王喜龍，楊夢(mèng)堯，郭紅霞，劉建光

(1.遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034；2.遼寧省匯澤礦業(yè)技術(shù)咨詢有限公司，遼寧 沈陽 110035)

0 引言

地震是構(gòu)造活動(dòng)的產(chǎn)物，而構(gòu)造活動(dòng)則與地下流體作用關(guān)系緊密。大量研究表明，某些中強(qiáng)地震發(fā)生前，在震中一定范圍內(nèi)，或沿著發(fā)震斷裂展布方向往往都會(huì)出現(xiàn)一定數(shù)量的地下流體異常(劉耀煒等，1999，2004；Zhou，2021a)。而對(duì)于地下流體異常組分而言，不論是淺層還是深層地下流體，氫氣均扮演了非常重要的角色(Zgonnik，2020；Zhou，2021b)，這主要是由于氫氣的地球化學(xué)性質(zhì)所致。與其他幔源氣體相比，氫氣穿透力最強(qiáng)，擴(kuò)散遷移速率較其他氣體快(杜樂天，2005；范雪芳等，2016；車用太等，2015；方震等，2020)。因此，氫氣成為對(duì)地震前兆響應(yīng)最為靈敏的氣體，尤其在地震發(fā)生短臨階段，其映震能力明顯優(yōu)于其他測(cè)項(xiàng)(柯云龍等，2018)。因此，氫氣作為可靈敏有效反映構(gòu)造活動(dòng)狀態(tài)或指示區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)變化的地下流體介質(zhì)，在地震監(jiān)測(cè)工作中越來越受到重視。

國內(nèi)外關(guān)于氫氣觀測(cè)與地震活動(dòng)的關(guān)系研究已有近50年歷史。國外較早開展這方面研究的國家是日本、美國和前蘇聯(lián)，隨后多國學(xué)者們也逐漸開展氫氣觀測(cè)研究，并取得了一定數(shù)量的地震前兆和同震響應(yīng)震例(Satake，1985；杉崎隆一等，1986；杜樂天，2005；車用太等，2015)。我國最早從20世紀(jì)70年代開始開展斷裂帶井(泉)地下水氫氣定時(shí)采樣觀測(cè)研究(張培仁，王基華，1993)，近年來隨著觀測(cè)技術(shù)的不斷提高，氫氣觀測(cè)儀器及觀測(cè)手段也逐漸多樣化。觀測(cè)儀器由最早的氣相色譜儀，逐漸發(fā)展出QDS-A型氣敏儀、GWK-A型測(cè)氫儀和ATG-6118H型測(cè)氫儀等多種儀器(車用太等，2015)；觀測(cè)手段也由最開始的地下井(泉)定時(shí)取樣觀測(cè)，逐漸發(fā)展為包括定點(diǎn)取樣觀測(cè)、地下井泉連續(xù)觀測(cè)(李新勇等，2014；方震等，2020；Zhou，2021)、跨斷層土壤氣觀測(cè)(王喜龍等，2017；康健等，2019；Xiang，2020)和斷裂帶土壤氣定點(diǎn)連續(xù)觀測(cè)(范雪芳等，2016；向陽等，2018a；柯云龍等，2018；陳學(xué)芬等，2020)等多種手段并行。地震工作者通過多手段、多儀器觀測(cè)方式，獲取了大量的氫氣觀測(cè)數(shù)據(jù)，并在某些中強(qiáng)地震發(fā)生前捕捉到了一些非常明顯的氫氣短臨異常震例信息(范樹全等，1993；張培仁，王基華，1993；林元武，翟盛華，1994；范雪芳等，2016；向陽等，2018a)，為地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)工作積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

