2021, Vol. 41
2. 中国地震局地壳应力研究所，北京市安宁庄路1号，100085;
3. 新疆工程学院数理学院，乌鲁木齐市艾丁湖路1350号，830023
地球内部气体及其挥发组分会不断沿着活动板块、板内块体边界以及活动断裂等地壳薄弱地带向地球表层迁移和释放。H2密度小、粘滞性小、穿透力强、溶解度小、迁移速度快[1]。自20世纪80年代Wakita等[2]发现H2浓度与断层活动具有相关性后，断层H2开始被作为地震前兆进行观测与研究。研究表明，断层H2浓度在一些地震前会存在大幅变化，可用来指示地震活动[3]。断层H2作为地震前兆异常的特点为震前浓度变化幅度2浓度值具有异常显著及短临异常的特性[4]。研究发现，断层H2浓度受到气象因素影响时会具有年变或突变特征[5-6]。
新疆阿克苏断层H2浓度自观测以来已积累6 a的数据资料。向阳等[7]对库尔勒断层H2浓度的影响因素及其地震预测的潜在效能进行了评价，但至今未有针对阿克苏断层H2浓度动态变化及其影响因素的系统研究。本文将基于气温、气压及断层H2浓度观测数据，利用回归分析方法对阿克苏断层H2浓度的动态变化及影响因素进行深入分析，并结合周边地震活动情况，运用R值评分方法对该测点断层H2浓度进行预测效能定量评估与检验，提取地震预测指标，以期为今后该测点周边地区的震情跟踪及地震趋势判定提供依据。
1 观测点概况阿克苏断层H2观测点(41.10°N, 80.18°E)位于阿克苏断层仪观测室内，室内平均温度为10 ℃~18 ℃，湿度为50%。观测点构造上处于库车凹陷与阿瓦提断陷的分界地带，西侧为柯坪隆起。区内主要断裂为柯坪断裂，该断裂为全新世活动断裂(图 1)。断层H2观测仪为ATG-6118H痕量H2在线自动分析仪，该仪器自带温度、气压传感器，可同时获取断层H2浓度、温度和气压数据。
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图 1 阿克苏断层H2观测点区域构造图及地震震中分布 Fig. 1 Regional structure of Aksu fault H2 observation point and distribution of earthquake epicenters |
阿克苏断层H2观测始于2013-11-09，观测数据资料连续稳定(图 2(a))，2017-12-28首次对断层H2观测仪进行标定(图 2(b))。图 2(a)为2013-11~2020-03阿克苏断层H2浓度与气温、气压变化图，由图可见，断层H2浓度年尺度动态特征整体呈现夏高冬低特点，且断层H2浓度与气压呈负相关，与气温呈正相关；由图 2(c)、2(d)可见，断层H2浓度日尺度动态特征表现为与气压呈反向变化。
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图 2 阿克苏断层H2浓度与气温、气压变化曲线 Fig. 2 Variation curve of fault H2 concentration, air temperature and air pressure in Aksu |
为探究断层H2浓度与气象要素之间的关系，选取2013~2020年阿克苏断层H2浓度及气象数据，以气温和气压为自变量，断层H2浓度为因变量，选用R语言编写程序代码，绘制气温、气压与断层H2浓度散点图(图 3)，计算气温、气压与断层H2浓度之间的相关系数(表 1)，判断气象因素与断层H2浓度之间的相关方向与强度，在此基础上选取合适的回归模型进行回归分析，得到气温与断层H2浓度之间的回归方程以及相应的残差序列。
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图 3 阿克苏断层H2浓度与气温、气压散点图 Fig. 3 Scatter diagram of fault H2 concentration, air temperature and air pressure in Aksu |
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表 1 阿克苏断层H2浓度与气温、气压相关系数及回归分析结果 Tab. 1 Correlation coefficient and regression analysis results of fault H2 concentration and air temperature, air pressure in Aksu |
