研究区内出露地层主要为第四系平原组、上第三系明化镇组与馆陶组地层。第四系平原组地层岩性主要为砂岩和粘土等,上第三系地层岩性主要为砂砾岩、砂岩和泥岩等。大地构造方面,研究区地处中朝准地台上的三级构造单元下辽河坳陷内,东部为辽东隆起,西部为燕山褶皱带,北依内蒙地轴与松辽盆地相隔(图1),由前震旦纪伟晶岩组成基底,属三面环山、一面临海的汇水盆地(王喜龙等,2018)。

研究区断裂构造发育,著名的NE向深大断裂带——郯庐断裂带穿过该区,在该区域主要表现为3条NE向深大断裂,自西向东分别为台安断裂、辽中断裂和牛居—油燕沟断裂(图1)。盘一井位于郯庐断裂带上,距观测井最近的断裂为牛居—油燕沟断裂。该测点还位于NW向展布的海城河断裂西延展带上。在盘一井测点周边300 km范围内及沿郯庐断裂带展布方向上,现代曾发生过多次破坏性地震(图1),且在多次破坏性地震发生前,该测点均出现过明显的长、中、短、临等不同程度流体异常,表明该井地下流体异常对于辽宁及邻区地震危险性具有较好指示意义。

图1 盘锦地区地震地质简图
Fig.1 Sketch map showing tectonic setting and historical earthquakes in Panjin area

盘一井氢气观测点位于盘锦地震台院内,该井自1973年开始地震观测。该井前身属辽河油田井,完钻井深2 892 m,现有井深1 121 m。观测含水层为835～955 m的馆陶组裂隙承压水,该含水层厚度120 m,水温22 ℃,pH值为7.4。井孔套管直径在0～86.49 m段为400.05 mm,在86.49～955.1 m段为224.73 mm,具体井孔参数见王喜龙等(2018)的研究。井孔条件造成该井受地表垂直补给能力差,基本不受大气降水和地表水的干扰,同时也避免了油田开采层的影响,水质主要受深部补给(王喜龙等,2018)。

盘一井自2018年3月改用GC-8600气相色谱仪进行观测以来,氢气浓度测值波动幅度相对较为稳定,在能检测出氢气值时段,数值基本保持在0～23 ppm波动。但自2020年5月2日开始,氢气浓度开始出现高值波动变化,测值最大可达68 ppm,高出正常背景值近3倍。2020年5—7月,氢气浓度有逐渐升高趋势(图2a),至2020年7月8日,达到最大值后便迅速恢复下降。在下降过程中,7月12日唐山古冶发生5.1级地震,地震发生后氢气浓度迅速恢复,至7月20日已完全恢复至正常背景水平。

图2 盘一井氢气浓度变化(a)与青石岭震群M-t序列变化(b)对比图
Fig.2 Relation between the hydrogen variation Panjin 1st well(a)and the Magnitude-Time sequence of the Qingshling earthquake swarm(b)

笔者联合仪器维修专家和台站工作人员对气相色谱仪进行检查,并在当日再次进行取样以及标准样品和天然样品的测量。将测量计算结果与当日观测结果进行对比,结果显示两次结果相近,基本无差异变化,表明气相色谱仪器工作正常。对氢气采样井口及测试流程进行调查,井水流量也未发生改变,观测人员的测试操作流程均符合观测技术规范要求。笔者对附近地区地下水开采情况、铁路等施工建设以及矿山开采等自然环境干扰因素开展调查时发现,在盘一井氢气出现异常时段内,测点周边一定范围并未出现可造成氢气浓度异常的环境干扰现象。综合以上对各方面进行的测试调查结果,基本排除仪器、人为和自然环境干扰等因素造成本次氢气的异常变化。

盘一井具有流体测项丰富、观测时间长且受环境干扰影响小等特点。地下流体自观测以来数据变化稳定,且水氡、离子等多个测项在辽宁及邻区的一些中强地震发生前均出现过显著异常变化(王喜龙等,2016)。笔者将2020年盘一井氢气浓度出现的高值异常变化,与该井其它流体测项观测数据进行对比分析发现,该时段盘一井其他流体测项并未出现与之同步的异常变化。虽无配套的地下流体异常同步出现,但也间接表明氢气测项较其它测项映震更为灵敏,这可能主要与氢气本身地球化学性质及异常成因机制有关。

