新疆泥火山群地震前兆异常实时监测与预报的研究1

高小其 王海涛 郑黎明 李 娜 朱成英 杨晓芳 汪成国 向 阳 梁 卉 麻 荣



新疆泥火山群地震前兆异常实时监测与预报的研究1

高小其 王海涛 郑黎明 李 娜 朱成英 杨晓芳 汪成国 向 阳 梁 卉 麻 荣

（新疆维吾尔自治区地震局，乌鲁木齐 830011）

基于网络技术的视频监控服务，实现了对新疆北天山地区3个泥火山点的实时监测，可在线实时查看泥火山活动情况，分析预报人员依据泥火山活动图像可开展地震预测研究。新疆艾其沟泥火山网络视频监控服务系统扑捉到了2次6级地震前火山液面明显的宏观异常变化现象，这说明基于宽带网络技术的网络视频监控服务，可实现互联网用户使用客户端远程软件连接服务器，实现在线实时查看泥火山活动情况的监控画面，并依据泥火山群地震观测网，捕捉泥火山群地震前兆异常。

新疆 泥火山群 地震前兆 实时监测

引言

目前，网络视频监控系统已经成为实时监控的主流，并且随着基于宽带网络技术的网络视频监控的推广使用，使得电子监控已不仅仅局限于安全防范，而是成为了一种对各行各业都较为行之有效的观测手段和管理资源，其应用领域和灵活性也已经远远超出了传统的安防监控所定义的范畴。

互联网应用的蓬勃兴起，图像压缩编码与流媒体技术的逐步演进，系统处理能力的大幅度提升，都使得数字信息技术作为一项领先的技术手段，在促进网络图像应用，降低产品成本，提高灵活性、可扩充性等方面提供了强大的技术驱动力。而新疆北天山地区泥火山群地震前兆异常实时监测，正是通过网络视频监控系统完成了对北天山地区泥火山群的实时监测。分析预报人员可依据泥火山群观测网的活动情况和经验，系统捕捉泥火山群地震前兆异常。

北天山地区自西向东依次分布着以下泥火山：温泉县泥火山群、乌苏市白杨沟泥火山群、乌苏市艾其沟泥火山、独山子泥火山、沙湾霍尔果斯泥火山（范卫平等，2007）。基于交通、通讯、电力和地球化学特征等因素的考虑，经堪选确定乌苏白杨沟泥火山群和乌苏艾其沟泥火山为观测点。2011年8月完成了新疆泥火山群监测网建设，自监测网运行以来，在监测点周围200km范围内，仅发生过2次6级地震。但在地震发生前，乌苏艾其沟泥火山液面都出现了明显的宏观异常变化现象。新疆泥火山群实施监测的实现，填补了多项研究和监测的空白，改写了中国有关泥火山研究的历史，正引领着泥火山的进一步深入研究。

1 观测点简介

1.1 乌苏市白杨沟泥火山群

乌苏市白杨沟泥火山群位于乌苏市西南43km处。根据笔者2010、2011、2012连续3年的统计，目前有40个泥火山口正在喷发，是目前中国发现的最大规模的泥火山群。这些泥火山口集中在白杨沟镇附近不到0.5km2的范围内，最大的直径达1.6m（44.183°N，84.389°E），小的有如蚕豆大小。泥火山的喷发口呈圆形和椭圆形等不同形状，有的测深达3m以上，地下喷出的天然气和泥浆在喷发口不停地翻腾。其中喷发剧烈的泥火山泉口每分钟喷发超过60次，喷发物有青灰色与褐红色两种，有的喷发物上面还漂浮着黑色的石油。在该处布设有2个实时观测点。

1.2 乌苏市艾其沟双泥火山锥

新疆乌苏艾其沟泥火山为3个24小时连续观测点之一，该泥火山高约8m，而相距10m的双泥火山锥，在构造上位于清水河子断裂与亚玛特断裂的交汇部位。在两座泥火山锥中，南边的喷口直径在1m左右，北边的喷口直径近2m；观测点位于北边喷口处（44.2°N，84.5°E）；最大的泥火山锥锥高15m，具体如图1所示。

1.3 监测点的地球化学背景

地震孕育和发生过程中常伴有泥火山的异常活动。地震能够触发泥火山喷发、地下水喷涌、间歇泉活动。在地震和火山发生前、发生时和发生后一般会出现流体地球化学异常，根据这些地球化学异常可以判断未来地震和火山活动。此外，泥火山气体同位素地球化学异常也可用来研究地震和泥火山活动趋势（杜建国等，2013）。

