宿迁地震台气氡观测资料影响因素分析.pdf

通过对宿迁地震台2021年气氡观测数据变化影响因素的分析，发现宿迁台地震断层气氡浓度的变化主要受气压和降雨量影响，均呈现出一定的正相关关系，而气氡浓度受气温及地温的影响不大。通过对干扰因素及特征的研究，分析了宿迁台断层气氡浓度的变化规律和影响因素，为准确识别宿迁台周边震前异常信息提供了参考依据，也为今后深入研究断裂活动与断层气氡的关系提供了分析依据。关键词：气氡；气象因素；相关分析；宿迁台中图分类号：P315.72文献标志码：ADOI：10.13693/21-1573.2023.02.010基金项目：江苏省宿迁市科研项目：防震减灾“十三五”发展规划重大课题研究（S201509）收稿日期：2022-12-07修订日期：2023-03-04编辑：张丽作者简介：孙煜杰（1993-），男，山东省烟台市人，毕业于山东科技大学，硕士，助理工程师，主要从事地震监测工作。E-mail：宿迁地震台气氡观测资料影响因素分析0引言地震地下流体是指和地震孕育、发生以及地震构造活动有直接联系的、赋存于地下岩石孔隙中的水、气、油等物质1。大陆地下流体前兆的物理力学机制，是在区域应力作用下，当地壳介质受到力的作用而发生变形时，赋存于介质中的流体会在热力、动力以及化学作用下发生动态的变化，主要是基于强震孕育的动力学原理。伴随着地下应力的变化，在地震孕育过程中，断裂带断层岩石中富含的 U、Ra、Th等放射性元素衰变产生的氡气，经过孔隙度高、结构疏松的土壤时逃逸到大气中，地震活动断裂带产生的断层气氡是地下生成的许多流体组分中最可能大量迁移至地表的，并在地上某一点集中释放，气氡的通量和异常浓度可以很好地反应断层和地震活动情况，断层断裂带内部的岩石破裂与气氡的浓度变化具有较大的关联性。氡是一种放射性气体，是Ra衰变的中间产物，在地震监测中主要以222Rn为观测对象。前人实验证明，氡反应灵敏，当外界的震动和压力产生时，氡容易从其赋存的介质中逃逸出来2，因此，当地下应力变化时，地下的氡浓度会出现不同形式的变化。破裂强度越大的断裂带，产生的裂隙越多，生成的氡也就越多。如Yang等3在对台湾断裂带氡连续观测结果分析时发现，ML4.5以上地震前数天或数周，氡浓度曲线上出现异常峰值。在断裂点附近出现氡浓度高值，与断层走向基本一致，理论上，随着氡的迁移与扩散，氡浓度会以土壤覆盖层的断层面破碎点为中心，向周围递减，因此断层面上的氡浓度较高，而四周较低。由此发现，监测地下逸出的氡，特别是断层处的氡，是流体学科的重要组成部分，将来也将广泛应用于地下流体项目。断裂带为地下气体逃逸提供了通道，由于2期目前对郯庐断裂带宿迁段的跨断层气氡的研究比较少，因此本文选取郯庐断裂带宿迁段进行研究。通过观测断层中气体氡浓度含量的变化，来综合判定其断层活动性及地球化学特征。宿迁地震台气氡观测概况宿迁地震台始建于1972年，为省属区域地震台，坐落于江苏省宿迁市三台山森林公园内。“十三五”期间，宿迁市应急管理局在宿迁地震台（以下简称宿迁台）建设了断层气观测项目，主要以观测土壤氡为主。构造方面位于郯庐断裂带中段的昌邑大店断裂（F1）和白芬子浮来山断裂（F2）之间，区域断层走向以NNE向为主，土层覆盖相对较浅，第四纪覆盖层不足1.5 m，基岩以白垩纪王氏组红色砂岩为主，出露较好。宿迁台气氡观测于2021年1月在江苏省宿迁市三台山公园宿迁地震台采用泵吸式脱气-集气装置、BG2015R型测氡仪进行观测。前人在宿迁台断层气氡观测资料影响因素方面的研究比较少，因此本文对宿迁台气氡观测的现状进行分析，希望气氡观测技术能在今后的地震监测预报中更好地发挥作用。2宿迁台气氡观测资料分析处理宿迁台气氡观测的对象是土壤逸出氡，采用BG2015R型测氡仪观测，整点采样、自动测试，每日产出24个时值，浓度单位为Bq/L。宿迁台氡气浓度变化主要有台阶和脉冲两种比较大的变化（图1a），对观测资料进行分析后发现，造成这两种变化的主要原因是停电、网络故障、吸气脱气装置故障等问题。氡气的日变化曲线以时值为基础绘制，如图2发现其日变化特征相对稳定，数据变化幅度不大。对宿迁台氡气2021年1月至12月的整点值观测曲线进行分析（图1a）。宿迁台氡气浓度正常值在1070 Bq/L之间。2021年1月1日至3月9日，测氡仪刚刚投入使用，工作不正常，数据变化幅度较大，3月9日经过重新填土，观测数据开始稳定，氡气浓度值恢复到了正常水平。整点值曲线中出现的低值突跳是吸气装置与测氡仪之间的导管被水珠堵住，气路不通时的观测结果，气路通畅后，氡值很快恢复。通过核实和分析认为造成高值幅度与频率孙煜杰，等：宿迁地震台气氡观测资料影响因素分析（a）（b）（c）（d）（e）（f）67防灾减灾学报39卷均比低值高的原因主要有以下三方面：一是观测系统导管中水珠含量到达一定程度后完全堵塞气路，导致取气量出现零值，而导管干燥后聚集的氡气全部被下一次取样记录到，导致瞬时高值幅度较大；另一方面是导管正常通气时遇到降水，氡气浓度也会上升，因此高值要比低值频率大；还有就是仪器意外停电、重启后也会出现高值尖峰。