劉磊，李霞，趙玉紅，馮麗麗，馬茹瑩

（青海省地震局，青海西寧810001）

0 引 言

從氡測量被用于地震預報研究的機理分析，氡是與巖石應力改變過程密切相關(guān)的物質(zhì)，地震在孕育時，震源區(qū)應力集中，強大的能量導致巖石產(chǎn)生裂隙，使深部的氡通過裂隙、空隙向地表遷移，導致地震活動區(qū)域介質(zhì)中氡濃度明顯高于外圍地區(qū)[1-3]。然而，并不是所有氡濃度的高值變化都指示地震孕育過程中的應力集中現(xiàn)象，其中有相當一部分原因是環(huán)境、人類活動等因素的干擾，因此，須剔除引起異常變化的干擾因素。

青海樂都斷層氣氡觀測點地處達坂山和拉脊山交匯處的加里東期花崗巖長巖NE向小斷裂帶[4]觀測發(fā)現(xiàn)，在2016年門源6.4級地震發(fā)生前，氡觀測值出現(xiàn)了破年變異常，2017年氡觀測值再次出現(xiàn)異常變化，但并未出現(xiàn)對應地震。為了深入分析樂都斷層氣氡異常與地震的關(guān)系，對樂都地震臺自2014年穩(wěn)定觀測以來的數(shù)據(jù)進行了系統(tǒng)分析研究，以期為今后該地區(qū)震情跟蹤工作提供依據(jù)。

1 樂都斷層氣氡觀測概況

樂都斷層氣氡自2007年開始觀測，所用儀器為SD-3A自動測氡儀，原為人工取氣模擬觀測，后改造為數(shù)字化觀測。采用的是流體空吸原理，該集氣裝置的效率主要受空氣進氣量、氣流量以及空氣與流量兩者比例系數(shù)的影響[4]。2011—2013年完善了觀測技術(shù)裝置，2014年起，年變規(guī)律明顯。

觀測點位于青海省海東市樂都區(qū)引勝鄉(xiāng)熊家灣西側(cè)老爺山腳下，該測點5 m處有一條季節(jié)性河流（引勝河），該區(qū)屬于內(nèi)陸高原氣候，雨水集中在七、八月，年蒸發(fā)量遠大于降雨量，日溫差變化大，并且具有垂直分帶性。全年日平均氣溫7℃，月相對濕度56%，月平均降雨量25 mm[4]。

樂都斷層氣氡觀測點在大地構(gòu)造單元上，處于祁呂賀蘭“山”字形構(gòu)造前弧西冀的達坂山、日月山、拉脊山等隆起帶及西寧-民和盆地拗陷帶內(nèi)[4]（見圖1）。由于受構(gòu)造運動的多次影響,該觀測點所處構(gòu)造在局域上呈網(wǎng)狀分布,雖然斷層分布密集但規(guī)模較小,斷層氣氡觀測點就位于兩組斷層交匯處的次級小斷層上,巖體破碎。南側(cè)與樂都盆地相鄰，其余三面是中高山區(qū)。斷層出露高100 m左右,破碎帶平均寬1.8 m，斷層泥及角礫發(fā)育。斷層上盤變質(zhì)作用強烈,巖性為花崗閃長巖,巖石較為破碎。斷層下盤變質(zhì)作用小，巖性為閃長巖，巖石較為完整。

圖1 樂都斷層氣氡觀測點周邊地質(zhì)構(gòu)造圖Fig.1 Structure map for Ledu gas radon observation station and surroundings

2 斷層氣氡年變異常對比分析

2.1 異常變化及震例分析

樂都斷層氣氡自穩(wěn)定觀測至今，共出現(xiàn)2次明顯破年變異常，第1次開始于2015年12月19日，2016年1月9日達到峰值，漲幅約150 Bq·L-1。第2次開始于2017年10月30日，2017年11月3日上升到 543 Bq·L-1，漲幅達 418 Bq·L-1。2 次異常具有極其類似的形態(tài)（見圖2）。

圖2 2014年以來樂都斷層氣氡原始曲線觀測數(shù)據(jù)Fig.2 Original Ledu gas radon observation data of hourly values since 2014

