氡气测量用于地震预报

2008年四川汶川的“5·12”特大地震再次用血的教训告诫人们,防灾抗灾不容忽视。

地震活动是瞬间过程,地壳运动导致能量不断积聚,最终必然导致地震的发生。2008年是全球的地震高发年。

地震的实质是地下能量的积累和重新分配的结果,只有那些迁移能力最强,对振动最敏感的物质才能反映这种变化。经研究Rn、Hg、CO2、H2、He、CH4等地球气体,对地球应力场变化敏感。

(一)地下水氡浓度异常与震源的相关性

利用氡的析出进行地震预测的研究工作始于乌兹别克斯坦塔什干盆地地热水中氡浓度的连续测量。苏联从1956年开始在塔什干地区进行连续观测氡浓度的变化,1959年氡浓度明显上升,直到1966年发生5.3级地震,氡上升为初始浓度的三倍。地震过后,氡浓度急剧下降(图7-2)。此研究引起科学界的重视,引发世界各地的观测研究。

图7-2 乌兹别克斯坦塔什干地热水中氡浓度的变化与地震的关系

(据Чломов,1968)

1.氡浓度变化与地震的关系

断层带内土壤和水中氡最容易受压力和振动作用而析出。1976年唐山7.8级地震,在沿断裂带分布的观测井记录到氡的析出(图7-3)；直到离震中500km都有氡异常,异常高出10%～100%不等,氡异常与震中远近无关。异常都出现在地震前几天和数周内。不在构造带上的观测点未见异常。在唐山地震之后,1979年发生的7.4级渤海地震之前也有氡异常出现。

在1974～1976年间,西南地区发生三次地震：云南永善-大关、云南龙陵和四川松潘-平武,都观测到氡异常。在松潘-平武7.2级地震前两周,在400km远处已测到了氡的突变尖峰异常。

图7-3 唐山地震水中氡异常出现的先后与构造的关系

(据郑治真等,1979)

美国1979年加利福尼亚发生4.8级地震,1983年发生3.0～3.5级四次地震,在地震前当地地热泉中氡和氦都出现了异常。另一次6.3级Sandpoint地震前,用α径迹法测量发现的异常比背景值高40%。

意大利对自流井和泉水进行周期性采样测氡,1950年6～10月氡异常明显上升,11月23日发生6.6级Irpinia地震。1982年起对土壤氡浓度变化连续三年进行观测,在50km和10km远处分别发生5.8级和6.2级地震,均在前一个月记录到氡的异常。

日本1997年在Izu-Oshima-Kinkai发生7.0级地震,前五天观测到地下水中氡浓度突然下降,然后又显著上升。1984年,本州地区发生6.8级地震,在1～2年前有三个观测小组在据震中25～100km内的三条活动断层上观察到土壤氡浓度异常升高。

墨西哥1985年9月19日,在36h内发生8.1级和7.5级二次地震。在两个月之前,在其东北260km的地热田水中氡异常升高。

厄瓜多尔***35个氡观测站,1987年3月6日,在Re Ventador火山附近发生6.1级和6.9级地震。前14天虽然连续降雨,但氡异常显著变化。

我国的海城地震和意大利都有过氡对地震没有反应的记录。因此,意大利的学者提出要精心选择测点位置,不是任意选择一点就能观测到氡异常。

上述地震前出现的氡异常变化形态和提前时间各不相同,这就为通过氡异常预报地震的准确时间造成了极大的困难。

图7-4 地震前的四种氡气异常类型

经研究,按照氡异常与地震发生的时间关系可以把氡异常划分为四类(图7-4)。一类是跳跃变化的异常,上升、下降幅度很大,如北京市北部的怀柔区4.5级地震前在东花园井测到的异常曲线[图7-4(a)]。第二类是氡异常平稳上升,如河北省中部的文安县4.5级地震前河西务井的异常曲线[图7-4(b)]。第三类是氡的低值异常,如河北省南部的沙河市5.7级地震,在距沙河35km的武安县观测井出现的氡异常曲线[图7-4(c)]。四类是氡异常突然涌动,造成尖峰异常,如四川西北部的炉霍县(距汶川250km)7.9级地震前[图7-4(d)],在姑咱泉观测的氡异常相对变化达128%。

地震的孕育过程不同,也就是能量的积累时间长短不等、震源深浅不一,所以氡异常出现的提前时间也不相同。时间长的可达几年,短的只有几天。

2.氡异常出现的时序

地震孕育过程引起氡气析出,在距震中不同距离的观测点出现氡异常是同步同现还是有先后次序,对临震预报有重要意义。

大多数学者根据经验认为距震中不同的距离上,各观测井的水中氡异常有一定的同步性。氡异常出现较为集中的地区,当作地震可能发生的地区。1969年7月18日发生的渤海7.8级地震,在震前8～9个月(1968年10～11月),各远近井孔普遍出现氡异常,并缓慢上升；直到震前3～4个月(1969年3～4月),均出现急剧上升之后的高值波动,直至发生地震,这是临震预报的主要依据。

