蚌埠台水氡观测数据变化分析＊

石小磊 王 俊 李良辉 张伟峰 肖 攀 潘 洁 杜默然

1) 蚌埠市地震局地震监测中心，安徽蚌埠 233000

2) 安徽省地震局，合肥 230031

引言

氡是一种放射性物质，在自然界中呈气态物质存在，在岩石中主要通过扩散到地下流体中，以溶解的形式存在[1]。据前人学者研究，当岩石处于稳定状态时，氡也处于相对稳定的状态，当应力发生变化时，岩石处于失稳状态或者温度升高，吸附状态和封闭状态的氡都会转化成自由状态的氡扩散在水中，有震例表明，地震的发生常伴有流体的异常[2]。因此，水氡是一项比较灵敏的映震指标，结合前人学者的大量研究工作，目前水氡观测技术已进入比较成熟的阶段[3]。本文通过对蚌埠台4月份出现的水氡异常特征进行分析，为今后该地区的前兆数据异常提取和震情研判提供依据。

1 蚌埠台水氡观测点概况

蚌埠地震台位于蚌埠市西郊小黄山，地处郯庐断裂带西侧，近侧通过的断裂有北西向的涡河断裂和北北东的固镇—怀远断裂，台基岩性为花岗岩。蚌埠台水氡观测井系1979年11月由省323地质队施工完成，井深88.20 m，观测层水为花岗岩裂隙水，目前尚未发现干扰源。1980年，台站扩建并开始水氡观测，2002年至今使用FD-125进行观测。

2 水氡数据变化特征分析

蚌埠地震台水氡于2020年4月15日开始有转折下降的趋势，5月10日后恢复至正常动态。2019年4月也曾出现过类似变化，至2019年5月23日又恢复上升趋势。从2012年以来的水氡数据变化来看，每年 1—6（7）月份水氡上升，7（8）月份以后水氡才开始出现下降变化。 从2012年以来的同期数据进行对比可以看出，2020年4月15日水氡测值有小幅下降，4月20日转平波动，目前已恢复至正常波动状态（图1）。

图1 2012 年以来的同期水氡数据日均值变化（2012—2020年）Fig. 1 Daily mean change of radon data in the same period since 2012（2012—2020）

2.1 观测环境

水氡观测井房位于蚌埠台大院正南方向，周围较僻静，无自然环境或人类活动干扰源。2020年5月14—15日联合省局专家在蚌埠台和蚌埠市监测中心开展了观测井周边环境调查与核实工作，经过实地踏勘调查后，结果显示：周边环境无明显改变，未发现重大施工及抽水等情况。

2.2 降雨因素

对比蚌埠台历年的降雨资料发现，降雨是影响水氡变化的重要因素，水氡和降雨呈正相关关系。降雨量补给，水流速度增大，因此，水在井管中的停留时间变短，水氡测值增大[4]。当冬季降雨量较少时，水氡测值下降。本次水位波动处于春雨期间，降雨量增加，水氡测值应有所上升而非下降，因此，此次水氡变化排除降雨因素影响[5-6]。

2.3 气压、气温因素

通过对水氡与气压的相关性进行对比研究发现，此次水氡与气压呈负相关关系，与气温呈正相关关系，且与气温的相关性更为显著（图2）。据研究，气温对水中气体组分的影响大于水化离子的影响；对泉点和浅井的影响大于深井。短期、局部的水氡变化，与气温的变化关系密切。因2016年部分气温数据缺失，下文仅分别呈现出2017年4月16日、2018年4月5日、2019年4月9日及2020年4月18日的水氡变化（图3）。

图2 蚌埠水氡与气温呈正相关关系（2016—2020 年）Fig. 2 Comparative analysis of radon in water and temperature at Bengbu seismic station（2016—2020）

综上分析，通过对比气温与观测室温度，初步判断本次出现的水氡短期下降、波动变化与该区域的气温、水温下降、波动变化关系密切[7-9]。气温引起水温的变化，进而引起气体的溶解度和脱气率改变，从而引起水氡测值的变化。由于2016年气温数据有部分缺失，气温下降幅度和下降持续时间不再统计（表1）。

