新疆庫爾勒斷層氫氣濃度的影響因素及其地震預測的潛在效能評價

向陽 孫小龍 高小其 朱成英 李娜

1）中國地震局地殼應力研究所地殼動力學重點實驗室，北京市海淀區安寧莊路1號 100085

2）新疆維吾爾自治區地震局，烏魯木齊市新市區科學二街338號 830011

0 引言

地球內部氣體在溫壓梯度差及濃度差的作用下，不停息地向地表大氣逸出（杜樂天等，2005）。斷層活動及地震孕育過程中，地下介質條件在應力應變作用下改變，造成巖體變形破裂或發生化學反應而導致地球放氣異常（Lombardi et al，2010；杜建國等，1997），而在各種氣體中，氫氣（H2）最為活躍，其具有質量最輕、半徑最小、遷移速度快及穿透性極強的特性（車用太等，2015；Whiticar，1999），被看作是可用于地震預測的最靈敏的地球化學組分之一（張培仁等，1993），同時，也被認為是最有希望在短臨地震前兆異常中獲得突破的測項（車用太等，2002；劉耀煒，2006）。

國內外學者關于H2濃度與地震間關系方面的研究已有近40年的歷史，粟啟初（1992）通過實驗說明了斷層逸出H2對地震的誘發作用；杜樂天（1999）提到前蘇聯在1970年達格斯坦6.7級地震前記錄到了幅度高于正常背景值5～6個數量級的H2濃度高值異常；杉崎隆一等（1986）在1983年日本海中部7.9級地震時觀測到斷層處幅度高達7.8%的H2濃度高值異常；黃學等（2008）研究H2濃度與地震間關系時發現，塔吉克斯坦共和國2次6級地震前后均出現H2濃度的變化。大量實踐及研究表明，H2濃度在地震前的異常非常顯著，異常幅度較大，且多具有短臨異常特性。因此，開展H2觀測及其濃度動態變化特征研究，是探索地震監測與短臨預測研究的重要途徑之一（車用太等，2015；劉耀煒，2006）。

新疆天山中段為近幾年年度重點危險區之一，也是重要的地震監視區，具有地震多、地下流體觀測點少的明顯特征。為加強該區域的震情跟蹤工作，2013年11月在中國地震局地殼應力研究所援疆項目的支持下，地下流體學科組在庫爾勒地震臺霍拉山斷裂上開展了斷層H2濃度連續觀測。斷層H2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，穩定性較好（車用太等，2015），儀器自帶環境氣溫傳感器和氣壓傳感器，既滿足了斷層H2濃度連續觀測的要求，又得到了與觀測值同步的溫度、氣壓數據，從而有利于對斷層H2觀測資料的干擾因素進行分析，得到更為準確的斷層H2濃度變化觀測結果，為地震監測與預測提供可靠的數據基礎。

自觀測以來，庫爾勒斷層H2濃度資料連續可靠，但濃度變化幅度不穩定，到目前為止，尚未對其進行過系統的分析。本文通過對比溫度和氣壓觀測數據，對庫爾勒斷層H2濃度動態變化及影響因素進行了深入分析，并依據現有的觀測資料及其周邊地震活動情況，用Molchan圖表法對該測點的斷層H2濃度觀測資料進行預測效能定量化的評估與檢驗，進而獲取具有前兆指示意義的地震預測指標，以期為今后該地區的震情跟蹤及地震形勢判定提供可能的判定依據。

