，其形态变化有一定的规律性，多数为“夏低冬高” 型与“平稳波动”型。年变形态特征有利于识别中强地震前可能出现的以破年变为标志的中期前兆异常[10]。

2)气氡的月动态分析

气氡的月动态曲线是以日均值为基础绘制而成的。自有观测以来的月动态特征分析结果表明，月动态类型多样，月变幅不等，表现出较大的不稳定性。月动态具有起伏的特征，其规律性不明显，变化幅度也偏大。这样的特征，根据以往的水氡震例，是不利于识别地震前的阶变、脉冲等短期或短临前兆异常的[8，9]。

3)气氡的日动态分析

气氡的日动态曲线是以时值为基础绘制而成的，其日动态特征是不稳定的，且变幅较大。多数测点的日变幅往往比月变幅大，说明观测系统本身存在不稳定性。气氡日动态观测曲线的不稳定会严重影响气氡观测在地震前兆监测中的效能。根据以往水氡震例总结出来的前兆异常形态及幅度等特征[10]，在这样不稳定的气氡日动态观测曲线中是很难识别出脉冲、阶变等短临前兆异常的[11]。

2.2 观测仪器干扰情况及分析

2007年11月17日前姑咱气氡观测数据变化较大，8月12日气氡仪主机故障，23日更换主机，更换主机前后数据一致性较好(图2)。2007年11月17日原观测水管堵塞，无法观测，随后更换进水管，测值突降到零附近。至2008年1月，通过对姑咱气氡测值突降原因的查找，并多次向仪器生产厂家和地下流体组专家请教，对仪器水路、气路和仪器状态等进行多次检查调整，确认仪器各观测环节和仪器状态都正常，泉点氡测值仍然偏低。2008年2月开始，观测环境和仪器设备没有过变动，每季度检查仪器，仪器正常，2007年到2014年多次标定仪器，仪器正常，仪器K值无明显变化。

图2 姑咱台气氡2007年11月至2008年2月观测曲线

2007年11月后姑咱台气氡测值偏低，分析原因可能有以下几个方面：

1)姑咱海子泉为天然出露泉点，泉点出露面积达80多平方米，泉点有多个涌水点。而原观测进水管引水位置和更换后进水管的引水位置不同，造成更换引水管前后气氡测值产生差异。

2)原引水管是“十五”数字化改造时用50 cm×50 cm喇叭口接直径25 mm镀锌钢管通过虹吸方式引到仪器，而更换后的引水管是2007年11月通过埋地直接引入仪器的，两者引水口位置、喇叭口大小、引水方式的不同，再加上泉点氡浓度偏低，仪器脱气装置脱气效率低等因素，造成姑咱气氡观测在更换引水管后测值突降。

3)2012年3月25日到9月25日对姑咱海子出水点A、B处用相同仪器进行了不同引水管、脱气装置的交叉对比观测。2012年9月26日起用出水口B处作日常观测。

4)清洗和更换脱气装置气管，对观测结果影响很大，通常会引起数据突升。

3 姑咱气氡观测的映震效能分析

1)2008年5月12日汶川8.0级地震

在对收集到的观测资料进行分析后，发现汶川地震前姑咱测点气氡测值为缓慢上升的高值异常(图3a)。2008年5月7日18时姑咱气氡在近半年低值波动后测值突然上升，震前最大上升幅度达到12.5 Bq/L，在达到最大变化幅度后氡值回返减小，5月11日出现小幅波动， 5月12日14时28分在距姑咱海子泉点直线距离160 km的汶川发生了8.0级特大地震。

2)2010年4月14日玉树7.1级地震

2010年4月8日姑咱气氡测值在近4个月的低值波动后突然上升，4月9日小幅回返，4月11日继续上升，震前最大上升幅度达到21.7 Bq/L ，4月14日距姑咱直线距离620 km的玉树发生了7.1级强地震(见图3b)。

图3 姑咱台气氡震前异常曲线

分析姑咱地震台气氡观测曲线在汶川8.0级地震和玉树7.1级地震震前异常形态相似，均为低值波动后出现高值突升，并在震前出现小幅波动。表明姑咱气氡测值在周边地区强地震前的异常真实反映了发震断裂带地下应力变化，异常引起的氡浓度变化具有可统计性；汶川8.0级地震震前气氡测值突升，震后继续上升，玉树7.1级地震震前气氡测值大幅度突升并在震前达到最大值，震后逐渐恢复，2次强地震后姑咱气氡测值异常变化形态存在差异性，分析其差异原因认为：汶川8.0级地震发生在大型逆冲断裂龙门山断裂带，玉树7.1级地震发生在巴颜喀拉块体南部的右旋走滑型金沙江—鲜水河断裂带，而姑咱海子泉点位于鲜水河断裂带和龙门山断裂带的交汇带上，该泉点是反映龙门山断裂带和金沙江—鲜水河断裂带地下应力变化的敏感点，但由于逆冲型断裂与右旋走滑型断裂在强地震时的应力释放与强地震后的应力恢复方式不同，所表现出的气氡浓度变化的差异正是姑咱气氡测值在这2次强地震中异常变化的最好解释，表明姑咱气氡观测具有很好的映震效能。

