新疆库尔勒断层氢气浓度的影响因素及其地震预测的潜在效能评价

向阳 孙小龙 高小其 朱成英 李娜

1）中国地震局地壳应力研究所地壳动力学重点实验室，北京市海淀区安宁庄路1号 100085

2）新疆维吾尔自治区地震局，乌鲁木齐市新市区科学二街338号 830011

0 引言

地球内部气体在温压梯度差及浓度差的作用下，不停息地向地表大气逸出（杜乐天等，2005）。断层活动及地震孕育过程中，地下介质条件在应力应变作用下改变，造成岩体变形破裂或发生化学反应而导致地球放气异常（Lombardi et al，2010；杜建国等，1997），而在各种气体中，氢气（H2）最为活跃，其具有质量最轻、半径最小、迁移速度快及穿透性极强的特性（车用太等，2015；Whiticar，1999），被看作是可用于地震预测的最灵敏的地球化学组分之一（张培仁等，1993），同时，也被认为是最有希望在短临地震前兆异常中获得突破的测项（车用太等，2002；刘耀炜，2006）。

国内外学者关于H2浓度与地震间关系方面的研究已有近40年的历史，粟启初（1992）通过实验说明了断层逸出H2对地震的诱发作用；杜乐天（1999）提到前苏联在1970年达格斯坦6.7级地震前记录到了幅度高于正常背景值5～6个数量级的H2浓度高值异常；杉崎隆一等（1986）在1983年日本海中部7.9级地震时观测到断层处幅度高达7.8%的H2浓度高值异常；黄学等（2008）研究H2浓度与地震间关系时发现，塔吉克斯坦共和国2次6级地震前后均出现H2浓度的变化。大量实践及研究表明，H2浓度在地震前的异常非常显著，异常幅度较大，且多具有短临异常特性。因此，开展H2观测及其浓度动态变化特征研究，是探索地震监测与短临预测研究的重要途径之一（车用太等，2015；刘耀炜，2006）。

新疆天山中段为近几年年度重点危险区之一，也是重要的地震监视区，具有地震多、地下流体观测点少的明显特征。为加强该区域的震情跟踪工作，2013年11月在中国地震局地壳应力研究所援疆项目的支持下，地下流体学科组在库尔勒地震台霍拉山断裂上开展了断层H2浓度连续观测。断层H2观测仪器为杭州超距科技有限公司研制的ATG6118H痕量H2在线自动分析仪，该仪器观测精度较高，稳定性较好（车用太等，2015），仪器自带环境气温传感器和气压传感器，既满足了断层H2浓度连续观测的要求，又得到了与观测值同步的温度、气压数据，从而有利于对断层H2观测资料的干扰因素进行分析，得到更为准确的断层H2浓度变化观测结果，为地震监测与预测提供可靠的数据基础。

自观测以来，库尔勒断层H2浓度资料连续可靠，但浓度变化幅度不稳定，到目前为止，尚未对其进行过系统的分析。本文通过对比温度和气压观测数据，对库尔勒断层H2浓度动态变化及影响因素进行了深入分析，并依据现有的观测资料及其周边地震活动情况，用Molchan图表法对该测点的断层H2浓度观测资料进行预测效能定量化的评估与检验，进而获取具有前兆指示意义的地震预测指标，以期为今后该地区的震情跟踪及地震形势判定提供可能的判定依据。

1 观测点概况

图1 库尔勒断层H 2观测点构造简图与地震震中分布

库尔勒断层H2观测点在库尔勒台地形变前兆综合观测“U”形山洞内，在库尔勒跨断层形变仪旁，与形变观测共用一个观测室。该观测点地处库尔勒市北的霍拉山，构造上处于北轮台-辛格尔断裂与兴地断裂的交汇部位（图1）。北轮台断裂位于新疆天山南麓与塔里木盆地北缘的交汇部位，整体呈现NWW-EW向展布，全长约300km，断层面呈N倾，倾角50°～80°，是一条逆冲兼左旋型断层，该断裂分为2支（姚远等，2015）。断层 H2观测点所在区域属于北轮台断裂的北支断裂，自铁门关水库向东，与辛格尔断裂相连，长约100km，整体呈近EW向展布。探槽剖面结果显示，该断裂所在区域花岗岩基岩岩体与第三系地层（N）、第四系沉积物之间都呈现出不整合接触，倾向177°～190°，倾角36°～41°，断层向北逆冲错断第三系砂砾岩及含砾泥岩层，并推覆到晚更新世洪积角砾岩之上，断裂的垂直断距较大，达几百米到上千米，在地表形成大型清晰形变带，说明断层有不同程度的活动（罗忠福等，2002；姚远等，2015）。该处岩体破碎，易富集和贮存气体，经现场实地勘选，库尔勒台地形变观测区域所在断裂带上土壤气氡和气汞浓度较高，是理想的断层气观测点，可以进行断层H2连续观测。

