蚌埠臺水氡觀測數據變化分析＊

石小磊 王 俊 李良輝 張偉峰 肖 攀 潘 潔 杜默然

1) 蚌埠市地震局地震監測中心，安徽蚌埠 233000

2) 安徽省地震局，合肥 230031

引言

氡是一種放射性物質，在自然界中呈氣態物質存在，在巖石中主要通過擴散到地下流體中，以溶解的形式存在[1]。據前人學者研究，當巖石處于穩定狀態時，氡也處于相對穩定的狀態，當應力發生變化時，巖石處于失穩狀態或者溫度升高，吸附狀態和封閉狀態的氡都會轉化成自由狀態的氡擴散在水中，有震例表明，地震的發生常伴有流體的異常[2]。因此，水氡是一項比較靈敏的映震指標，結合前人學者的大量研究工作，目前水氡觀測技術已進入比較成熟的階段[3]。本文通過對蚌埠臺4月份出現的水氡異常特征進行分析，為今后該地區的前兆數據異常提取和震情研判提供依據。

1 蚌埠臺水氡觀測點概況

蚌埠地震臺位于蚌埠市西郊小黃山，地處郯廬斷裂帶西側，近側通過的斷裂有北西向的渦河斷裂和北北東的固鎮—懷遠斷裂，臺基巖性為花崗巖。蚌埠臺水氡觀測井系1979年11月由省323地質隊施工完成，井深88.20 m，觀測層水為花崗巖裂隙水，目前尚未發現干擾源。1980年，臺站擴建并開始水氡觀測，2002年至今使用FD-125進行觀測。

2 水氡數據變化特征分析

蚌埠地震臺水氡于2020年4月15日開始有轉折下降的趨勢，5月10日后恢復至正常動態。2019年4月也曾出現過類似變化，至2019年5月23日又恢復上升趨勢。從2012年以來的水氡數據變化來看，每年 1—6（7）月份水氡上升，7（8）月份以后水氡才開始出現下降變化。 從2012年以來的同期數據進行對比可以看出，2020年4月15日水氡測值有小幅下降，4月20日轉平波動，目前已恢復至正常波動狀態（圖1）。

圖1 2012 年以來的同期水氡數據日均值變化（2012—2020年）Fig. 1 Daily mean change of radon data in the same period since 2012（2012—2020）

2.1 觀測環境

水氡觀測井房位于蚌埠臺大院正南方向，周圍較僻靜，無自然環境或人類活動干擾源。2020年5月14—15日聯合省局專家在蚌埠臺和蚌埠市監測中心開展了觀測井周邊環境調查與核實工作，經過實地踏勘調查后，結果顯示：周邊環境無明顯改變，未發現重大施工及抽水等情況。

2.2 降雨因素

對比蚌埠臺歷年的降雨資料發現，降雨是影響水氡變化的重要因素，水氡和降雨呈正相關關系。降雨量補給，水流速度增大，因此，水在井管中的停留時間變短，水氡測值增大[4]。當冬季降雨量較少時，水氡測值下降。本次水位波動處于春雨期間，降雨量增加，水氡測值應有所上升而非下降，因此，此次水氡變化排除降雨因素影響[5-6]。

2.3 氣壓、氣溫因素

通過對水氡與氣壓的相關性進行對比研究發現，此次水氡與氣壓呈負相關關系，與氣溫呈正相關關系，且與氣溫的相關性更為顯著（圖2）。據研究，氣溫對水中氣體組分的影響大于水化離子的影響；對泉點和淺井的影響大于深井。短期、局部的水氡變化，與氣溫的變化關系密切。因2016年部分氣溫數據缺失，下文僅分別呈現出2017年4月16日、2018年4月5日、2019年4月9日及2020年4月18日的水氡變化（圖3）。

圖2 蚌埠水氡與氣溫呈正相關關系（2016—2020 年）Fig. 2 Comparative analysis of radon in water and temperature at Bengbu seismic station（2016—2020）

綜上分析，通過對比氣溫與觀測室溫度，初步判斷本次出現的水氡短期下降、波動變化與該區域的氣溫、水溫下降、波動變化關系密切[7-9]。氣溫引起水溫的變化，進而引起氣體的溶解度和脫氣率改變，從而引起水氡測值的變化。由于2016年氣溫數據有部分缺失，氣溫下降幅度和下降持續時間不再統計（表1）。