盤錦臺(tái)盤一井氫氣測(cè)點(diǎn)地處下遼河平原，且位于NE向展布的郯廬斷裂帶北段與NW向展布的海城河隱伏斷裂西延展帶交匯部位。復(fù)雜的構(gòu)造位置導(dǎo)致該測(cè)點(diǎn)對(duì)遼寧及周邊地區(qū)地震響應(yīng)敏感。1975年遼寧海城7.3級(jí)地震、1976年河北唐山7.8級(jí)地震、1999年遼寧岫巖5.4級(jí)地震與2013年遼寧燈塔5.1級(jí)地震發(fā)生前，該測(cè)點(diǎn)水氡、氫氣與離子等均出現(xiàn)了不同程度的異常變化。2020年5月2日盤錦臺(tái)盤一井氫氣濃度出現(xiàn)大幅度波動(dòng)及升高異常變化，此次異常變化是由人為、環(huán)境等干擾造成的，還是由區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)調(diào)整變化等引起的，需要進(jìn)行異常識(shí)別及效能檢驗(yàn)。因此，筆者從干擾因素調(diào)查分析、震例對(duì)比分析、地震活動(dòng)性分析和應(yīng)用臨界慢化方法進(jìn)行氫氣高頻異常識(shí)別分析等方面，對(duì)盤錦臺(tái)盤一井氫氣進(jìn)行異常識(shí)別，同時(shí)應(yīng)用值分析方法對(duì)氫氣預(yù)報(bào)效能進(jìn)行檢驗(yàn)，分析盤一井氫氣異常成因機(jī)理及預(yù)報(bào)指示意義。

1 地震地質(zhì)背景與觀測(cè)井概況

1.1 地震地質(zhì)背景

研究區(qū)內(nèi)出露地層主要為第四系平原組、上第三系明化鎮(zhèn)組與館陶組地層。第四系平原組地層巖性主要為砂巖和粘土等，上第三系地層巖性主要為砂礫巖、砂巖和泥巖等。大地構(gòu)造方面，研究區(qū)地處中朝準(zhǔn)地臺(tái)上的三級(jí)構(gòu)造單元下遼河坳陷內(nèi)，東部為遼東隆起，西部為燕山褶皺帶，北依內(nèi)蒙地軸與松遼盆地相隔(圖1)，由前震旦紀(jì)偉晶巖組成基底，屬三面環(huán)山、一面臨海的匯水盆地(王喜龍等，2018)。

研究區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育，著名的NE向深大斷裂帶——郯廬斷裂帶穿過該區(qū)，在該區(qū)域主要表現(xiàn)為3條NE向深大斷裂，自西向東分別為臺(tái)安斷裂、遼中斷裂和牛居—油燕溝斷裂(圖1)。盤一井位于郯廬斷裂帶上，距觀測(cè)井最近的斷裂為牛居—油燕溝斷裂。該測(cè)點(diǎn)還位于NW向展布的海城河斷裂西延展帶上。在盤一井測(cè)點(diǎn)周邊300 km范圍內(nèi)及沿郯廬斷裂帶展布方向上，現(xiàn)代曾發(fā)生過多次破壞性地震(圖1)，且在多次破壞性地震發(fā)生前，該測(cè)點(diǎn)均出現(xiàn)過明顯的長(zhǎng)、中、短、臨等不同程度流體異常，表明該井地下流體異常對(duì)于遼寧及鄰區(qū)地震危險(xiǎn)性具有較好指示意義。

F1：牛居—油燕溝斷裂；F2：遼中斷裂；F3：臺(tái)安斷裂；F4：依蘭伊通斷裂；F5：金州斷裂；F6：太子河斷裂；F7：海城河斷裂；F8：醫(yī)巫閭山西側(cè)斷裂；F9：紅旗營(yíng)子斷裂；F10：塔子嶺—翁泉溝斷裂

1.2 觀測(cè)井概況

盤一井氫氣觀測(cè)點(diǎn)位于盤錦地震臺(tái)院內(nèi)，該井自1973年開始地震觀測(cè)。該井前身屬遼河油田井，完鉆井深2 892 m，現(xiàn)有井深1 121 m。觀測(cè)含水層為835～955 m的館陶組裂隙承壓水，該含水層厚度120 m，水溫22 ℃，pH值為7.4。井孔套管直徑在0～86.49 m段為400.05 mm，在86.49～955.1 m段為224.73 mm，具體井孔參數(shù)見王喜龍等(2018)的研究。井孔條件造成該井受地表垂直補(bǔ)給能力差，基本不受大氣降水和地表水的干擾，同時(shí)也避免了油田開采層的影響，水質(zhì)主要受深部補(bǔ)給(王喜龍等，2018)。

2 觀測(cè)臺(tái)項(xiàng)