将2013-11~2020-03作为一个整体时间序列，散点图显示阿克苏断层H2浓度和气温呈现正相关关系，相关系数r=0.517 285 4(图 3(a)、表 1)；而断层H2浓度与气压无相关性，相关系数r=-0.199 239 9(图 3(d)、表 1)。以断层H2浓度动态变化的拐点作为分界点对H2浓度及相应时间序列的气温、气压进行分段相关性分析，采用相应的数学模型计算得到残差序列。结果表明，在绝大多数时间段内，断层H2浓度与气温呈现较好正相关关系，相关系数r在0.759 115 6~0.962 570 4之间(图 3(b)、3(c)、表 1)；断层H2浓度与气压呈现出一定负相关性，相关系数r在-0.216 245 3~-0.642 441 5之间(图 3(e)、3(f)、表 1)。
土壤温度相对于气温具有滞后效应[8]。阿克苏观测点仅有气温观测而无地温观测，因此分析断层H2浓度与温度的相关性只能考虑观测资料受气温因素影响的滞后效应。以半年为尺度进行分析可以看出，当阿克苏断层H2浓度滞后气温天数为15 d时，断层H2浓度与气温相关系数达到最高值(图 4)。
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图 4 阿克苏断层H2浓度滞后时间与相关系数的关系 Fig. 4 The relationship between lag time of fault H2 concentration and correlation coefficient in Aksu |
以上分析结果表明，在半年时间尺度内，阿克苏断层H2浓度的主要影响因素为气温，断层H2浓度随气温的升高而增大，且气温对阿克苏断层H2浓度的影响存在15 d的滞后效应；而断层H2浓度与气压相关性较差。该结论与前人研究结果基本一致[5]。本文在回归分析时仅选择气温为自变量，分段回归的可决系数R2在0.576 2~0.926 5之间，相比整体时间序列回归的可决系数R2=0.267 6，分段回归的回归方程拟合效果较好。
3 映震效能分析地震的孕育和发生会伴随地下应力或应变改变，从而引起地壳形变、断层活动增强、地下气体浓度发生变化[9]。阿克苏断层H2研究已积累一定的数据和震例资料，系统分析现有观测资料，提取预测指标信息，对前兆观测及分析预测具有现实指导意义。
阿克苏断层H2浓度受气温影响较大，通过分段回归分析认为，残差序列可反映剔除气温影响后断层H2浓度的动态变化。因此本文将通过对比断层H2浓度原始曲线和残差序列，结合周边震例，并通过R值评分方法对阿克苏断层H2的映震效能进行检验与分析。选取2013-11-09~2020-03-23时段76°~84°E、38°~43°N范围内，震中距小于300 km的9次5.0~6.3级境内地震进行分析。
3.1 典型震例2013-11~2020-03阿克苏断层H2浓度可反映6次典型震例(图 5)，分别为2013-12-01柯坪5.3级地震(震中距138 km)、2014-07-09麦盖提5.1级地震(震中距258 km)、2017-09-16库车5.7级地震(震中距292 km)、2018-11-04阿图什5.1级地震(震中距238 km)、2019-10-27乌什5.0级地震(震中距113 km)、2020-01-16库车5.6级地震(震中距287 km)。
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图 5 阿克苏断层H2浓度整点值原始曲线与残差序列及柯坪与库车地震震例 Fig. 5 Original curve and residual series of hourly value of fault H2 concentration in Aksu and the example of Keping earthquake and Kuqa earthquake |
从阿克苏断层H2浓度测值曲线形态可以看出，在震前存在两类高值异常形态：1)测值在震前短时间内快速上升，随后出现较快下降并恢复正常，如2013年柯坪5.3级地震(图 5(a)、5(c))和2017年库车5.7级地震(图 5(a)、5(d))；2)断层H2浓度测值持续波动上升，在浓度达到最高值后波动下降，并在测值下降恢复过程中发震，如2014年麦盖提5.1级地震和2018年阿图什5.1级地震(图 5(a))。
