阿克苏断层氢中强震异常特征分析及预报效能评价＊

刘海洋 徐衍刚 祖力卡尔·艾则孜 蒋志英

（新疆维吾尔自治区地震局阿克苏地震监测中心站，新疆阿克苏 843000）

引言

活动断层附近由于岩石破碎、裂隙发育，往往是地下气体运移的良好通道，早在40 多年前中外学者就开始研究断层氢与地震的关系[1-2]，并取得了很好的映震实例。如：我国在1976年宁河6.9 级地震和1981年内蒙5.8 级地震前均观测到热水井中溶解氢的高值异常[3]；1984年日本学者也发现在强震前多个断层氢观测点出现了高值异常[4]。前期受技术水平的限制，当时研制使用的测氢仪存在信号检出限较高、仪器稳定性差，而且取样复杂等原因未能在地震台站推广[5]。在“十二五”国家科技支撑项目的支持下，新研制的ATG-6118H 型断层氢分析仪于2013年诞生，该仪器对氢气的检出限达到0.005 ppm，且误差在5%以内，仪器具有运行稳定、灵敏度高、操作简单、易于维护等优点[6]。从该仪器在全国台站的试运行结果来看，多个台站在震前都获得了较好的短临前兆异常，异常变化特征主要表现为“突升—转折下降—地震—恢复背景值”的变化过程，变化幅度一般达正常背景的数倍至数十倍，异常特征明显，易于识别[7]。

阿克苏断层氢观测点属于全国开展ATG-6118H型断层氢分析仪试运行的台站之一，观测点在地下流体学科组完成前期勘选的基础上于2013年11月架设，截止2021年12月已连续观测积累了8年多的资料。在此期间，观测点周边300 km 范围内先后发生了多次中强地震，阿克苏断层氢观测取得了8 次较好的短临前兆异常，其中一些异常同全国其他台站总结的震例异常特征相似，有些异常却表现出不同的变化特征。通过对阿克苏断层氢已获取的异常特征进行分析总结，并对预报效能进行评价，可以为今后断层氢观测的异常识别提供参考。

1 观测点概况

阿克苏断层氢观测点位于新疆阿克苏市以西，距离市区约18 km。观测点附近最大活动断裂为柯坪断裂，该断裂为柯坪地块与塔里木中间地块的构造分区断裂，属全新世活动断裂，也是新疆6 级以上地震活动频次最高的活动断裂，观测点位于柯坪断裂北东末端[8]（图1a）。

图1 阿克苏断层氢观测点概况图Fig.1 Overview of the fault hydrogen observation point in Aksu

阿克苏断层氢观测点布设于断层仪观测室内，该观测室为一被覆2 m 的地下室。观测孔为人工开挖，孔径0.80 m，孔深1.25 m；孔内岩性上部0.30 m 为破碎角砾岩，下部0.95 m 为含角砾粗砂。观测孔集气装置结构见图1b，整体观测装置紧凑合理，符合断层气观测规范基本要求。仪器设置自动采样间隔为60 min，采样时间为10 s，气体流量为310 mL/min，仪器自带气温、气压辅助测项，用于测量观测室内空气的温度和气压变化。

2 观测资料概述

阿克苏断层氢自2013年11月开始观测，采样频率为整点值采样，本文选取资料的截止时间为2021年12月。由8年多来所积累的整点值数据来看，阿克苏断层氢浓度值呈夏高冬低的年变形态，测值一般在0.5—4.0 ppm 之间，7—8月达到最高值，2—3月为最低值。日变形态无规律可循，日变幅一般小于1.0 ppm。从辅助观测气温、气压来看，观测室内年气温温差约12℃，日温差约0.1℃；室温年变化在12—24℃之间，每年2月室温达最低值，8月达最高值；气压变化在868—915 hPa 之间（图2）。

根据阿克苏断层氢仪器运行情况来看，2014年之前由于软件兼容问题仪器死机现象较多，后期对仪器软件进行升级后，仪器运行稳定，故障率较低，数据连续率较高。从日常观测经验积累来看，阿克苏断层氢观测数据一般不受人为、车辆及机械施工等因素影响，影响主要来自市电停电和标定等，但影响一般时间较短，在数小时内可恢复正常。根据已有研究显示，断层氢观测一般受大气温度和气压影响，降雨对断层氢观测基本无影响[9]。通过最新阿克苏断层氢浓度值与气温、气压相关性研究结果来看，阿克苏断层氢浓度值主要受气温影响，相关性为正；气压影响相对较小，且为负相关[10]，该结果同全国其他台站一般性结果相同。

图2 阿克苏断层氢观测整点值时序图Fig.2 Time series of fault hydrogen observations in Aksu

3 震例异常特征分析

通过对阿克苏断层氢2013年11月—2021年12月周边300 km 范围内中强震进行梳理后发现，阿克苏断层氢浓度值在多次地震前均出现了不同程度的异常变化（表1）。由典型震例异常特征的系统对比分析，可以将它们划分为3 种类型。