国内外学者通过对氢气观测异常机制的研究,认为氢气浓度升高的机制主要存在3种观点。第一种观点认为在成岩及地壳运动过程中,地壳深部上涌的地质流体(气体)被赋存于岩石孔隙、裂隙中。在地震孕育发展过程中,由于受到构造应力等作用,岩石产生新的裂隙并与旧裂隙连通,导致旧裂隙中赋存的地质流体(气体)因压力减小而迅速迁移至地表,造成氢浓度升高(张培仁,王基华,1993)。第二种观点认为岩石破裂释放氢气。地下岩石因受到超声振动作用而产生微裂隙,微裂隙发育会释放岩石中的封闭氢和吸附氢(McGee et al,1982,1983; 冯玮等,1985)。这一观点已在实验室岩石破裂实验中得到证实。实验结果表明岩浆岩氢气释放程度较高,变质岩氢气释放程度主要受母岩性质控制,沉积岩中氢气释放较少,甚至几乎没有氢气逸出(范树全,高清武,1980; 林元武,翟盛华,1994)。盘一井地处下辽河平原,沉积层较厚,可达千米以上,井孔围岩主要以砂岩、泥岩等沉积岩为主,无岩浆岩与变质岩。笔者对比氢气浓度变化,认为氢气来自基岩岩石内封闭氢和吸附氢的可能性较低。第三种观点认为水-岩反应导致氢气浓度升高。在地震孕育发生过程中,由于应力增强,导致岩石破裂,产生大量的微裂隙和岩石新鲜破裂面,流入微裂隙的地下水与岩石新鲜破裂面发生作用产生氢气,导致氢气浓度升高,此种方式也被实验所证实(Wakita et al,1980; 范树全,高清武,1980; Kita et al,1982; 林元武,翟盛华,1994)。

基于以上3种氢气浓度异常成因的分析可以发现,不论哪种成因,都是在地震孕育过程中,由于地下岩石受到应力积累增强的作用,地下温压条件发生改变,进而导致氢气的释放,并渗透、扩散至地表,出现氢气浓度高值异常。前人进行的水压致裂实验也表明,氢的最大释放是在岩石破裂卸载之后,破裂卸载一瞬间,氢因通道打开而迅速扩散升高,造成氢气高值异常(范树全等,1993)。

基于上述对观测仪器、测点、采样测试过程及周边环境调查的结果,基本可以排除观测系统、人为及自然环境因素等对氢气浓度升高造成的影响。结合氢气自身地球化学性质及异常产生机理则可认为,此次氢气浓度出现的高值变化可能是应力应变影响下的地震前兆信息。为验证这一推测,笔者从震例对比、地震活动性和高频信息异常分析等方面进行了论证,并结合R值评分方法对该测项进行了预报效能检验。

盘一井氢气自1995年开始观测以来,虽然经历了SQ-206与GC-8600两套气相色仪器的更迭,观测方式也由模拟改为了数字化,但观测质量一直相对较好。氢气观测曾在1999年11月29日岫岩5.4级地震前出现显著异常变化。1995—2018年盘一井基本观测不到氢气,但1999年11月4日,即在岫岩5.4级地震发生前一个月,该测点氢气浓度出现显著短临异常变化(图3)。氢气浓度在11月4—29日共出现3次变化:11月4—14日,氢气浓度值较低且变化较为平稳,在0～290 ppm波动; 11月15—26日氢气浓度有一定幅度升高,在140～510 ppm波动; 11月27日,氢气浓度开始出现显著加速上升变化,至28日达最大值(1 800 ppm),29日开始下降恢复,恢复过程中发生岫岩5.4级地震,震后再次不能观测到氢气测值。

图3 1999年岫岩5.4级地震氢气浓度日变化
Fig.3 Daily observation curves of hydrogen at Panjin 1st well before the 1999 Xiuyan MS5.4 earthquake

将1999年岫岩5.4级地震前氢气浓度变化与2020年古冶5.1级地震氢气浓度值异常变化进行对比分析(图2a,3),发现二者观测曲线变化形态具有一定相似性,即均表现为高值波动且伴随上升变化,并在震前4天达到最高值,而后在下降恢复过程中发震,震后曲线恢复速度同样非常迅速。但两次地震异常持续时间存在一定差异,岫岩5.4级地震前,异常维持1个月,而古冶5.1级地震发生前,异常持续近2个月。将两次氢气浓度变化幅度进行对比分析,岫岩地震前氢气浓度变化范围为0～1 800 ppm,而古冶5.1级地震前氢气浓度变化范围为0～67 ppm,二者最大值相差约27倍,变化幅度存在较大差异。

