水氡模拟观测已开展了30多年,国内外已积累了大量的震例资料(张肇诚,1988; 张建国等,2004; 毛玉平,万登堡,2001; 郑云贞等,1999; 叶秀薇,1998; 曾飞,2001; 吴秀峰,张清秀,1996)。对水氡预报地震的前兆机理及其方法,许多学者也进行了较为广泛和深入的研究(陈立德,付虹,2003; 张炜等,1988,1992; 国家地震局科技监测司,1992; 杜广仁,1994; 廖丽霞,廖春奇,2002)。对水氡观测资料干扰因素的分析也积累了丰富的研究成果(许荣义等,1981; 张远城,1981)。但对水氡动态变化的研究以及如何判断其是否存在异常,还缺少实例(廖丽霞,2008)。本文针对 2016 年 1月 21日门源6.4级地震前后湟源地震台水氡值异常变化进行探讨,以期更加准确地捕捉前兆异常,提高分析预报的准确性。

青海省是一个地震多发的省份,20世纪 80 年代以来曾发生过多次 6 级以上地震。湟源地震台是青海省建设较早的地震观测台站,其中水氡观测的时间相对较长,对应了多次 5.8 级以上地震,为预报部门提供了可靠的决策参考依据(杜鹃等,2012)。

湟源地震台水氡观测泉点(36.41°N,101.13°E)位于湟源县波航乡泉尔湾村,海拔2 882 m。地质构造西为日月山构造带,南北分别为拉脊山断裂带、达坂山断裂带。图1为门源6.4

图1 门源6.4级地震震中及湟源地震台周边构造分布图
Fig.1 Geological structure map around the epicenter of Mengyuan MS6.4 earthquake and Huangyuan seismological station

级地震及湟源地震台周边构造分布图。湟源地震台水氡观测项目于1982年5月投入观测,观测仪器为FD-105K静电计。1997年11月一期改造升级为FD-125氡钍分析仪,2011年更换新FD-125氡钍分析仪,并将FH-463A定标器升级为BHC-336定标器。2015 年由中国地震局资助的监测、预测、科研三结合课题 “模拟水氡观测自动脱气装置研制”项目(陈永花等,2015)研发的CYH-2型自动脱气仪于 2015 年 6 月正式投入使用。湟源地震台水氡观测数据连续、可靠,在2010 年全国水氡资料评比中荣获第三名。

据中国地震台网中心正式测定,2016 年1月21日1时13分13秒在青海省海北藏族自治州门源县(37.68°N,101.62°E)发生 6.4 级地震,震源深度 10 km,地震震中位于冷龙岭断裂附近(图 1)。青海省地震局湟源地震台距震中约111 km,湟源地震台CTS-1E甚宽频带地震计记录到该地震初至波的时间为1时13分31.8秒。

由于湟源地震台水氡观测水点地处偏僻山村,所以基本无环境干扰,除在雨季有流量增大,影响氡值降低的现象外,基本无其他干扰。经过30多年的发展,已积累了丰富的水氡观测数据,并多次对应地震异常。在1990年共和7.0级地震前湟源水氡出现了长趋势性异常,1986年门源 6.6级地震、1994年共和6.0级、5.7级余震、2000年的兴海6.6级等地震前也有一定异常反应,为多次地震预报提供了有意义的依据(杜鹃等,2012)。

1997年1月,湟源水氡出现了下降变化,随后变化幅度变大,似乎出现年变现象,西宁水氡也呈现出不太明显的年变状态。纵观数据变化与地震的对应关系,在多次地震前后,这2个台的水氡都有或明显或微弱的数值异常变化。杜鹃等(2012)分析研究认为西宁水氡、湟源水氡的变化对应的地震主要分布在(35°～38.5°N,99°～104°E)范围内,且震中距越近异常表现的相对越明显。

