四川姑咱海子泉水氡數據動態特征研究

劉華姣，田思留，張 映，劉 濤，梁 慧，廖紹歡

（1.四川省地震局成都地震監測中心站，四川 成都 611730；2.四川省地震局康定地震監測中心站，四川 康定 626001）

流體地球化學成分含量的變化對地下應力應變響應十分靈敏（Roeloffs，1996），是地震前兆研究中的重要手段之一。氡相較于其他流體地球化學成分能夠更加靈敏地反映地質構造活動狀態（李營等，2023）。在1966 年邢臺地震后，我國就開始建設一系列水化觀測臺站，其中姑咱海子泉水氡自1970 年10 月開始正式觀測，至今已積累50 多年的觀測數據。姑咱海子泉位于巴顏喀拉塊體與川滇菱形塊體、華南塊體的交界處，該區域地質構造活動強烈，曾發生多次中、強地震。前人通過分析姑咱海子泉水氡數據突跳、破年變、變化速率等，發現姑咱海子泉水氡觀測數據在多次中強地震前都有較好的短臨預測效能（賀天培，1989；官致君，1999；李志鵬等，2011）。以上分析多為基于原始數據的直接分析和計算，而水氡數據的干擾變化往往會影響地震前兆異常的識別。本文通過分析姑咱海子泉水氡數據與降雨、氣壓、氣溫之間的關系，利用數字信號處理方法矯正干擾動態，并進行震例總結，以期為姑咱海子泉水氡異常識別提供更加可靠的依據。

1 姑咱海子泉概況

姑咱海子泉位于四川省甘孜藏族自治州康定市姑咱鎮，地質構造上位于青藏高原東緣的鮮水河斷裂帶南端（圖1a），地處青藏斷塊東部邊緣，鮮水河斷裂帶、安寧河斷裂帶和龍門山斷裂帶交會處。該區域受高原物質側向擠出和重力滑塌影響，構造變形強烈、中強地震頻發，近年來先后發生了2008 年汶川MS8.0、2013年蘆山MS7.0、2022 年蘆山MS6.1、2022 年瀘定MS6.8 等多次中強地震。姑咱海子泉以東5 km 為大渡河斷裂，以西10 km 為王母斷裂，其北和南1～2 km 處北西向斷層成組出現，且屬隆起與沉降的交界地區，構造復雜、斷裂縱橫交錯。泉點處于向北傾伏的雞心梁子背斜核部的第三期中性江咀閃長巖、第四期的酸性瓦斯溝斜長花崗巖體的接觸部位（圖1b；李志鵬等，2011，2015）和大渡河西岸一級階地裂隙發育的風化層上。泉點南側約5 m 處，出露一口流量約為30 L／s 的下降泉，即姑咱南泉，其東50 m 為標高比泉口低15～20 m 為大渡河床姑咱段，其北8 km 處出露核桃灣基巖裂隙泉。據電測深資料，姑咱海子泉第四紀堆積物厚13 m，其下為節理、裂隙發育的風化層，75 m 以下為完整的基巖，主要含水層為花崗巖，含水層深度為20～30 m （四川省地震局，2017）。姑咱海子泉屬天然上升冷泉，水溫年變化為9.5 ℃～12.0 ℃，年水流量為220～400 L／s，水質類型為HCO3-Ca 型。

圖1 姑咱海子泉（a）空間位置分布和（b）剖面位置分布（四川省地震局，2017）

2 觀測數據干擾動態變化特征

2.1 年變動態特征

姑咱海子泉1971—2023 年的水氡觀測數據呈現明顯的周期特征，年變規律上呈現出“夏低冬高”的形態（圖2），低值一般出現在5—8 月，高值出現在11 至次年3 月。秋季開始數據呈逐步上升趨勢，春季開始數據呈下降趨勢。從長趨勢來看，在泉點周緣地震活動較弱的年份水氡觀測數據較為平穩。而數據長趨勢的上升或下降與大區域的應力變化有較好的對應關系，如2004 年該數據趨勢上升，2008 年汶川MS8.0 地震后數據趨勢逐步下降，與汶川地震前后地下應力變化有明顯的相關性（李志鵬等，2015）。

