四川姑咱海子泉水氡数据动态特征研究

刘华姣，田思留，张 映，刘 涛，梁 慧，廖绍欢

（1.四川省地震局成都地震监测中心站，四川 成都 611730；2.四川省地震局康定地震监测中心站，四川 康定 626001）

流体地球化学成分含量的变化对地下应力应变响应十分灵敏（Roeloffs，1996），是地震前兆研究中的重要手段之一。氡相较于其他流体地球化学成分能够更加灵敏地反映地质构造活动状态（李营等，2023）。在1966 年邢台地震后，我国就开始建设一系列水化观测台站，其中姑咱海子泉水氡自1970 年10 月开始正式观测，至今已积累50 多年的观测数据。姑咱海子泉位于巴颜喀拉块体与川滇菱形块体、华南块体的交界处，该区域地质构造活动强烈，曾发生多次中、强地震。前人通过分析姑咱海子泉水氡数据突跳、破年变、变化速率等，发现姑咱海子泉水氡观测数据在多次中强地震前都有较好的短临预测效能（贺天培，1989；官致君，1999；李志鹏等，2011）。以上分析多为基于原始数据的直接分析和计算，而水氡数据的干扰变化往往会影响地震前兆异常的识别。本文通过分析姑咱海子泉水氡数据与降雨、气压、气温之间的关系，利用数字信号处理方法矫正干扰动态，并进行震例总结，以期为姑咱海子泉水氡异常识别提供更加可靠的依据。

1 姑咱海子泉概况

姑咱海子泉位于四川省甘孜藏族自治州康定市姑咱镇，地质构造上位于青藏高原东缘的鲜水河断裂带南端（图1a），地处青藏断块东部边缘，鲜水河断裂带、安宁河断裂带和龙门山断裂带交会处。该区域受高原物质侧向挤出和重力滑塌影响，构造变形强烈、中强地震频发，近年来先后发生了2008 年汶川MS8.0、2013年芦山MS7.0、2022 年芦山MS6.1、2022 年泸定MS6.8 等多次中强地震。姑咱海子泉以东5 km 为大渡河断裂，以西10 km 为王母断裂，其北和南1～2 km 处北西向断层成组出现，且属隆起与沉降的交界地区，构造复杂、断裂纵横交错。泉点处于向北倾伏的鸡心梁子背斜核部的第三期中性江咀闪长岩、第四期的酸性瓦斯沟斜长花岗岩体的接触部位（图1b；李志鹏等，2011，2015）和大渡河西岸一级阶地裂隙发育的风化层上。泉点南侧约5 m 处，出露一口流量约为30 L／s 的下降泉，即姑咱南泉，其东50 m 为标高比泉口低15～20 m 为大渡河床姑咱段，其北8 km 处出露核桃湾基岩裂隙泉。据电测深资料，姑咱海子泉第四纪堆积物厚13 m，其下为节理、裂隙发育的风化层，75 m 以下为完整的基岩，主要含水层为花岗岩，含水层深度为20～30 m （四川省地震局，2017）。姑咱海子泉属天然上升冷泉，水温年变化为9.5 ℃～12.0 ℃，年水流量为220～400 L／s，水质类型为HCO3-Ca 型。

图1 姑咱海子泉（a）空间位置分布和（b）剖面位置分布（四川省地震局，2017）

2 观测数据干扰动态变化特征

2.1 年变动态特征

姑咱海子泉1971—2023 年的水氡观测数据呈现明显的周期特征，年变规律上呈现出“夏低冬高”的形态（图2），低值一般出现在5—8 月，高值出现在11 至次年3 月。秋季开始数据呈逐步上升趋势，春季开始数据呈下降趋势。从长趋势来看，在泉点周缘地震活动较弱的年份水氡观测数据较为平稳。而数据长趋势的上升或下降与大区域的应力变化有较好的对应关系，如2004 年该数据趋势上升，2008 年汶川MS8.0 地震后数据趋势逐步下降，与汶川地震前后地下应力变化有明显的相关性（李志鹏等，2015）。

