青海乐都断层气氡的年变异常特征分析

刘磊，李霞，赵玉红，冯丽丽，马茹莹

（青海省地震局，青海西宁810001）

0 引 言

从氡测量被用于地震预报研究的机理分析，氡是与岩石应力改变过程密切相关的物质，地震在孕育时，震源区应力集中，强大的能量导致岩石产生裂隙，使深部的氡通过裂隙、空隙向地表迁移，导致地震活动区域介质中氡浓度明显高于外围地区[1-3]。然而，并不是所有氡浓度的高值变化都指示地震孕育过程中的应力集中现象，其中有相当一部分原因是环境、人类活动等因素的干扰，因此，须剔除引起异常变化的干扰因素。

青海乐都断层气氡观测点地处达坂山和拉脊山交汇处的加里东期花岗岩长岩NE向小断裂带[4]观测发现，在2016年门源6.4级地震发生前，氡观测值出现了破年变异常，2017年氡观测值再次出现异常变化，但并未出现对应地震。为了深入分析乐都断层气氡异常与地震的关系，对乐都地震台自2014年稳定观测以来的数据进行了系统分析研究，以期为今后该地区震情跟踪工作提供依据。

1 乐都断层气氡观测概况

乐都断层气氡自2007年开始观测，所用仪器为SD-3A自动测氡仪，原为人工取气模拟观测，后改造为数字化观测。采用的是流体空吸原理，该集气装置的效率主要受空气进气量、气流量以及空气与流量两者比例系数的影响[4]。2011—2013年完善了观测技术装置，2014年起，年变规律明显。

观测点位于青海省海东市乐都区引胜乡熊家湾西侧老爷山脚下，该测点5 m处有一条季节性河流（引胜河），该区属于内陆高原气候，雨水集中在七、八月，年蒸发量远大于降雨量，日温差变化大，并且具有垂直分带性。全年日平均气温7℃，月相对湿度56%，月平均降雨量25 mm[4]。

乐都断层气氡观测点在大地构造单元上，处于祁吕贺兰“山”字形构造前弧西冀的达坂山、日月山、拉脊山等隆起带及西宁-民和盆地拗陷带内[4]（见图1）。由于受构造运动的多次影响,该观测点所处构造在局域上呈网状分布,虽然断层分布密集但规模较小,断层气氡观测点就位于两组断层交汇处的次级小断层上,岩体破碎。南侧与乐都盆地相邻，其余三面是中高山区。断层出露高100 m左右,破碎带平均宽1.8 m，断层泥及角砾发育。断层上盘变质作用强烈,岩性为花岗闪长岩,岩石较为破碎。断层下盘变质作用小，岩性为闪长岩，岩石较为完整。

图1 乐都断层气氡观测点周边地质构造图Fig.1 Structure map for Ledu gas radon observation station and surroundings

2 断层气氡年变异常对比分析

2.1 异常变化及震例分析

乐都断层气氡自稳定观测至今，共出现2次明显破年变异常，第1次开始于2015年12月19日，2016年1月9日达到峰值，涨幅约150 Bq·L-1。第2次开始于2017年10月30日，2017年11月3日上升到 543 Bq·L-1，涨幅达 418 Bq·L-1。2 次异常具有极其类似的形态（见图2）。

图2 2014年以来乐都断层气氡原始曲线观测数据Fig.2 Original Ledu gas radon observation data of hourly values since 2014

第1次破年变异常后一个月，门源发生6.4级地震，该异常点距震中约140 km，从震前、震中、震后异常变化形态及现场异常核实来看，认为乐都气氡异常具有很高的信度，可以判定为门源6.4级地震前兆异常。

第2次破年变异常，无相关震例对应。

2.2 影响因素分析

2.2.1 系统工作状态检查

2次异常出现前后对仪器观测系统进行检查，结果显示：（1）仪器工作电压显示正常。（2）仪器供电系统和线路接触良好。（3）对仪器工作参数进行复位，各项参数均符合要求。（4）测氡仪（SD-3A）系全自动测氡装置，不受人为影响。（5）测氡仪抽气系统及气路正常，无漏气现象。

设计整流电路的目的是将交流电压转换为直流电压,根据系统需要,选用单相桥式结构作为整流电路,电路包括单相整流桥、滤波电感L、滤波电容C等,为了电路仿真优化,用10 Ω电阻作为负载进行仿真,仿真模型如图1所示。

2.2.2 环境干扰情况调查

经现场调查，结果显示：（1）自2014年1月以来，辅助测项气象三要素的温度、湿度、气压均正常，无突变(见图 3)，且保持较好的年变规律[5-6]；（2）2016年8—10月底，断层气氡观测点周围5～200 m处有大型施工作业（引胜河河道改造，3台3.5 k W大功率抽水机抽水作业，河床下挖近3 m），初步分析认为，此次施工对断层气氡稳定观测干扰明显；(3)经调查，附近无打井或注水作业；(4）观测室温度和湿度符合规范要求，无明显变化。