断层H2观测孔由人工开挖，孔深1.7m，裸孔直径1.0m，开挖至基岩。观测孔内放置1根直径 250mm、长 135cm的 PVC管，管底50cm打有气孔（孔径 10mm），连接集气花管。PVC管上部通过4个变径管头（长35cm）相连，连接处用PVC胶粘接，直径最终变为25mm，而后用橡皮管塞密封，将 H2观测软管插入橡皮管塞中，为利于气体通过，在集气管周围50cm铺设一层透气性好的砾石层，而后将沙石回填，孔表层用水泥沙浆（5cm）密封（图2）。

图2 集气装置示意图

2 库尔勒断层H 2浓度影响因素分析

已有研究表明，H2浓度的动态变化具有较强的映震灵敏性，尤其是短临阶段的映震能力优于其他测项（车用太等，2002；张培仁等，1993）。但H2浓度异常并非都是地震前兆异常，其动态变化也受到一些干扰因素的影响，其中，气象因素为主要干扰因素，如气温变化可以引起近地表岩石热弹性应变周期变化，进而使岩石裂隙中的气体浓度发生周期性变化（杜建国等，1997）；气压变化可以改变岩石孔隙中的压力梯度及断层中气体的迁移，造成断层气浓度发生变化（曹玲玲等，2014）。这些因素都可以使H2浓度具有规律的年变和不规则的突变，因此，识别库尔勒断层H2浓度观测数据的影响因素，研究H2浓度变化与地震活动间的关系，提取定量化的H2浓度异常判别指标，可为地震的短临预测提供相应的参考依据。

2.1 库尔勒断层H 2浓度变化特征

库尔勒断层H2观测始于2013年11月，自观测以来，数据连续稳定。图3、4（a）分别为库尔勒断层H2浓度、气压、温度变化及H2浓度年变化。由图3、4可见，库尔勒断层H2浓度变化的基本特征为：年变规律较为明显，呈现冬高夏低的变化趋势，即在每年1～3月、11～12月测值最高且变化稳定，幅度基本在1.2×10-6左右；在4～6月断层H2浓度下降，9～10月浓度上升，下降上升变化期间的幅度波动范围较大，测值在0.7×10-6左右；在7～8月H2浓度测值降到最低（图 3（b）），测值变化多在 0.1×10-6～0.2×10-6之间。

图3 库尔勒断层H 2浓度、气压、温度变化

由图3还可见，断层H2浓度日变形态无明显规律性，存在单峰、双峰、多峰甚至无日变等多种变化形态，但相比而言，库尔勒断层H2浓度日动态变化与气压日动态变化具有同步性，而与温度日动态变化无关，说明气压日动态变化对库尔勒断层H2浓度有一定的影响，温度日动态变化对断层H2浓度无影响。

2.2 断层H 2浓度变化与气压、温度的相关性

图4、5分别为库尔勒断层H2浓度与气压、温度间的相关性，虽然库尔勒断层H2浓度日动态变化受气压影响，不受温度影响，但由图4、5可知，断层H2浓度变化与气压、温度的年变化特征却有一定的关系。由于该地区属暖温带大陆性气候，年降雨量较少，降雨影响可忽略不计。鉴此，为了进一步研究库尔勒台断层H2浓度变化的影响因素，本文先利用一元线性回归分析法得到断层H2浓度与气压、温度年动态变化之间的相关系数，再对观测数据进行拟合分析，得到断层H2浓度与气压、温度年动态变化相关度的定量结果。

图4 库尔勒断层H 2浓度与气压相关性

图5 库尔勒断层H 2浓度与温度相关性

由图4（c）可知，断层H2浓度与气压间的相关系数为0.6735，相关性较好，拟合方程为：y＝0.03x-25.61，呈正相关，即随着气压的增大，H2浓度逐渐升高。由图5（c）可知，断层H2浓度与温度之间的相关系数为-0.4262，相关性一般，拟合方程为：y＝-0.30x+6.47，表现出一定的负相关，即随着温度的升高，H2浓度逐渐降低。结果显示，气压对断层H2浓度变化影响较大，温度影响较小。