2011年以来，笔者进行了3次取样，分别完成了对各泥火山的地球化学背景测试。下列数据是2011年6月9日—15日取样后的分析测试结果。

1.3.1 水中溶解气测试结果

根据分析结果，笔者发现在泥火山活跃期，气体成分含量由多到少依次为甲烷、氮气、二氧化碳，同时氦气含量也会明显上升。但在泥火山平静期，气体含量和活跃期明显不同，气体含量最多的两个成分为氮气和甲烷，氮气含量在36—49%，甲烷含量在23—36%；各测点不含氧气或者氧气含量很低；测点的二氧化碳含量基本稳定，大都在12—25%之间；在平静期，气体中氢气、氦气含量为零或者很低。气体测试结果表明，泥火山剧烈喷涌时，深层成分会大幅度增加，从而导致深层气体甲烷、二氧化碳、氦气含量都会大幅度上升（表1）。

表1 泥火山实时监测点水中溶解气测试结果

1.3.2 水质测试结果

各泥火山液体（离心水）矿化度基本分布在8—13g/L，处在咸水和盐水之间；阴离子基本上以Cl-为主；氡含量在2—6Bq/L之间；汞含量在8—20ng/L之间；测点中都含有硫化氢气体或者硫化物。上述离子测试结果表明，泥火山液来自地层深处（表2）。

表2 泥火山实时监测点水质测试结果

续表

水质（mg/L）乌苏白杨沟1（监测）乌苏白杨沟2（监测）乌苏艾其沟（监测） K++Na+2875.022728.421102.83 硫化物5.495.491.10 电导率10.29.95.6 干渣（g/L）8.868.6084.688 汞含量(ng/L)15148

1.3.3 固体测试结果

在泥火山喷发泥浆中已检测的非金属元素中，硅、硫、氟元素百分含量相对较高，而金属元素中，铁、钙元素百分含量相对较高；同时汞含量相对比较高，但是还没有到污染的程度（表3）。

表3 北天山地区泥火山固体分析结果（单位：%）

1.3.4 同位素测试结果

根据δ13CCH4和δ13CCO2测值显示，除了温泉县泥火山点外，其余各点测值基本接近，说明这些泥火山可能具有同源或者同因性。3He/4He值测试结果显示，北天山地区的泥火山R/Ra值，均显示为壳源气体。而独山子和沙湾霍尔果斯泥火山R/Ra值显示，其气体来源相对更深层（表4）。

表4 北天山地区泥火山同位素分析结果

1.4 监测点周围的地质构造情况

新疆乌苏艾其沟泥火山位于准噶尔盆地南缘的新疆乌苏市境内。准噶尔盆地是晚古生代至中、新生代多旋回叠合盆地，其上沉积石炭纪、二叠纪、三叠纪、侏罗纪、白垩纪、第三纪和第四纪地层。下部为前寒武纪结晶基底，上部为晚海西期（泥盆～早中石炭世）的褶皱基底。艾其沟泥火山在构造上位于准葛尔南缘断裂与亚玛特断裂的交汇部位（图2）。

2 观测系统概况

在泥火山群（点）观测监控现场，通过专线方式可监控现场的泥火山群活动，并由宽带网络将信息传送至远程监控中心（新疆地震局、乌苏市地震局或因特网到达的地方都可以）；监控中心随时可查看泥火山探头所辖范围内的所有泥火山活动信息（图3）。

在地震会商监控中心，具有权限的值班人员可以实时浏览辖区内的泥火山监控媒体信息，控制管理辖区内的系统资源。同时，监控中心作为系统的媒体管理平台，实现就近存储和分发辖区范围内的媒体信息，可有效地降低监控系统承载网的压力。为确保重要的监控资料和媒体信息的安全性，除了在乌苏市地震局存储外，还在新疆地震局前兆台网中心同步存储，从而可降低网络压力和信息存储风险。

2.1 远程监控中心

在地震会商监控中心，用户可实现查看辖区内的监控信息，并且可以通过鼠标、PC键盘等多种方式进行视频切换显示、云台镜头控制等操作；具有权限的用户，能够查询相关的录像信息，进行本地回放等操作。

2.2 监控现场

监控现场主要由多媒体接入单元、摄像机等主要设备组成。监控现场担负着监控系统的媒体数据采集和控制命令的执行部分。主要完成视频及其他告警信息的采集、编码、压缩和传输，摄像机的控制和报警的输入/输出工作。

监控现场的作用是根据要求实时采集监控点的视音频等媒体信息，并将模拟信息进行编码，压缩成数字媒体信息。同时，媒体信息通过网络发送到监控中心的媒体转发单元，进行存储和分发，实现集中存储和远程浏览。

