嘉峪关气氡浓度异常与2021年玛多MS7.4地震关系分析

曹玲玲　苏鹤军

摘要： 嘉峪關气氡浓度在多年上升的背景下，于2017年出现了转折异常变化，但祁连山地震带内一直没有发生与异常幅度和持续时间相匹配的地震，直到2021年5月22日，在距离嘉峪关气氡测点570 km的玛多发生MS7.4地震。为了判断嘉峪关气氡浓度异常与玛多地震的关系，结合震例，从异常信度、震前异常特征、震后异常变化及地质构造背景等方面对其进行深入分析。结果发现：嘉峪关气氡浓度的异常特征与地震所处的构造有关，发生在祁连山地震带内的地震，气氡浓度异常表现为1年或半年尺度的年畸变，发生在该地震带以外远距离的地震，气氡浓度异常表现为多年的趋势性变化;玛多地震发生后，嘉峪关气氡浓度下降速率减缓之后转折，呈恢复状态;嘉峪关气氡测点与玛多地震都位于青藏高原东北部，具有相同的动力背景且在构造上具有关联性。综合分析认为嘉峪关气氡多年趋势异常与玛多MS7.4地震有关，研究对建立可靠的异常指标体系、提高地震预测水平具有重要意义。

关键词： 嘉峪关气氡浓度; 趋势异常; 玛多MS7.4地震; 相关性

中图分类号： P315.72文献标志码：A 文章编号： 1000－0844（2023）04-0917-09

DOI：10.20000/j.1000－0844.20210811001

Relationship between abnormal gas radon concentration in

Jiayuguan and Maduo MS7.4 earthquake of 2021

CAO LinglingSU Hejun1，2，3

Abstract：  Under the background of rising gas radon concentration in Jiayuguan for many years， an unprecedented change occurred in 2017. However， no earthquake matching the amplitude and duration of the anomaly has occurred in the Qilian Mountains seismic belt. On May 22， 2021， an MS7.4 earthquake occurred in Maduo， which is 570 km away from the radon measuring point in Jiayuguan. An in－depth analysis of the anomaly reliability， anomaly characteristics before the earthquake， anomaly change after the earthquake， and geological structure background was conducted in this study to determine the relationship between the radon concentration anomaly of gas in the Jiayuguan and Maduo earthquakes. Results show that the anomalous characteristics of the gas radon concentration in Jiayuguan are related to the structure where the earthquake occurred. The anomaly of gas radon concentration shows an annual distortion of 1 year or 6 months for earthquakes that occur along the Qilian Mountains seismic zone. By contrast， the anomaly demonstrates a long－term change in the propensity for earthquakes that occur far away from the Qilian Mountains seismic zone. The decreasing rate of radon concentration in Jiayuguan slowed down and then turned to a recovery state after the Maduo earthquake. The measuring points for gas radon concentration in the Jiayuguan and Maduo earthquakes are both located in the northeastern part of the Tibetan Plateau with the same dynamic background and structural correlation. The comprehensive analysis shows that the tendency anomaly of gas radon in Jiayuguan may be related to the Maduo MS7.4 earthquake. This study is of considerable importance in establishing a reliable anomaly index system and improving earthquake prediction.

Keywords： gas radon concentration in Jiayuguan; tendency anomaly; Maduo MS7.4 earthquake; correlation

0 引言

地震的有效预测是减轻地震灾害的前提。目前预测地震的主要依据是以震例为基础建立的预测指标体系，但由于地震前兆异常的低重现性和震例统计的概率性特性，当测项出现异常时，依据现有的预测指标还无法对未来地震的三要素做出更为准确的预报。因此，当一次地震，特别是发生概率更低的大震发生后，进行前兆异常与地震关系的深入分析，对建立更加可靠的地震预测指标体系、提高地震预测水平具有重要意义。

