0 引言

通常，汞会在空气、水体、土壤及岩石圈等各种环境中存在，汞在地下水中的存在形式主要有无机离子汞、有机结合汞和元素单质汞。汞在地下水中的本底浓度普遍较低，而且在不同水体中的本底浓度区别较大。研究发现，由于地震导致板块断裂、岩石开裂，所处介质的温度和压力均发生变化，汞蒸汽在强压、高温梯度作用下，沿断裂带、岩石裂缝和孔隙等从地球深部向地表迁移，在迁移过程中遇到不同介质形成汞的各种形态，即气汞和水汞(王玉兰，1995)，其中一部分进入地下水，或从围岩裂隙以气态形式散发到地表，使地下水及近地表土壤气汞含量异常。

研究还发现：水汞浓度异常主要出现在地震发生前，表现为含量大幅度升高；气汞部分异常持续至地震发生，甚至震后仍持续一段时间。汞异常一般以高值突跳为主(范雪芳等，2009；马建英等，2008)，也存在测值减小的负异常，例如：2002年沙城M_L 4.4地震前，怀4井水汞出现下降(张常慧等，2008)；2008年汶川M_S 8.0地震及其余震前，周至气汞均出现明显下降过程(赵小茂等，2010)。通过断裂带中汞含量的测量(水汞和气汞)，可了解地热动力活动、地壳应力应变等地壳活动信息，获取地震地球物理异常，为地震预报提供判据。

广东省汕头市位于东南沿海地区粤闽交界处，地处东南沿海地震带东带——泉汕地震带，是全国地震重点监视防御区之一。由于距台湾海峡和台湾岛较近，汕头市多次受到该地区地震影响，震感强烈，特别是1994年台湾海峡M_S 7.2地震，造成汕头市部分建筑物损坏和较大财产损失。此次地震后，汕头市地震局建设地震前兆观测站，开展地下流体观测，以期在本地和周边以及台湾地震前捕捉到异常信息。本文选取2020年5月1日至2022年12月31日汕头气汞测值(仪器运行正常、观测无间断，周边未发现人为干扰源)，系统研究台湾M_S≥5.5地震前后汕头气汞异常特征。

1 观测背景

汕头市地震局地震前兆观测站(下文简称汕头站)位于东亚新华夏系构造带第二复式隆起带东南侧与南岭EW向构造带SE段交会地带，在区域性地质构造上属NE向樟林—汕头断裂带SE侧边缘派生断裂，观测井深150 m，采用钢管、水泥封闭止水隔离。观测井地下水上部为松散沉积物孔隙水，下部为岩浆岩裂隙水，属常温构造节理裂隙承压水，其宏观动态呈降水补给迳流型—低温稳定型形态。观测井水温常年25.6 ℃左右，气汞本底值平时在0.01 ng/L以下，震前最大测值可达1.016 ng/L。

作为全国首批开展地下流体数字化观测的4个台站之一，汕头站于1996年3月开始进行地下流体观测，包括水位、水温、气氡和气汞4个主测项及气象三要素3个辅助测项。通过对各测项正常动态和短临异常信息的分析，认为该观测系统各测项能够有效反映某些中等地震前兆(和中强以上地震)的短临异常信息(林怀威，1998；万永芳，2000)。该数字化观测系统历经2001年和2014年2次升级改造，仪器设备测量精度更高，稳定性更好，映震能力也有所提升。特别是气汞测项，升级后采用RG-BQZ测汞仪进行观测，平时本底较低，但在本地小震或台湾中强以上地震前均出现明显的脉冲式突跳(张惠霞等，2002)。

2 显著地震前后汕头气汞测值异常表现

据中国地震台网测定，2020年5月—2022年12月，台湾地区共发生M_S≥5.5地震19次，其中花莲地区11次、台东地区4次、宜兰地区4次，震中距汕头站约460—580 km，最大地震为2022年9月18日花莲县海域M_S 6.9地震，统计结果见表 1(2组震群的7次地震发生地域以花莲—台东进行统计)。由震中分布可知，以上地震均发生在121°E以东(图 1)。