第1次破年變異常后一個月，門源發(fā)生6.4級地震，該異常點距震中約140 km，從震前、震中、震后異常變化形態(tài)及現(xiàn)場異常核實來看，認為樂都氣氡異常具有很高的信度，可以判定為門源6.4級地震前兆異常。

第2次破年變異常，無相關(guān)震例對應。

2.2 影響因素分析

2.2.1 系統(tǒng)工作狀態(tài)檢查

2次異常出現(xiàn)前后對儀器觀測系統(tǒng)進行檢查，結(jié)果顯示：（1）儀器工作電壓顯示正常。（2）儀器供電系統(tǒng)和線路接觸良好。（3）對儀器工作參數(shù)進行復位，各項參數(shù)均符合要求。（4）測氡儀（SD-3A）系全自動測氡裝置，不受人為影響。（5）測氡儀抽氣系統(tǒng)及氣路正常，無漏氣現(xiàn)象。

設計整流電路的目的是將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓,根據(jù)系統(tǒng)需要,選用單相橋式結(jié)構(gòu)作為整流電路,電路包括單相整流橋、濾波電感L、濾波電容C等,為了電路仿真優(yōu)化,用10 Ω電阻作為負載進行仿真,仿真模型如圖1所示。

2.2.2 環(huán)境干擾情況調(diào)查

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，結(jié)果顯示：（1）自2014年1月以來，輔助測項氣象三要素的溫度、濕度、氣壓均正常，無突變(見圖 3)，且保持較好的年變規(guī)律[5-6]；（2）2016年8—10月底，斷層氣氡觀測點周圍5～200 m處有大型施工作業(yè)（引勝河河道改造，3臺3.5 k W大功率抽水機抽水作業(yè)，河床下挖近3 m），初步分析認為，此次施工對斷層氣氡穩(wěn)定觀測干擾明顯；(3)經(jīng)調(diào)查，附近無打井或注水作業(yè)；(4）觀測室溫度和濕度符合規(guī)范要求，無明顯變化。

2.3 地球化學特征分析

在樂都斷層氣氡年變異常特征分析過程中，分不同期次采集附近區(qū)域水樣進行測試分析，得到的地球化學數(shù)據(jù)，可為異常判定提供輔助依據(jù)。

選取觀測點附近1 km范圍內(nèi)的3個采樣點，在2017—2018兩年間采樣2次，進行地球化學組分測試（委托中國地震局地殼應力研究所地殼動力學重點實驗室和中國科學院西北高原生物研究所分析測試中心測試），分析結(jié)果見表1～表3和圖4～圖6。

表1 2017年11月8日水樣化學組分分析結(jié)果表Table 1 T he analysis results of water chemical composition on November 8，2017

對 3個水樣的化學組成繪制piper圖（見圖4），包括冷熱井（泉）水，由圖4可知，藥王泉水質(zhì)為重碳酸鹽型，樂都、樂都深井為氯化鈉型，反映觀測點地下水循環(huán)深度深、滯留時間長、補給路徑較遠[7-9]。

水-巖平衡圖（見圖5）用來分析水-巖平衡狀態(tài)，區(qū)分不同類型水樣，由完全平衡線和部分平衡線將三角圖分為完全平衡區(qū)、部分平衡區(qū)和未成熟區(qū)，由圖5可知，所有水樣均為“未成熟水”，并集中分布在Mg2+端元附近，表明采樣點水樣與周圍環(huán)境的水-巖反應程度較弱，循環(huán)深度較淺[5,10-11]。

圖3 樂都斷層氣氡輔助觀測原始曲線圖Fig.3 Original Ledu gas radon data of assistant observation

表2 2018年8月8日水樣化學組分分析結(jié)果表T able 2 The analysis results of water chemical composition on August8，2018

表3 2018年8月8日氫氧同位素測試結(jié)果Table 3 The analysis results of hydrogen and oxygen isotopes on August 8，2018

從圖6給出的各水樣分布特征看，所有采樣點均落在西北地區(qū)大氣降水線附近，說明這些采樣點的補給來源主要為大氣降水，且由于青海地區(qū)遠離海洋，氣候干燥，產(chǎn)生的降水有相當一部分來自局地蒸發(fā)的水汽循環(huán)。