圖3 2016—2020 年蚌埠水氡與氣溫之間的對比分析Fig. 3 Comparative analysis between radon and air temperature in Bengbu from 2016 to 2020

表1 氣溫影響水氡數值下降幅度變化情況Table 1 Influence of temperature on the decline of radon in water

2.4 震例分析

根據以上研究可以判定氣溫對水氡的影響顯著，通過震例分析來檢驗這一結果的可靠性，我們選取安徽省地震臺網中心2016年1月1日—2020年6月30日蚌埠周邊ML3.5以上地震目錄。判定水氡測值下降是由于每年4月份季節更替容易出現氣溫變化現象而導致水氡測值下降，還是地殼應力年度積累變化釋放的前兆信息變化，本文還需要更進一步的分析研究。

圖4 2016—2020 蚌埠及周邊地區地震 M-t圖Fig. 4 M-t seismic map of Bengbu and its surrounding areas from 2016 to 2020

從M-t圖可以看出（圖4），蚌埠及周邊地區地震頻次上半年高于下半年，地震能量釋放多集中在上半年，以小震活躍為主，震中距小于200 km范圍內ML3.5以上地震4次，其中3次發生在4月份（表2）。由此說明氣溫不是影響蚌埠臺水氡下降的單一因素，而是由環境干擾與地震前兆信息共同作用的結果。

通過增加震例進行對比，我們選取蚌埠及周邊地區3.0級以上地震目錄投射在水氡-氣溫的相關系數圖上進行分析（圖5），在觀測數據真實可靠的基礎上，排除人為干擾因素、觀測數據的變化，蚌埠地區地震年度釋放水平穩定，多集中在上半年，因此，在此期間地殼應力變化致使小震活躍，對前兆數據產生影響，當水氡測值數據受到干擾后，發生動態變化，同時與氣溫的相關性這種平衡狀態被打破，相關系數發生變化。變化越明顯，說明映震能力越好。可以發現相關系數處于低值時和周邊發生地震也存在一定關聯性[10]。

表2 2016—2020 年蚌埠周邊發生 ML≥3.5 地震Table 2 Earthquakes with ML≥3.5 occurred around Bengbu from 2016 to 2020

圖5 水氡與氣溫相關系數圖Fig. 5 Correlation coefficient of radon in water and temperature

本文研究結果表明，蚌埠臺氡值與氣溫的相關性大于0.7，氣溫升高，水氡測值升高。反之，氣溫下降，水氡測值下降。但是，相關程度低的影響因素又更為復雜，比如地質構造、取樣方式和觀測手段的不同，對氣溫因素的影響和制約都會產生作用，特別是映震能力比較好的水井，當前兆出現異常時，測項之間的相關性也會有所下降[11]。

2.5 觀測儀器對比分析

4月17日蚌埠臺業務人員早上5:40采集了水樣送到廬江地震臺，于27日下午14:30開始測試工作，其結果如下：蚌埠臺6:30測試，主樣185 Bq/L，副樣186 Bq/L。廬江臺 14:30測試，主樣 170 Bq/L，副樣161 Bq/L。結果顯示，廬江的測試結果偏低，主要是水樣在運送過程中釋放、逃逸所致。通過比測表明，本次蚌埠水氡的變化是客觀存在的。

3 討論

本文以2020年4月15日以來出現的水氡數據轉折下降—恢復上升的變化趨勢為研究基礎，通過對環境調查、氣象因素對比和抽水取樣化驗后研究得出：①水氡與降雨呈正相關關系，本次氡值變化處于降雨量增加期間應有所上升，因此，排除降雨因素干擾。②氡值與氣壓呈負相關關系，與氣溫水溫呈正相關關系且相關性更為顯著，氣溫引起水溫的變化，進而引起氣體的溶解度和脫氣率改變，從而引起水氡測值的變化。③結合歷史地震情況，通過震例分析與相關系數計算，氣溫不是引起水氡測值下降的單一因素，應該是環境干擾與地震前兆信息共同作用的結果，得出水氡與氣溫之間的相關系數降低，與周邊發生地震有一定的關聯性。