阿克蘇斷層氫中強震異常特征分析及預報效能評價＊

劉海洋 徐衍剛 祖力卡爾·艾則孜 蔣志英

（新疆維吾爾自治區地震局阿克蘇地震監測中心站，新疆阿克蘇 843000）

引言

活動斷層附近由于巖石破碎、裂隙發育，往往是地下氣體運移的良好通道，早在40 多年前中外學者就開始研究斷層氫與地震的關系[1-2]，并取得了很好的映震實例。如：我國在1976年寧河6.9 級地震和1981年內蒙5.8 級地震前均觀測到熱水井中溶解氫的高值異常[3]；1984年日本學者也發現在強震前多個斷層氫觀測點出現了高值異常[4]。前期受技術水平的限制，當時研制使用的測氫儀存在信號檢出限較高、儀器穩定性差，而且取樣復雜等原因未能在地震臺站推廣[5]。在“十二五”國家科技支撐項目的支持下，新研制的ATG-6118H 型斷層氫分析儀于2013年誕生，該儀器對氫氣的檢出限達到0.005 ppm，且誤差在5%以內，儀器具有運行穩定、靈敏度高、操作簡單、易于維護等優點[6]。從該儀器在全國臺站的試運行結果來看，多個臺站在震前都獲得了較好的短臨前兆異常，異常變化特征主要表現為“突升—轉折下降—地震—恢復背景值”的變化過程，變化幅度一般達正常背景的數倍至數十倍，異常特征明顯，易于識別[7]。

阿克蘇斷層氫觀測點屬于全國開展ATG-6118H型斷層氫分析儀試運行的臺站之一，觀測點在地下流體學科組完成前期勘選的基礎上于2013年11月架設，截止2021年12月已連續觀測積累了8年多的資料。在此期間，觀測點周邊300 km 范圍內先后發生了多次中強地震，阿克蘇斷層氫觀測取得了8 次較好的短臨前兆異常，其中一些異常同全國其他臺站總結的震例異常特征相似，有些異常卻表現出不同的變化特征。通過對阿克蘇斷層氫已獲取的異常特征進行分析總結，并對預報效能進行評價，可以為今后斷層氫觀測的異常識別提供參考。

1 觀測點概況

阿克蘇斷層氫觀測點位于新疆阿克蘇市以西，距離市區約18 km。觀測點附近最大活動斷裂為柯坪斷裂，該斷裂為柯坪地塊與塔里木中間地塊的構造分區斷裂，屬全新世活動斷裂，也是新疆6 級以上地震活動頻次最高的活動斷裂，觀測點位于柯坪斷裂北東末端[8]（圖1a）。

圖1 阿克蘇斷層氫觀測點概況圖Fig.1 Overview of the fault hydrogen observation point in Aksu

阿克蘇斷層氫觀測點布設于斷層儀觀測室內，該觀測室為一被覆2 m 的地下室。觀測孔為人工開挖，孔徑0.80 m，孔深1.25 m；孔內巖性上部0.30 m 為破碎角礫巖，下部0.95 m 為含角礫粗砂。觀測孔集氣裝置結構見圖1b，整體觀測裝置緊湊合理，符合斷層氣觀測規范基本要求。儀器設置自動采樣間隔為60 min，采樣時間為10 s，氣體流量為310 mL/min，儀器自帶氣溫、氣壓輔助測項，用于測量觀測室內空氣的溫度和氣壓變化。

2 觀測資料概述

阿克蘇斷層氫自2013年11月開始觀測，采樣頻率為整點值采樣，本文選取資料的截止時間為2021年12月。由8年多來所積累的整點值數據來看，阿克蘇斷層氫濃度值呈夏高冬低的年變形態，測值一般在0.5—4.0 ppm 之間，7—8月達到最高值，2—3月為最低值。日變形態無規律可循，日變幅一般小于1.0 ppm。從輔助觀測氣溫、氣壓來看，觀測室內年氣溫溫差約12℃，日溫差約0.1℃；室溫年變化在12—24℃之間，每年2月室溫達最低值，8月達最高值；氣壓變化在868—915 hPa 之間（圖2）。