2015年5月开始，甘肃省嘉峪关气氡浓度出现了加速上升变化，2017年7月达到峰值后轉折下降，截至2021年6月，测值未恢复到上升前的水平（图1）。2016年、2018年和2019年，工作人员对此变化都进行过现场核实，判定结果为：气氡浓度2015年5月—2017年7月的上升存在周围环境改变的影响［1］，2017年8月以来的趋势下降为地震前兆异常。如此大幅度且持续时间长达几年的异常在该测点是首次出现，由于没有震例，无法对地震三要素做出较为准确的预测。2021年5月22日，距离嘉峪关气氡测点570 km的青海玛多县发生了MS7.4地震。根据《中国震例》［2］，7级以上地震地球物理异常的分布范围超过500 km，据此判断嘉峪关气氡浓度的这次异常可以作为玛多地震的前兆异常。但地球物理场异常与地震之间的关系不只受距离约束，还与构造、异常形态和区域背景等有关，仅根据震中距来判断异常与地震的关系，依据并不充分，也不可靠。基于此，本文从异常的可靠性、不同区域地震前异常的差异性、震后异常变化，以及构造等方面，对嘉峪关气氡浓度2017年以来的异常与玛多MS7.4地震之间的关系进行深入分析，给出判断两者关系的可靠依据，以期为异常指标体系的完善和地震的有效预测提供依据。

1 测点概况

嘉峪关气氡测点位于嘉峪关断层上。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°，晚第四纪以来新的构造活动以挤压逆冲为主兼右旋走滑。断层切割奥陶系、白垩系、新近系和上更新统，在剖面上表现为SW盘上升、NE盘下降。全新世有古地震活动，第四纪晚期以来的平均滑动速率为0.52～0.56 mm/a［3］（图2）。

为了监测嘉峪关断层的活动，1989年在该断层某处（39.8°N，98.28°E）建立了监测点，进行断层土壤气氡浓度的观测。如图3所示，在监测点开挖一深3 m、直径30 cm 的垂直测孔，测孔下部1.8 m为集气坑，上部1.2 m为一倒置的长颈玻璃漏。漏斗颈内布设2个直径为3～4 mm的导气管：1个导气管延伸至孔底，进行气氡浓度主样观测;1个下至漏斗颈口，进行气氡浓度比对观测。导气管通过转接铜管与乳胶管相接并从测孔引出，乳胶管口与大气连通。气氡浓度观测至今，都为人工测量，每天测量一次。

2 气氡浓度主要影响因素分析

玛多MS7.4地震前，嘉峪关气氡浓度未出现短期异常，因此本文只分析年尺度和长趋势的干扰因素。

已有研究表明，气氡浓度受到气温和气压的影响，无震年份会出现年变变化［5－6］。嘉峪关气氡浓度在正常背景下具有明显的夏高冬低的年变形态（图1），由此可以判断，气温和气压为气氡浓度的固定干扰因素。但是气温和气压之间具有相关性，究竟哪项对气氡浓度的影响更为显著？由于相关系数的大小可以表征变量之间的相关程度，因此可以通过计算气氡浓度与气温和气压的相关系数来判断。由于中强以上地震发生的年份，气氡浓度变化受构造应力的影响会偏离正常动态，因此1998年以来祁连山地震带MS5.0以上地震所发生的年份不参与计算（图4 、表1）。

具体步骤：先计算出气氡浓度、气氡测点气温及气压的月均值，再利用式（1）分别计算出气氡浓度与气压、气温的相关系数r：

（1）

式中：Xi为气氡浓度月均值，为气氡浓度自然年月均值的平均值;Yi为气温（气压）月均值，为气温（气压）自然年月均值的平均值。

气氡浓度与气压、气温的相关系数计算结果如图5所示。从图中可以清晰地看出，气氡浓度与气温呈正相关，与气压呈负相关;同期气氡浓度与气温的相关系数都大于其与气压的相关系数，并且前者的值都在0.8以上，而后者仅有4个值超过0.8。据此可以判断，在年尺度上，气温是气氡浓度变化的主要影响因素。

多次现场核实结果表明，周围环境的变化也会使气氡浓度值出现趋势性的异常变化，对此文献［1］已进行过详细分析，这里不再赘述。

3 气氡浓度异常特征分析

3.1 破年变异常与地震的对应关系

3.1.1 畸变型破年变异常与地震对应关系

相关系数计算结果（图5）显示，嘉峪关气氡浓度主要受气温的影响，在祁连山地震带及其周边无MS5.0以上地震的年份，气温与气氡浓度具有很好的正相关关系，因此气氡浓度的正常年变形态为夏高冬低，峰值出现在每年的7—8月，谷值出现在每年12月—次年2月。当气温与气氡浓度的相关系数降低或变为负值时，气氡浓度年变会出现畸变，因此可以利用相关系数判断气氡浓度是否出现了畸变型破年变异常。