3讨论土壤气氡浓度受到构造和非构造因素的影响，主要有地质构造特征，覆盖层土壤类型及特征（如覆盖层厚度、湿度、孔隙度等），气象因素和其他因素等几个方面，如断层的开闭、氡气取样的孔深及周围地温的变化、气压和气温以及降雨等4。这些因素使得断层氡气浓度变化呈现出规律的年变和不规律的突变，不同测点的氡气浓度变化也呈现不同的变化规律。为了明确对宿迁台断层气氡浓度影响最为明显的因素，并与其他断层活动干扰因素相区别，结合前人的研究，本文着重从气象等几个方面来分析其对氡气浓度的影响。3.1 地质构造地质构造上的不均匀性会造成氡气浓度异常，如断层的活动性、存在形式及裂隙发育情况等。根据King等5对美国加州断层土壤气氡的研究发现，逆断层上盘受横向的张性应力影响，发育大量小裂隙，为断层气氡溢出提供了通道，因此逆断层上盘可观察到氡气浓度值的主峰和次峰。宿迁台位于郯庐断裂带上盘，为断层气氡溢出提供了通道。图1 宿迁台氡气2021年全年观测曲线（左列为整点值，右列为月均值）Fig.1 Annual observation curve of radon at Suqian Seismic Station in 2021图2 宿迁台氡气每日浓度曲线Fig.2 Daily radon concentration curve at Suqian Seismic Station（i）（j）（g）（h）682期孙煜杰，等：宿迁地震台气氡观测资料影响因素分析3.2 覆盖层土壤性质土壤中氡气浓度取决于获取量和逸散量两个因素5，其中逸散量与覆盖层土壤性质（厚度、密实度、孔隙度等）有关。当坡度较大或土壤渗透性低的时候，如果覆盖层较薄，则测得覆盖层下面的氡气浓度值高；当坡度较平坦或土壤渗透性较高时，若覆盖层比探测深度大，深部富集的氡气不容易到达探测点，测得的氡气浓度低。宿迁台第四纪覆盖层不足1.5 m，土层覆盖浅，测得的氡气浓度较高。取样深度相同时，氡气浓度还与土壤密实度、孔隙度及颗粒大小等有关。覆盖层颗粒越小，对氡气的封闭性越强，氡气浓度高，相反在粗粒覆盖层中氡气浓度较低。宿迁台为砂岩，土层覆盖浅，因此氡气浓度变化大，有利于监测地震活动。3.3 气象因素前人研究发现，断层气氡浓度有明显的年变和突变规律，这主要与气象因素有关。以下将从降水量、气压、气温、地温四个方面对宿迁台气氡影响因素进行分析。3.3.1 降水影响降水量的多少会影响氡气浓度，降水量越大氡浓度越低，降水量越小，氡浓度越大。侯彦珍等6发现当土壤含水量较低时，随含水量增加，断层气氡浓度有增高的趋势，但当含水量达到或接近饱和时，氡气浓度开始明显降低。通过对宿迁台8、9、10三个月氡浓度的研究发现（图1a，图1i），宿迁台气氡测值与降水量的关系密切，氡气浓度测值随降水量的升高而增大，达到饱和时开始下降，与上述研究结论一致。3.3.2 气压影响当外界气压变化时，土壤受到的相对压力发生变化，土壤中气体的浓度也会随之变化。对比土壤气氡浓度与气压变化关系可以发现（图1c，图1d），当气压由小变大时，土壤中的氡气因受压释放的气体量变多，气氡浓度上升，反之，当外界气压由大变小时，气氡浓度下降。表明气压与氡气浓度呈正相关性，气氡浓度随气压的升高而升高，反之则下降。3.3.3 气温影响气温季节性变化可以导致地气交换速率和氡浓度的周期性变化。研究选取2021年的气温与气氡浓度浓度值资料进行分析。从宿迁台气温和气氡浓度月均值曲线图看出（图 1c，图1f），2021年 1月至 2021年 12月宿迁台气氡测值与气温的关系不大，测值随气温的升高而升高的趋势不明显，没有得到很好的相关性，但仍能看出气温高时氡气浓度较高。3.3.4 地温影响地温的变化可以引起地表岩石热弹性应变发生周期性变化，使土壤中氡气的浓度发生周期性变化。结合杜建国等7对八宝山断层气氡的相关分析，发现氡气浓度与地温没有明显的相关性。由图（图 1c，图 1h 与图 1g）可以发现，宿迁台气氡测值与地温的关系不大，地温与气温没有明显的相关性，与杜建国等7的研究结果一致。笔者认为，一方面是由于氡气观测的影响因素较多，另一方面可能是地温变化的滞后性所致。3.4 其他因素仪器自身灵敏度受气象因素的影响程度可能会对测值产生一定影响。此外还有地下水活动的影响，由于氡气易溶于水，地下水的运动往往使氡气随之迁移，从而造成对测量结果的干扰，宿迁台测点附近400 m处有湖泊，对测点测值的影响有待进一步研究。综合以上分析结果，肯定了宿迁台气氡观测技术的可行性。目前，郯庐断裂带气氡观测时间尚短，资料积累有限，对于气氡浓度的异常机理及特征的认知还不够深入，后期需结合成因机制等多方面进行论证。建议今后开展以下研究：气氡的成因机制分析；增加布点密度和断层气种类，形成断层气台网；气氡地球化学特征与断裂活动性的关系；结合地质、地球物理等地震地质学手段及年代学和同位素组成与示踪等方法进行综合分析和评价。