根據阿克蘇斷層氫儀器運行情況來看，2014年之前由于軟件兼容問題儀器死機現象較多，后期對儀器軟件進行升級后，儀器運行穩定，故障率較低，數據連續率較高。從日常觀測經驗積累來看，阿克蘇斷層氫觀測數據一般不受人為、車輛及機械施工等因素影響，影響主要來自市電停電和標定等，但影響一般時間較短，在數小時內可恢復正常。根據已有研究顯示，斷層氫觀測一般受大氣溫度和氣壓影響，降雨對斷層氫觀測基本無影響[9]。通過最新阿克蘇斷層氫濃度值與氣溫、氣壓相關性研究結果來看，阿克蘇斷層氫濃度值主要受氣溫影響，相關性為正；氣壓影響相對較小，且為負相關[10]，該結果同全國其他臺站一般性結果相同。

圖2 阿克蘇斷層氫觀測整點值時序圖Fig.2 Time series of fault hydrogen observations in Aksu

3 震例異常特征分析

通過對阿克蘇斷層氫2013年11月—2021年12月周邊300 km 范圍內中強震進行梳理后發現，阿克蘇斷層氫濃度值在多次地震前均出現了不同程度的異常變化（表1）。由典型震例異常特征的系統對比分析，可以將它們劃分為3 種類型。

3.1 波動型

一般在地震前2 個月內斷層氫濃度值出現波動增大現象，變幅一般在1.00 ppm 以上；地震往往發生于斷層氫濃度值大幅波動變化過程中，地震后測值波動減小而且整體呈下降趨勢。已有震例，如：

（1）2014年7月9 日麥蓋提5.1 級地震前，阿克蘇斷層氫濃度值在震前20 天開始出現日變幅增大現象，最大日變幅約1.50 ppm，且整體呈波動上升變化。斷層氫濃度值波動上升過程中7月9 日發生了麥蓋提5.1 級地震，地震后波動上升至7月25 日達到最高值后，轉為波動下降變化，逐漸恢復至背景值。此次異常斷層氫濃度值由6月20 日的1.33 ppm波動上升至7月25 日的最高值3.02 ppm，上升幅度達1.69 ppm（圖3a）。

（2）2016年8月13 日阿合奇4.7 級地震前16 天開始，阿克蘇斷層氫濃度值同樣出現日變幅明顯增大的波動變化，最大日變幅達1.05 ppm，地震之后濃度值呈波動減小變化。由于8月16—29 日儀器故障造成數據缺記，儀器修復后斷層氫濃度值已基本恢復至正常變化水平（圖3b）。

（3）2018年11月4 日阿圖什5.1 級地震前51 天，阿克蘇斷層氫濃度值也出現了大幅波動變化，大幅波動變化由9月14 日持續至11月4 日地震發生，地震后斷層氫濃度值波動減小且呈下降變化（圖3c）。

3.2 突升型

一般在震前20 天內，斷層氫濃度值會出現連續數天的持續快速上升變化，變化幅度達正常背景值的數倍以上，異常形態明顯，信噪比高；地震一般發生于斷層氫濃度值快速上升轉為下降恢復背景值的過程中。此類震例異常特征同全國其他臺站總結的斷層氫典型震例異常特征相似。已有震例，如：

表1 阿克蘇斷層氫震例匯總Table 1 Summary of fault hydrogen seismic cases in Aksu

圖3 阿克蘇斷層氫觀測曲線Fig.3 Fault hydrogen observation curve in Aksu

（1）2013年柯坪5.3 級地震前3 天，阿克蘇斷層氫濃度值由11月29 日的2.51 ppm 快速上升至12月1 日的3.98 ppm，在12月1 日發生了柯坪5.3 級地震。震后斷層氫濃度值經過下降、突升的反復變化，于12月4 日上升至最高值4.51 ppm 后，呈波動下降逐漸恢復至背景值（圖4a）。