2.3 地球化学特征分析

在乐都断层气氡年变异常特征分析过程中，分不同期次采集附近区域水样进行测试分析，得到的地球化学数据，可为异常判定提供辅助依据。

选取观测点附近1 km范围内的3个采样点，在2017—2018两年间采样2次，进行地球化学组分测试（委托中国地震局地壳应力研究所地壳动力学重点实验室和中国科学院西北高原生物研究所分析测试中心测试），分析结果见表1～表3和图4～图6。

表1 2017年11月8日水样化学组分分析结果表Table 1 T he analysis results of water chemical composition on November 8，2017

对 3个水样的化学组成绘制piper图（见图4），包括冷热井（泉）水，由图4可知，药王泉水质为重碳酸盐型，乐都、乐都深井为氯化钠型，反映观测点地下水循环深度深、滞留时间长、补给路径较远[7-9]。

水-岩平衡图（见图5）用来分析水-岩平衡状态，区分不同类型水样，由完全平衡线和部分平衡线将三角图分为完全平衡区、部分平衡区和未成熟区，由图5可知，所有水样均为“未成熟水”，并集中分布在Mg2+端元附近，表明采样点水样与周围环境的水-岩反应程度较弱，循环深度较浅[5,10-11]。

图3 乐都断层气氡辅助观测原始曲线图Fig.3 Original Ledu gas radon data of assistant observation

表2 2018年8月8日水样化学组分分析结果表T able 2 The analysis results of water chemical composition on August8，2018

表3 2018年8月8日氢氧同位素测试结果Table 3 The analysis results of hydrogen and oxygen isotopes on August 8，2018

从图6给出的各水样分布特征看，所有采样点均落在西北地区大气降水线附近，说明这些采样点的补给来源主要为大气降水，且由于青海地区远离海洋，气候干燥，产生的降水有相当一部分来自局地蒸发的水汽循环。

图4 采样点水化学piper图Fig.4 Piper diagram of at sampling sites water chemistry

图5 采样点水-岩平衡图Fig.5 water-rock equilibrium diagram of the sampling sites

图6 采样点氢氧同位素比值和大气降水关系图Fig.6 Hydrogen and oxygen isotope ratio and atmospheric precipitation at sampling sites

综上所述，乐都断层气氡及其附近水样的地球化学特征均表明，地下水补给主要为大气降水，且滞留时间较长，与周围环境的水-岩反应程度较弱，循环深度较浅，进一步说明2017年10月30日乐都断层气氡值出现异常并非由震源附近应力集中所致。

3 年变异常成因及机理分析

3.1 年变异常成因

在门源6.4级地震发生前，乐都断层气氡浓度发生显著变化，出现快速上升，涨幅约150 Bq·L-1。该测项距震中约140 km，对观测系统工作状态检查、井房周围环境干扰情况调查、水化学组分测试等结果分析，均未发现明确干扰源及异常情况[9,15-18]，认为该断层气氡值的变化是附近区域地壳应力场变化的真实反映，为地震前兆异常。

而2017年10月30日出现的氡浓度破年变异常，虽然形态与门源地震前极其类似，但经现场核实及综合分析，最终认为是由河道改造影响气体运移路径所致，并非地震前兆异常[15-16]。

3.2 机理分析

地下岩体的孔隙、裂隙中有 He、H2、Hg、Rn、CO2等气体存在，大多呈自由状态或吸附在岩土颗粒表面。这些断层气体浓度的变化取决于流体动力学机制，当外部条件不变时，这些气体处于平衡状态；当地壳介质应力状态改变时，地壳岩石中的裂隙和孔隙会发生相应变化，互相联通或是闭锁，促使气体运动、迁移和重新富集，从而导致液体-固体系统中气体流量的动态变化[19]。

在地震孕育过程中，由于这种应力所引起的气体迁移导致地震活动区域介质中氡的浓度明显高于外围地区，这就是地震前兆氡浓度异常的成因，但并不是所有高值变化都指示地震孕育过程中的应力集中现象，还有相当一部分由环境、人类活动等因素的干扰所致，最显著的特点就是应力、应变和裂隙通道的改变，使这些气体上升的路径遭到破坏，气体测值随之变化。

2008年，ANNUNZIATELLIS等[20]提出的断层气地表测量形态模型示意图（见图7）表明，在不同断层状态下地表提取断层气所呈现的不同形态与本文的由于河道施工引起断层气上升路径改变所导致的数据形态异常变化机理高度一致。

4 结 论

通过对乐都断层气氡资料的详细梳理和分析，得到以下结论：

图7 不同运移通道提取断层气浓度示意图Fig.7 Schematic diagram of extracting fault gas concentration from different migration channels

4.1 乐都断层气氡观测点地处达坂山、拉脊山交汇处NE向小断裂带，由于受构造运动的多次影响，该观测点所处构造在局域上呈网状分布，岩体破碎，是构造活动的敏感部位。

4.2 通过对观测系统检查、环境干扰情况调查、地球化学组分测试、机理分析等，在2016年1月21日门源6.4级地震发生前，乐都断层气氡浓度发生显著变化是附近区域地壳应力场变化的真实反映。2017年10月30日出现的氡观测值破年变异常，是由于河道改造影响气体运移路径所致，并非地震前兆。

4.3 由于环境变化（河道改造），造成乐都断层气氡观测值由原来的“夏高冬低”变为“夏低冬高”，需在日后分析工作中予以注意。