盤一井觀測(cè)手段豐富，主要包括水氡、氣氡、汞、離子和氣體，其中水氡觀測(cè)開始于1973年。氣體觀測(cè)分為兩個(gè)時(shí)間段：1995年1月至2018年1月觀測(cè)儀器為SQ-206氣相色譜儀，進(jìn)行H、CO、Ar、N和CH5種氣體觀測(cè)，由于SQ-206氣相色譜儀為模擬觀測(cè)，觀測(cè)精度相對(duì)較低，對(duì)于取樣水中H，平時(shí)基本檢測(cè)不到。2018年1月SQ-206氣相色譜儀因儀器故障無法修復(fù)，2018年3月開始使用GC-8600氣相色譜儀進(jìn)行H、He、CO、O、N、CH和氣體流量7個(gè)測(cè)項(xiàng)觀測(cè)。GC-8600氣相色譜儀器靈敏度≥5 000 mv·mL/mg，檢測(cè)限≤1×10g/s，柱箱溫度范圍為5 ℃～400 ℃，控溫精度為±0.1 ℃。盤錦臺(tái)氣體觀測(cè)雖然至今交替更換了多個(gè)觀測(cè)人員，但觀測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)穩(wěn)定。

3 觀測(cè)數(shù)據(jù)異常變化及干擾因素分析

3.1 氫氣濃度異常變化特征

盤一井自2018年3月改用GC-8600氣相色譜儀進(jìn)行觀測(cè)以來，氫氣濃度測(cè)值波動(dòng)幅度相對(duì)較為穩(wěn)定，在能檢測(cè)出氫氣值時(shí)段，數(shù)值基本保持在0～23 ppm波動(dòng)。但自2020年5月2日開始，氫氣濃度開始出現(xiàn)高值波動(dòng)變化，測(cè)值最大可達(dá)68 ppm，高出正常背景值近3倍。2020年5—7月，氫氣濃度有逐漸升高趨勢(shì)(圖2a)，至2020年7月8日，達(dá)到最大值后便迅速恢復(fù)下降。在下降過程中，7月12日唐山古冶發(fā)生5.1級(jí)地震，地震發(fā)生后氫氣濃度迅速恢復(fù)，至7月20日已完全恢復(fù)至正常背景水平。

圖2 盤一井氫氣濃度變化(a)與青石嶺震群M-t序列變化(b)對(duì)比圖

3.2 干擾因素分析

筆者聯(lián)合儀器維修專家和臺(tái)站工作人員對(duì)氣相色譜儀進(jìn)行檢查，并在當(dāng)日再次進(jìn)行取樣以及標(biāo)準(zhǔn)樣品和天然樣品的測(cè)量。將測(cè)量計(jì)算結(jié)果與當(dāng)日觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示兩次結(jié)果相近，基本無差異變化，表明氣相色譜儀器工作正常。對(duì)氫氣采樣井口及測(cè)試流程進(jìn)行調(diào)查，井水流量也未發(fā)生改變，觀測(cè)人員的測(cè)試操作流程均符合觀測(cè)技術(shù)規(guī)范要求。筆者對(duì)附近地區(qū)地下水開采情況、鐵路等施工建設(shè)以及礦山開采等自然環(huán)境干擾因素開展調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)，在盤一井氫氣出現(xiàn)異常時(shí)段內(nèi)，測(cè)點(diǎn)周邊一定范圍并未出現(xiàn)可造成氫氣濃度異常的環(huán)境干擾現(xiàn)象。綜合以上對(duì)各方面進(jìn)行的測(cè)試調(diào)查結(jié)果，基本排除儀器、人為和自然環(huán)境干擾等因素造成本次氫氣的異常變化。

3.3 同井觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

盤一井具有流體測(cè)項(xiàng)豐富、觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)且受環(huán)境干擾影響小等特點(diǎn)。地下流體自觀測(cè)以來數(shù)據(jù)變化穩(wěn)定，且水氡、離子等多個(gè)測(cè)項(xiàng)在遼寧及鄰區(qū)的一些中強(qiáng)地震發(fā)生前均出現(xiàn)過顯著異常變化(王喜龍等，2016)。筆者將2020年盤一井氫氣濃度出現(xiàn)的高值異常變化，與該井其它流體測(cè)項(xiàng)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，該時(shí)段盤一井其他流體測(cè)項(xiàng)并未出現(xiàn)與之同步的異常變化。雖無配套的地下流體異常同步出現(xiàn)，但也間接表明氫氣測(cè)項(xiàng)較其它測(cè)項(xiàng)映震更為靈敏，這可能主要與氫氣本身地球化學(xué)性質(zhì)及異常成因機(jī)制有關(guān)。

