新疆阿克苏痕量氢震前异常特征分析

蒋志英，刘海洋，赖爱京，祖力卡尔·艾则孜

(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)

0 引 言

地质构造运动多伴随着地下气体的逸出，观测和研究地下气体的逸出，可能会捕捉有效的地下构造活动的信息，而氢气作为一种灵敏的指标能够指示断裂活动的过程[1]。张培仁、车用太、鱼金子等对氢气异常与地震的关系进行了大量研究，认为氢气具有较强的映震灵敏性，特别在短临阶段的映震能力明显优于其他测项[2]。新疆的南天山地区为近几年来中强地震危险区，具有地震多、地下流体观测手段少的明显特征。近年来该区域范围内地震活动异常活跃，为加强该区域的震情跟踪工作，地下流体学科组在阿克苏架设痕量氢仪器开始观测[3]。

新疆阿克苏台痕量氢观测仪器为杭州超距科技有限公司研制的ATG6118H痕量H2在线自动分析仪，该仪器观测精度较高，稳定性较好，自2013年11月9日架设以来，累积了连续、可靠的观测资料，观测资料对周边300 km以内中强地震有很好的映震效果。在2013年12月1日柯坪5.3级地震、2017年9月16日库车5.7级地震、2018年11月4日阿图什5.1级地震和2019年10月27日乌什5.0级地震前，短期异常变化明显，本文主要分析总结这4次地震前痕量氢异常变化特征及对比分析。

1 观测仪器概况

阿克苏痕量氢在线自动分析仪观测点位于阿克苏西大桥断层仪观测室内。该台处在北东向柯坪山体北东末端，沿柯坪山体的东南一侧发育规模较大的柯坪断裂带，全长460 km。柯坪断裂带是新疆发生6级以上地震频次最高的活动断裂带，为全新世活动断裂带。观测室为地下观测室，被覆6 m，痕量氢出气孔位于与断层呈60°角的跨断层水平斜交洞室的中间部位。痕量氢抽气孔深1.25 m(距离地面1.25 m)，露出地表的抽气管高0.7 m[4](图1)。

图1 阿克苏痕量氢气集气装置示意图

2 震前异常特征

诸多研究结果认为震前痕量氢的异常特征是“高值突跳、异常幅度大、时间短”[5]，结合近几年ATG—6118H型痕量氢在全国20多个地震台站的试运行情况来看，断层带土壤氢观测对地震台站300 km范围内的中强震具有较好的前兆短临异常。

阿克苏痕量氢仪器2013年11月9日投入观测，架设初期观测数据呈上升趋势，由于仪器运行性能不稳、厂家更新仪器等因素造成2013年11月18日至11月25日数据缺记；2015年仪器故障率较高造成数据不连续；2016年8月15日仪器故障，8月29日更换仪器后恢复正常观测；2017年12月27日～29日对痕量氢仪器进行标定，标定后观测数据波动明显变大，与厂家联系后认为仪器运行正常，可能是由于仪器校准过后灵敏度变高，能够识别出更细微的氢气变化量。

自正常观测以来，痕量氢浓度有较清晰的年变，每年4月中下旬浓度值最低，7月下旬达到最高值。辅助观测气压与痕量氢浓度值呈负相关，气温与痕量氢浓度值呈正相关。若气温升高，痕量氢浓度会上升；若气压升高，痕量氢浓度会下降。这4次异常变化在地震前氢气浓度均出现幅值上升，且异常幅度较大，震后浓度下降恢复至背景值附近(表1)。

表1 痕量氢异常情况与地震关系

2.1 柯坪5.3级地震

阿克苏痕量氢自2013年11月9日投入观测，氢气浓度一直处于不断上升过程中，但相对较为平稳。11月19日至11月24日由于仪器网络故障造成数据缺记，经过维修后恢复正常。11月29日15时开始浓度值快速上升，由2.523 ppm上升到12月1日15时的3.720 ppm，上升幅度达到1.39 ppm。16时34分发生了柯坪5.3级地震(距观测点139 km)。震后经过反复的下降、突升变化，于12月4日20点浓度值达到4.51 ppm后开始下降，总体上升幅度为1.987 ppm，异常持续6天，12月14日后浓度值恢复到震前正常范围(图2)。阿克苏痕量氢架设初期背景值在1.3ppm左右，本次地震前异常变化特征为氢气快速上升变化，变化幅度是背景值的1.53倍，是在氢气浓度值快速上升过程中发震。

图2 阿克苏痕量氢气在线自动分析仪整点值曲线(2013-11～2013-12)

2.2 库车5.7级地震

阿克苏痕量氢2017年8月30日13时出现快速上升变化，由1.10 ppm上升到9月1日00时3.14 ppm，上升幅度为2.04 ppm，15时氢气浓度值再次持续上升，5日23点达到最高值4.536 ppm后缓慢下降，整体上升幅度达到3.526 ppm，是正常背景值的3倍左右。本次异常共持续7天，在氢气浓度值下降的过程中发生2017年9月17日新疆库车县5.7级地震(距离观测点279 km)。震后氢气浓度值仍然处于下降变化过程中，直到2017年12月底完全恢复背景值，历时4个月时间(图3)。本次地震前异常变化特征为氢气快速上升变化，异常幅度是背景值3倍左右，且在氢气浓度达到最高值后下降过程中发震。

图3 阿克苏痕量氢整点值曲线(2017-08～2017-09)