笔者认为造成这两种差异变化可能主要存在两方面原因。一是两套气相色谱仪器观测精度存在一定差异。两次地震氢气浓度异常被两套不同的氢观测仪记录,虽然仪器均为气相色谱仪,观测原理也基本相同,但模拟与数字化观测精度却存在一定差异,可能会造成氢气浓度变化幅度的差异。二是两次地震发生前,盘一井测点受到的区域应力差异不同。从震中距及构造位置(图4)进行分析可以得出,1999年岫岩5.4级地震的发震断裂为海城河隐伏断裂,盘一井氢气测点距震中仅118 km。海城河断裂为一隐伏断裂,在下辽河平原区虽然由于第四系覆盖,地表上并未发现断层错断等地质地貌特征,但结合历史小震空间分布不难发现其有向NW向延伸至辽西地区的明显特征。而盘一井测点恰位于海城河断裂NW向延展带上,说明海城河隐伏断裂活动对该测点作用效果明显,岫岩5.4级地震发生前该测点水氡、离子及气体等多测项出现同步性显著异常变化可验证这一观点。古冶5.1级地震发生在唐山老震区,距盘一井氢气测点约340 km(图4),震中距较远,只存在大地构造(郯庐断裂带)方面的影响。对比两次地震可以发现,二者不论在构造位置还是在震中距影响上,均存在一定差异性,因此可能导致盘一井测点在两次地震前所受区域应力大小存在一定差异影响,造成了氢气浓度及变化形态的不同。

张培仁和王基华(1993)曾对1976—1991年首都圈地区发生的多次地震进行总结,发现氢气异常幅度与未来地震的强度之间无显著对应关系。氢气异常强度大小主要可能与测点所处位置的构造活动及区域应力强弱有关(林元武,翟盛华,1994; 王博,周永胜,2017)。笔者对1999年岫岩5.4级地震发生前辽宁地区尤其是盘锦地区地下流体出现的异常进行分析,发现在岫岩5.4级地震前,辽宁盘锦地区多个地下流体井出现与氢气浓度高值变化同步的短临异常变化,如盘一井水氡、盘一井Cl^-、盘锦兴一井水位、盘锦高七井水位、水温和荣二井水位等(佟占岭等,2000; 陈棋福等,2002; Zhou et al,2020)。而古冶5.1级地震前,盘锦地区除盘一井氢气浓度出现异常变化外,其他地下流体测项未有异常同步出现,异常数量少,表明此次盘一井氢气浓度出现的高值异常主要可能表现为受区域应力的影响,具有场兆效应,且应力水平低于1999年岫岩5.4级地震前的应力水平。

图4 盘一井测点与两次地震位置关系图
Fig.4 Location of Panjin 1st well,the Guye M5.1 earthquake,and the Xiuyan M5.4 earthquake

地震活动可以有效直观地反映出区域应力的变化。为了验证盘一井氢气出现的高值波动变化与区域构造应力增强有关,笔者对辽南地区2018年以来一直在活动的盖州青石岭震群进行了分析(图4,2b)。从图2b可以看出,盘一井氢气浓度变化与青石岭震群小震起伏活动存在较好对应关系。自2018年以来,盘一井氢气浓度每出现一次波动变化,盖州青石岭地区均会出现一丛较为明显的小震起伏活动。尤其是2020年1月和4—7月以来,盘一井氢气浓度波动幅度较2018—2019年有较为明显的增强变化,而青石岭震群则在2019年11月出现比较密集、震级有所增强的3丛地震活动,分别为2019年11月至2020年2月初、2020年3—4月、2020年5—9月。与盘一井在2020年5月开始出现的较为显著的氢气高值波动变化相对比,青石岭地区地震活动不论频次还是震级均较以往有明显增强。2020年7月盘一井氢气浓度逐渐恢复正常后,青石岭震群小震活动也有所减弱。青石岭震群起伏活动表明,2019年底至2020年辽南地区地震活动有所增强,且地震活动与盘一井氢气浓度有较好对应关系,表明氢气浓度升高变化与辽南地区地震活动增强存在一定因果联系。

临界慢化是指动力系统由一种相态向另一种相态发生转变之前,系统在趋近于临界点过程中,会出现有利于新相形成的分散涨落现象,这种分散涨落可表现为幅度增大、持续时间拉长、扰动恢复速率变慢及回复到旧相能力变小等现象,而这种现象便被称为临界慢化现象(于渌,郝柏林,1984; 晏锐等,2011)。该方法基于岩石加载破裂实验和统计物理学得来(张浪平等,2010)。近年来,该方法在地震监测预报分析领域得到应用,主要用来提取地球物理观测数据中潜在的前兆高频异常信息,对探索震前异常机理、判定异常所处阶段及提高地震预测水平具有一定的意义,该方法已在一些地震分析总结研究中得到证实(晏锐等,2011; 高丽娟等,2013; 王熠熙等,2018; 苏小芸等,2020)。笔者在对盘锦台氢气的现场核实过程中,由于未发现环境干扰及观测仪器问题,因此应用临界慢化方法对盘锦台氢气观测数据进行高频异常分析,具体计算分析方法参见晏锐等(2011)的研究。