3.1 波动型

一般在地震前2 个月内断层氢浓度值出现波动增大现象，变幅一般在1.00 ppm 以上；地震往往发生于断层氢浓度值大幅波动变化过程中，地震后测值波动减小而且整体呈下降趋势。已有震例，如：

（1）2014年7月9 日麦盖提5.1 级地震前，阿克苏断层氢浓度值在震前20 天开始出现日变幅增大现象，最大日变幅约1.50 ppm，且整体呈波动上升变化。断层氢浓度值波动上升过程中7月9 日发生了麦盖提5.1 级地震，地震后波动上升至7月25 日达到最高值后，转为波动下降变化，逐渐恢复至背景值。此次异常断层氢浓度值由6月20 日的1.33 ppm波动上升至7月25 日的最高值3.02 ppm，上升幅度达1.69 ppm（图3a）。

（2）2016年8月13 日阿合奇4.7 级地震前16 天开始，阿克苏断层氢浓度值同样出现日变幅明显增大的波动变化，最大日变幅达1.05 ppm，地震之后浓度值呈波动减小变化。由于8月16—29 日仪器故障造成数据缺记，仪器修复后断层氢浓度值已基本恢复至正常变化水平（图3b）。

（3）2018年11月4 日阿图什5.1 级地震前51 天，阿克苏断层氢浓度值也出现了大幅波动变化，大幅波动变化由9月14 日持续至11月4 日地震发生，地震后断层氢浓度值波动减小且呈下降变化（图3c）。

3.2 突升型

一般在震前20 天内，断层氢浓度值会出现连续数天的持续快速上升变化，变化幅度达正常背景值的数倍以上，异常形态明显，信噪比高；地震一般发生于断层氢浓度值快速上升转为下降恢复背景值的过程中。此类震例异常特征同全国其他台站总结的断层氢典型震例异常特征相似。已有震例，如：

表1 阿克苏断层氢震例汇总Table 1 Summary of fault hydrogen seismic cases in Aksu

图3 阿克苏断层氢观测曲线Fig.3 Fault hydrogen observation curve in Aksu

（1）2013年柯坪5.3 级地震前3 天，阿克苏断层氢浓度值由11月29 日的2.51 ppm 快速上升至12月1 日的3.98 ppm，在12月1 日发生了柯坪5.3 级地震。震后断层氢浓度值经过下降、突升的反复变化，于12月4 日上升至最高值4.51 ppm 后，呈波动下降逐渐恢复至背景值（图4a）。

图4 阿克苏断层氢观测曲线Fig.4 Fault hydrogen observation curves in Aksu

（2）2017年9月16 日库车5.7 级地震前17 天，阿克苏断层氢浓度值自8月30 日开始出现快速上升变化，该异常变化持续5 天。断层氢浓度值由8月30 日的1.18 ppm 上升至9月3 日的4.48 ppm，异常变化幅度达正常背景值的2.8 倍，在9月3 日达到最高值后转为波动下降变化，在波动下降过程中9月16 日发生了库车5.7 级地震，地震后浓度值逐渐恢复至背景值（图4b）。

3.3 突升恢复型

一般在地震前3 个月内断层氢浓度值会出现短时的快速上升变化，快速上升变化一般持续1—3天，上升幅度为0.5—1.0 倍背景值。断层氢浓度值上升至最高值后10 天内基本可恢复至背景值，地震往往发生于恢复至背景值后的2 个月内，异常形态相对明显，易于识别。已有震例，如：

（1）2019年10月27 日乌什5.0 级地震前62 天，阿克苏断层氢浓度值由8月26 日4 时的3.24 ppm上升至23 时的5.48 ppm，上升幅度2.24 ppm，之后转为波动下降变化，于9月5 日恢复至正常背景。断层氢浓度恢复至背景值后51 天，距观测点114 km 发生了乌什5.0 级地震（图5a）。

图5 阿克苏断层氢观测曲线Fig.5 Fault hydrogen observation curves in Aksu

（2）2020年1月16 日库车5.6 级地震和1月19 日伽师6.4 级地震前同样出现了类似变化，断层氢浓度值在2019年11月29 日3 时由3.45 ppm 上升至30 日11 时的4.86 ppm，于12月2 日波动下降至背景值。恢复至背景值后47 天，距观测点300 km范围内先后发生了2 次中强地震（图5b）。

（3）2020年4月12 日断层氢浓度值再次出现快速上升变化，由4月12 日16 时的2.33 ppm 快速上升至4月14 日9 时的4.53 ppm，上升幅度2.20 ppm，4月17 日恢复至背景值。恢复至背景值后21 天，即2020年5月9 日距观测点126 km 发生了柯坪5.2 级地震（图5c）。