圖4 采樣點水化學piper圖Fig.4 Piper diagram of at sampling sites water chemistry

圖5 采樣點水-巖平衡圖Fig.5 water-rock equilibrium diagram of the sampling sites

圖6 采樣點氫氧同位素比值和大氣降水關(guān)系圖Fig.6 Hydrogen and oxygen isotope ratio and atmospheric precipitation at sampling sites

綜上所述，樂都斷層氣氡及其附近水樣的地球化學特征均表明，地下水補給主要為大氣降水，且滯留時間較長，與周圍環(huán)境的水-巖反應程度較弱，循環(huán)深度較淺，進一步說明2017年10月30日樂都斷層氣氡值出現(xiàn)異常并非由震源附近應力集中所致。

3 年變異常成因及機理分析

3.1 年變異常成因

在門源6.4級地震發(fā)生前，樂都斷層氣氡濃度發(fā)生顯著變化，出現(xiàn)快速上升，漲幅約150 Bq·L-1。該測項距震中約140 km，對觀測系統(tǒng)工作狀態(tài)檢查、井房周圍環(huán)境干擾情況調(diào)查、水化學組分測試等結(jié)果分析，均未發(fā)現(xiàn)明確干擾源及異常情況[9,15-18]，認為該斷層氣氡值的變化是附近區(qū)域地殼應力場變化的真實反映，為地震前兆異常。

而2017年10月30日出現(xiàn)的氡濃度破年變異常，雖然形態(tài)與門源地震前極其類似，但經(jīng)現(xiàn)場核實及綜合分析，最終認為是由河道改造影響氣體運移路徑所致，并非地震前兆異常[15-16]。

3.2 機理分析

地下巖體的孔隙、裂隙中有 He、H2、Hg、Rn、CO2等氣體存在，大多呈自由狀態(tài)或吸附在巖土顆粒表面。這些斷層氣體濃度的變化取決于流體動力學機制，當外部條件不變時，這些氣體處于平衡狀態(tài)；當?shù)貧そ橘|(zhì)應力狀態(tài)改變時，地殼巖石中的裂隙和孔隙會發(fā)生相應變化，互相聯(lián)通或是閉鎖，促使氣體運動、遷移和重新富集，從而導致液體-固體系統(tǒng)中氣體流量的動態(tài)變化[19]。

在地震孕育過程中，由于這種應力所引起的氣體遷移導致地震活動區(qū)域介質(zhì)中氡的濃度明顯高于外圍地區(qū)，這就是地震前兆氡濃度異常的成因，但并不是所有高值變化都指示地震孕育過程中的應力集中現(xiàn)象，還有相當一部分由環(huán)境、人類活動等因素的干擾所致，最顯著的特點就是應力、應變和裂隙通道的改變，使這些氣體上升的路徑遭到破壞，氣體測值隨之變化。

2008年，ANNUNZIATELLIS等[20]提出的斷層氣地表測量形態(tài)模型示意圖（見圖7）表明，在不同斷層狀態(tài)下地表提取斷層氣所呈現(xiàn)的不同形態(tài)與本文的由于河道施工引起斷層氣上升路徑改變所導致的數(shù)據(jù)形態(tài)異常變化機理高度一致。

4 結(jié) 論

通過對樂都斷層氣氡資料的詳細梳理和分析，得到以下結(jié)論：

圖7 不同運移通道提取斷層氣濃度示意圖Fig.7 Schematic diagram of extracting fault gas concentration from different migration channels

4.1 樂都斷層氣氡觀測點地處達坂山、拉脊山交匯處NE向小斷裂帶，由于受構(gòu)造運動的多次影響，該觀測點所處構(gòu)造在局域上呈網(wǎng)狀分布，巖體破碎，是構(gòu)造活動的敏感部位。

4.2 通過對觀測系統(tǒng)檢查、環(huán)境干擾情況調(diào)查、地球化學組分測試、機理分析等，在2016年1月21日門源6.4級地震發(fā)生前，樂都斷層氣氡濃度發(fā)生顯著變化是附近區(qū)域地殼應力場變化的真實反映。2017年10月30日出現(xiàn)的氡觀測值破年變異常，是由于河道改造影響氣體運移路徑所致，并非地震前兆。

4.3 由于環(huán)境變化（河道改造），造成樂都斷層氣氡觀測值由原來的“夏高冬低”變?yōu)椤跋牡投摺?，需在日后分析工作中予以注意?/p>