圖2 姑咱海子泉（a）1971-01-01—2023-07-29 和（b）2016—2019 年水氡原始日均值

2.2 降雨、氣溫、氣壓與水氡關系

氣象條件的變化會引起地下流體中氡含量的明顯改變（車用太等，2011），其中降雨量是主要的影響因素之一。降雨對姑咱海子泉水氡的影響主要表現為“稀釋”作用，即隨著降雨量的增加，地下水中的溶解氡氣被稀釋，水氡數據出現下降變化。氣溫是影響氡氣溶解度的另一項重要指標，氣溫增高時，水溫增高，氡氣的溶解度降低，使水氡值有所下降。此外觀測室溫度影響到鼓泡脫氣過程，室溫越高，脫出的氡氣越多，擴散器內殘留的氡量愈小，儀器最終測得的水氡值也越高。氣壓同樣影響水氡的溶解度和脫氣率，氣壓越高，氡氣的溶解度越大，但鼓泡過程中脫氣也更加困難。

姑咱海子泉水氡與降雨、氣溫、氣壓觀測數據曲線對比見圖3a～f，從長趨勢來看，隨著夏季降雨量的增加，水氡觀測值逐步降低，冬季隨著降雨減少水氡觀測值逐步上升（圖3a）。但短趨勢上（圖3b）降雨量與水氡的對應關系并不明顯，水氡值的短期波動變化可能是其他多項因素綜合影響的結果。氣溫與水氡在長趨勢上存在負相關關系（圖3c），這是由于夏季氣溫升高氡的溶解度降低，同時夏季降雨量的增加稀釋了水氡含量，因此水氡數據呈降低趨勢。從數據曲線長趨勢變化形態（圖3e）來看，氣壓與水氡似乎存在正相關關系，但這主要是因為夏季溫度升高引起了氣壓降低，而夏季降雨量的增加才是引起水氡數據降低的真正原因，因此在年尺度上影響水氡數據動態變化的主要因素應為降雨。而在短趨勢上，姑咱海子泉水氡與氣溫（圖3 d）在月尺度上表現出一定的正相關關系，其在無降雨時間段表現尤其明顯，而氣壓則在日尺度上與水氡數據呈負相關關系。因此短期（幾日至幾個月的時間尺度上）姑咱海子泉水氡數據正常動態變化應為氣溫、氣壓等因素綜合影響的結果。

圖3 姑咋海子泉水氡與降雨量、氣溫、氣壓和氣氡數據對比曲線

2.3 其他干擾變化

姑咱海子泉水氡觀測站自1970-10 開始觀測以來經歷了多次海子泉點改造、水氡觀測室修繕、觀測儀器更新、K 值變更等，期間由于觀測環境、觀測系統、人為因素等影響，數據存在缺測、階躍等干擾變化（李志鵬等，2011）。如1971-10—1972-01 期間，由于泉點改造，數據存在缺測現象；1972-02-05、1977-01-01 和1978-01-01，由于K 值變化，數據曲線存在臺階現象（圖4）。

圖4 姑咱海子泉（a）1971-01-01—1972-10-31 和（b）1976—1978 年水氡干擾變化動態曲線

2.4 氣氡與水氡對比分析

2006 年9 月姑咱海子泉觀測站新增數字化氣氡觀測手段，此后該泉點氣氡、水氡同步觀測持續至今已近17 a，為氣氡與水氡對比分析積累了豐富的歷史資料。水氡與氣氡觀測的物理量均為地下水中氡氣含量，但水氡觀測以溶解氡為主，逸出氡為輔，觀測方式是氡射氣進入閃爍室后，封存靜置等待放射性平衡后再計數。而氣氡觀測則以逸出氡為主，在觀測中采用氣體流通方式，即氡氣源源不斷地從閃爍室中流過，采集器定時采集數據。一般而言，同泉點觀測水氡含量越高則氣氡含量越高。從數據動態變化特征來看，姑咱海子泉水氡和氣氡趨勢變化較為一致（圖3 g、h），這表明姑咱海子泉水氡觀測值是真實可靠的，在異常分析中兩者可作為佐證手段相互驗證。

3 數據干擾動態矯正

觀測數據動態變化包括因氣象水文環境、觀測系統故障、人為因素等引起的干擾變化和地震前地下應力應變狀態改變導致的前兆異常變化，其中干擾變化往往會影響地震前兆異常信息的識別和判斷，因此在運用觀測數據進行地震預測預報實踐中，須對干擾動態變化構建清晰認知。同時為了更好地識別地震異常信息，利用數字信息處理方法進行干擾剔除或數據動態矯正也是十分必要的。

3.1 年變消除

在進行年變化信息提取之前，首先對因K 值變化、更換儀器產生的臺階進行歸零，隨后通過多項式插值對缺失數據進行補數處理，利用傅里葉滑動的方法進行年變矯正。傅里葉滑動方法進行年變矯正最早應用于地電數據年變周期成分排除，對于年變周期較強的其他觀測物理量中的年變成分也同樣適用。按照趙躍辰等（1984）的思路計算年變成分，得到矯正后的數據形態如圖5b 所示，即排除了人為因素、儀器系統、降雨干擾后的數據形態。