以2020年5月—2022年12月台湾地区19次地震、2018年台湾海峡M_S 6.2地震以及1999—2003年台湾7级以上地震为例，分析汕头气汞异常特征。

2.1 台湾及附近海域M_S≥5.5地震前后汕头气汞异常特征

汕头气汞测值(整点值、日均值)曲线见图 2，19次台湾M_S≥5.5地震在图中予以标注，可见地震前后，汕头气汞测值均出现不同程度的大幅突跳，峰背比最高达10—50。

2.1.1 地震前后汕头气汞远场异常特征

据统计，研究时段内，台湾及附近海域19次M_S≥5.5地震集中分布在花莲、台东和宜兰地区，各地区地震发生前后汕头气汞整点值异常形态各不相同，相同地区异常形态具有较好的重复性，具体异常特征见表 1。

(1) 花莲地震前后汕头气汞整点值异常(图 3)。由表 1可知：一般，地震发生前1—20天，汕头气汞测值异常结束；突跳幅度和持续时间不同，但多数突跳以大幅度脉冲开始，峰背比达10—50；在11次花莲地震中，8次地震在持续突跳结束后约1—11天发生(图 3)，多数震后测值平稳，个别震后小幅突跳仍持续1—2天，3次地震(与台东地震相继发生，组成2组花莲—台东震群)震前持续突跳，震后较大突跳持续一段时间后恢复本底。

(2) 宜兰地震前后汕头气汞整点值异常(图 4)。由图 4可知，在4次宜兰地震中，2021年10月24日宜兰M_S 6.3地震于测值异常结束后1个月发生，其他3次5.5—5.8级地震均在持续突跳未结束即发震，突跳持续时间为24—43天。

(3) 花莲—台东震群前后汕头气汞整点值异常(图 5)。由图 5可知：2组花莲—台东震群(2022年3月23日—24日震群，含1次花莲地震和2次台东地震；2022年9月17日—19日震群，含2次花莲地震和2次台东地震)前，汕头气汞测值均持续突跳，且在震后出现更大幅度突跳或持续突跳，突跳持续约10—44天。

2.1.2 汕头气汞日均值对台湾M_S≥5.5地震的预测效能检验

采用许绍燮(1989)提出的R值评估方法，检验汕头气汞对2020年5月至2022年12月台湾地区M_S≥5.5地震的预测效能。公式如下

$R=\frac{\text { 报对地震次数 }}{\text { 应预报地震总次数 }}-\frac{\text { 预报占用时间 }}{\text { 预报研究总时间 }} $

(1)

在研究时段，台湾地区共发生19次M_S≥5.5地震(表 1)，若气汞异常阈值取0.066 ng/L和0.067 ng/L，当预报时间分别为5—9天时，报对地震数均为11次，漏报8次，R值分别为0.34、0.32、0.30、0.28、0.26，具有97.5%置信水平的R₀ = 0.25，显然R ＞R₀，均能通过统计检验，其中预测时间为5天时，预测效能最佳。若气汞异常阈值取为0.068 ng/L，当预报时间分别为5—9天时，R值分别为0.30、0.33、0.31、0.29、0.27，R₀值分别为0.24、0.25、0.25、0.25、0.25，可见R ＞R₀，均可通过预测效能检验，其中预测时间为6天时，预测效能最佳(表 2)。可见，汕头气汞日均值对台湾5.5级以上地震的短临预测具有稳定性，预测效能较好。