图2 姑咱海子泉（a）1971-01-01—2023-07-29 和（b）2016—2019 年水氡原始日均值

2.2 降雨、气温、气压与水氡关系

气象条件的变化会引起地下流体中氡含量的明显改变（车用太等，2011），其中降雨量是主要的影响因素之一。降雨对姑咱海子泉水氡的影响主要表现为“稀释”作用，即随着降雨量的增加，地下水中的溶解氡气被稀释，水氡数据出现下降变化。气温是影响氡气溶解度的另一项重要指标，气温增高时，水温增高，氡气的溶解度降低，使水氡值有所下降。此外观测室温度影响到鼓泡脱气过程，室温越高，脱出的氡气越多，扩散器内残留的氡量愈小，仪器最终测得的水氡值也越高。气压同样影响水氡的溶解度和脱气率，气压越高，氡气的溶解度越大，但鼓泡过程中脱气也更加困难。

姑咱海子泉水氡与降雨、气温、气压观测数据曲线对比见图3a～f，从长趋势来看，随着夏季降雨量的增加，水氡观测值逐步降低，冬季随着降雨减少水氡观测值逐步上升（图3a）。但短趋势上（图3b）降雨量与水氡的对应关系并不明显，水氡值的短期波动变化可能是其他多项因素综合影响的结果。气温与水氡在长趋势上存在负相关关系（图3c），这是由于夏季气温升高氡的溶解度降低，同时夏季降雨量的增加稀释了水氡含量，因此水氡数据呈降低趋势。从数据曲线长趋势变化形态（图3e）来看，气压与水氡似乎存在正相关关系，但这主要是因为夏季温度升高引起了气压降低，而夏季降雨量的增加才是引起水氡数据降低的真正原因，因此在年尺度上影响水氡数据动态变化的主要因素应为降雨。而在短趋势上，姑咱海子泉水氡与气温（图3 d）在月尺度上表现出一定的正相关关系，其在无降雨时间段表现尤其明显，而气压则在日尺度上与水氡数据呈负相关关系。因此短期（几日至几个月的时间尺度上）姑咱海子泉水氡数据正常动态变化应为气温、气压等因素综合影响的结果。

图3 姑咋海子泉水氡与降雨量、气温、气压和气氡数据对比曲线

2.3 其他干扰变化

姑咱海子泉水氡观测站自1970-10 开始观测以来经历了多次海子泉点改造、水氡观测室修缮、观测仪器更新、K 值变更等，期间由于观测环境、观测系统、人为因素等影响，数据存在缺测、阶跃等干扰变化（李志鹏等，2011）。如1971-10—1972-01 期间，由于泉点改造，数据存在缺测现象；1972-02-05、1977-01-01 和1978-01-01，由于K 值变化，数据曲线存在台阶现象（图4）。

图4 姑咱海子泉（a）1971-01-01—1972-10-31 和（b）1976—1978 年水氡干扰变化动态曲线

2.4 气氡与水氡对比分析

2006 年9 月姑咱海子泉观测站新增数字化气氡观测手段，此后该泉点气氡、水氡同步观测持续至今已近17 a，为气氡与水氡对比分析积累了丰富的历史资料。水氡与气氡观测的物理量均为地下水中氡气含量，但水氡观测以溶解氡为主，逸出氡为辅，观测方式是氡射气进入闪烁室后，封存静置等待放射性平衡后再计数。而气氡观测则以逸出氡为主，在观测中采用气体流通方式，即氡气源源不断地从闪烁室中流过，采集器定时采集数据。一般而言，同泉点观测水氡含量越高则气氡含量越高。从数据动态变化特征来看，姑咱海子泉水氡和气氡趋势变化较为一致（图3 g、h），这表明姑咱海子泉水氡观测值是真实可靠的，在异常分析中两者可作为佐证手段相互验证。

3 数据干扰动态矫正

观测数据动态变化包括因气象水文环境、观测系统故障、人为因素等引起的干扰变化和地震前地下应力应变状态改变导致的前兆异常变化，其中干扰变化往往会影响地震前兆异常信息的识别和判断，因此在运用观测数据进行地震预测预报实践中，须对干扰动态变化构建清晰认知。同时为了更好地识别地震异常信息，利用数字信息处理方法进行干扰剔除或数据动态矫正也是十分必要的。

3.1 年变消除

在进行年变化信息提取之前，首先对因K 值变化、更换仪器产生的台阶进行归零，随后通过多项式插值对缺失数据进行补数处理，利用傅里叶滑动的方法进行年变矫正。傅里叶滑动方法进行年变矫正最早应用于地电数据年变周期成分排除，对于年变周期较强的其他观测物理量中的年变成分也同样适用。按照赵跃辰等（1984）的思路计算年变成分，得到矫正后的数据形态如图5b 所示，即排除了人为因素、仪器系统、降雨干扰后的数据形态。