3)2013年4月20日芦山7.0级地震

芦山7.0级地震是在2012年9月26日姑咱气氡更换引水管后观测到的1次强震，地震发生在龙门山断裂带，距观测泉点80 km。地震前两个月姑咱气氡测值一直处在较大的波动中,波动幅度为0.0～15.0 Bq/L，4月2日12时开始，姑咱气氡测值出现突升，最大值达到31.3 Bq/L，之后小幅度波动，4月20日发生芦山7.0级地震。汶川8.0级地震和芦山7.0级地震都发生在大型逆冲断裂龙门山断裂带上，2次地震前姑咱气氡测值都出现了类似的异常变化，但又有所不同，相同的是2次地震都发生在气氡测值大幅度上升后一段时间内,其中汶川地震是在测值升高后1周发震,而芦山地震是在测值升高18天后发震；不同的是汶川地震前气氡测值一直稳定在0.5 Bq/L左右，而芦山地震前气氡测值在15.0 Bq/L内上下波动。也说明引水管B处能更敏感地感受到地下应力的变化，并通过其测值表现出来(见图4)。

图4 姑咱台气氡在芦山地震和康定地震前异常曲线

4)2014年11月22日康定6.3级地震和11月25日5.8级地震

2014年11月22日康定6.3级地震前后，距震中46 km的姑咱气氡观测引水管A处与引水管B处都没有观测到明显的异常变化，2008年2月27日康定5.1级地震前后，引水管A处也没有观测到数据的异常变化。11月25日康定5.8级地震前8小时引水管B处观测到了数据的异常变化,而引水管A处没有。(见图5)更进一步说明引水管B处的映震效果更好，观测效果优于引水管A处[12]。

图5 康定6.3级和5.8级地震时姑咱气氡观测曲线对比

4 讨论与结论

1)姑咱气氡观测低背景值是泉点自身的情况反映。2)姑咱气氡在汶川8.0级、玉树7.1和芦山7.0级强地震前出现的突变异常，是在排除仪器故障和观测环境变化后得出的结论，其异常真实可靠。姑咱气氡观测在几次强地震前异常形态的相似性和震后恢复的差异性，均表明姑咱气氡异常变化能够真实反映强地震所处断裂带的应力变化，表明姑咱气氡观测具有很好的映震能力。特别是当姑咱气氡测值升到20 Bq/L以上时，台站周围300 km范围内发生5.0级地震的可能性比较大。3)姑咱气氡测值在康定6.3级地震前没有明显的异常变化,而在康定5.8级地震前几小时又出现了一些异常变化,说明地震预报的复杂性,没有一种观测项目能在每次地震前都发现异常,只能通过各学科各测项的综合分析才能提高地震预报的可靠性。

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Abnormal changes of the gas radon data in Guza Seismic Station and the earthquake prediction

Li Zhipeng,Zhao Dong,Yuan Mei

(Hydro-chemical comprehensive observatory, Guza Seismic Central Station, Earthquake Administration of Sichuan Province, Sichuan Kangding 626001, China)

We first discuss the observation data of the gas radon and problems in Guza Seismic Station and then analyze interferences included in the dynamic changes and caused by observation instrument. The observation data show some of abnormal changes before the 2008 WenchuanM8.0 Earthquake, the 2010 YishuM7.1 Earthquake, the 2013 LushanM7.0 Earthquake and the 2014 KangdingM6.3 Earthquake. The responsive effects included in these observation data in Guza Seismic Station are discussed in this article. We think that the observation data changes can response near earthquakes with magnitude of 5.0 or greater occurred around Guza. The observation data restore to the original state after the earthquakes. So we think that the observation data from Guza Seismic Station can response the stress changes of the geological structure nearby regions. We predict the possible earthquake around.

gas radon observation; Guza Seismic Central Station; responsive effect; earthquake prediction

2015-04-10

中国地震局“三结合”课题项目资助

李志鹏(1972-)，男，四川省汉源县人，高级工程师，主要从事地震地下流体观测与研究.

P315.72

A

1001-8115(2015)04-0024-05

10.13716/j.cnki.1001-8115.2015.04.006