笔者应用该方法分别计算了盘一井氢气的高频信息,能够表征临界慢化现象的自相关系数Ar和方差Var。从图5可以看出,对盘一井氢气原始数据进行去趋势提取的高频信息显示,2020年5月氢气高频信息开始出现同步高值波动变化,于7月12日古冶5.1级地震发生后恢复。高频信息与氢气浓度原始数据具有高度同步变化特征。自相关系数Ar和方差Var两个参数数据变化特征显示:方差Var在2020年4月开始出现显著升高异常变化,至2020年7月初达最大值,高出正常背景值近4倍; 自相关系数Ar在2020年3月开始出现上升趋势变化,于古冶5.1级地震发生后继续持续上升,同年9月达最高值后恢复下降。盘一井氢气浓度、高频信息、方差与自相关系数均显示出,在古冶5.1级地震发生前出现了显著异常高值变化,且高值起始时间具有同步性变化特征。前人基于临界慢化方法对汶川8.0级地震前南北地震带水氡观测资料(晏锐等,2011)、2011年新疆2次6级以上地震前新疆地区形变和流体资料(高丽娟等,2013)和2013年岷县—漳县6.6级地震甘东南地区水氡观测资料做了大量研究(苏小芸等,2020),认为应用该方法提取的高频异常可以有效指示地震活动及区域构造应力变化。笔者应用临界慢化方法提取盘一井氢气的高频信息异常并分析认为,2020年盘一井氢气出现的高值变化与区域地震活动及构造应力增强存在一定因果联系。

图5 古冶5.1级地震前盘一井氢气临界慢化现象曲线
Fig.5 Critical slowdown curves of hydrogen in Panjin 1st well before the Guye M5.1earthquake

在地震行业预报效能评价中,最常见的地震预报效能评估方法包括R值评分方法、Molchan图表法和权重集成方法等(焦明若等,2016; 向阳等,2018b; 王喜龙等,2018,2020; 崔博文等,2021; 钟骏等,2021)。其中R值评分方法是一种比较直观易懂的效能检验研究方法,在地震研究领域得到最为广泛的应用。笔者结合辽宁及周边地区已发生的中强地震,对盘一井氢气预报效能进行检验。

R值评分方法由许绍燮(1989)提出,用来对各地震监测测项预报效能进行检验,并取得了较好的研究成果(李琼等,2017; 汤兰荣等,2017; 陈梦,杨龙翔,2020)。R值评分基本原理为有震报准率与预报占时率之差,可表示为:

R=c-b

=(报对地震次数)/(应预报地震总次数)-(预报占用时间)/(预报研究总时间)(1)

式中:c为地震报准率; b为预报时间占有率。

将计算所得的R值与具有97.5%置信水平的最低R值(R₀)进行比较(R₀值大小与报对地震数量、漏报地震数量有关),若R>0且R≥R₀,则表示通过效能检验,R值越大且R-R₀越大,则说明预报效能越好。

本文在使用R值检验方法对盘一井氢气进行预报效能评估过程中,选取时间范围为自氢气观测以来,空间上选取距测点200 km范围内或存在构造关系的M≥5.0地震进行研究,共选取4个地震(表1)。基于相关文献资料统计了自1995年以来盘一井氢气浓度出现的异常次数、异常持续时间及对应震例情况,具体见表2。

表1 1995年以来研究区M≥5.0地震
Tab.1 M≥5.0 earthquakes in the study area since 1995

表2 盘一井氢气浓度异常时间及对应震例统计
Tab.2 Abnormal periods of the hydrogen in Panjin 1st well and the corresponding earthquakes

基于式(1)得出,盘一井氢气浓度异常优势预测时长为80～110 d,在已发生的4次地震中,报准地震2次,漏报地震2次,虚报地震0次。预测效能R值为0.48、R₀值为0.43、R≥R₀,通过效能检验,表明盘一井氢气具有较好的短临预报效能(图6)。

图6 盘一井氢气R值检验结果
Fig.6 R-value test of the hydrogen in Panjin 1st well