1 觀測點概況

圖1 庫爾勒斷層H 2觀測點構造簡圖與地震震中分布

庫爾勒斷層H2觀測點在庫爾勒臺地形變前兆綜合觀測“U”形山洞內，在庫爾勒跨斷層形變儀旁，與形變觀測共用一個觀測室。該觀測點地處庫爾勒市北的霍拉山，構造上處于北輪臺-辛格爾斷裂與興地斷裂的交匯部位（圖1）。北輪臺斷裂位于新疆天山南麓與塔里木盆地北緣的交匯部位，整體呈現NWW-EW向展布，全長約300km，斷層面呈N傾，傾角50°～80°，是一條逆沖兼左旋型斷層，該斷裂分為2支（姚遠等，2015）。斷層 H2觀測點所在區域屬于北輪臺斷裂的北支斷裂，自鐵門關水庫向東，與辛格爾斷裂相連，長約100km，整體呈近EW向展布。探槽剖面結果顯示，該斷裂所在區域花崗巖基巖巖體與第三系地層（N）、第四系沉積物之間都呈現出不整合接觸，傾向177°～190°，傾角36°～41°，斷層向北逆沖錯斷第三系砂礫巖及含礫泥巖層，并推覆到晚更新世洪積角礫巖之上，斷裂的垂直斷距較大，達幾百米到上千米，在地表形成大型清晰形變帶，說明斷層有不同程度的活動（羅忠福等，2002；姚遠等，2015）。該處巖體破碎，易富集和貯存氣體，經現場實地勘選，庫爾勒臺地形變觀測區域所在斷裂帶上土壤氣氡和氣汞濃度較高，是理想的斷層氣觀測點，可以進行斷層H2連續觀測。

斷層H2觀測孔由人工開挖，孔深1.7m，裸孔直徑1.0m，開挖至基巖。觀測孔內放置1根直徑 250mm、長 135cm的 PVC管，管底50cm打有氣孔（孔徑 10mm），連接集氣花管。PVC管上部通過4個變徑管頭（長35cm）相連，連接處用PVC膠粘接，直徑最終變為25mm，而后用橡皮管塞密封，將 H2觀測軟管插入橡皮管塞中，為利于氣體通過，在集氣管周圍50cm鋪設一層透氣性好的礫石層，而后將沙石回填，孔表層用水泥沙漿（5cm）密封（圖2）。

圖2 集氣裝置示意圖

2 庫爾勒斷層H 2濃度影響因素分析

已有研究表明，H2濃度的動態變化具有較強的映震靈敏性，尤其是短臨階段的映震能力優于其他測項（車用太等，2002；張培仁等，1993）。但H2濃度異常并非都是地震前兆異常，其動態變化也受到一些干擾因素的影響，其中，氣象因素為主要干擾因素，如氣溫變化可以引起近地表巖石熱彈性應變周期變化，進而使巖石裂隙中的氣體濃度發生周期性變化（杜建國等，1997）；氣壓變化可以改變巖石孔隙中的壓力梯度及斷層中氣體的遷移，造成斷層氣濃度發生變化（曹玲玲等，2014）。這些因素都可以使H2濃度具有規律的年變和不規則的突變，因此，識別庫爾勒斷層H2濃度觀測數據的影響因素，研究H2濃度變化與地震活動間的關系，提取定量化的H2濃度異常判別指標，可為地震的短臨預測提供相應的參考依據。

2.1 庫爾勒斷層H 2濃度變化特征

庫爾勒斷層H2觀測始于2013年11月，自觀測以來，數據連續穩定。圖3、4（a）分別為庫爾勒斷層H2濃度、氣壓、溫度變化及H2濃度年變化。由圖3、4可見，庫爾勒斷層H2濃度變化的基本特征為：年變規律較為明顯，呈現冬高夏低的變化趨勢，即在每年1～3月、11～12月測值最高且變化穩定，幅度基本在1.2×10-6左右；在4～6月斷層H2濃度下降，9～10月濃度上升，下降上升變化期間的幅度波動范圍較大，測值在0.7×10-6左右；在7～8月H2濃度測值降到最低（圖 3（b）），測值變化多在 0.1×10-6～0.2×10-6之間。