图6为库尔勒断层H2浓度及气压、温度效应所引起的H2浓度变化。由图6可见，在观测点岩性、构造、覆盖层等地质因素基本固定、仪器工作条件及参数不变的情况下，气压、温度季节性变化引起了H2浓度的年变化，即每年4～6月温度逐渐升高时，断层H2浓度开始下降，7～8月温度达到最高值时，断层H2浓度测值则为最低值，直到9月以后温度逐渐降低，断层H2浓度又开始回升，并且下降、上升幅度都大于1.1×10-6。

图6 库尔勒断层H2浓度与气压效应和温度效应图

以上分析结果表明，气象因素（气压、温度）是引起库尔勒断层H2浓度年变的主要因素，从相关系数计算结果可看出，气压与断层H2浓度的相关性大于温度与断层H2浓度的相关性，说明气压对断层H2浓度的影响比温度更明显，这与部分前人研究结果所得到的断层H2浓度主要受温度影响的结论截然相反（王博等，2010）。原因可能是：①前人的研究大部分是基于断层H2观测数据的短期变化和相应时间段的气温、气压短期数据，所选的数据长度、分析时段不同和研究尺度不同造成结果的不同（曹玲玲等，2014）；②断裂带中气体的来源和运移方式不同，这与其自身的性质和外部环境有关（张荣华等，2010），即不同环境下H2浓度变化特征存在个体差异也可能导致得出的结论与本文不一致。另外，气压可直接影响断裂带或土壤的孔隙压力，当大气压力改变时，断层孔隙和裂隙中存在的大量气体，在压力差的作用下，其迁移发生改变，从而造成H2浓度的动态变化。

此外，虽然温度对断层H2浓度的影响较小，但二者呈现负相关的变化，即断层H2浓度变化表现为“夏低冬高”。造成这种现象的原因可能是，测点周围土壤表层局部潮湿，冬季气温在零度以下时，潮湿土壤中的水分冻结，形成冻土层，当冻土层达到一定的厚度时形成良好的封闭系统，阻止深部气体逸出，使其下方地层所含气体浓度相对增高，当采气装置埋设在冻土层以下时，所测得的断层H2浓度相对较高（常秋君等，1993）；仅之，当采气装置埋设在冻土层以上时，所得到的断层H2浓度一般较低。

由于条件所限，库尔勒断层H2测点没有独立的气象要素监测仪器，所以，本研究使用H2观测仪器产生的温度数据，观测的是仪器所在山洞环境的温度，该温度与土壤内部的温度有很大区别。因此，在条件允许的情况下，可结合地温和湿度的变化，更为详细地分析气象因素的影响。

3 Molchan图表法地震预测效能检验

地震孕育与发生时，地下应力或应变发生改变引起地壳形变，断层活动性增强，导致地下气体浓度发生变化，各种气体中H2最为活跃，H2测项是探索短临地震前兆异常的重要手段之一（刘耀炜，2006）。以往受观测条件与技术的限制，对于断层H2尚未达到连续观测。近年来，针对H2的观测与研究取得了一些新的进展，积累了一定数量的H2前兆异常震例（车用太等，2015；范雪芳等，2015）。

那么，如何利用现有的观测资料对震例进行系统分析，并从中提取有前兆指示意义的预测指标信息，已成为当前前兆观测及分析预测亟须解决的现实问题。由前述可知，库尔勒断层痕量H2受气压、温度的影响出现年动态变化，但无法单独去除气压和温度引起的H2变化量，那么，当H2浓度变化小于年变幅度时，将很难判断短时间内H2浓度的快速变化是短临异常还是与气象因素有关，这就给观测资料的分析工作带来了困难。因此，对于这种年变幅度较大，而观测数据变化幅度较小的情况，需要采用一定的处理方法先对观测数据进行预处理，再利用定量化的方法对观测数据及其相应的地震依次进行映震效能的检验与分析。