4 討論與認(rèn)識(shí)

4.1 氫氣濃度異常成因分析

國內(nèi)外學(xué)者通過對(duì)氫氣觀測(cè)異常機(jī)制的研究，認(rèn)為氫氣濃度升高的機(jī)制主要存在3種觀點(diǎn)。第一種觀點(diǎn)認(rèn)為在成巖及地殼運(yùn)動(dòng)過程中，地殼深部上涌的地質(zhì)流體(氣體)被賦存于巖石孔隙、裂隙中。在地震孕育發(fā)展過程中，由于受到構(gòu)造應(yīng)力等作用，巖石產(chǎn)生新的裂隙并與舊裂隙連通，導(dǎo)致舊裂隙中賦存的地質(zhì)流體(氣體)因壓力減小而迅速遷移至地表，造成氫濃度升高(張培仁，王基華，1993)。第二種觀點(diǎn)認(rèn)為巖石破裂釋放氫氣。地下巖石因受到超聲振動(dòng)作用而產(chǎn)生微裂隙，微裂隙發(fā)育會(huì)釋放巖石中的封閉氫和吸附氫(McGee，1982，1983；馮瑋等，1985)。這一觀點(diǎn)已在實(shí)驗(yàn)室?guī)r石破裂實(shí)驗(yàn)中得到證實(shí)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明巖漿巖氫氣釋放程度較高，變質(zhì)巖氫氣釋放程度主要受母巖性質(zhì)控制，沉積巖中氫氣釋放較少，甚至幾乎沒有氫氣逸出(范樹全，高清武，1980；林元武，翟盛華，1994)。盤一井地處下遼河平原，沉積層較厚，可達(dá)千米以上，井孔圍巖主要以砂巖、泥巖等沉積巖為主，無巖漿巖與變質(zhì)巖。筆者對(duì)比氫氣濃度變化，認(rèn)為氫氣來自基巖巖石內(nèi)封閉氫和吸附氫的可能性較低。第三種觀點(diǎn)認(rèn)為水-巖反應(yīng)導(dǎo)致氫氣濃度升高。在地震孕育發(fā)生過程中，由于應(yīng)力增強(qiáng)，導(dǎo)致巖石破裂，產(chǎn)生大量的微裂隙和巖石新鮮破裂面，流入微裂隙的地下水與巖石新鮮破裂面發(fā)生作用產(chǎn)生氫氣，導(dǎo)致氫氣濃度升高，此種方式也被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)(Wakita，1980；范樹全，高清武，1980；Kita，1982；林元武，翟盛華，1994)。

基于以上3種氫氣濃度異常成因的分析可以發(fā)現(xiàn)，不論哪種成因，都是在地震孕育過程中，由于地下巖石受到應(yīng)力積累增強(qiáng)的作用，地下溫壓條件發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致氫氣的釋放，并滲透、擴(kuò)散至地表，出現(xiàn)氫氣濃度高值異常。前人進(jìn)行的水壓致裂實(shí)驗(yàn)也表明，氫的最大釋放是在巖石破裂卸載之后，破裂卸載一瞬間，氫因通道打開而迅速擴(kuò)散升高，造成氫氣高值異常(范樹全等，1993)。

基于上述對(duì)觀測(cè)儀器、測(cè)點(diǎn)、采樣測(cè)試過程及周邊環(huán)境調(diào)查的結(jié)果，基本可以排除觀測(cè)系統(tǒng)、人為及自然環(huán)境因素等對(duì)氫氣濃度升高造成的影響。結(jié)合氫氣自身地球化學(xué)性質(zhì)及異常產(chǎn)生機(jī)理則可認(rèn)為，此次氫氣濃度出現(xiàn)的高值變化可能是應(yīng)力應(yīng)變影響下的地震前兆信息。為驗(yàn)證這一推測(cè)，筆者從震例對(duì)比、地震活動(dòng)性和高頻信息異常分析等方面進(jìn)行了論證，并結(jié)合值評(píng)分方法對(duì)該測(cè)項(xiàng)進(jìn)行了預(yù)報(bào)效能檢驗(yàn)。