圖4 阿克蘇斷層氫觀測曲線Fig.4 Fault hydrogen observation curves in Aksu

（2）2017年9月16 日庫車5.7 級地震前17 天，阿克蘇斷層氫濃度值自8月30 日開始出現快速上升變化，該異常變化持續5 天。斷層氫濃度值由8月30 日的1.18 ppm 上升至9月3 日的4.48 ppm，異常變化幅度達正常背景值的2.8 倍，在9月3 日達到最高值后轉為波動下降變化，在波動下降過程中9月16 日發生了庫車5.7 級地震，地震后濃度值逐漸恢復至背景值（圖4b）。

3.3 突升恢復型

一般在地震前3 個月內斷層氫濃度值會出現短時的快速上升變化，快速上升變化一般持續1—3天，上升幅度為0.5—1.0 倍背景值。斷層氫濃度值上升至最高值后10 天內基本可恢復至背景值，地震往往發生于恢復至背景值后的2 個月內，異常形態相對明顯，易于識別。已有震例，如：

（1）2019年10月27 日烏什5.0 級地震前62 天，阿克蘇斷層氫濃度值由8月26 日4 時的3.24 ppm上升至23 時的5.48 ppm，上升幅度2.24 ppm，之后轉為波動下降變化，于9月5 日恢復至正常背景。斷層氫濃度恢復至背景值后51 天，距觀測點114 km 發生了烏什5.0 級地震（圖5a）。

圖5 阿克蘇斷層氫觀測曲線Fig.5 Fault hydrogen observation curves in Aksu

（2）2020年1月16 日庫車5.6 級地震和1月19 日伽師6.4 級地震前同樣出現了類似變化，斷層氫濃度值在2019年11月29 日3 時由3.45 ppm 上升至30 日11 時的4.86 ppm，于12月2 日波動下降至背景值。恢復至背景值后47 天，距觀測點300 km范圍內先后發生了2 次中強地震（圖5b）。

（3）2020年4月12 日斷層氫濃度值再次出現快速上升變化，由4月12 日16 時的2.33 ppm 快速上升至4月14 日9 時的4.53 ppm，上升幅度2.20 ppm，4月17 日恢復至背景值。恢復至背景值后21 天，即2020年5月9 日距觀測點126 km 發生了柯坪5.2 級地震（圖5c）。

從以上震例異常特征來看，3 種震例異常均表現為短臨異常，但異常特征和表現形式完全不同。第1 種波動型震例異常特征一般為，異常開始于震前2 個月左右，表現為濃度值的大幅度波動變化，異常持續時間相對較長，地震一般發生于斷層氫濃度值大幅度波動變化過程中，異常變化幅度相對較小。第2 種突升型震例異常特征同全國其他臺站震例相似，異常往往開始于震前數十天內，表現為濃度值持續數天的快速上升變化；上升幅度達背景值數倍以上，異常明顯，信噪比高，易于識別，地震一般發生于高值下降恢復背景值的過程中。第3 種突升恢復型震例異常特征同前兩種有所不同，其特點是快速上升持續時間短，且地震往往發生于濃度值恢復至背景值后。