鉴于此，本研究先对库尔勒断层H2浓度原始数据采用小波分析进行去趋势处理，并采用中国地震台网提供的地震目录，依据M4地震小于200km、M5地震小于250km、M6地震小于300km、M7以上地震小于500km的规范，筛选了2014～2016年自观测以来断层H2观测点周围发生的地震，共12次，其中，4.0～4.9级地震9次，5.0～5.9级地震3次（图1）；然后利用Molchan图表法对断层H2浓度及相应的地震依次进行检验，分别得到该测项的整体预测效能、最佳阈值（异常的最佳判别指标）及优势对应时间。

Molchan图表法（Molchan Error Diagram），主要是针对预测结果与观测目标地震差异度的检验（Molchan，1990），它既能直观地反映预测效能，对观测资料进行评估，又能对异常进行定量分析，得到最佳阈值所对应的异常识别指标。Molchan图表中，横坐标为时间占有率τ，纵坐标为漏报率v，随机预测线（Gain＝1）将图表分为左下和右上两部分。每一个阈值确定一组τ-v值，阈值由大到小滑动后得到τ-v曲线，τ-v曲线与纵、横坐标围成的面积大小即表示其预测效能，面积越小，预测效能越高；反之，则越低（Molchan，1990）。另一方面，还需考察报准数h所对应的显著性水平α（Zechar et al，2008）和概率增益 Gain（Molchan，1991），显著性水平α越低、概率增益Gain越大时，预测效果越好。所计算的变量有：

报准数h：预测有震的数量与实际发震数之比。

漏报率v：预测无震而实际发震的数量与总的实际发震数之比。

异常的时间占率τ：不同的阈值提取异常的时间范围与总的时间范围之比。

4 结果分析

4.1 预测效能检验与预测指标提取

图7为库尔勒断层H2浓度原始值及去趋势图。由图7（a）可见，H2浓度年变特征较为明显。对于这类具有明显年变规律的资料，需要对原始数据进行预处理。而小波分析方法具有较强的识别、分离功能，对趋势变化和短期异常能进行有效分离（宋治平等，2001）。因此，本文先利用小波分解法对 H2浓度原始数据进行去年变处理，得到去趋势后的曲线（图7（b））；之后，依据所筛选的12个地震，利用 Molchan图表法对其进行地震预测效能检验（图8），并提取相应的预测阈值。

图7 库尔勒断层H 2浓度原始值（a）及去趋势图（b）

图8 库尔勒断层H2预测效能检验

由图8（a）可见，库尔勒断层H2预测效能较好，即所有数据点的概率增益均大于1，而且预测效能绝大部分在0.6以上，具有统计和检验意义。图8（b）中柱子上沿为本月内第1天值，下沿为本月内最后1天值，上方竖线表示最高值，下方竖线表示最低值，实心柱表示在1个月内随着时间增大预测效能升高，空心柱表示在1个月内随着时间增大预测效能下降。可以看出，该测点H2测项在2～3月内的短期和4～5月内的中长期预测效果更好，预测效能均在0.7左右。再结合图8（a）可知，在预测效能相当的情况下，短期的概率增益基本都大于2，而中长期的概率增益大部分都小于2，综合分析认为，库尔勒断层H2测项短期预测效果更好。

基于对库尔勒断层H2测项预测效能的检验结果，利用Molchan图表法定量提取库尔勒断层H2浓度在1～12个月内预测效能较好时段的异常判定指标。由于该观测点断层H2测项短期（3个月以内）预测效果较好，根据检验结果可知，最佳阈值所对应的优势预测时间为55天（图9）。其中，图9（a）为库尔勒断层H2浓度去趋势曲线与最佳阈值，红色空心五角星为12个实际发生的地震，红色虚线为最佳阈值线；图9（b）为库尔勒断层H2浓度τ-v曲线及概率增益（Gain）等值线；图9（c）为库尔勒断层 H2浓度τ-v曲线及显著性水平α，不同颜色曲线为实际发生12个地震情况下不同显著性水平α等值线。图9（b）、9（c）中红色粗阶梯线为预测阈值从大到小滑动得到的τ-v曲线，蓝色圆圈代表最接近原点（0，0）的τ-v值，其阈值可视为最佳阈值。

图9 库尔勒断层H 2浓度Molchan检验结果

由图9（a）可见，库尔勒断层 H2浓度去趋势后的最佳阈值为 0.3392×10-6。图9（b）、9（c）右下角（1，0）点表示地震全都报准，但它的时间占有率也是最大的，覆盖数据的整个时间段；纵坐标代表漏报率（左）和报准数（右），漏报率越大则报准数就越小，例如，左上角（0，1）点表示地震全部漏报即一个都没有报准，而它的时间占有率却是最小的，可先判断各自的预测效果，进而综合分析判断库尔勒断层H2浓度的预测效果。

