门源MS6.9地震前嘉峪关气氡变化特征分析

苏鹤军, 周慧玲, 李晨桦, 马东正

(1. 甘肃兰州地球物理国家野外科学观测研究站, 甘肃 兰州 730000;2. 中国地震局兰州岩土地震研究所, 甘肃 兰州 730000; 3. 甘肃省地震局, 甘肃 兰州 730000)

0 引言

活动断裂是强震发生的部位[1],对断层活动强弱的监测是有效跟踪地震的重要手段。断层带是地壳深部和地表物质与能量交换的主要通道[2-3],来自断裂深部的流体必然携带有地壳深部构造活动的信息[4],因此流体在地震监测和跟踪中具有重要的作用。祁连地震区是强震多发区,但该区域流体监测的台站并不多,且由于数字化改造,大多观测资料长度也仅十年左右,其稳定性较差,因此对地震的监测能力有限。

嘉峪关气氡测点位于强震多发的祁连山地区,是该地区重要的监测台站,其观测环境良好,观测资料稳定且观测时间长,目前已积累33年的资料。嘉峪关气氡具有良好的映震效果,在祁连山地震区多次地震前出现了异常[5-6]。因此,对其异常特征进行深入分析,提取出更加有效的地震预测指标,对有效跟踪该地区的地震具有重要的作用。

2022年1月8日,在青海门源(37.77°N,101.26°E)发生了MS6.9地震,震源深度10 km。震后地质科考结果显示地震发生在冷龙岭断裂西段和托莱山断裂的交汇部位,为走滑型地震。这是嘉峪关气氡观测以来发生在祁连地震区的最大地震。2015年开始,嘉峪关气氡出现了明显的高值异常,异常幅度和持续时间都是观测以来最显著和最长的。为了判断这次异常与MS6.9地震的关系,本文拟选择嘉峪关气氡观测以来发生在祁连山地震区的MS6.0以上地震为震例,通过深入分析这些地震前嘉峪关气氡的异常变化特征及不同异常特征对应地震的空间分布关系,再结合地震活动性,对嘉峪关气氡的长趋势异常性质给出较为可靠的判断,进而为快速判断异常性质、提高地震预测及有效跟踪地震提供重要参考依据。

1 台站概况及震例的选取

1.1 台站概况

嘉峪关气氡测点(98.28°E,39.80°N)位于祁连山地震带西段的嘉峪关断裂,是酒西和酒东盆地的分界地带,该断裂北起榆树沟山,向南延伸至文殊沟口,全长约70 km,总体呈N30°～35°W方向展布,倾向WS,倾角73°～85°,晚第四纪以来以挤压逆冲为主兼右旋走滑,平均滑动速率为0.52～0.56 mm/a,全新世有古地震活动[7]。

嘉峪关气氡为断层土壤气观测(图1)。嘉峪关气氡测点于1987年8月开始建设,1989年1月正式观测。观测点的测孔总深3 m,测孔下部为一高1.8 m、直径0.3 m的柱形集气坑,上部为一长度1.2 m的导气孔,导气孔内倒置一长颈玻璃漏斗,漏斗颈内布设直径为3 mm的导气管且下至孔底。导气管外加套管保护并做密封处理,并通过转接铜管与乳胶管相接而引出测孔外,乳胶管口与大气连通。该台使用FD-125型氡钍观测仪,人工测量,每天08:30在测点用集气瓶负压采样,然后带回实验室测试。

图1 嘉峪关台站周边地区构造地质简图Fig.1 Tectonic geological sketch of the area around Jiayuguan station

1.2 震例的选取

结合地质构造背景和《中国震例》规定的异常统计原则[8],再沿构造方向延伸100 km的基础上选择1991年以来发生在祁连地震区及其周边的MS6.0以上地震为研究对象。具体参数及空间分布见表1、图1。

表1 震例基本参数表

2 震例分析

2.1 异常信息提取

在异常演化的时间进程中,通常将震前3个月以内出现的异常定义为短期异常,震前1年以内出现的异常定义为中期异常,震前1年以上出现的异常定义为中长期异常。年畸变是判断年尺度异常的有效指标[5-6],嘉峪关气氡具有很好的夏高冬低年变形态。同时,该气氡在地震前通常会出现突跳型异常变化[9],因此,本文根据异常演化进程和变化形态,将异常按1年以上的趋势性异常、1年以内的破年变异常和3个月以内的成组突跳异常进行划分并进行异常提取。