湟源地震台CYH-2型自动脱气仪于 2015年6月正式投入使用后,鼓泡时间及速度得到有效控制,完全排除了鼓泡环节的人为干扰,因此,水氡观测值准确可靠。图 2 是2015年8月1日至2016年3月24日湟源地震台水氡日测值图。由于观测人员经验不足,2015年11月23日至12月13日在选取水氡观测样品时识别不出采样的扩散瓶是否有漏气现象,此时段水氡值不稳定,且突高突低,故该时段数据不作为参考。2016年1月10～30日水氡值出现低异常变化,逐一分析各因素之间关系、影响及产生的变化,排查各方面因素,未发现其他任何干扰,确认此时段为震前异常变化。2016年1月10日开始,水氡值突然出现异常下降趋势,24日下降至自2015年1月1日以来的最低值(69.4 Bq/L),之后开始回升,30日回升至73.0 Bq/L。本次门源地震发生在水氡值下降过程中,震前10天水氡值出现下降趋势,震后持续下降3天后开始回升,至 30日恢复相对正常水平,地震前后水氡异常反应为21天,水氡值显示出了下降—地震—继续下降—回升—恢复的短临异常特征。

图2 2015年8月1日～2016年3月24日湟源地震台水氡日测值曲线图
Fig.2 Daily value chart of water radon recorded by Huangyuan Seismic Station from Aug.1,2015 to Mar.24,2016

模拟水氡观测值同采样的时间、位置、体积、观测室条件(温度、湿度)、闪烁室及观测仪器性能、鼓泡时间和速度、静置时间、气温、气压、流量、降雨、地壳的应力应变、断裂活动、水点的水文地质条件、周边环境等密切相关。因此,在《地震水文地球化学观测技术规范》(以下简称《规范》)中(国家地震局,1985),对采样的时间、位置、体积、观测室条件(温度、湿度)、闪烁室K值的标定、观测仪器性能、鼓泡时间及速度、静置时间作了严格的规定,还制定了一系列评比标准,目前这些影响因素基本上得到有效控制。其他如气温、气压、降雨常是造成水氡测值年动态的主要因素(廖丽霞,2008)。

图3 2015年1月1日～2016年3月24日湟源地震台水氡及各辅助测项日测值图
Fig.3 Daily value chart of water radon and each auxiliary observation test item recorded by Huangyuan Seismic Station from Aug.1,2015 to Mar.24,2016

按照《规范》对湟源地震台水氡测值及采样的时间、位置、体积、观测室条件(温度、湿度)、闪烁室及观测仪器性能、鼓泡时间和速度、静置时间、气温、气压、流量、降雨、地壳的应力应变、断裂活动、水点的水文地质条件、周边环境等各辅助测项及水氡观测过程进行干扰排查。排查结果为:观测水点周边环境、水文地质条件等均未改变; 2016年1月10～30日采样的时间、位置、体积均符合《规范》要求; 采样时的气温、气压、流量、降雨及水点的水文地质条件、周边环境等未发现异常; 采用的样品无漏气现象; 观测室条件(温度、湿度)符合《规范》要求; 静置时间正常。2015年12月工作人员按《规范》要求对仪器进行季度检查,结果显示仪器工作正常,闪烁室及观测仪器性能稳定,工作状态正常; 鼓泡是由每次鼓泡时间和速度保持一致的CYH-2型自动脱气仪自动完成,且工作状态稳定,无任何干扰。整个观测过程从采样、鼓泡、读数、计算等各个环节都是由观测经验丰富的老观测员专人完成。图3是2015年1月1日至2016年3月24日湟源地震台水氡及各辅助测项日测值图,图中方框部分为水氡值异常时段及异常时段相对应的辅助测项时段。从图中鼓泡水温、室温、取样流量、取样水温及氡值日测值曲线对比可以看出,2016年1月10～30日水氡值低异常时段相对应的各辅助测项没有大的变化。经过排查,2016年1月10～30日水氡观测值未发现任何干扰因素,故判定2016年1月10～30日水氡值低异常变化为地震前兆异常。

2016年1月21日青海门源6.4级地震前后湟源地震台水氡值出现了下降—地震—继续下降—回升—恢复的短临异常特征。验证了湟源地震台水氡观测资料对(35°～ 38.5°N,99°～ 104°E)范围内的地震有很好的映震能力(杜鹃等,2012),并且可以在地震预测、预报过程中起到重要的作用。