从库尔勒断层H2浓度Molchan检验结果可看出，在55天圆圈所示位置，12个实际发生的地震中，报准10个地震，漏报2个地震，报准率较高，且概率增益较大，时间占有率较低，显著性水平α更接近最小α等值线，置信水平较高，说明预测效果很好。所以，该断层H2浓度的优势对应地震时间段为2个月以内的短期，尤其在2个月时效果更好，在55天的最佳阈值为0.3392×10-6，此阈值可作为相应时间段的“警报”阈值。

基于以上分析结果，将库尔勒断层H2浓度异常指标定为0.3392×10-6，对报准的10个地震与异常的对应关系情况进行了统计（表1）。由表1可知，库尔勒断层H2浓度变化幅度与震级、震中距间没有明显的线性关系，但从异常开始到发震的时间都小于2个月，最短为5天，最长为56天，这与由Molchan图表法定量提取的优势时间段（2个月内）结果一致，说明该测点断层H2测项短期预测效果好。

表1 库尔勒断层H 2浓度异常与地震对应关系

4.2 基于Molchan图表法的预测效能分析

库尔勒断层H2浓度气压效应和温度效应明显，二者同时作用引起H2浓度年动态变化，但这2种影响因素又无法同时去除，故在日常观测资料分析中很难判定H2浓度真实变化。因此，对于这类数据，在用Molchan图表法进行检验时需要对H2浓度原始数据进行小波去趋势处理，以针对检验结果综合分析报准率、概率增益和时空占有率等。

表2为库尔勒台断层H2浓度在不同预测时间内的最佳阈值、预报效能、概率增益（Gain）、时间占有率τ和漏报率v等。由表2可见，虽然132天时预测效能最高（0.772），但漏报率也相对较高（0.25）。55、105天的漏报率较低（0.167），但时间占有率相对较高。105、132天的预测效能也较高，图10为二者检验结果。由图10可见，105天（4个月内）和132天（5个月内）的面积相对较小，但二者的最佳阈值即圆圈所在位置却不同，表现为在105天时报准10个地震，漏报2个地震；在132天时报准9个地震，漏报3个地震；105天的报准率大于132天。而此时，132天时概率增益大于2，大于105天时的概率增益，并且时空占有率更小，说明在中期预测时间段内，132天即5个月内的预测效果更好。以上结果都说明，库尔勒断层H2浓度的映震效果较好，优势对应时段为中短期，尤其是短期。

表2 库尔勒断层H 2预测效能评估与预报指标

图10 库尔勒断层H 2浓度不同预测时间的预测效能检验结果

利用Molchan图表法分析前兆数据预测效能时，需充分考虑由以上各种因素得到的综合检验结果，不能简单依据预测效能值的大小来提取最佳预测指标。

5 结论与讨论

本文主要从2个方面对库尔勒台断层H2浓度观测资料进行分析，首先分析了断层H2浓度与气压、温度的相关性特征，然后基于Molchan图表法对断层H2浓度映震效能进行了定量检验及其预测指标提取。得到以下初步认识。

（1）库尔勒台断层H2浓度与气压之间的相关系数为0.6735，呈正相关，气压增大，H2浓度升高；断层H2浓度与温度之间的相关系数为-0.4262，呈负相关，温度升高，H2浓度降低。气压对断层H2浓度的影响较大，温度对断层H2浓度的影响较小。

（2）库尔勒台断层H2浓度气压效应和温度效应显著，二者同时作用共同引起了H2浓度年变变化，每年4～6月开始下降，7～8月浓度达到最低值，9月又开始回升，并且下降、上升幅度都在1.1×10-6以上，年变幅度较大，而H2浓度变化小于年变幅度变化，因此，分析该观测点H2浓度数据时有必要对原始数据进行一定的预处理。

（3）利用Molchan图表法，对库尔勒台断层H2浓度的映震效能进行了检验和定量化的预测判定指标提取。结果显示，优势预测地震对应时段为2个月内，最佳阈值为0.3392×10-6，该阈值可作为库尔勒台断层H2浓度的短临异常预测指标。