由于测点缺少1989—1997年的气象资料，考虑到测点与地震震中的构造关系，选取1998年以来祁连山地震带发生的MS5.0以上地震为震例，震中距不做限制，分别分析震前1年和震前6个月气氡浓度与气温相关系数的变化，依此确定破年变异常的阈值。所选地震的空间分布见图4，具体参数列于表1。

为了定量给出年变畸变异常的阈值，采用以下判定方法：6个月尺度的异常，采用6个月窗长，1个月步长;1年尺度的异常，采用12个月窗长，1个月步长;再利用式（1），向后滑动计算出气氡浓度与气温月均值的相关系数，以报准率/（漏报率+虚报率）比值的最大值作为异常阈值，结果为r=0.68。因此本文将r=0.68作为畸变型破年变异常的判定阈值，小于此值则为异常。

图6为所选地震前1年和前6个月气氡浓度与气温的相关系数柱状图，横坐标为具体地震及其震中距。从图中可以看出，震前1年，小于MS5.5的所有地震前，气氡浓度与气温的相关系数均未达到异常阈值，气氡浓度未出现异常;8次MS5.5以上地震中，有7次地震前气氡浓度与气温的相关系数达到异常阈值，气氡浓度出现了异常，对应率高达88%，只有震中距超过500 km的景泰MS5.9地震前气氡浓度未出现异常。震前6个月，小于MS5.5的所有地震中，只有震中距最大的门源MS5.1地震前气氡浓度和气温的相关系数达到异常阈值，气氡浓度出现了异常;大于 MS5.5的8次地震中，有6次地震前两者的相关系数达到异常阈值，气氡浓度出现了异常，未出现异常的两次地震为距离最远的景泰MS5.9地震和次远的门源MS6.4地震。

综合以上分析，对于祁连山地震带MS5.5以下地震，無论震中距大小，嘉峪关气氡浓度通常不会出现1年尺度或6个月尺度的畸变型破年变异常;对于MS 5.5以上地震，气氡浓度是否出现此类异常，与震中距大小有关。已有的震例分析结果显示，对应的震中距范围与《中国震例》的规定相当。

3.1.2 年变幅增大的破年变异常与地震的对应关系

破年变异常不仅包含年变畸变异常，还包括年变幅增大的异常。此类异常可以利用年标准曲线法提取，即首先计算出表征台站固有属性的年标准值，以1倍均方差线作为异常的阈值，超过阈值则达到异常。具体计算方法参见文献［7］。

为了与畸变型破年变异常的分析结果进行对比，分析区间依然选择1998—2021年，计算结果见图7，图中粗线条为观测值曲线，细线条为年标准曲线的一倍方差线，也就是阈值线。从图7可以看出，1998年以来，有8个年份嘉峪关气氡浓度的年变幅增大并超过阈值线，且都在2010年之后。本文研究的13次地震中，所有MS5.5以下地震前都未出现此类异常，MS5.5以上地震中只有门源MS6.4地震前出现了异常。据此可以判断，嘉峪关气氡浓度单个年变幅增大的异常不能作为地震预测指标。

3.2 长趋势转折异常与地震的对应关系

图1显示嘉峪关气氡观测以来，持续多年的长趋势上升－转折异常共出现2次，第1次为1995—2001年，第2次为2015—2021年。第1次异常结束后发生了景泰MS5.9地震和昆仑山西口MS8.1地震。第2次异常期间，除玛多MS7.4地震外，祁连山地震带及周边没有发生震级与异常相匹配的地震。

4 讨论与分析

4.1 气氡浓度趋势异常可靠性分析

2015年嘉峪关气氡浓度开始出现大幅上升，至今进行过4次现场核实，其中2次在异常上升期间，2次在异常下降期间。核实结果为：上升期间存在环境变化的影响，影响程度无法量化;转折下降过程没有干扰因素，也不存在测点更换和观测仪器故障等情况。

上述相关性分析结果显示，气温对气氡浓度的影响显著，二者呈正相关。从图8可以看出，1998年至今气温的变化并不大，仅2016年的峰值略低，这与2015年开始的气氡浓度加速上升不一致;2017年之后，气温变化非常平稳，但气氡浓度出现了明显的转折下降。综合现场核实结果判断，2017年以来气氡浓度的转折是区域应力变化的响应。