(1) 趋势性异常的提取:嘉峪关气氡具有明显的年变特征,为了排除年变对确定趋势异常起始时间的影响,对数据进行了去年变处理,而距平是去年变常用的方法。所谓距平就是某一系列数值中某一个数与平均值的差,即测值到平均值的距离。基本步骤为:计算出1989—2021年所有年份同月测值的均值作为标准周期值,再用观测值月平均值减去同期测值的周期值得到距平值。距平曲线的趋势速率改变点则为异常开始点或转折点。整个提取过程是利用mapsis软件完成的。

(2) 破年变异常的提取:通过月均值曲线选择出年变完整(上升和下降都为单调变化)的13个年份[1997—1998年、2010—2021年(不包含2013年)],将这些年份同月测值的均值作为正常背景值,计算每年观测值与正常背景值的线性相关系数,再通过异常与本文所选取震例的对应关系,选取报准率/(漏报率+虚报率)的最大值作为异常阈值,确定异常的阈值为0.69,低于0.69则为破年变异常。

(3) 短期突跳异常提取:突变是地震短期、短临异常变化的标志之一。但由于嘉峪关气氡测值的波动很大,且不同季节的波动幅度不同,很难通过定量计算提取出突跳异常,因此这里对突跳异常的提取主要以定性分析为主,即在变化相对平稳的背景上,测值出现了突跳变化且突跳幅度超过背景值的一倍则确定为异常。但对异常与地震对应关系的初步分析发现,单个突跳变化虚报率很高,也无法有效排除干扰引起的突跳。通过震例类比并结合异常与地震的对应关系,认为达到异常的突跳变化在3个月内至少出现3次才能作为短期突跳异常的判别指标。

2.2 震例分析

(1) 1993年祁连MS6.0地震

受数据起始时间的限制,仅根据震前资料的变化无法判断祁连地震前是否存在一年以上的趋势异常。但如果存在趋势异常,震后一段时间测值会出现恢复性变化。图2显示,1993年之后多年测值一直与震前变化保持一致,由此可以判断祁连MS6.0地震前嘉峪关气氡并未出现多年的趋势异常。

图2 嘉峪关气氡月均值和距平曲线(蓝色标注的地震前气氡未出现异常)Fig.2 Monthly mean values and departure curves of Jiayuguan gas radon

从图3可以看出,1993年嘉峪关气氡测值与标准背景值的相关系数达到了0.88,高于0.69,表明气氡观测值曲线与标准背景值曲线非常接近,没有出现破年变异常。

图3 嘉峪关气氡月均值与标准值相关系数曲线Fig.3 Correlation coefficient curve between monthly mean value and standard value of Jiayuguan gas radon

纵观1993年气氡日值曲线的变化(图4),全年波动不大,震前三个月测值比之前更稳定,没有出现达到异常阈值突跳的变化,表明地震前嘉峪关气氡也没有出现短期成组突跳异常。

图4 祁连地震前嘉峪关气氡日值曲线Fig.4 Daily value curve of Jiayuguan gas radon before Qilian earthquake

(2) 2003年德令哈Ms6.6和民乐Ms6.1地震

2003年德令哈和民乐地震发生时间相差191天,如果气氡存在多年的趋势异常和年尺度的破年变异常,两者无法区分。从气氡的距平曲线来看(图2),1990—2003年曲线趋势速率稳定,既没有加速,也没有转折变化,据此可以判断这两次地震前嘉峪关气氡并未出现1年以上的趋势异常。

从图3可以明显看出,2002年开始嘉峪关气氡相关系数加速减小,2003年达到最低值,表明测值曲线与正常背景值曲线相比出现了很大的偏差,即出现了气氡破年变异常,但德令哈地震发生在2003年4月17日,用2003年气氡的相关系数无法反映震前1年气氡的变化,为此计算了2002年2月开始的气氡相关系数。计算结果显示,2002年1—12月气氡的相关系数为0.64,2002年2月至2003年1月的其相关系数减小到0.53,再顺延1个月,该相关系数减小到0.48,表明德令哈地震前嘉峪关气氡存在破年变异常。民乐地震发生在2003年10月25日,如果使用2003年气氡的相关系数来判断就不能排除破年变是否只出现在德令哈地震之前,为此计算了2003年5月—2004年4月气氡的相关系数,结果为0.65,依然比无强震年份低,也低于异常阈值,这表明德令哈地震后嘉峪关气氡破年变异常依然存在。因此这两次地震前嘉峪关气氡都出现了破年变异常。