4.2 震例對(duì)比分析

盤一井氫氣自1995年開始觀測(cè)以來，雖然經(jīng)歷了SQ-206與GC-8600兩套氣相色儀器的更迭，觀測(cè)方式也由模擬改為了數(shù)字化，但觀測(cè)質(zhì)量一直相對(duì)較好。氫氣觀測(cè)曾在1999年11月29日岫巖5.4級(jí)地震前出現(xiàn)顯著異常變化。1995—2018年盤一井基本觀測(cè)不到氫氣，但1999年11月4日，即在岫巖5.4級(jí)地震發(fā)生前一個(gè)月，該測(cè)點(diǎn)氫氣濃度出現(xiàn)顯著短臨異常變化(圖3)。氫氣濃度在11月4—29日共出現(xiàn)3次變化：11月4—14日，氫氣濃度值較低且變化較為平穩(wěn)，在0～290 ppm波動(dòng)；11月15—26日氫氣濃度有一定幅度升高，在140～510 ppm波動(dòng)；11月27日，氫氣濃度開始出現(xiàn)顯著加速上升變化，至28日達(dá)最大值(1 800 ppm)，29日開始下降恢復(fù)，恢復(fù)過程中發(fā)生岫巖5.4級(jí)地震，震后再次不能觀測(cè)到氫氣測(cè)值。

圖3 1999年岫巖5.4級(jí)地震氫氣濃度日變化

將1999年岫巖5.4級(jí)地震前氫氣濃度變化與2020年古冶5.1級(jí)地震氫氣濃度值異常變化進(jìn)行對(duì)比分析(圖2a，3)，發(fā)現(xiàn)二者觀測(cè)曲線變化形態(tài)具有一定相似性，即均表現(xiàn)為高值波動(dòng)且伴隨上升變化，并在震前4天達(dá)到最高值，而后在下降恢復(fù)過程中發(fā)震，震后曲線恢復(fù)速度同樣非常迅速。但兩次地震異常持續(xù)時(shí)間存在一定差異，岫巖5.4級(jí)地震前，異常維持1個(gè)月，而古冶5.1級(jí)地震發(fā)生前，異常持續(xù)近2個(gè)月。將兩次氫氣濃度變化幅度進(jìn)行對(duì)比分析，岫巖地震前氫氣濃度變化范圍為0～1 800 ppm，而古冶5.1級(jí)地震前氫氣濃度變化范圍為0～67 ppm，二者最大值相差約27倍，變化幅度存在較大差異。

筆者認(rèn)為造成這兩種差異變化可能主要存在兩方面原因。一是兩套氣相色譜儀器觀測(cè)精度存在一定差異。兩次地震氫氣濃度異常被兩套不同的氫觀測(cè)儀記錄，雖然儀器均為氣相色譜儀，觀測(cè)原理也基本相同，但模擬與數(shù)字化觀測(cè)精度卻存在一定差異，可能會(huì)造成氫氣濃度變化幅度的差異。二是兩次地震發(fā)生前，盤一井測(cè)點(diǎn)受到的區(qū)域應(yīng)力差異不同。從震中距及構(gòu)造位置(圖4)進(jìn)行分析可以得出，1999年岫巖5.4級(jí)地震的發(fā)震斷裂為海城河隱伏斷裂，盤一井氫氣測(cè)點(diǎn)距震中僅118 km。海城河斷裂為一隱伏斷裂，在下遼河平原區(qū)雖然由于第四系覆蓋，地表上并未發(fā)現(xiàn)斷層錯(cuò)斷等地質(zhì)地貌特征，但結(jié)合歷史小震空間分布不難發(fā)現(xiàn)其有向NW向延伸至遼西地區(qū)的明顯特征。而盤一井測(cè)點(diǎn)恰位于海城河斷裂NW向延展帶上，說明海城河隱伏斷裂活動(dòng)對(duì)該測(cè)點(diǎn)作用效果明顯，岫巖5.4級(jí)地震發(fā)生前該測(cè)點(diǎn)水氡、離子及氣體等多測(cè)項(xiàng)出現(xiàn)同步性顯著異常變化可驗(yàn)證這一觀點(diǎn)。古冶5.1級(jí)地震發(fā)生在唐山老震區(qū)，距盤一井氫氣測(cè)點(diǎn)約340 km(圖4)，震中距較遠(yuǎn)，只存在大地構(gòu)造(郯廬斷裂帶)方面的影響。對(duì)比兩次地震可以發(fā)現(xiàn)，二者不論在構(gòu)造位置還是在震中距影響上，均存在一定差異性，因此可能導(dǎo)致盤一井測(cè)點(diǎn)在兩次地震前所受區(qū)域應(yīng)力大小存在一定差異影響，造成了氫氣濃度及變化形態(tài)的不同。