4 預測效能評價

R值評分方法是許紹燮院士于1973年最先提出，幾十年來經過地震學家的不斷完善和改進，已被廣泛用于地震預報效能評估中，R值評分表達式為[11]：

使用R值評分法，對2013年11月9 日—2021年12月31 日阿克蘇斷層氫觀測5.0 級及以上地震進行預報效能評價。其中，應報地震總數為分析時間段內觀測點周邊300 km 范圍內發生的5.0 級及以上地震總數，共計14 次地震。報對地震數以取得震例異常的地震為準，總計8 次地震。預報研究總時間以資料選取時間段總天數計算，共2 975 天。預報占用時間，即異常天數累計，總計324 天。由此計算阿克蘇斷層氫觀測點周邊300 km 范圍內5.0 級及以上地震的R值為0.462，R0為0.281，通過預報效能檢驗（表2）。可以看出，阿克蘇斷層氫觀測對周邊300 km范圍內5.0 級及以上地震的預測效果較好。

5 討論及結論

5.1 討論

氫氣在地殼中的分布是不均勻的，在活動斷層部位由于巖石破碎釋放的氫和水巖化學作用產生的氫，使得活動斷層附近氫氣相對集中，加之斷層附近巖石裂隙發育，這又給深部氫氣向上運移提供了通道，因此，在地表活動斷層位置可以觀測到一定的氫氣異常變化[5]。阿克蘇斷層氫由于所處構造位置的優越性，使得其在觀測中取得了一些較好的異常實例。通過不同異常類型同震級、震中距、異常幅度的關系（圖6），我們可以看出，第1 種信噪比相對較低的波動型震例異常，其對應的地震震級均在MS5.2 以下，后兩種信噪比較高的異常震例對應的地震震級則較大；且異常幅度同震級具有一定的線性關系，表現出震級越大異常幅度也越大。但這種關系并不是絕對的，如2020年的庫車MS5.6、伽師MS6.6 地震并未呈現該線性關系，分析原因可能同地震構造類型、震中距等有關。由此可以看出，不同異常類型同震級具有較明顯的相關性，而同震中距、異常幅度的關系相對較復雜。分析引起斷層氫不同異常類型的主要因素應同地震所釋放能量大小有關，一般較小震級釋放能量相對較小，巖石發生破裂變形的程度就相對有限，進而引起巖石破碎釋放的氫和在應力作用下水巖化學反應產生的氫自然也較低，故在觀測中記錄到的異常類型則以低信噪比的波動型異常為主，反之則表現出高信噪比的突升型異常。

表2 阿克蘇斷層氫R 值計算Table 2 Fault hydrogen R value calculation in Aksu

圖6 異常類型與震級、震中距和異常幅度之間的關系Fig.6 Relationship between anomaly type and magnitude，epicenter distance and anomaly amplitude

5.2 結論

通過對阿克蘇斷層氫震例異常特征的梳理和總結，并利用R值評分對其預報效能進行評價，可以得到如下結論：

（1）阿克蘇斷層氫觀測對周邊300 km 范圍內的中強地震，表現為3 種明顯不同的短臨異常特征。第1種波動型異常特征：震前2 個月內濃度值大幅波動變化—波動中發震—恢復至正常波動；第2 種突升型異常特征：震前20 天內濃度值快速上升（持續數天）—轉折下降—發震—恢復至背景值；第3 種突升恢復型異常特征：震前2 個月濃度值快速上升（持續1—3 天）—10 天內恢復至背景值—恢復背景值后2 個月內發震。

（2）阿克蘇斷層氫觀測對周邊300 km 范圍內5級以上地震具有較好的預報效能，R值評分達0.462。

（3）不同異常類型同震級大小具有一定關系，一般MS5.2 以下地震表現為低信噪比的波動型異常，反之震級越大則表現為高信噪比的突升型異常。但不同異常類型同震中距、異常幅度之間的關系是復雜的，還需進一步積累震例加以研究。

地震預報迄今為止還是一項未能實現突破的科學難題，尤其是短臨階段的預報更為困難。由本文的梳理可以看出，阿克蘇斷層氫觀測對周邊300 km 范圍內中強震表現出了較好的短臨預報效能。因此，選取合適的位置進行斷層氫組網式觀測，也許可以獲得一些地震短臨方面的異常信息，從而為地震預報的實現提供可供借鑒的經驗。