图5显示,德令哈地震前的2003年2月6日开始,嘉峪关气氡出现了大幅突跳变化,截至地震发生,总共出现了5组此类变化。德令哈地震后,气氡突跳幅度逐渐减小,但8月20日,即民乐地震前2个月开始,气氡又出现了幅度增大的突变型异常,且成组出现,其中幅度最大的变化出现在10月8日。表明两次地震前嘉峪关气氡都出现了明显的短期成组突跳异常。

图5 德令哈、民乐地震前嘉峪关气氡日值曲线Fig.5 Daily value curve of Jiayuguan gas radon before Minle and Delingha earthquakes

(3) 2008年大柴旦MS6.3级和2009年MS6.4地震

由于这两次地震发生间隔不到一年,如果气氡存在多年趋势异常,则存在叠加的现象。图2气氡的距平曲线显示,嘉峪关气氡自观测以来,截至2015年趋势都非常稳定,因此这两次震前并未出现多年尺度的趋势异常。

年尺度上(图3),2008年,嘉峪关气氡的相关系数出现了加速下降变化,为观测以来的最低值,且地震发生在2008年11月,表明震前嘉峪关气氡出现了明显的破年变异常。2009年其相关系数相较2008年有所增大,但仍然低于异常阈值线,表明这两次地震前嘉峪关气氡都出现了破年变异常。

嘉峪关气氡的日值曲线显示(图6),测值在整体比较稳定的基础上,2008年8月开始出现了4次突跳变化,且10月21日幅度最为显著。2009年6月开始测值波动加大,突跳变化明显,6月27日达到最大,之后在相对平稳的背景下发生了地震,表明这两次地震前三个月嘉峪关气氡出现了成组突跳的短期异常。

图6 大柴旦地震前嘉峪关气氡日值曲线Fig.6 Daily value curve of Jiayuguan gas radon before Dachaidan earthquakes

(4) 2016年门源MS6.4地震

由图2可见,2016年门源MS6.4地震前一年气氡距平曲线并没有发生改变,表明没有出现一年以上的趋势异常。但2015年5月开始,即震前8个月,曲线在一直平稳变化的背景上出现了加速上升变化。这次异常出现后,进行过两次现场核实,发现测值出现加速变化时,周围环境发生了改变,通过对测点周围断层土壤气组分的测量及分析,认为气氡加速上升存在着环境干扰的影响[10]。另外,如果嘉峪关气氡2015年5月开始的加速上升包含地震前兆异常的信息,那么2017年7月的转折下降变化标志着地震孕育进入到中短期阶段[11-12],但转折后的53个月才发生了门源MS6.9地震,如果对应的是玛多MS6.9地震,也长达36个月,并不符合中短期异常的特征,这进一步证明了气氡距平曲线2015年5月开始的加速上升变化并不是MS6.4地震的前兆异常。因此门源MS6.4地震前气氡并没有出现多年的趋势性异常变化。

由于地震发生在2016年1月21日,如果震前嘉峪关气氡存在破年变异常,那么其相关系数减小就应该出现在2015年。图3显示,2015年的相关系数达到了0.92,高于2009年前所有年份,也远远大于异常阈值,表明实测曲线与标准曲线很相近,MS6.4地震前嘉峪关气氡没有破年变异常。

短期变化上(图7),气氡测值虽然波动比较大,但这种变化贯穿全年,突跳幅度也未超过异常阈值,因此门源MS6.4地震前,嘉峪关气氡并没有出现短期成组突跳异常。

图7 门源MS6.4地震前嘉峪关气氡日值曲线Fig.7 Daily value curve of Jiayuguan gas radon before Menyuan MS6.4 earthquake

(5) 2022年门源MS6.9地震

图2显示,嘉峪关气氡在多年平稳变化的背景下,2015年5月,即震前79个月出现了加速上升,2017年7月达到高值后转为下降变化,下降的过程中发生了门源MS6.9地震,前已述及,嘉峪关气氡上升变化存在环境干扰的因素,可信的异常是从2017年7月转折下降开始的,该转折距离门源MS6.9地震发生长达53个月,因此门源MS6.9地震前嘉峪关气氡存在趋势异常。