張培仁和王基華(1993)曾對(duì)1976—1991年首都圈地區(qū)發(fā)生的多次地震進(jìn)行總結(jié)，發(fā)現(xiàn)氫氣異常幅度與未來地震的強(qiáng)度之間無顯著對(duì)應(yīng)關(guān)系。氫氣異常強(qiáng)度大小主要可能與測(cè)點(diǎn)所處位置的構(gòu)造活動(dòng)及區(qū)域應(yīng)力強(qiáng)弱有關(guān)(林元武，翟盛華，1994；王博，周永勝，2017)。筆者對(duì)1999年岫巖5.4級(jí)地震發(fā)生前遼寧地區(qū)尤其是盤錦地區(qū)地下流體出現(xiàn)的異常進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在岫巖5.4級(jí)地震前，遼寧盤錦地區(qū)多個(gè)地下流體井出現(xiàn)與氫氣濃度高值變化同步的短臨異常變化，如盤一井水氡、盤一井Cl、盤錦興一井水位、盤錦高七井水位、水溫和榮二井水位等(佟占嶺等，2000；陳棋福等，2002；Zhou，2020)。而古冶5.1級(jí)地震前，盤錦地區(qū)除盤一井氫氣濃度出現(xiàn)異常變化外，其他地下流體測(cè)項(xiàng)未有異常同步出現(xiàn)，異常數(shù)量少，表明此次盤一井氫氣濃度出現(xiàn)的高值異常主要可能表現(xiàn)為受區(qū)域應(yīng)力的影響，具有場(chǎng)兆效應(yīng)，且應(yīng)力水平低于1999年岫巖5.4級(jí)地震前的應(yīng)力水平。

圖4 盤一井測(cè)點(diǎn)與兩次地震位置關(guān)系圖

4.3 地震活動(dòng)性分析

地震活動(dòng)可以有效直觀地反映出區(qū)域應(yīng)力的變化。為了驗(yàn)證盤一井氫氣出現(xiàn)的高值波動(dòng)變化與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力增強(qiáng)有關(guān)，筆者對(duì)遼南地區(qū)2018年以來一直在活動(dòng)的蓋州青石嶺震群進(jìn)行了分析(圖4，2b)。從圖2b可以看出，盤一井氫氣濃度變化與青石嶺震群小震起伏活動(dòng)存在較好對(duì)應(yīng)關(guān)系。自2018年以來，盤一井氫氣濃度每出現(xiàn)一次波動(dòng)變化，蓋州青石嶺地區(qū)均會(huì)出現(xiàn)一叢較為明顯的小震起伏活動(dòng)。尤其是2020年1月和4—7月以來，盤一井氫氣濃度波動(dòng)幅度較2018—2019年有較為明顯的增強(qiáng)變化，而青石嶺震群則在2019年11月出現(xiàn)比較密集、震級(jí)有所增強(qiáng)的3叢地震活動(dòng)，分別為2019年11月至2020年2月初、2020年3—4月、2020年5—9月。與盤一井在2020年5月開始出現(xiàn)的較為顯著的氫氣高值波動(dòng)變化相對(duì)比，青石嶺地區(qū)地震活動(dòng)不論頻次還是震級(jí)均較以往有明顯增強(qiáng)。2020年7月盤一井氫氣濃度逐漸恢復(fù)正常后，青石嶺震群小震活動(dòng)也有所減弱。青石嶺震群起伏活動(dòng)表明，2019年底至2020年遼南地區(qū)地震活動(dòng)有所增強(qiáng)，且地震活動(dòng)與盤一井氫氣濃度有較好對(duì)應(yīng)關(guān)系，表明氫氣濃度升高變化與遼南地區(qū)地震活動(dòng)增強(qiáng)存在一定因果聯(lián)系。