2.3 阿图什5.1级地震

每年4月中下旬氢气浓度值开始上升，7月中下旬痕量氢浓度值达到峰值之后转为下降变化。然而2018年6月24日氢气浓度开始波动上升，且浓度值高于往年同期。9月12日22时氢气浓度值达到峰值4.052 ppm，总计上升幅度达到1.651 ppm，辅助观测的气温、气压数据与往年同期数据变化形态一致，9月13日23时氢气浓度值由3.335 ppm快速下降至9月17日15时1.995 ppm，变化幅度为1.34 ppm。之后观测数据一直处于波动变化过程中，10月23日氢气浓度开始快速上升，10月25日浓度值达到3.441 ppm后转为缓慢下降，在下降恢复背景值的过程发生了2018年11月4日阿图什5.1级地震(距离观测点263 km)。震后氢气浓度值持续到2019年1月2日才恢复到背景值(图4a)。本次地震前异常变化特征为氢气浓度值异常变化持续时间长，期间经历观测值反复上升—下降过程，且恢复背景值时间较长。2018年浓度值达到峰值时间是9月，较往年(每年7月)滞后2个月，数据形态与往年明显不同。从2014年、2016年、2018年这三年年变来看，2018年8月5日年底氢气浓度测值整体高于往年同期，且浓度值达到最高值时间晚于往年同期(图4b)。

图4 阿克苏痕量氢日均值(2018-01-01～2018-12-31)(a)、年变(b)曲线

2.4 乌什5.0级地震

2019年3月19日痕量氢氢气浓度值开始出现波动上升，至10月27日测值超过往年同期测值0.7 ppm，辅助观测气压、气温值变化与往年相当。8月26日12时氢气浓度值出现快速上升，23时达到5.4 ppm，26日当日上升幅度达到1.92 ppm，总计上升幅度为3.5 ppm，是背景值3倍左右，之后观测数据逐渐下降(图5)，随后发生2019年10月27日乌什5.0级地震。震后氢气浓度值缓慢下降，直到2020年1月恢复到背景值。本次地震前异常变化特征为氢气浓度值缓慢上升，累计变化幅度是背景值3倍左右，在氢气浓度值下降过程中发震，震后恢复背景值较长。

图5 阿克苏痕量氢日均值曲线(2019-01-01～2019-12-31)

3 小波分析

宋志平等研究员将小波理论用于分析前兆观测资料，为我们提供了前兆资料高、低频信息分离与识别的一种有效方法[6]。用小波分析法提取观测数据的各类信息，是基于小波变换理论识别、消除数字化资料干扰以及对不同频率范围内的信息进行识别与分离，即对痕量氢观测资料进行近似部分(低频)与细节部分(高频)信息的分离。

对日均值数据经过预处理，利用db4小波将其分解，选取细节部分第5阶作图分析(图6)。结果显示，2013年11月～12月、2017年8月～10月、2018年6月～10月和2019年3月～9月数据超2倍均方差阈值，存在异常变化，与形态法、年变对比得出结论保持一致。这4个时段的观测数据出现幅值超阈值范围变化，说明该频率范围内的正常周期信号上叠加了相同频率的其它信号，而叠加的信号排除了气压、气温干扰后认为是地震前兆异常。

图6 阿克苏痕量氢小波分析细节第5阶结果曲线

4 结论及讨论

通过对阿克苏痕量氢积累6年的观测资料进行分析总结，发现我台痕量氢对周边发生的5级左右地震有很好的映震效果。这4次地震具有代表性，将阿克苏痕量氢观测震例基本可以划分为两种表现形式，具体如下：

(1)一种为震前痕量氢测值均出现明显高于背景值上升变化，且均在达到高值后转为下降变化中发震。此种类型与黄春玲、范雪芳等人对山西地震台痕量氢典型震例相似。柯坪5.3级地震和库车5.7级地震前异常变化具有突发性，即数据表现形式几乎为震前直线上升与震后快速下降，异常幅度大，异常变化特征明显，易于识别。一种表现为震前数月开始痕量氢日变化幅度波动增大，最大日变幅幅度约为0.4～1倍背景值；随着临近地震波动幅度逐渐加大，一般在发震前20天～40天左右开始波动明显增大，日最大波动幅度约1～3倍背景值；且痕量氢总体呈现波动上升变化，地震往往于波动上升达到最高值附近或回返中发生。阿图什5.1级地震和乌什5.0级地震前异常变化持续时间较长，期间经历观测值反复上升-下降过程，震后恢复时间较长。

(2)利用小波分析方法分析4次地震前异常变化，震前均出现超阈值现象。

(3)柯坪5.3级地震、阿图什5.1级地震和乌什5.1级地震发生在同一个地质构造带，但柯坪5.3级地震的震前异常变化与二者不完全一致，与库车5.7级地震震前异常变化相似。根据范雪芳等的研究[5]，在震源机制解、深度几乎相同的地震前，同一测点痕量氢浓度观测值均出现相同的异常变化，且变化形态相似、幅度相当。阿图什5.1级地震和乌什5.0级地震都是逆冲型，震源机制解相同，且震源深度均在10 km左右，异常重现性好；柯坪5.3级地震是逆断型，库车5.7级地震是逆冲型，震源机制解不同，震源深度相同，但变化形态相同，这需要需要笔者进一步研究。

这4次地震前痕量氢观测资料的异常变化，皆是反映区域应力场变化。由于该观测点监测手段单一，利用痕量氢预报地震有一定制约性．且目前积累的资料较为有限，因此对于痕量氢气体的认知具有很大的局限性，需进一步分析研究。