蔣志英，劉海洋，賴愛京，祖力卡爾·艾則孜

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局阿克蘇地震監(jiān)測中心站，新疆 阿克蘇 843000)

0 引 言

地質(zhì)構(gòu)造運動多伴隨著地下氣體的逸出，觀測和研究地下氣體的逸出，可能會捕捉有效的地下構(gòu)造活動的信息，而氫氣作為一種靈敏的指標能夠指示斷裂活動的過程[1]。張培仁、車用太、魚金子等對氫氣異常與地震的關(guān)系進行了大量研究，認為氫氣具有較強的映震靈敏性，特別在短臨階段的映震能力明顯優(yōu)于其他測項[2]。新疆的南天山地區(qū)為近幾年來中強地震危險區(qū)，具有地震多、地下流體觀測手段少的明顯特征。近年來該區(qū)域范圍內(nèi)地震活動異?；钴S，為加強該區(qū)域的震情跟蹤工作，地下流體學(xué)科組在阿克蘇架設(shè)痕量氫儀器開始觀測[3]。

新疆阿克蘇臺痕量氫觀測儀器為杭州超距科技有限公司研制的ATG6118H痕量H2在線自動分析儀，該儀器觀測精度較高，穩(wěn)定性較好，自2013年11月9日架設(shè)以來，累積了連續(xù)、可靠的觀測資料，觀測資料對周邊300 km以內(nèi)中強地震有很好的映震效果。在2013年12月1日柯坪5.3級地震、2017年9月16日庫車5.7級地震、2018年11月4日阿圖什5.1級地震和2019年10月27日烏什5.0級地震前，短期異常變化明顯，本文主要分析總結(jié)這4次地震前痕量氫異常變化特征及對比分析。

1 觀測儀器概況

阿克蘇痕量氫在線自動分析儀觀測點位于阿克蘇西大橋斷層儀觀測室內(nèi)。該臺處在北東向柯坪山體北東末端，沿柯坪山體的東南一側(cè)發(fā)育規(guī)模較大的柯坪斷裂帶，全長460 km?？缕簲嗔褞切陆l(fā)生6級以上地震頻次最高的活動斷裂帶，為全新世活動斷裂帶。觀測室為地下觀測室，被覆6 m，痕量氫出氣孔位于與斷層呈60°角的跨斷層水平斜交洞室的中間部位。痕量氫抽氣孔深1.25 m(距離地面1.25 m)，露出地表的抽氣管高0.7 m[4](圖1)。

圖1 阿克蘇痕量氫氣集氣裝置示意圖

2 震前異常特征

諸多研究結(jié)果認為震前痕量氫的異常特征是“高值突跳、異常幅度大、時間短”[5]，結(jié)合近幾年ATG—6118H型痕量氫在全國20多個地震臺站的試運行情況來看，斷層帶土壤氫觀測對地震臺站300 km范圍內(nèi)的中強震具有較好的前兆短臨異常。

阿克蘇痕量氫儀器2013年11月9日投入觀測，架設(shè)初期觀測數(shù)據(jù)呈上升趨勢，由于儀器運行性能不穩(wěn)、廠家更新儀器等因素造成2013年11月18日至11月25日數(shù)據(jù)缺記；2015年儀器故障率較高造成數(shù)據(jù)不連續(xù)；2016年8月15日儀器故障，8月29日更換儀器后恢復(fù)正常觀測；2017年12月27日～29日對痕量氫儀器進行標定，標定后觀測數(shù)據(jù)波動明顯變大，與廠家聯(lián)系后認為儀器運行正常，可能是由于儀器校準過后靈敏度變高，能夠識別出更細微的氫氣變化量。

自正常觀測以來，痕量氫濃度有較清晰的年變，每年4月中下旬濃度值最低，7月下旬達到最高值。輔助觀測氣壓與痕量氫濃度值呈負相關(guān)，氣溫與痕量氫濃度值呈正相關(guān)。若氣溫升高，痕量氫濃度會上升；若氣壓升高，痕量氫濃度會下降。這4次異常變化在地震前氫氣濃度均出現(xiàn)幅值上升，且異常幅度較大，震后濃度下降恢復(fù)至背景值附近(表1)。