4结论（1）宿迁台位于郯庐断裂带上盘，为断层气氡溢出提供了通道。宿迁台为砂岩，土层覆盖浅，气氡浓度变化大，有利于监测地震前兆异常变化。宿迁台断层气氡测值在夏季偏高，冬季偏低，与气温和地温的变化比较相似，但有明显的滞后性。气氡的测值随季节性变化明69防灾减灾学报39卷显，气氡变化最高值出现在每年的9、10月份，最低值出现在每年的12月份。每年的37月份有轻微下降趋势，811月份有上升趋势。气氡正常日均值动态曲线呈正弦型，每日浓度变化稳定。（2）宿迁台气氡观测资料主要受降水与气压的影响。氡浓度随降水量的升高而增大，达到饱和时开始下降；与气压成正相关关系，测值随气压的升高而升高，两者与气氡测值均呈正相关关系，气压的影响程度大于降水量，与气温及地温的关系不大。（3）宿迁台气氡仪器工作稳定，采样率高，数字传输、保存和资料处理快捷方便，使人为观测误差大为减少，增加了氡的信息量。本文分析了宿迁台断层逸出气氡的变化规律和影响因素，这项工作有助于更好地认识和提取与地震活动有关的前兆异常变化，也可为深入研究断裂活动与断层逸出气体的关系提供分析依据。参考文献：1李志鹏，赵冬，袁梅.姑咱台气氡测值异常与地震预报探讨 J.四川地震，2015，157（4）：24-28.2张扬，戴波，郑江蓉，等.郯庐断裂带江苏段断层气氡地球化学特征研究 J.地震工程学报，2017，39（2）：248-252.3 Yang T F，Chou C Y，Chen C H，et al.Exhalation ofradon and its carrier gasses in SW TaiwanJ.RadiatMeas，2003，36（1）：425-429.4 史杨，官致君，杨耀.断层土壤气氡的应用综述J.四川地震，2017，163（2）：38-44.5 King C Y，Zhang W，King B S.Radon anomalies onthree kinds of faults in California J.Pure Appl.Geo-phys，1994，141（1）：111-124.6候彦珍，王永才，张根深.土壤气氡测量影响因素的初步研究 J.华北地震科学，1994，12（2）：31-35.7杜建国，宇文欣，李圣强，等.八宝山断裂带逸出氡的地球化学特征及其映震效能 J.地震，1998，18（2）：155-162.Analysis on Influence Factors of Gas Radon Observation Data atSuqian Seismic StationSUN Yujie，PENG Peng，ZHANG Rongshan，ZHANG Peng（Suqian Monitoring Center Station，Jiangsu Suqian 223800，China）Abstract：Through the analysis of the influencing factors of the change of gas radon observation data in Suqian station in 2021，it is found that the change of fault gas radon concentration in Suqian station is mainlycontrolled by air pressure and rainfall，which are positively correlated，and the gas radon concentrationhas little relationship with air temperature and ground temperature.Through the study of interference factorsand characteristics，the variation law and influencing factors of fault gas radon concentration in Suqian station are analyzed，which not only provides a reference basis for accurately identifying the abnormal information before earthquakes around Suqian station，but also provides an analytical basis for further studying therelationship between fault activity and fault gas in the future.Key words：radon；meteorological factors；correlation analysis；Suqian Seismic Station70