从监控现场设备安全方面考虑，室外摄像机采用配有高强度防护罩的防暴摄像机，可有效防止外力损坏，在充分考虑监控现场的实际需要后，选用低照度的彩转黑高速球机的摄像机；室外的多媒体接入单元，配备了高强度室外专业安装箱，在抵御外界暴力破坏的同时还能自动控制箱内温度，且具有良好的防尘、防潮、防水功能，保证了现场多媒体接入单元或光端机的正常工作；在视频、电源及信号线等传输线缆处理方面，采用质地优良的PVC管进行保护，并且隐藏在安装支架内部，可避免传输线路遭受破坏。

2.3 监控数据的存储与处理

对监测数据的存储，系统多媒体接入单元具有强大的存储功能，单台设备最多支持1—8块硬盘，能够满足泥火山监控现场视频长时间存储的要求。同时采用多媒体接入单元存储方案，有效地解决了监控点通讯线路故障或者接入带宽不足而造成的媒体信息丢失问题。

2.4 观测系统的网络维护

对于观测系统的网络安全，采样通过多个设备之间负载分担以及冗余备份方式以保证网络的安全性与可靠性。同时，监控系统相关设备内置专用自检安全工具，对可疑的入侵自行拒绝且上报网管系统。启用防火墙设备、网络安全软件，实时监控整个网络的运行状态，以保证网络安全可靠运行。

2.5 基于视频监测系统对泥火山活动异常的判定

分析预报人员可以通过远程视频监控对泥火山活动情况进行实时查看。目前可通过观察泥火山口内泥浆液面的高低以及每分钟鼓泡的频率，对火山活动情况以及异常进行宏观判定。泥火山活动相对平静时，泥浆的液面会低于火山口，鼓泡频率大约为20—30个/分钟；泥火山活动剧烈时，泥浆会不断喷涌，泥浆甚至会流出火山口并顺火山口流出数10m，鼓泡频率会增加到30—50个/分钟。

3 两次6级地震前泥火山宏观异常现象

新疆乌苏艾其沟泥火山为3个24小时连续观测点之一。自2011年8月底开始观测以来，在监测点周围200km范围内共发生过2次6级地震，分别为2011年11月1日新疆尼勒克6.0级地震（震中距170km）和2012年6月30日在新疆新源、和静6.6级地震（震中距92km）。在2次6级地震发生前，新疆艾其沟泥火山液面都出现了明显的“背景值—上升—转折—下降—背景值”的显著宏观异常变化现象（王海涛等，2014）。

3.1 2011年11月1日新疆尼勒克6.0级地震

自2011年9月22日起，乌苏艾其沟泥火山观测点的泥浆出现明显外溢现象，这种溢出变化一直持续到9月30日；进入10月以后，艾其沟泥火山观测点的液面开始逐渐下降，在持续下降过程中，2011年10月16日新疆精河首先发生了5.0级地震（44.3°N，82.7°E）；15天后的2011年11月1日新疆伊犁哈萨克自治州尼勒克县、伊宁县、巩留县交界处（43.6°N，82.4°E）又发生了6.0级地震，震源深度为28km。至11月底，泥火山液面缓慢恢复至背景值（图4、图5）。

3.2 2012年6月30日6.6级地震

从2011年12月10日起，艾其沟泥火山观测点的泥浆再次出现明显外溢现象，这种溢出变化一直持续到2012年3月；进入2012年4月以后，艾其沟泥火山观测点的液面又开始逐渐下降。在持续下降过程中，发生了2012年6月30日距离艾其沟泥火山观测点92km的新疆伊犁哈萨克自治州新源县、巴音郭楞蒙古自治州和静县交界处（43.4°N，84.8°E）的6.6级地震。在地震发生前后，艾其沟泥火山口液面又再次出现了6.0级地震前后的类似变化（图6、图7）。

4 认识与讨论

4.1 因地制宜，开展适宜新疆地质条件的前兆监测

泥火山是特定地质构造及水文地质环境下的一种构造流体地质现象。泥火山的出现通常与生油气带有关，某些地区的地表或近地表有天然气或者地下水，而地层是比较松软的泥岩，当地层受到地下压力时，比较松软的物质就会沿着裂缝或断层上升，并在地下水或天然气的挟带下穿透地表的空隙喷出，将携带的泥沙等溅落到地面，形成泥火山。由于泥火山喷发时可以将大量有价值的信息带到地表，因此，不少科学家将泥火山称为深度可达12km的“天赐钻井”（高小其等，2008；李锰等，1996；王道，2000）。