图5 姑咱海子泉水氡（a）原始数据、（b）去年变后观测数据、（c）14 日滑动平均数据和（d）14 日滑动残差数据曲线

3.2 固体潮消除

残差法是土壤气氡浓度的连续监测数据异常提取的一种有效的分析方法（Fu et al，2016；Barberio et al，2018；刘兆飞等，2023），其根本原理是利用残差计算排除周期为14～15 天的固体潮影响。本文将该方法应用于水氡数据异常信息提取，利用去除年变成分后的姑咱海子泉水氡数据进行残差计算，图5c 为14 日滑动平均处理结果，图5 d 为残差计算结果。

4 震例分析

由于姑咱海子泉地处几大断裂交会的特殊地质构造位置，该泉点附近曾发生多次中强地震。本文选取距姑咱海子泉500 km 范围内MS≥7.0 和300 km 范围内MS≥6.0 地震进行震例分析。以超过残差值的2倍标准差作为异常阈值（Fu et al，2016；Shukla et al，2020），异常信息见表1。

表1 姑咱海子泉500 km 范围内MS ≥7.0 和300 km 范围内MS ≥6.0 地震前水氡异常

从表1 可知，对于500 km 范围内MS≥7.0 地震仅2008 年汶川MS8.0 和2013 年芦山MS7.0 地震前出现超阈值异常，且两次地震震中距均在200 km 范围内。对于300 km 范围内MS≥6.0 地震，超阈值异常也均出现在震中距在200 km 范围内的地震发生之前。1981 年道孚MS6.9、2008 年汶川MS8.0、2014 年康定MS6.3 地震前曾多次出现超阈值现象，其中2014 年康定MS6.3 地震的震中距仅为49.01 km，该次地震前出现超阈值异常的次数最多。2008 年汶川MS8.0 地震震中距为152.29 km，虽然震中距相对较远，但该地震沿北东向的龙门山断裂带破裂长度达300 km，其影响的空间范围广、量级大，不能以单一的震中距来衡量其震前前兆异常的范围和特征，汶川MS8.0 地震前的多次超阈值异常可能与造成如此大规模破裂的震前应力应变有关。1981 年道孚MS6.9 地震发生在鲜水河断裂带西北段，此前该段曾发生1967 年侏倭MS6.8 和1973 年炉霍MS7.9 地震。唐荣昌等（1984）认为这几次地震是在近东西向应力作用下，鲜水河断裂北段由西北向东南完整的破裂过程的结果，在1973 年炉霍MS7.9 地震后，在道孚附近存在闭锁段，应力不断在其附近集中。姑咱海子泉水氡含量变化在1981 年道孚MS6.9 地震前的多次超阈值异常是在多次地震作用下，应力沿鲜水河断裂北段由西北向东南不断调整的结果，而1973 年炉霍MS7.9 地震由于其震中距相对较远，在震前无明显异常现象。

存在超阈值异常的，地震几乎均发生在龙门山断裂带和鲜水河断裂带，姑咱海子泉位于龙门山断裂与鲜水河断裂交会地区，其水氡异常与其特殊的构造位置存在一定的关系。而在9 次异常现象中正异常出现6 次，负异常出现4 次，其中2014 年康定MS6.3 地震前既出现了正异常也存在负异常。最大异常幅度出现在1975 年九龙MS6.2 地震前，为超过2 倍标准差的0.61。但异常幅度和异常正负与地震震级、震中距无明显对应关系，这与地震发生的构造位置、震前应力水平变化程度、地下水文环境以及应力应变变化导致的复杂裂隙系统变化有关，是多种因素综合影响的结果。

5 结论

通过对姑咱海子泉水氡数据动态特征分析，得出以下结论：（1）姑咱海子水氡数据具有“夏低冬高”年变特征，降雨是造成该年变特征的主要因素。（2）气温、气压会引起姑咱海子水氡数据短期动态变化，而K值变化、泉点改造、更换仪器系统则是造成数据台阶、缺数的主要原因。（3）利用傅里叶滑动方法能够有效消除年变影响，并降低降雨造成的数据干扰。（4）14 日滑动残差法能够有效识别姑咱海子泉水氡震中距200 km 范围内MS≥6.0 地震前兆异常信息，该方法可作为姑咱海子泉水氡异常识别的一项有效手段。