4.2 嘉峪关气氡趋势转折异常特征与玛多MS7.4地震关系分析

4.2.1 不同区域地震前气氡浓度异常特征差异性分析

上述分析结果显示，嘉峪关气氡浓度异常主要有三类：第一类为畸变型破年变异常;第二类为年变完整但年变幅显著增大的异常;第三类为持续多年的趋势异常。其中，第二类异常不能作为地震预测的依据。

第一类异常是祁连山地震带地震前的典型异常，对应震级为MS5.5以上。从已有震例来看，对应MS6.4以下地震的最大震中距不超过360 km，异常开始距地震的发生时间通常在一年以内，主要表现为气温和气氡浓度相关系数的减小，而嘉峪关气氡浓度2015年以来未出现畸变型破年变异常，因此其目前的异常与祁连山地震带地震前的异常不一致。

第三类异常观测以来共出现2次（图1）。第1次异常：嘉峪关气氡浓度连续上升3年后转折。转折后18个月，即2000年6月6日在距离测点582 km处发生了景泰MS5.9地震;转折后的35个月，即2001年11月14日在距离测点740 km处发生了昆仑山口西MS8.1地震。前面的分析表明，祁连山地震带地震前嘉峪关气氡浓度为畸变型破年变异常，且震中距基本符合《中国震例》给定的异常统计范围，而景泰MS5.9地震震中位于祁连山地震带中东段，且震中距达580 km，因此这次趋势变化作为昆仑山口西MS8.1地震对应的异常更为合理。第2次异常，也就是目前存在的异常。在趋势上升阶段存在环境干扰的影响，由于无法量化，无法判断除环境干扰外是否还包含区域构造应力变化引起的异常。如果包含，这次异常过程与昆仑山口西地震前的异常过程非常相似，因此从异常形态来看，两次地震前的变化高度相似（图1）。异常持续时间上，昆仑山西口地震对应异常开始距离发震共83个月，这次异常开始距离玛多地震共78个月，符合震级越大异常开始距离地震发生时间越长的特征。构造块体上，两次地震震中与嘉峪关气氡测点都不在一个二级活动地块，且相距较远。发震断层上，玛多地震发生在东昆仑断裂带以南约70 km的江错断裂，该断裂向西延伸，与昆仑山口西MS8.1地震的发震断层昆仑山口断裂相接［8］，因此两次地震的发震断层是相关的，且都为走滑型。

由于大震发生的概率低，在该区域并没有更多的震例可供分析，但现有的震例分析结果显示，嘉峪关气氡在相关断层的大震前出现了相近的异常，即异常的重复性特征，这表明这次异常与玛多MS7.4地震有关。

4.2.2 玛多地震后嘉峪关气氡浓度的异常变化

震后异常是否改变是判断异常与地震关系的主要依据，根据图1无法直观判断玛多地震后嘉峪关气氡异常是否改变。为此计算了差值，即将相邻两年气氡的同期月均值相减（如将2018年1月的测值减去2019年1月的测值），根据差值的变化判断气氡在玛多地震前后是否发生了变化。由于气氡转折后相对平稳的下降出现在2018年后，因此起始时间选为2018年，用前一年的测值减去后一年的测值，结果见图9。可以看出，2020—2021年的差值在玛多地震前下降幅度较大，地震后下降幅度逐步减小，且2021年10月份的测值已经高于2020年同期的测值;其他两条曲线并没有这种特征，这表明震后气氡异常趋势发生了改变。据此可以判断嘉峪关气氡的趋势异常与玛多地震有关。

4.2.3 大震前不同震中距流體异常特征

车用太等［9］发现强震前有三种不同的流体异常，即来自震源的源兆、与地震有区域构造关系的场兆，以及远距离的远兆，华北强震前会出现几百甚至近千公里的流体远兆异常。王世芹等［10］对云南地区地下水动态的地震源兆与场兆特征分析后发现7级地震最远异常井的平均距离为600～900 km，且场兆异常以中期异常居多。高小其等［11］对新疆7级以上地震前地下流体源兆、场兆和远震特征分析后发现强震场兆和远兆都以中期异常为主，异常形态上，场兆中期异常一般是以趋势性大幅升高变化为主，且以水化学测项居多。由此可见，流体远距离的异常在大陆强震前普遍存在，且通常没有阶段性特征，而玛多地震震级达MS7.4，距离嘉峪关气氡测点570 km，异常阶段性上属于中期异常，与其他学者的研究结果一致。因此，嘉峪关气氡浓度的趋势异常作为玛多MS7.4地震的前兆异常在异常形态、阶段性及震中距等方面是有震例依据的。