圖3 庫爾勒斷層H 2濃度、氣壓、溫度變化

由圖3還可見，斷層H2濃度日變形態無明顯規律性，存在單峰、雙峰、多峰甚至無日變等多種變化形態，但相比而言，庫爾勒斷層H2濃度日動態變化與氣壓日動態變化具有同步性，而與溫度日動態變化無關，說明氣壓日動態變化對庫爾勒斷層H2濃度有一定的影響，溫度日動態變化對斷層H2濃度無影響。

2.2 斷層H 2濃度變化與氣壓、溫度的相關性

圖4、5分別為庫爾勒斷層H2濃度與氣壓、溫度間的相關性，雖然庫爾勒斷層H2濃度日動態變化受氣壓影響，不受溫度影響，但由圖4、5可知，斷層H2濃度變化與氣壓、溫度的年變化特征卻有一定的關系。由于該地區屬暖溫帶大陸性氣候，年降雨量較少，降雨影響可忽略不計。鑒此，為了進一步研究庫爾勒臺斷層H2濃度變化的影響因素，本文先利用一元線性回歸分析法得到斷層H2濃度與氣壓、溫度年動態變化之間的相關系數，再對觀測數據進行擬合分析，得到斷層H2濃度與氣壓、溫度年動態變化相關度的定量結果。

圖4 庫爾勒斷層H 2濃度與氣壓相關性

圖5 庫爾勒斷層H 2濃度與溫度相關性

由圖4（c）可知，斷層H2濃度與氣壓間的相關系數為0.6735，相關性較好，擬合方程為：y＝0.03x-25.61，呈正相關，即隨著氣壓的增大，H2濃度逐漸升高。由圖5（c）可知，斷層H2濃度與溫度之間的相關系數為-0.4262，相關性一般，擬合方程為：y＝-0.30x+6.47，表現出一定的負相關，即隨著溫度的升高，H2濃度逐漸降低。結果顯示，氣壓對斷層H2濃度變化影響較大，溫度影響較小。

圖6為庫爾勒斷層H2濃度及氣壓、溫度效應所引起的H2濃度變化。由圖6可見，在觀測點巖性、構造、覆蓋層等地質因素基本固定、儀器工作條件及參數不變的情況下，氣壓、溫度季節性變化引起了H2濃度的年變化，即每年4～6月溫度逐漸升高時，斷層H2濃度開始下降，7～8月溫度達到最高值時，斷層H2濃度測值則為最低值，直到9月以后溫度逐漸降低，斷層H2濃度又開始回升，并且下降、上升幅度都大于1.1×10-6。

圖6 庫爾勒斷層H2濃度與氣壓效應和溫度效應圖

以上分析結果表明，氣象因素（氣壓、溫度）是引起庫爾勒斷層H2濃度年變的主要因素，從相關系數計算結果可看出，氣壓與斷層H2濃度的相關性大于溫度與斷層H2濃度的相關性，說明氣壓對斷層H2濃度的影響比溫度更明顯，這與部分前人研究結果所得到的斷層H2濃度主要受溫度影響的結論截然相反（王博等，2010）。原因可能是：①前人的研究大部分是基于斷層H2觀測數據的短期變化和相應時間段的氣溫、氣壓短期數據，所選的數據長度、分析時段不同和研究尺度不同造成結果的不同（曹玲玲等，2014）；②斷裂帶中氣體的來源和運移方式不同，這與其自身的性質和外部環境有關（張榮華等，2010），即不同環境下H2濃度變化特征存在個體差異也可能導致得出的結論與本文不一致。另外，氣壓可直接影響斷裂帶或土壤的孔隙壓力，當大氣壓力改變時，斷層孔隙和裂隙中存在的大量氣體，在壓力差的作用下，其遷移發生改變，從而造成H2濃度的動態變化。

