本文研究使用新疆阿克苏和库尔勒2个断层氢气观测台站的数据,2个观测台站均位于塔里木盆地和天山结合处(图1)。受印度板块推挤,塔里木块体向北插入天山下,使该地区断裂比较发育(张先康等,2002),地震活动强烈,图1展示了2013—2024年观测台站周边地区M_S≥5.0地震分布。阿克苏氢气观测台位于南天山西段柯坪断裂的东端次级断裂上,该断裂倾向SE,倾角70°～85°,为全新世活动断层,岩石裂隙较为发育(刘海洋等,2020; 钟骏等,2021),台站周边地区地壳变形强烈,由南向北发育一系列叠瓦状逆冲褶皱构造,中强地震频发,2024年1月23日乌什7.1级地震就发生在此区域附近。库尔勒氢气观测台位于南天山东段北轮台断裂(霍拉山山前断裂)、辛格断裂、兴地断裂的交会处,北轮台断裂属于全新世活动断裂,倾角60°～75°,第四纪以来活动性明显,观测断层为北轮台—辛格衔接断层,走向NE-NEE,倾向NW,倾角35°～80°(闫玮等,2023)。

图1 阿克苏台和库尔勒台周边地区主要断裂和2013—2024年MS≥5.0地震分布
Fig.1 Distribution of MS≥5.0 earthquakes from 2013 to 2024 and the main faults in the vicinity of Aksu station and korla station

2个台的氢气观测始于2013年11月,数据采样间隔为整点值,观测数据整体上平稳可靠(图2),但是存在气象、电源故障、仪器更换、仪器背景噪声等引起的突跳现象。图2中实线框部分为干扰引起的变化,虚线框为异常阶升变化,异常对应的地震用箭头进行了标注,反映了震前氢气异常形态。从图中可看出,干扰变化与异常变化具有相似形态,会影响工作人员对异常的识别。库尔勒台氢气观测数据具有较好的年变趋势(图2a),与气象因素有一定的相关性(钟骏等,2021; 范雪芳等,2020),但是对其周边300 km范围内M_S≥5和400 km范围内M_S≥6地震没有明显的震前响应。阿克苏台氢气观测数据也具有年变趋势,并且在其周边300 km范围内10次M_S≥5.0地震前出现了短期异常变化(图2b),为震情短临跟踪提供了帮助。

图2 2013—2024年库尔勒台(a)和阿克苏台(b)氢气观测年变曲线
Fig.2 Annual hydrogen curve observed by Korla station(a)and Aksu station(b) from 2013 to 2024

库尔勒台氢气原始观测数据在周围M_S≥5.0地震前未出现明显异常,映震效能较弱。对库尔勒台氢气观测值经过加卸载响应比计算后,发现4次LURR值异常,报准率为62.5%。利用R值进行映震效能评估检验(表4)显示,库尔勒台氢气LURR值异常具有较好的短期预测意义(90天内发震),R=0.4,且R>R₀; 预测意义最优天数为130天,此时R相对R₀更为显著,R=0.48。

表4 R值检验结果统计
Tab.4 R-value test results

阿克苏台氢气原始观测数据在震前反应较为灵敏,出现14次异常(表5),异常以快速上升为主,异常幅度在1 ppm以上。9次异常对应地震,对应率为64%,虚报率36%。阿克苏台周边地区21次M_S≥5.0地震中,对应11次地震,报准率为52.4%,漏报率为47.6%。表4中R值计算显示,最佳预测期为80天,R=0.25,且R>R₀,说明阿克苏台氢气对短期预测有较大意义。在对阿克苏台氢气观测数据进行LURR处理计算后,LURR异常对应率为88.9%,虚报率为11.1%,报准率为90.5%。对漏报率为9.5%,LURR值异常和原始数据异常对应率进行对比,异常对应率提高了24.9%,报准率提高了38.1%,说明加卸载响应比异常效能更高。对其进行R值评估检验(表4),90天内R接近R₀,最佳预测期为150天,R=0.31,且R>R₀,通过效能检验。结合R值评分结果可以看出,阿克苏台氢气原始异常优势预测期更偏向于短期,而LURR值异常优势预测期略长,这可能有两方面原因,一是LURR值异常报准率较高,占用时间较长; 二是LURR值异常代表了地震成核弱化的开始,预示着后续的局部应力释放和氢气的快速上升。从总体对比结果来看,断层氢气LURR的映震效能要优于原始观测数据,说明加卸载响应比的时间序列演化对构造活动反应更灵敏。