4.3 嘉峪关气氡测点与玛多地震构造关系分析

印度板块向北俯冲挤压欧亚板块的长期应力积累和中下地壳低速物质的共同作用是玛多MS7.4地震的动力来源［12］。嘉峪关气氡测点位于祁连山西段的嘉峪关—文殊山断裂，是青藏高原东北缘向北扩展的前缘，也是对高原变形响应最敏感的地形之一。该断裂也分配了印度板块对欧亚板块的北向推挤作用力［13］，因此它们具有相同的动力来源。

块体相互关系上，玛多地震位于巴颜喀拉地块，嘉峪关气氡测点位于柴达木—祁连地块北边界。巴颜喀拉块体北边界为东昆仑断裂带，西部边界为阿尔金断裂带西南段尾部张性断裂［14－15］;柴达木—祁连地块为阿尔金断裂、海源—祁连山断裂和东昆仑断裂围陷的一个相对独立的活动地壳块体［16］。因此，嘉峪关气氡测点和玛多地震虽然位于不同的二级地块，但具有共同的块体边界。不同地块之间的构造变形在大区域框架下具有协调性，在这种区域性构造应力作用下，地块相互作用并发生差异运动，继而出现变形和断裂失稳，引发地震［17］，同时引起不同块体的氡浓度出现异常变化。

构造上，玛多MS7.4地震的发震断层向西延伸，与2001年MS8.1地震的发震断层昆仑山口断裂相接［7］。阿尔金断裂的西南段斜切昆仑山，北东段斜切祁连山西段构造带［18－19］，包括嘉峪关断裂在内的祁连山西段的逆冲和走滑断裂吸收了阿尔金断裂的左旋位移［20］。嘉峪关断裂右行走滑活动和嘉峪关隆起形成的区域构造应力场，是整个青藏块体向北推挤和阿尔金断裂东段扩展及其引发的局部应力造成的［21］。因此在构造上，发震断裂应力的积累也会引起气氡测点所在断裂的应力变化，继而使气氡浓度出现异常变化。

5 结论

本文从嘉峪关气氡浓度的主要干扰因素、不同异常形态对应地震的区域性特征、震后异常变化，以及构造背景等方面对嘉峪关气氡浓度异常与玛多MS7.4地震之间的关系进行分析，得出以下主要结论：

（1） 嘉峪关气氡浓度映震震级通常在MS5.5以上，祁连山构造带内MS5.5以上地震前的异常为1年或6个月左右的畸变型破年变异常，异常阈值为气氡浓度和气温的相关系数r=0.68，因此嘉峪关气氡目前的异常不符合祁连山地震带震前异常的变化特征。

（2） 对比分析了与玛多MS7.4地震发震构造相关的昆仑山口西MS8.1地震前嘉峪关气氡浓度的变化，发现两者不仅在异常形态上非常相似，持续时间上也符合震级越大异常持续时间越长的特征。同时分析了玛多地震后嘉峪关气氡浓度的变化，结果显示地震后气氡浓度的下降速率明显减小，表明震后异常发生了改变。

（3） 玛多地震发震断层和嘉峪关气氡测点所在断层不论在区域动力、板块构造，还是在构造关系上，都存在关联。

综合分析认为，可以将嘉峪关气氡浓度2017年以来的趋势异常作为玛多MS7.4地震的前兆异常，但还需要在以后的研究中，随着有效震例的增加，进行进一步的验证。

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（本文编辑：赵乘程）

收稿日期：2021-08-11

基金项目：甘肃省地震局地震科技野外站基金（2021Y11，2021Y09）;地震科技星火计划项目（XH21033）

第一作者简介：曹玲玲（1972-），女，甘肃会宁人，副研究员，主要从事地下流体预测地震研究。E－mail：caoll@gsdzj.gov.cn。

通信作者：苏鹤军（1973-），副研究员，主要从事构造地球化学及同位素地球化学研究。E－mail：suhejun@126.com。