4.4 臨界慢化高頻異常分析

臨界慢化是指動(dòng)力系統(tǒng)由一種相態(tài)向另一種相態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變之前，系統(tǒng)在趨近于臨界點(diǎn)過程中，會(huì)出現(xiàn)有利于新相形成的分散漲落現(xiàn)象，這種分散漲落可表現(xiàn)為幅度增大、持續(xù)時(shí)間拉長(zhǎng)、擾動(dòng)恢復(fù)速率變慢及回復(fù)到舊相能力變小等現(xiàn)象，而這種現(xiàn)象便被稱為臨界慢化現(xiàn)象(于淥，郝柏林，1984；晏銳等，2011)。該方法基于巖石加載破裂實(shí)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)得來(張浪平等，2010)。近年來，該方法在地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)分析領(lǐng)域得到應(yīng)用，主要用來提取地球物理觀測(cè)數(shù)據(jù)中潛在的前兆高頻異常信息，對(duì)探索震前異常機(jī)理、判定異常所處階段及提高地震預(yù)測(cè)水平具有一定的意義，該方法已在一些地震分析總結(jié)研究中得到證實(shí)(晏銳等，2011；高麗娟等，2013；王熠熙等，2018；蘇小蕓等，2020)。筆者在對(duì)盤錦臺(tái)氫氣的現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)過程中，由于未發(fā)現(xiàn)環(huán)境干擾及觀測(cè)儀器問題，因此應(yīng)用臨界慢化方法對(duì)盤錦臺(tái)氫氣觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行高頻異常分析，具體計(jì)算分析方法參見晏銳等(2011)的研究。

筆者應(yīng)用該方法分別計(jì)算了盤一井氫氣的高頻信息，能夠表征臨界慢化現(xiàn)象的自相關(guān)系數(shù)和方差。從圖5可以看出，對(duì)盤一井氫氣原始數(shù)據(jù)進(jìn)行去趨勢(shì)提取的高頻信息顯示，2020年5月氫氣高頻信息開始出現(xiàn)同步高值波動(dòng)變化，于7月12日古冶51級(jí)地震發(fā)生后恢復(fù)。高頻信息與氫氣濃度原始數(shù)據(jù)具有高度同步變化特征。自相關(guān)系數(shù)和方差兩個(gè)參數(shù)數(shù)據(jù)變化特征顯示：方差在2020年4月開始出現(xiàn)顯著升高異常變化，至2020年7月初達(dá)最大值，高出正常背景值近4倍；自相關(guān)系數(shù)在2020年3月開始出現(xiàn)上升趨勢(shì)變化，于古冶5.1級(jí)地震發(fā)生后繼續(xù)持續(xù)上升，同年9月達(dá)最高值后恢復(fù)下降。盤一井氫氣濃度、高頻信息、方差與自相關(guān)系數(shù)均顯示出，在古冶5.1級(jí)地震發(fā)生前出現(xiàn)了顯著異常高值變化，且高值起始時(shí)間具有同步性變化特征。前人基于臨界慢化方法對(duì)汶川8.0級(jí)地震前南北地震帶水氡觀測(cè)資料(晏銳等，2011)、2011年新疆2次6級(jí)以上地震前新疆地區(qū)形變和流體資料(高麗娟等，2013)和2013年岷縣—漳縣6.6級(jí)地震甘東南地區(qū)水氡觀測(cè)資料做了大量研究(蘇小蕓等，2020)，認(rèn)為應(yīng)用該方法提取的高頻異常可以有效指示地震活動(dòng)及區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力變化。筆者應(yīng)用臨界慢化方法提取盤一井氫氣的高頻信息異常并分析認(rèn)為，2020年盤一井氫氣出現(xiàn)的高值變化與區(qū)域地震活動(dòng)及構(gòu)造應(yīng)力增強(qiáng)存在一定因果聯(lián)系。

圖5 古冶5.1級(jí)地震前盤一井氫氣臨界慢化現(xiàn)象曲線

4.5 預(yù)報(bào)效能分析

在地震行業(yè)預(yù)報(bào)效能評(píng)價(jià)中，最常見的地震預(yù)報(bào)效能評(píng)估方法包括值評(píng)分方法、Molchan圖表法和權(quán)重集成方法等(焦明若等，2016；向陽等，2018b；王喜龍等，2018，2020；崔博文等，2021；鐘駿等，2021)。其中值評(píng)分方法是一種比較直觀易懂的效能檢驗(yàn)研究方法，在地震研究領(lǐng)域得到最為廣泛的應(yīng)用。筆者結(jié)合遼寧及周邊地區(qū)已發(fā)生的中強(qiáng)地震，對(duì)盤一井氫氣預(yù)報(bào)效能進(jìn)行檢驗(yàn)。