图3嘉峪关气氡相关系数曲线显示,2010年开始气氡都处在高值状态,且2013年开始逐年上升,2019—2020年略有下降,2021年又转为上升。2010年以来该气氡相关系数值基本都在0.9以上,2021年达到了0.94,远远超过异常阈值,表明门源MS6.9地震前嘉峪关气氡并没有出现破年变异常。

图8为门源MS6.9地震前一年嘉峪关气氡的日值曲线。可以看出,气氡全年测值的变化非常稳定,震前也没有出现大的突跳或波动变化,因此门源MS6.9地震前嘉峪关气氡没有短期异常出现。

图8 门源MS6.9地震前嘉峪关气氡日值曲线Fig.8 Daily value curve of Jiayuguan gas radon before Menyuan MS6.9 earthquake

3 讨论

3.1 不同地震前气氡异常的差异性

以上的分析结果显示,祁连山地震区及周边7次震例中,6次震前嘉峪关气氡没有出现1年以上的趋势性异常,只有门源MS6.9地震前出现了长达53个月的趋势性异常;气氡出现破年变异常的有4次,分别为德令哈MS6.6地震、民乐MS6.1地震和大柴旦MS6.3和MS6.4地震,都为低值破年变异常。气氡出现短期异常的地震与出现破年的地震完全一致,且距离发震时间最近的突跳幅度最大,第一次突跳出现在震前51～74天,最大幅度的突跳出现在震前17～20天。在嘉峪关气氡变化幅度上,德令哈地震最为显著,其次为民乐地震。

因此,祁连山地震区的MS6.0以上地震前,嘉峪关气氡异常演化的阶段性并不完整,出现多年趋势异常的地震前没有出现年尺度的破年度异常和短期成组突跳异常。气氡出现破年变异常的都出现了短期异常,但未出现长趋势异常。两次地震前,气氡没有出现任何形式的异常。异常出现与否,与震中距关系不明显,如本文分析的震例中,祁连MS6.0地震距离嘉峪关气氡最近,仅为139 km,震前气氡没有出现任何形式的异常。

3.2 气氡不同异常特征对应地震的空间分布

从图1可以看出,这7次地震主要分布在三条断裂,即大柴旦—宗务隆山断裂、广义海原断裂的托莱山—冷龙岭断裂[13]及民乐—永昌隐伏断裂。大柴旦MS6.3、6.4和德令哈MS6.6地震分布在大柴旦—宗务隆山断裂上,祁连MS6.0地震和门源MS6.4、6.9地震分布在托莱山—冷龙岭断裂上,民乐MS6.1地震分布在民乐—永昌隐伏断裂上。前面的分析结果显示,位于大柴旦—宗务隆山断裂的3次地震前气氡异常非常相似,即都没出现多年趋势异常,但都出现了明显的破年变和短期突跳异常,从图2和图4～8可以看出,气氡破年变异常都为低值异常,突跳都为正突跳。位于民乐—永昌隐伏断裂的民乐MS6.1地震前气氡的异常和大柴旦—宗务隆山断裂上的3次地震前一样,也为低值破年变和短期的正突跳变化。位于托莱山—冷龙岭断裂的3次地震,祁连MS6.0和门源MS6.4地震前气氡没有出现任何形式的异常,门源MS6.9地震前也没有出现破年变和短期异常,但出现多年的趋势异常,与该断裂其他地震前的异常出现了差别,因此该趋势异常与门源MS6.9地震的关系还需进一步分析。

因此,嘉峪关气氡在祁连地震区强震前的变化与地震所处的构造紧密相关,不同断裂上的地震气氡的响应存在着差别。托莱山—冷龙岭断裂上应力的变化,嘉峪关气氡测点并不是响应的灵敏点。

3.3 气氡趋势变化与门源MS6.9地震关系分析

前面的分析结果表明,嘉峪关气氡的异常特征与对应地震所处的构造有关,位于托莱山—冷龙岭断裂上的3次地震,在趋势异常变化上,门源MS6.9地震与其他两次地震前出现了差别。为此需要对这次异常与门源MS6.9地震的关系进行进一步分析。