加卸载响应比结果反映的是断层岩石中氢气在潮汐应力周期加载作用下的动态变化特征。潮汐应力加载到地壳裂隙表面时,围岩应力增加,通道收缩,压迫其中气体运移; 在潮汐应力周期性加卸载作用下,裂隙做周期性张缩运动,并伴随有气体逸出量的动态周期性变化。当断层所处的应力环境处于临界状态时,加载的潮汐应力在断层应力的方向上促使围岩介质进一步破裂,裂隙密度增加。围岩介质的破裂、岩石新鲜破裂面的水岩反应、深部气体的运移等增加了断层中氢气的供给(Wang et al,2023; Zgonnik,2020),而增加的地下流体,作用于围岩表面促使围岩发生雷宾德尔效应进一步弱化破裂(Giuntoli et al,2024)。

断层氢气的变化反映了构造活动变化,加卸载响应比计算结果显示氢气在潮汐应力作用下出现了不同的响应(Biagi et al,2006),从理论上讲,在原始观测数据异常中也应该包含潮汐调制的信息。表5中显示的14次氢气异常的发生时间大部分为农历的朔、望和上下弦调制时间段附近,即异常时间与潮汐加卸载具有同步性。图5展示了阿克苏台氢气异常与理论固体潮同步关系对比,图中虚线框为氢气高值异常发生在固体潮汐加载峰值阶段,说明氢气释放异常与潮汐应力加卸载有很大关系,即当氢气异常出现在调制敏感时间段时,很有可能反映的是构造活动,后续地震的 [FL)]

表5 阿克苏台氢气原始观测值异常对应地震统计
Tab.5 The earthquakes corresponding to the anomalous hydrogen data at Aksu station

图5 阿克苏台氢气异常与理论固体潮关系对比
Fig.5 Relations between the hydrogen anomaly and the theoretical earth tide recorded by Aksu station

发生时间可能也需要关注调制时间段。使用2020—2021年阿克苏台氢气原始观测数据出现连续5次异常虚报,时间临近的几次变化有可能反映的是一组异常信息,构造活动中断层的蠕滑可能也会引起氢气异常释放。表2、3显示使用氢气原始观测值漏报地震与震源深度、震中距无明显关系,漏报原因可能与地壳应力的非均匀释放有一定关系。

从响应变化机理看,氢气的朔望调制潮汐效应反映了在潮汐应力作为正应力作用下地壳岩石裂隙的弹性张缩,改变了围岩压力,加速了氢气的释放。而加卸载响应比理论则从库仑剪切应力的角度反映了氢气的变化过程,预示着在断层面滑动矢量方向上剪切应力增强(Yu et al,2020),超过岩石的抗剪强度,造成岩石破裂、裂隙扩展。地震表征的岩石介质的破裂是由断层面上剪切应力作用形成的(Byerlee,1978; Stein et al,1994)。在地壳应力增强过程中,正应力促使岩石发生弹性变形,而剪应力才是岩石破裂、裂隙扩展的主要因素。Wang等(2023)基于断层氢气来源分析认为,断层氢气的响应变化跟剪应力有较大关系。加卸载响应比异常的出现,说明地壳岩石介质处于高应力阶段,在潮汐有效剪应力加载下,岩石破裂和水岩反应加剧了氢气释放,裂隙的增加和贯通为地表氢气观测提供了帮助。此时加载阶段和卸载阶段的氢气逸出量响应变化出现明显差异,岩石介质进入亚失稳状态。