此外，雖然溫度對斷層H2濃度的影響較小，但二者呈現負相關的變化，即斷層H2濃度變化表現為“夏低冬高”。造成這種現象的原因可能是，測點周圍土壤表層局部潮濕，冬季氣溫在零度以下時，潮濕土壤中的水分凍結，形成凍土層，當凍土層達到一定的厚度時形成良好的封閉系統，阻止深部氣體逸出，使其下方地層所含氣體濃度相對增高，當采氣裝置埋設在凍土層以下時，所測得的斷層H2濃度相對較高（常秋君等，1993）；僅之，當采氣裝置埋設在凍土層以上時，所得到的斷層H2濃度一般較低。

由于條件所限，庫爾勒斷層H2測點沒有獨立的氣象要素監測儀器，所以，本研究使用H2觀測儀器產生的溫度數據，觀測的是儀器所在山洞環境的溫度，該溫度與土壤內部的溫度有很大區別。因此，在條件允許的情況下，可結合地溫和濕度的變化，更為詳細地分析氣象因素的影響。

3 Molchan圖表法地震預測效能檢驗

地震孕育與發生時，地下應力或應變發生改變引起地殼形變，斷層活動性增強，導致地下氣體濃度發生變化，各種氣體中H2最為活躍，H2測項是探索短臨地震前兆異常的重要手段之一（劉耀煒，2006）。以往受觀測條件與技術的限制，對于斷層H2尚未達到連續觀測。近年來，針對H2的觀測與研究取得了一些新的進展，積累了一定數量的H2前兆異常震例（車用太等，2015；范雪芳等，2015）。

那么，如何利用現有的觀測資料對震例進行系統分析，并從中提取有前兆指示意義的預測指標信息，已成為當前前兆觀測及分析預測亟須解決的現實問題。由前述可知，庫爾勒斷層痕量H2受氣壓、溫度的影響出現年動態變化，但無法單獨去除氣壓和溫度引起的H2變化量，那么，當H2濃度變化小于年變幅度時，將很難判斷短時間內H2濃度的快速變化是短臨異常還是與氣象因素有關，這就給觀測資料的分析工作帶來了困難。因此，對于這種年變幅度較大，而觀測數據變化幅度較小的情況，需要采用一定的處理方法先對觀測數據進行預處理，再利用定量化的方法對觀測數據及其相應的地震依次進行映震效能的檢驗與分析。

鑒于此，本研究先對庫爾勒斷層H2濃度原始數據采用小波分析進行去趨勢處理，并采用中國地震臺網提供的地震目錄，依據M4地震小于200km、M5地震小于250km、M6地震小于300km、M7以上地震小于500km的規范，篩選了2014～2016年自觀測以來斷層H2觀測點周圍發生的地震，共12次，其中，4.0～4.9級地震9次，5.0～5.9級地震3次（圖1）；然后利用Molchan圖表法對斷層H2濃度及相應的地震依次進行檢驗，分別得到該測項的整體預測效能、最佳閾值（異常的最佳判別指標）及優勢對應時間。

Molchan圖表法（Molchan Error Diagram），主要是針對預測結果與觀測目標地震差異度的檢驗（Molchan，1990），它既能直觀地反映預測效能，對觀測資料進行評估，又能對異常進行定量分析，得到最佳閾值所對應的異常識別指標。Molchan圖表中，橫坐標為時間占有率τ，縱坐標為漏報率v，隨機預測線（Gain＝1）將圖表分為左下和右上兩部分。每一個閾值確定一組τ-v值，閾值由大到小滑動后得到τ-v曲線，τ-v曲線與縱、橫坐標圍成的面積大小即表示其預測效能，面積越小，預測效能越高；反之，則越低（Molchan，1990）。另一方面，還需考察報準數h所對應的顯著性水平α（Zechar et al，2008）和概率增益 Gain（Molchan，1991），顯著性水平α越低、概率增益Gain越大時，預測效果越好。所計算的變量有：