圖5 姑咱海子泉水氡（a）原始數據、（b）去年變后觀測數據、（c）14 日滑動平均數據和（d）14 日滑動殘差數據曲線

3.2 固體潮消除

殘差法是土壤氣氡濃度的連續監測數據異常提取的一種有效的分析方法（Fu et al，2016；Barberio et al，2018；劉兆飛等，2023），其根本原理是利用殘差計算排除周期為14～15 天的固體潮影響。本文將該方法應用于水氡數據異常信息提取，利用去除年變成分后的姑咱海子泉水氡數據進行殘差計算，圖5c 為14 日滑動平均處理結果，圖5 d 為殘差計算結果。

4 震例分析

由于姑咱海子泉地處幾大斷裂交會的特殊地質構造位置，該泉點附近曾發生多次中強地震。本文選取距姑咱海子泉500 km 范圍內MS≥7.0 和300 km 范圍內MS≥6.0 地震進行震例分析。以超過殘差值的2倍標準差作為異常閾值（Fu et al，2016；Shukla et al，2020），異常信息見表1。

表1 姑咱海子泉500 km 范圍內MS ≥7.0 和300 km 范圍內MS ≥6.0 地震前水氡異常

從表1 可知，對于500 km 范圍內MS≥7.0 地震僅2008 年汶川MS8.0 和2013 年蘆山MS7.0 地震前出現超閾值異常，且兩次地震震中距均在200 km 范圍內。對于300 km 范圍內MS≥6.0 地震，超閾值異常也均出現在震中距在200 km 范圍內的地震發生之前。1981 年道孚MS6.9、2008 年汶川MS8.0、2014 年康定MS6.3 地震前曾多次出現超閾值現象，其中2014 年康定MS6.3 地震的震中距僅為49.01 km，該次地震前出現超閾值異常的次數最多。2008 年汶川MS8.0 地震震中距為152.29 km，雖然震中距相對較遠，但該地震沿北東向的龍門山斷裂帶破裂長度達300 km，其影響的空間范圍廣、量級大，不能以單一的震中距來衡量其震前前兆異常的范圍和特征，汶川MS8.0 地震前的多次超閾值異?？赡芘c造成如此大規模破裂的震前應力應變有關。1981 年道孚MS6.9 地震發生在鮮水河斷裂帶西北段，此前該段曾發生1967 年侏倭MS6.8 和1973 年爐霍MS7.9 地震。唐榮昌等（1984）認為這幾次地震是在近東西向應力作用下，鮮水河斷裂北段由西北向東南完整的破裂過程的結果，在1973 年爐霍MS7.9 地震后，在道孚附近存在閉鎖段，應力不斷在其附近集中。姑咱海子泉水氡含量變化在1981 年道孚MS6.9 地震前的多次超閾值異常是在多次地震作用下，應力沿鮮水河斷裂北段由西北向東南不斷調整的結果，而1973 年爐霍MS7.9 地震由于其震中距相對較遠，在震前無明顯異?，F象。

存在超閾值異常的，地震幾乎均發生在龍門山斷裂帶和鮮水河斷裂帶，姑咱海子泉位于龍門山斷裂與鮮水河斷裂交會地區，其水氡異常與其特殊的構造位置存在一定的關系。而在9 次異?，F象中正異常出現6 次，負異常出現4 次，其中2014 年康定MS6.3 地震前既出現了正異常也存在負異常。最大異常幅度出現在1975 年九龍MS6.2 地震前，為超過2 倍標準差的0.61。但異常幅度和異常正負與地震震級、震中距無明顯對應關系，這與地震發生的構造位置、震前應力水平變化程度、地下水文環境以及應力應變變化導致的復雜裂隙系統變化有關，是多種因素綜合影響的結果。

5 結論

通過對姑咱海子泉水氡數據動態特征分析，得出以下結論：（1）姑咱海子水氡數據具有“夏低冬高”年變特征，降雨是造成該年變特征的主要因素。（2）氣溫、氣壓會引起姑咱海子水氡數據短期動態變化，而K值變化、泉點改造、更換儀器系統則是造成數據臺階、缺數的主要原因。（3）利用傅里葉滑動方法能夠有效消除年變影響，并降低降雨造成的數據干擾。（4）14 日滑動殘差法能夠有效識別姑咱海子泉水氡震中距200 km 范圍內MS≥6.0 地震前兆異常信息，該方法可作為姑咱海子泉水氡異常識別的一項有效手段。