从时间上看，阿克苏断层H2浓度高值变化对发震时间指示可分为两类：1)地震在H2浓度测值快速升高之后几天至十几天内发生，表现为临震异常；2)地震在断层H2浓度测值持续上升至最高值之后发生，高值通常可达(3.049 0~5.475 1)×10-6。但此类高值异常变化往往持续时间较长，最长可达185 d(表 2)，且浓度最高值所对应的时间无法确定，所以依据断层H2浓度原始曲线判定发震时间较为困难。
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表 2 阿克苏断层H2浓度原始曲线与残差序列的高值变化及震例 Tab. 2 High-value variation of the original curve and residual series of fault H2 concentration in Aksu and earthquake examples |
将断层H2浓度测值残差序列超过2倍标准差定为异常指标，通过梳理2013-11~2020-03断层H2浓度测值残差序列发现，断层H2浓度残差序列显示出超标准差高值持续时间短的异常特征，超差幅度为0.069~1.681，异常持续时间为1~33 d，地震发生在出现超标准差1~157 d。由于异常的起止时间相对短且较明确，因此能较好地把握发震的时间尺度(表 2、图 5(b))。由此可知，回归分析可基本消除断层H2浓度随气温上升而增大的影响，有助于判定异常起止时间。
从空间上看，在阿克苏断层H2浓度观测点周边300 km范围内，5级以上地震较多分布在测点西南方向的乌什-伽师地区，少数分布在东部拜城-库车地区(图 1)。
3.2 R值评分方法检验R值评分方法由许绍燮[10]院士提出，可通过某种预报方法在较长的时间段内，对一定范围内一定震级下限的地震进行若干次地震预报检验，从而评价其整体预报效能。
为检验阿克苏断层H2浓度的映震效能，本文利用R值评分方法对发生在观测点周围300 km范围内9次5.0 ~ 6.3级地震进行检验。通过对比分析断层H2浓度原始曲线与残差序列可知，以断层H2浓度测值残差序列超过2倍标准差为异常指标，高值开始后60 d内发生地震视为合理预报，预报占时以d为单位，为所有对应地震的异常出现至发震时长之和，预报研究时间为2013-11-09~2020-03-23。基于上述标准可认为，2013-12-01柯坪MS5.3地震、2014-07-09麦盖提MS5.1地震、2017-09-16库车MS5.7地震、2018-11-04阿图什MS5.1地震、2019-10-27乌什MS5.0地震以及2020-01-16库车MS5.6地震预报合理。
根据上述判定条件，阿克苏断层H2浓度对于周边300 km范围内5级以上地震的R值为：(报对地震次数/应报对地震总次数)-(预报占用时间/预报研究总时间)=(6/9)-(138/232 6)≈0.607 3，5级地震R值为：(6/8)-(138/232 6)=0.690 7，地震发生的平均对应时间为23 d，优势对应空间为南天山西段，表明其对5级地震的预测效果较好。
4 结语1) 阿克苏断层H2浓度具有一定的年周期特征，相关性分析结果显示，断层H2浓度与气温具有较好相关性，断层H2浓度的年变周期主要受控于气温的年变规律，而短时间高值突变可能与地震活动等因素有关。
2) 回归残差曲线与震例分析结果表明，回归分析能够在一定程度上剔除气象因素的影响，有助于识别地震前兆异常。
3) 通过R值评分方法检验可知，阿克苏断层H2浓度的变化对发生在距观测点300 km范围内的5级地震反应较为灵敏，映震效能较好。
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2. Institute of Crustal Dynamics, CEA, 1 Anningzhuang Road, Beijing 100085, China;
3. College of Mathematics and Physics, Xinjiang Institute of Engineering, 1350 Aidinghu Road, Urumqi 830023, China