表1 痕量氫異常情況與地震關(guān)系

2.1 柯坪5.3級地震

阿克蘇痕量氫自2013年11月9日投入觀測，氫氣濃度一直處于不斷上升過程中，但相對較為平穩(wěn)。11月19日至11月24日由于儀器網(wǎng)絡(luò)故障造成數(shù)據(jù)缺記，經(jīng)過維修后恢復(fù)正常。11月29日15時開始濃度值快速上升，由2.523 ppm上升到12月1日15時的3.720 ppm，上升幅度達到1.39 ppm。16時34分發(fā)生了柯坪5.3級地震(距觀測點139 km)。震后經(jīng)過反復(fù)的下降、突升變化，于12月4日20點濃度值達到4.51 ppm后開始下降，總體上升幅度為1.987 ppm，異常持續(xù)6天，12月14日后濃度值恢復(fù)到震前正常范圍(圖2)。阿克蘇痕量氫架設(shè)初期背景值在1.3ppm左右，本次地震前異常變化特征為氫氣快速上升變化，變化幅度是背景值的1.53倍，是在氫氣濃度值快速上升過程中發(fā)震。

圖2 阿克蘇痕量氫氣在線自動分析儀整點值曲線(2013-11～2013-12)

2.2 庫車5.7級地震

阿克蘇痕量氫2017年8月30日13時出現(xiàn)快速上升變化，由1.10 ppm上升到9月1日00時3.14 ppm，上升幅度為2.04 ppm，15時氫氣濃度值再次持續(xù)上升，5日23點達到最高值4.536 ppm后緩慢下降，整體上升幅度達到3.526 ppm，是正常背景值的3倍左右。本次異常共持續(xù)7天，在氫氣濃度值下降的過程中發(fā)生2017年9月17日新疆庫車縣5.7級地震(距離觀測點279 km)。震后氫氣濃度值仍然處于下降變化過程中，直到2017年12月底完全恢復(fù)背景值，歷時4個月時間(圖3)。本次地震前異常變化特征為氫氣快速上升變化，異常幅度是背景值3倍左右，且在氫氣濃度達到最高值后下降過程中發(fā)震。

圖3 阿克蘇痕量氫整點值曲線(2017-08～2017-09)

2.3 阿圖什5.1級地震

每年4月中下旬氫氣濃度值開始上升，7月中下旬痕量氫濃度值達到峰值之后轉(zhuǎn)為下降變化。然而2018年6月24日氫氣濃度開始波動上升，且濃度值高于往年同期。9月12日22時氫氣濃度值達到峰值4.052 ppm，總計上升幅度達到1.651 ppm，輔助觀測的氣溫、氣壓數(shù)據(jù)與往年同期數(shù)據(jù)變化形態(tài)一致，9月13日23時氫氣濃度值由3.335 ppm快速下降至9月17日15時1.995 ppm，變化幅度為1.34 ppm。之后觀測數(shù)據(jù)一直處于波動變化過程中，10月23日氫氣濃度開始快速上升，10月25日濃度值達到3.441 ppm后轉(zhuǎn)為緩慢下降，在下降恢復(fù)背景值的過程發(fā)生了2018年11月4日阿圖什5.1級地震(距離觀測點263 km)。震后氫氣濃度值持續(xù)到2019年1月2日才恢復(fù)到背景值(圖4a)。本次地震前異常變化特征為氫氣濃度值異常變化持續(xù)時間長，期間經(jīng)歷觀測值反復(fù)上升—下降過程，且恢復(fù)背景值時間較長。2018年濃度值達到峰值時間是9月，較往年(每年7月)滯后2個月，數(shù)據(jù)形態(tài)與往年明顯不同。從2014年、2016年、2018年這三年年變來看，2018年8月5日年底氫氣濃度測值整體高于往年同期，且濃度值達到最高值時間晚于往年同期(圖4b)。

圖4 阿克蘇痕量氫日均值(2018-01-01～2018-12-31)(a)、年變(b)曲線

2.4 烏什5.0級地震

2019年3月19日痕量氫氫氣濃度值開始出現(xiàn)波動上升，至10月27日測值超過往年同期測值0.7 ppm，輔助觀測氣壓、氣溫值變化與往年相當(dāng)。8月26日12時氫氣濃度值出現(xiàn)快速上升，23時達到5.4 ppm，26日當(dāng)日上升幅度達到1.92 ppm，總計上升幅度為3.5 ppm，是背景值3倍左右，之后觀測數(shù)據(jù)逐漸下降(圖5)，隨后發(fā)生2019年10月27日烏什5.0級地震。震后氫氣濃度值緩慢下降，直到2020年1月恢復(fù)到背景值。本次地震前異常變化特征為氫氣濃度值緩慢上升，累計變化幅度是背景值3倍左右，在氫氣濃度值下降過程中發(fā)震，震后恢復(fù)背景值較長。