值評(píng)分方法由許紹燮(1989)提出，用來對(duì)各地震監(jiān)測(cè)測(cè)項(xiàng)預(yù)報(bào)效能進(jìn)行檢驗(yàn)，并取得了較好的研究成果(李瓊等，2017；湯蘭榮等，2017；陳夢(mèng)，楊龍翔，2020)。值評(píng)分基本原理為有震報(bào)準(zhǔn)率與預(yù)報(bào)占時(shí)率之差，可表示為：

=-

(1)

式中：為地震報(bào)準(zhǔn)率；為預(yù)報(bào)時(shí)間占有率。

將計(jì)算所得的值與具有975置信水平的最低值()進(jìn)行比較(值大小與報(bào)對(duì)地震數(shù)量、漏報(bào)地震數(shù)量有關(guān))，若>0且≥，則表示通過效能檢驗(yàn)，值越大且-越大，則說明預(yù)報(bào)效能越好。

本文在使用值檢驗(yàn)方法對(duì)盤一井氫氣進(jìn)行預(yù)報(bào)效能評(píng)估過程中，選取時(shí)間范圍為自氫氣觀測(cè)以來，空間上選取距測(cè)點(diǎn)200 km范圍內(nèi)或存在構(gòu)造關(guān)系的≥5.0地震進(jìn)行研究，共選取4個(gè)地震(表1)?；谙嚓P(guān)文獻(xiàn)資料統(tǒng)計(jì)了自1995年以來盤一井氫氣濃度出現(xiàn)的異常次數(shù)、異常持續(xù)時(shí)間及對(duì)應(yīng)震例情況，具體見表2。

表1 1995年以來研究區(qū)M≥5.0地震

表2 盤一井氫氣濃度異常時(shí)間及對(duì)應(yīng)震例統(tǒng)計(jì)

基于式(1)得出，盤一井氫氣濃度異常優(yōu)勢(shì)預(yù)測(cè)時(shí)長(zhǎng)為80～110 d，在已發(fā)生的4次地震中，報(bào)準(zhǔn)地震2次，漏報(bào)地震2次，虛報(bào)地震0次。預(yù)測(cè)效能值為0.48、值為0.43、≥，通過效能檢驗(yàn)，表明盤一井氫氣具有較好的短臨預(yù)報(bào)效能(圖6)。

圖6 盤一井氫氣R值檢驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

本文通過對(duì)盤一井氫氣濃度異常特征進(jìn)行分析，在排除外界干擾基礎(chǔ)上，結(jié)合震例對(duì)比、氫氣異常成因機(jī)制、地震活動(dòng)性及臨界慢化高頻異常識(shí)別等方面進(jìn)行分析，并結(jié)合值評(píng)分方法對(duì)盤一井氫氣進(jìn)行預(yù)報(bào)效能檢驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

(1)2020年盤一井氫氣濃度出現(xiàn)的高值波動(dòng)及升高變化與2019年下旬以來遼南及環(huán)渤海地區(qū)地震活動(dòng)增強(qiáng)存在因果聯(lián)系。構(gòu)造活動(dòng)增強(qiáng)導(dǎo)致盤一井氫氣在應(yīng)力加載作用下出現(xiàn)高值異常變化，此次高值變化對(duì)應(yīng)了唐山古冶5.1級(jí)地震。

(2)臨界慢化方法計(jì)算得到的高頻信息、方差與自相關(guān)系數(shù)均出現(xiàn)了明顯的同步高值異常變化特征，其中變化尤為顯著。唐山古冶5.1級(jí)地震發(fā)生后，異常逐漸恢復(fù)。分析結(jié)果顯示由于區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力增強(qiáng)，導(dǎo)致地下巖石產(chǎn)出大量微裂隙，水巖反應(yīng)及深部氫物質(zhì)上涌釋放造成盤一井氫氣濃度出現(xiàn)高值異常。

(3)盤一井氫氣值為048，值為043，≥，通過效能檢驗(yàn)，預(yù)測(cè)優(yōu)勢(shì)時(shí)長(zhǎng)為80～110 d，表明盤一井氫氣具有較好的映震效果，對(duì)短臨預(yù)報(bào)具有較好指示意義，但對(duì)地點(diǎn)指示意義并不明顯。

在資料收集及論文寫作過程中得到了盤錦地震臺(tái)有關(guān)人員的大力協(xié)助，兩位審稿專家對(duì)本文提出了寶貴的意見與建議，在此一并表示感謝！