(1) 门源MS6.9地震与嘉峪关气氡测点构造背景分析

嘉峪关气氡测点距离门源MS6.9地震震中342 km,根据《中国震例》的统计范围[8],6级地震的震中距控制在300 km范围内,此次地震接近7级,342 km也基本符合统计范围。在构造上,这次地震发生在青藏高原东北缘广义海原断裂的冷龙岭断裂西段,嘉峪关气氡测点位于嘉峪关断裂(图1),是祁连山北缘断裂的伴生断裂带,冷龙岭断裂西与肃南—祁连山断裂相连,都是祁连山河西走廊断裂系的组成部分[14]。因此在构造上,支持嘉峪关气氡的趋势变化为门源MS6.9地震的前兆异常。但仅根据构造背景,无法判断一个异常过程是否仅仅为一次地震的孕育引起。

(2) 不同断裂地震差异性分析

震例分析结果显示,嘉峪关气氡的异常变化特征与地震所处的构造相关,大柴旦—宗务隆山断裂上的3次地震前气氡的异常变化是一致的。但托莱山—冷龙岭断裂上的3次地震前气氡异常在基本一致的基础上,门源MS6.9地震前气氡出现了趋势异常。对比这两条断裂上的地震,大柴旦—宗务隆山断裂上的3次地震震级差较小,最大的为0.3,最大震级也仅为MS6.6。而托莱山—冷龙岭断裂上的3次地震的级差较大,最大的达到了0.9,最大震级接近7级,且气氡在震级偏小的两次地震前没有出现任何形式的异常,接近7级的门源MS6.9地震前气氡出现趋势异常,这也符合震级越大趋势异常越显著的特征。但一次MS6.9地震能否引起这么长时间的趋势异常呢？

门源MS6.4和门源MS6.9地震相距很近,仅为32 km。如果门源MS6.9地震前气氡的趋势异常持续时间较短,震前较小的两次地震前气氡未出现趋势异常也符合地震孕育的机理,但是门源MS6.9震前气氡趋势异常长达53个月,理论上,震中距离很近且构造相同的MS6.4地震前也有趋势异常出现,但事实并非如此。如果门源MS6.4地震前8个月气氡出现的加速异常中包含地震前兆异常的信息,那么门源MS6.9地震的趋势异常就长达79个月,对震级差仅有0.5且位于同一震级档的两次地震,异常时间超过11倍也不符合应力积累的规律。因此,将嘉峪关气氡多年的长趋势异常单独作为门源MS6.9一次地震的前兆异常并不合理。

对比托莱山—冷龙岭断裂上这3次地震前后区域内地震活动概况,发现3次地震之间存在着明显的差别,即祁连MS6.0、门源MS6.4前后一年,祁连山地震区并没有发生MS5.5以上地震,但门源Ms6.9地震前的231天,在巴颜喀拉块体北边界发生了MS7.4地震,它距离嘉峪关测点570 km,震中距并不大,并且流体的远震异常普遍存在,如高小其等[15]对新疆7级以上地震前地下流体源兆、场兆和远震特征进行了分析,发现强震场兆和远兆都以中期异常为主,且以水化学测项居多。玛多地震发生后,祁连山地震区又发生了2次MS5.5以上地震,之后发生了门源MS6.9地震,门源地震后又发生了德令哈MS5.8地震,这些地震具有相同的构造背景。

综合分析认为,嘉峪关气氡的长趋势异常变化表明该区域构造活动增加,它是玛多地震及其之后发生在祁连山地震区及其周边MS5.5以上一系列地震的响应,包括门源Ms6.9地震。

4 结论

本文通过对祁连山地震区及其周边7次MS6.0及以上地震前嘉峪关气氡的变化特征和对嘉峪关气氡多年长期趋势异常与门源MS6.9地震关系的分析,得出了以下主要结论。

(1) 该区域,有些地震前气氡出现了明显的响应,表现为破年变和短期成组突跳异常变化,有些地震前气氡没有响应,且地震发生前气氡是否响应,与震中距没有明显的关系。

(2) 气氡是否出现异常,与地震发生的断裂紧密相关,同一断裂的地震气氡异常具有相似性特征,地震前分布在大柴旦—宗务隆山断裂上的,气氡都出现了破年变和成组突跳的配套性异常,而分布在托莱山—冷龙岭断裂上的气氡通常没有异常显示。

(3) 嘉峪关气氡的趋势异常可能与整个区域构造活动的增强有关,它可能是玛多MS7.4及其之后发生在祁连山地震区及其周边包含门源MS6.9在内一系列MS5.5以上地震的响应。