圖5 阿克蘇痕量氫日均值曲線(2019-01-01～2019-12-31)

3 小波分析

宋志平等研究員將小波理論用于分析前兆觀測資料，為我們提供了前兆資料高、低頻信息分離與識別的一種有效方法[6]。用小波分析法提取觀測數(shù)據(jù)的各類信息，是基于小波變換理論識別、消除數(shù)字化資料干擾以及對不同頻率范圍內(nèi)的信息進行識別與分離，即對痕量氫觀測資料進行近似部分(低頻)與細節(jié)部分(高頻)信息的分離。

對日均值數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理，利用db4小波將其分解，選取細節(jié)部分第5階作圖分析(圖6)。結(jié)果顯示，2013年11月～12月、2017年8月～10月、2018年6月～10月和2019年3月～9月數(shù)據(jù)超2倍均方差閾值，存在異常變化，與形態(tài)法、年變對比得出結(jié)論保持一致。這4個時段的觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)幅值超閾值范圍變化，說明該頻率范圍內(nèi)的正常周期信號上疊加了相同頻率的其它信號，而疊加的信號排除了氣壓、氣溫干擾后認為是地震前兆異常。

圖6 阿克蘇痕量氫小波分析細節(jié)第5階結(jié)果曲線

4 結(jié)論及討論

通過對阿克蘇痕量氫積累6年的觀測資料進行分析總結(jié)，發(fā)現(xiàn)我臺痕量氫對周邊發(fā)生的5級左右地震有很好的映震效果。這4次地震具有代表性，將阿克蘇痕量氫觀測震例基本可以劃分為兩種表現(xiàn)形式，具體如下：

(1)一種為震前痕量氫測值均出現(xiàn)明顯高于背景值上升變化，且均在達到高值后轉(zhuǎn)為下降變化中發(fā)震。此種類型與黃春玲、范雪芳等人對山西地震臺痕量氫典型震例相似。柯坪5.3級地震和庫車5.7級地震前異常變化具有突發(fā)性，即數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式幾乎為震前直線上升與震后快速下降，異常幅度大，異常變化特征明顯，易于識別。一種表現(xiàn)為震前數(shù)月開始痕量氫日變化幅度波動增大，最大日變幅幅度約為0.4～1倍背景值；隨著臨近地震波動幅度逐漸加大，一般在發(fā)震前20天～40天左右開始波動明顯增大，日最大波動幅度約1～3倍背景值；且痕量氫總體呈現(xiàn)波動上升變化，地震往往于波動上升達到最高值附近或回返中發(fā)生。阿圖什5.1級地震和烏什5.0級地震前異常變化持續(xù)時間較長，期間經(jīng)歷觀測值反復(fù)上升-下降過程，震后恢復(fù)時間較長。

(2)利用小波分析方法分析4次地震前異常變化，震前均出現(xiàn)超閾值現(xiàn)象。

(3)柯坪5.3級地震、阿圖什5.1級地震和烏什5.1級地震發(fā)生在同一個地質(zhì)構(gòu)造帶，但柯坪5.3級地震的震前異常變化與二者不完全一致，與庫車5.7級地震震前異常變化相似。根據(jù)范雪芳等的研究[5]，在震源機制解、深度幾乎相同的地震前，同一測點痕量氫濃度觀測值均出現(xiàn)相同的異常變化，且變化形態(tài)相似、幅度相當(dāng)。阿圖什5.1級地震和烏什5.0級地震都是逆沖型，震源機制解相同，且震源深度均在10 km左右，異常重現(xiàn)性好；柯坪5.3級地震是逆斷型，庫車5.7級地震是逆沖型，震源機制解不同，震源深度相同，但變化形態(tài)相同，這需要需要筆者進一步研究。

這4次地震前痕量氫觀測資料的異常變化，皆是反映區(qū)域應(yīng)力場變化。由于該觀測點監(jiān)測手段單一，利用痕量氫預(yù)報地震有一定制約性．且目前積累的資料較為有限，因此對于痕量氫氣體的認知具有很大的局限性，需進一步分析研究。