報準數h：預測有震的數量與實際發震數之比。

漏報率v：預測無震而實際發震的數量與總的實際發震數之比。

異常的時間占率τ：不同的閾值提取異常的時間范圍與總的時間范圍之比。

4 結果分析

4.1 預測效能檢驗與預測指標提取

圖7為庫爾勒斷層H2濃度原始值及去趨勢圖。由圖7（a）可見，H2濃度年變特征較為明顯。對于這類具有明顯年變規律的資料，需要對原始數據進行預處理。而小波分析方法具有較強的識別、分離功能，對趨勢變化和短期異常能進行有效分離（宋治平等，2001）。因此，本文先利用小波分解法對 H2濃度原始數據進行去年變處理，得到去趨勢后的曲線（圖7（b））；之后，依據所篩選的12個地震，利用 Molchan圖表法對其進行地震預測效能檢驗（圖8），并提取相應的預測閾值。

圖7 庫爾勒斷層H 2濃度原始值（a）及去趨勢圖（b）

圖8 庫爾勒斷層H2預測效能檢驗

由圖8（a）可見，庫爾勒斷層H2預測效能較好，即所有數據點的概率增益均大于1，而且預測效能絕大部分在0.6以上，具有統計和檢驗意義。圖8（b）中柱子上沿為本月內第1天值，下沿為本月內最后1天值，上方豎線表示最高值，下方豎線表示最低值，實心柱表示在1個月內隨著時間增大預測效能升高，空心柱表示在1個月內隨著時間增大預測效能下降。可以看出，該測點H2測項在2～3月內的短期和4～5月內的中長期預測效果更好，預測效能均在0.7左右。再結合圖8（a）可知，在預測效能相當的情況下，短期的概率增益基本都大于2，而中長期的概率增益大部分都小于2，綜合分析認為，庫爾勒斷層H2測項短期預測效果更好。

基于對庫爾勒斷層H2測項預測效能的檢驗結果，利用Molchan圖表法定量提取庫爾勒斷層H2濃度在1～12個月內預測效能較好時段的異常判定指標。由于該觀測點斷層H2測項短期（3個月以內）預測效果較好，根據檢驗結果可知，最佳閾值所對應的優勢預測時間為55天（圖9）。其中，圖9（a）為庫爾勒斷層H2濃度去趨勢曲線與最佳閾值，紅色空心五角星為12個實際發生的地震，紅色虛線為最佳閾值線；圖9（b）為庫爾勒斷層H2濃度τ-v曲線及概率增益（Gain）等值線；圖9（c）為庫爾勒斷層 H2濃度τ-v曲線及顯著性水平α，不同顏色曲線為實際發生12個地震情況下不同顯著性水平α等值線。圖9（b）、9（c）中紅色粗階梯線為預測閾值從大到小滑動得到的τ-v曲線，藍色圓圈代表最接近原點（0，0）的τ-v值，其閾值可視為最佳閾值。

圖9 庫爾勒斷層H 2濃度Molchan檢驗結果

由圖9（a）可見，庫爾勒斷層 H2濃度去趨勢后的最佳閾值為 0.3392×10-6。圖9（b）、9（c）右下角（1，0）點表示地震全都報準，但它的時間占有率也是最大的，覆蓋數據的整個時間段；縱坐標代表漏報率（左）和報準數（右），漏報率越大則報準數就越小，例如，左上角（0，1）點表示地震全部漏報即一個都沒有報準，而它的時間占有率卻是最小的，可先判斷各自的預測效果，進而綜合分析判斷庫爾勒斷層H2濃度的預測效果。

從庫爾勒斷層H2濃度Molchan檢驗結果可看出，在55天圓圈所示位置，12個實際發生的地震中，報準10個地震，漏報2個地震，報準率較高，且概率增益較大，時間占有率較低，顯著性水平α更接近最小α等值線，置信水平較高，說明預測效果很好。所以，該斷層H2濃度的優勢對應地震時間段為2個月以內的短期，尤其在2個月時效果更好，在55天的最佳閾值為0.3392×10-6，此閾值可作為相應時間段的“警報”閾值。