有人认为恰恰相反,异常出现的时间先后不一(李宣瑚,1984),似有由震中向外传递的特点。唐山地震前,华北出现大面积氡异常,临震突跳时间不同步。与上述情况相反,由外围逐渐逼近震中,而后向外传递扩散。

唐山地震前出现氡异常的顺序是：1975年8月10日天津塘沽、田疃先出现异常；10月15日河北唐山出现异常；12月10日天津宝坻出现异常；1976年2月10日北京管庄出现异常；当年4月10日在河北怀来县官厅水库东岸东花园出现异常,是由震中向外扩散(图7-3)。路线正好是依照天津-怀来的北西向构造线。据此计算的氡传播速度平均值为37km/月。当年云南龙陵县发生的7.4级地震和四川松潘发生的7.2级地震,水中氡异常传播的速度都是30km/月。

3.氡异常预测地震的方法

根据氡异常进行地震预测,一直是经验判断,也就是把氡异常出现集中的地区作为强震可能发生的地区。近年来有人从统计学出发提出氡异常动态图强震预测方法(邢玉安等,2000)。

(1)氡异常动态图的制作

首先采用13点滑动平均法,根据下式计算氡观测值的月滑动平均值( )：

放射性勘探技术

式中：Ck——氡异常观测值的月平均值。

采用滑动平均值,实际上消除了偶然跳动和年变化,突出了氡异常的真实性。再根据滑动平均值计算氡的背景衬度(Ri)：

放射性勘探技术

式中：C0——氡的背景值；一般取氡异常变化前地震平静年的平均值。

公式(7-2)就是氡观测值的月滑动平均值( )相对于背景值的变化率,即衬度。

用衬度(Ri)作平面等值图,对每个观测井每月做出一幅氡异常的动态图。

(2)氡高值异常区与强震中心的关系

多次氡异常的统计资料表明,氡的高值异常区中,衬度Ri≥0.06的地区是强震前有征兆表现的地区。Ri值与震中的关系可分为以下两类：①区内型：指地震中心出现在氡异常之内,但不一定出现在氡异常的最高点,往往有所偏移,如1976年河北唐山地震；1989年山西大同6.1级地震；1995年云南孟连7.3级地震,异常中心在东北46km处；1996年云南丽江7.0级地震,异常中心在南方48km处。②区外型：即地震中心不在异常区内,但在一定的区域之内。如1995年云南武定6.5级地震,武定没有氡异常出现,震前在东南方相距186km的米勒县出现氡异常,武定县和弥勒县同处于滇东地震带；因此认为氡异常与地震存在相关性。类似这种情况的还有云南澜沧县7.6级地震和1998年河北省张北县6.2级地震。

氡异常的出现时间和出现地区与地震中心的关系和地震例子列于表7-3。

表7-3 氡异常动态图强震危险区预测结果

注：距离为0km者,表示震中落在预测的危险区内。

由表7-3可见,预测有强震而没有发生地震的例子和无异常而发生地震的例子都是有的。这说明用氡异常预测地震仍然具有不确定性,也进一步说明地震预报的复杂性。由于地震预报具有向社会发布危险信号的功能,如果一旦发出危险信号必然导致社会恐慌心理,对于经济发展会造成一定的损失。所以根据氡异常预测地震的风险性很大,这就是政府一般不轻易发出地震(特别是强震)预报的原因。如2008年“5·12”地震后,甘肃曾以省政府名义发出6级强余震的警告,果然发生了4.7级余震,三天后警报解除。

(二)用于地震预报的氡的测量方法

以上所述的测量水中氡的方法与寻找铀矿测量水中氡的方法是一样的。所不同的是地震预报的测氡都要选择在活动断层地区,设立专门的观测站,连续测量氡的浓度变化。

在中国和俄罗斯测量地下水或地下热水中氡浓度比较多,其他国家测量土壤氡浓度比较多。土壤(岩石)氡和地下水中氡在地应力积累的过程中,因产生了弹性波、声波和电磁波波场的挤压下析出,波场越强析出的氡浓度越高。所以在爆发地震前波场增强,出现了氡浓度突跳。

值得注意的是,测量地下水中氡浓度的观测点,应该放在地下水面比较稳定的地方。如果地下水面变化过大,将带来极大误差。

1996年俄罗斯地震学家在天山地区第一次根据测量中子进行地震预报研究。通过对该地区高中子通量的异常与附近地震台测得的120km以外的震感较强的地震进行相关分析,在119次地震中,在震前24h,观测到中子通量高涨的有85次,占地震总数的72%。中子通量测量提出了地震预报的一个新的方法。