从以上震例异常特征来看，3 种震例异常均表现为短临异常，但异常特征和表现形式完全不同。第1 种波动型震例异常特征一般为，异常开始于震前2 个月左右，表现为浓度值的大幅度波动变化，异常持续时间相对较长，地震一般发生于断层氢浓度值大幅度波动变化过程中，异常变化幅度相对较小。第2 种突升型震例异常特征同全国其他台站震例相似，异常往往开始于震前数十天内，表现为浓度值持续数天的快速上升变化；上升幅度达背景值数倍以上，异常明显，信噪比高，易于识别，地震一般发生于高值下降恢复背景值的过程中。第3 种突升恢复型震例异常特征同前两种有所不同，其特点是快速上升持续时间短，且地震往往发生于浓度值恢复至背景值后。

4 预测效能评价

R值评分方法是许绍燮院士于1973年最先提出，几十年来经过地震学家的不断完善和改进，已被广泛用于地震预报效能评估中，R值评分表达式为[11]：

使用R值评分法，对2013年11月9 日—2021年12月31 日阿克苏断层氢观测5.0 级及以上地震进行预报效能评价。其中，应报地震总数为分析时间段内观测点周边300 km 范围内发生的5.0 级及以上地震总数，共计14 次地震。报对地震数以取得震例异常的地震为准，总计8 次地震。预报研究总时间以资料选取时间段总天数计算，共2 975 天。预报占用时间，即异常天数累计，总计324 天。由此计算阿克苏断层氢观测点周边300 km 范围内5.0 级及以上地震的R值为0.462，R0为0.281，通过预报效能检验（表2）。可以看出，阿克苏断层氢观测对周边300 km范围内5.0 级及以上地震的预测效果较好。

5 讨论及结论

5.1 讨论

氢气在地壳中的分布是不均匀的，在活动断层部位由于岩石破碎释放的氢和水岩化学作用产生的氢，使得活动断层附近氢气相对集中，加之断层附近岩石裂隙发育，这又给深部氢气向上运移提供了通道，因此，在地表活动断层位置可以观测到一定的氢气异常变化[5]。阿克苏断层氢由于所处构造位置的优越性，使得其在观测中取得了一些较好的异常实例。通过不同异常类型同震级、震中距、异常幅度的关系（图6），我们可以看出，第1 种信噪比相对较低的波动型震例异常，其对应的地震震级均在MS5.2 以下，后两种信噪比较高的异常震例对应的地震震级则较大；且异常幅度同震级具有一定的线性关系，表现出震级越大异常幅度也越大。但这种关系并不是绝对的，如2020年的库车MS5.6、伽师MS6.6 地震并未呈现该线性关系，分析原因可能同地震构造类型、震中距等有关。由此可以看出，不同异常类型同震级具有较明显的相关性，而同震中距、异常幅度的关系相对较复杂。分析引起断层氢不同异常类型的主要因素应同地震所释放能量大小有关，一般较小震级释放能量相对较小，岩石发生破裂变形的程度就相对有限，进而引起岩石破碎释放的氢和在应力作用下水岩化学反应产生的氢自然也较低，故在观测中记录到的异常类型则以低信噪比的波动型异常为主，反之则表现出高信噪比的突升型异常。

表2 阿克苏断层氢R 值计算Table 2 Fault hydrogen R value calculation in Aksu

图6 异常类型与震级、震中距和异常幅度之间的关系Fig.6 Relationship between anomaly type and magnitude，epicenter distance and anomaly amplitude

5.2 结论

通过对阿克苏断层氢震例异常特征的梳理和总结，并利用R值评分对其预报效能进行评价，可以得到如下结论：

（1）阿克苏断层氢观测对周边300 km 范围内的中强地震，表现为3 种明显不同的短临异常特征。第1种波动型异常特征：震前2 个月内浓度值大幅波动变化—波动中发震—恢复至正常波动；第2 种突升型异常特征：震前20 天内浓度值快速上升（持续数天）—转折下降—发震—恢复至背景值；第3 种突升恢复型异常特征：震前2 个月浓度值快速上升（持续1—3 天）—10 天内恢复至背景值—恢复背景值后2 个月内发震。

（2）阿克苏断层氢观测对周边300 km 范围内5级以上地震具有较好的预报效能，R值评分达0.462。

（3）不同异常类型同震级大小具有一定关系，一般MS5.2 以下地震表现为低信噪比的波动型异常，反之震级越大则表现为高信噪比的突升型异常。但不同异常类型同震中距、异常幅度之间的关系是复杂的，还需进一步积累震例加以研究。

地震预报迄今为止还是一项未能实现突破的科学难题，尤其是短临阶段的预报更为困难。由本文的梳理可以看出，阿克苏断层氢观测对周边300 km 范围内中强震表现出了较好的短临预报效能。因此，选取合适的位置进行断层氢组网式观测，也许可以获得一些地震短临方面的异常信息，从而为地震预报的实现提供可供借鉴的经验。