基于以上分析結果，將庫爾勒斷層H2濃度異常指標定為0.3392×10-6，對報準的10個地震與異常的對應關系情況進行了統計（表1）。由表1可知，庫爾勒斷層H2濃度變化幅度與震級、震中距間沒有明顯的線性關系，但從異常開始到發震的時間都小于2個月，最短為5天，最長為56天，這與由Molchan圖表法定量提取的優勢時間段（2個月內）結果一致，說明該測點斷層H2測項短期預測效果好。

表1 庫爾勒斷層H 2濃度異常與地震對應關系

4.2 基于Molchan圖表法的預測效能分析

庫爾勒斷層H2濃度氣壓效應和溫度效應明顯，二者同時作用引起H2濃度年動態變化，但這2種影響因素又無法同時去除，故在日常觀測資料分析中很難判定H2濃度真實變化。因此，對于這類數據，在用Molchan圖表法進行檢驗時需要對H2濃度原始數據進行小波去趨勢處理，以針對檢驗結果綜合分析報準率、概率增益和時空占有率等。

表2為庫爾勒臺斷層H2濃度在不同預測時間內的最佳閾值、預報效能、概率增益（Gain）、時間占有率τ和漏報率v等。由表2可見，雖然132天時預測效能最高（0.772），但漏報率也相對較高（0.25）。55、105天的漏報率較低（0.167），但時間占有率相對較高。105、132天的預測效能也較高，圖10為二者檢驗結果。由圖10可見，105天（4個月內）和132天（5個月內）的面積相對較小，但二者的最佳閾值即圓圈所在位置卻不同，表現為在105天時報準10個地震，漏報2個地震；在132天時報準9個地震，漏報3個地震；105天的報準率大于132天。而此時，132天時概率增益大于2，大于105天時的概率增益，并且時空占有率更小，說明在中期預測時間段內，132天即5個月內的預測效果更好。以上結果都說明，庫爾勒斷層H2濃度的映震效果較好，優勢對應時段為中短期，尤其是短期。

表2 庫爾勒斷層H 2預測效能評估與預報指標

圖10 庫爾勒斷層H 2濃度不同預測時間的預測效能檢驗結果

利用Molchan圖表法分析前兆數據預測效能時，需充分考慮由以上各種因素得到的綜合檢驗結果，不能簡單依據預測效能值的大小來提取最佳預測指標。

5 結論與討論

本文主要從2個方面對庫爾勒臺斷層H2濃度觀測資料進行分析，首先分析了斷層H2濃度與氣壓、溫度的相關性特征，然后基于Molchan圖表法對斷層H2濃度映震效能進行了定量檢驗及其預測指標提取。得到以下初步認識。

（1）庫爾勒臺斷層H2濃度與氣壓之間的相關系數為0.6735，呈正相關，氣壓增大，H2濃度升高；斷層H2濃度與溫度之間的相關系數為-0.4262，呈負相關，溫度升高，H2濃度降低。氣壓對斷層H2濃度的影響較大，溫度對斷層H2濃度的影響較小。

（2）庫爾勒臺斷層H2濃度氣壓效應和溫度效應顯著，二者同時作用共同引起了H2濃度年變變化，每年4～6月開始下降，7～8月濃度達到最低值，9月又開始回升，并且下降、上升幅度都在1.1×10-6以上，年變幅度較大，而H2濃度變化小于年變幅度變化，因此，分析該觀測點H2濃度數據時有必要對原始數據進行一定的預處理。

（3）利用Molchan圖表法，對庫爾勒臺斷層H2濃度的映震效能進行了檢驗和定量化的預測判定指標提取。結果顯示，優勢預測地震對應時段為2個月內，最佳閾值為0.3392×10-6，該閾值可作為庫爾勒臺斷層H2濃度的短臨異常預測指標。