图3 2016—2020 年蚌埠水氡与气温之间的对比分析Fig. 3 Comparative analysis between radon and air temperature in Bengbu from 2016 to 2020

表1 气温影响水氡数值下降幅度变化情况Table 1 Influence of temperature on the decline of radon in water

2.4 震例分析

根据以上研究可以判定气温对水氡的影响显著，通过震例分析来检验这一结果的可靠性，我们选取安徽省地震台网中心2016年1月1日—2020年6月30日蚌埠周边ML3.5以上地震目录。判定水氡测值下降是由于每年4月份季节更替容易出现气温变化现象而导致水氡测值下降，还是地壳应力年度积累变化释放的前兆信息变化，本文还需要更进一步的分析研究。

图4 2016—2020 蚌埠及周边地区地震 M-t图Fig. 4 M-t seismic map of Bengbu and its surrounding areas from 2016 to 2020

从M-t图可以看出（图4），蚌埠及周边地区地震频次上半年高于下半年，地震能量释放多集中在上半年，以小震活跃为主，震中距小于200 km范围内ML3.5以上地震4次，其中3次发生在4月份（表2）。由此说明气温不是影响蚌埠台水氡下降的单一因素，而是由环境干扰与地震前兆信息共同作用的结果。

通过增加震例进行对比，我们选取蚌埠及周边地区3.0级以上地震目录投射在水氡-气温的相关系数图上进行分析（图5），在观测数据真实可靠的基础上，排除人为干扰因素、观测数据的变化，蚌埠地区地震年度释放水平稳定，多集中在上半年，因此，在此期间地壳应力变化致使小震活跃，对前兆数据产生影响，当水氡测值数据受到干扰后，发生动态变化，同时与气温的相关性这种平衡状态被打破，相关系数发生变化。变化越明显，说明映震能力越好。可以发现相关系数处于低值时和周边发生地震也存在一定关联性[10]。

表2 2016—2020 年蚌埠周边发生 ML≥3.5 地震Table 2 Earthquakes with ML≥3.5 occurred around Bengbu from 2016 to 2020

图5 水氡与气温相关系数图Fig. 5 Correlation coefficient of radon in water and temperature

本文研究结果表明，蚌埠台氡值与气温的相关性大于0.7，气温升高，水氡测值升高。反之，气温下降，水氡测值下降。但是，相关程度低的影响因素又更为复杂，比如地质构造、取样方式和观测手段的不同，对气温因素的影响和制约都会产生作用，特别是映震能力比较好的水井，当前兆出现异常时，测项之间的相关性也会有所下降[11]。

2.5 观测仪器对比分析

4月17日蚌埠台业务人员早上5:40采集了水样送到庐江地震台，于27日下午14:30开始测试工作，其结果如下：蚌埠台6:30测试，主样185 Bq/L，副样186 Bq/L。庐江台 14:30测试，主样 170 Bq/L，副样161 Bq/L。结果显示，庐江的测试结果偏低，主要是水样在运送过程中释放、逃逸所致。通过比测表明，本次蚌埠水氡的变化是客观存在的。

3 讨论

本文以2020年4月15日以来出现的水氡数据转折下降—恢复上升的变化趋势为研究基础，通过对环境调查、气象因素对比和抽水取样化验后研究得出：①水氡与降雨呈正相关关系，本次氡值变化处于降雨量增加期间应有所上升，因此，排除降雨因素干扰。②氡值与气压呈负相关关系，与气温水温呈正相关关系且相关性更为显著，气温引起水温的变化，进而引起气体的溶解度和脱气率改变，从而引起水氡测值的变化。③结合历史地震情况，通过震例分析与相关系数计算，气温不是引起水氡测值下降的单一因素，应该是环境干扰与地震前兆信息共同作用的结果，得出水氡与气温之间的相关系数降低，与周边发生地震有一定的关联性。