泥火山所在的北天山地区是新疆经济发展的核心区域，也是2006—2020年全国重点监视防御区。仅1900年以来，该地区就发生过7级以上地震4次、6级地震17次、5级地震104次，该地区目前地震前兆监测点密度很低。新疆艾其沟泥火山在2次6级地震前的类似显著宏观异常变化，进一步验证了泥火山具有较好的映震灵敏性。因此，因地制宜地加大新疆地区的泥火山监测，比如可以考虑在多个泥火山口增上甲烷、氦气、氡气等观测，这将对新疆地区、尤其是北天山地区中强以上地震的震情跟踪起到积极作用。

4.2 丰富了对地震宏观异常的跟踪手段

新疆艾其沟泥火山网络视频监控服务系统扑捉到了2次6级地震发生前火山液面都出现了明显的宏观异常现象，这说明基于宽带网络技术的视频监控服务，可实现互联网用户使用客户端远程软件连接服务器，以达到在线实时查看宏观异常的监控画面，并依据已有的观测经验，该系统应用到对地震宏观异常的短临跟踪中，丰富了对地震宏观异常的跟踪手段。

4.3 泥火山研究有待深入

北天山地区分布着众多泥火山，地球化学成因显示上述多座泥火山具有同源或同因性。但是，其在地震前的宏观喷发显示差异很大，这一现象的存在，说明对泥火山的研究还需更加深入和全面。

陈志（2014）在2012年6月30日新源6.6级地震的震前（6月26—27日）、震后（7月1—3日）对白杨沟和艾其沟泥火山进行过考察，并对采集的样品进行了化学分析测定后发现，两处泥火山的水化学参数在地震前后都出现了异常变化，其中多项测值与笔者2011年测试的背景值有显著的不一致。分析其原因，可能是地震孕育中随着区域应力的加强，使孕震区及其附近的岩层发生了变形，导致封闭构造中流体的孔隙压力增大或孔隙塌陷，从而造成来自不同源区流体的混合或者喷发，形成观测区的流体地球化学异常现象。由此笔者认为，白杨沟和艾其沟泥火山在震前出现的喷发以及水化学参数的异常变化，应归因于地震孕育时的区域应力不断增强，促使泥火山打破原有的周期活动而喷发，导致泥水的水化学参数的异常变化。

目前，随着中国地震局援疆政策的启动，中国地震局地质研究所、中国地震局地震预测研究所和中国地震局地壳应力研究所也分别建立了所长基金，帮助新疆开展泥火山与地震、泥火山地球化学成因和泥火山喷发轮回机制等研究。随着上述研究的深入和项目的完成，必将在一定程度上提升新疆地区泥火山地震监测和成因机理的研究推进。

陈志，2014．2012年6月30日新源S6.6地震前后北天山泥火山及温泉的水化学变化．地震，34（3）：97—107．

杜建国，周晓成等，2013．北天山泥火山对2012年6月30日新源-和静S6.6地震的响应．地震学报，35（6）：876—887．

范卫平，郑雷清等，2007．泥火山的形成及其与油气的关系．吐哈油气，12（1）：43—47．

高小其，王海涛等，2008．霍尔果斯泥火山活动与新疆地区中强以上地震活动关系的初步研究．地震地质，30（2）：464—474．

李锰，王道等，1996．新疆独山子泥火山喷发特征的研究．内陆地震，10（4）：359—362．

王道，2000．新疆北天山地区泥火山与地震．内陆地震，14（4）：350—353．

王海涛，高小其，李志海等，2014．新疆6.0和6.6两次地震前近场泥火山宏观异常现象．地震学，6（1）：139—145．

Real-Time Mud Volcano Group Monitoring and Earthquake Precursor Anomaly Analysis in Xinjiang

.Gao Xiaoqi, Wang Haitao, Zheng Liming, Li Na, Zhu Chengying,Yang Xiaofang, Wang Chengguo, Xiang Yang, Liang Hui and Ma Rong

(Earthquake Administration of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Urumqi 830011, China)

Video monitoring service based on the network technology, realized 3 mud points of real-time monitoring in the north Tianshan region of Xinjiang. By real-time online check of mud volcano activity, we are able to detect earthquake precursor anomaly on the basis of mud volcano activity image. Two remarkable phenomenon of macroscopic anomalies before6 earthquake volcanic have been found from Aiqigou network video monitoring system. With application of broadband network technology of network video monitoring system, we could connect the server to achieve real-time online check mud volcano activity monitor screen, and to capture the mud system observation as the possible precursor anomaly.

Xinjiang; Mud volcano group; Earthquake precursor; Real-time monitoring

国家自然科学基金（40962006）和地震科技星火计划公关项目（XH1029）联合资助

2014-09-25

高小其，男，生于1966年。研究员。主要从事地震地下流体监测、预报和泥火山等研究工作。E-mail：gaoxq06@126.com

李娜，女，生于1986年。助理工程师。主要从事地震地下流体监测预报工作。E-mail：lina_xiaopang@163.com