2.2 2018年11月26日台湾海峡M_S 6.2地震前后汕头气汞异常特征

2000年以来，截至投稿，台湾海峡仅发生1次6级以上地震，为2018年11月26日M_S 6.2地震。此次地震发生前，汕头气汞仪器运行正常，2018年4月中旬至10月22日，该测项呈高值异常(2段缺数，由数采故障无法接收数据所致，9月19日更换CF卡及其配件后正常收数)，后测值恢复至正常水平，35天后，于2018年11月26日发生M_S 6.2地震。与台湾地区(距汕头站约500 km)M_S≥5.5地震前异常相比，台湾海峡(距汕头站约200 km)M_S 6.2地震前异常幅度更大，异常持续时间更长(图 7)。

2.3 台湾M_S≥7地震前后汕头气汞异常特征

1999—2003年，台湾地区共发生M_S≥7地震5次，分别为1999年9月21日台湾南投M_S 7.6、M_S 7.0和9月26日南投M_S 7.1、2002年3月31日宜兰以东海域M_S 7.5和2003年12月10日台东近海M_S 7.0地震。在此期间，汕头气汞日均值曲线出现2次显著下降异常，分别为1999年1—9月和2003年1—12月，2次异常结束后分别发生台湾南投M_S 7.6(M_S 7.0、M_S 7.1)和台东近海M_S 7.0地震，而在2002年宜兰海域M_S 7.5地震前，汕头气汞下降异常不明显(图 7)。

3 讨论

台湾及其附近海域距汕头达到580 km(360—580 km)，而该区发生M_S≥5.5地震前，汕头气汞测值均出现明显变化。据刘特培等(2023)的研究，中生代以来，南海海盆多期扩张和冲绳海槽扩张影响以及后期太平洋、印度洋、欧亚板块的碰撞、挤压等作用，造成台湾海峡附近闽东、粤北、粤东陆域等区域断裂发育，形成不同时期、不同方向及不同规模断裂构造交叉的复杂格局。闻学泽等(2003)根据历史强震及其破裂区空间分布特点，确定了台湾动力触角显著的作用区域，主要包含台湾岛及以东近海—台湾海峡—闽粤交界附近所围成的三角区域，花莲以东附近区域被称为“台湾动力触角”(图 8)。田优平等(2020)研究认为，动力触角的作用实际已经延伸至粤赣湘交界附近。在台湾动力触角显著作用区域内断裂发育，构造交叉，互相影响。台湾地区及其附近海域动力发生急剧改变，粤闽交界及近海(尤其是汕头)等动力触角显著作用区域内地壳中某些成分(如气汞)含量出现明显变化就不足为奇了。

4 初步认识

通过对2020年5月至2022年12月台湾及其附近海域19次M_S≥5.5地震前后汕头气汞测值变化的分析，对台湾不同地区发震前后汕头气汞远场异常特征得出以下认识：

(1) 汕头站观测井地下水埋藏较深，气汞测值受自然因素和人为干扰的直接影响较小，其观测曲线正常动态较稳定，背景值低且平稳，异常变化均表现为测值偏高或大幅度突跳、连续突跳现象。

(2) 震前汞异常变化幅度较大，突跳值往往为正常值的几倍、几十倍甚至几百倍，显示出较高峰背比特点，且均为正异常。

(3) 研究时段内，台湾地区M_S≥5.5地震主要发生在花莲、宜兰和台东及其附近海域，震中距汕头站约460—580 km，不同地区地震前汕头站气汞异常形态不同，且具有一定重复性：①台湾花莲地震一般震前出现持续大幅脉冲式突跳，震前1—30天测值恢复正常水平，个别震后有零星突跳；②台东和宜兰地震一般是突跳持续一定时间后发震，震后持续突跳一定时间后恢复本底值变化；③2组花莲—台东震群震前气汞测值持续突跳，震后突跳仍持续一定时间。

(4) 研究时段内，取气汞异常阈值取0.066，预报时间为5—9天时，结果R＞R₀，能够通过统计检验，表明该测项对台湾地区M_S≥5.5地震具有短临预测意义。

(5) 1999—2003年，台湾地区发生5次M_S≥7.0地震，汕头气汞在其中4次地震前表现为震前持续近10个月的低值异常，临震几天出现高值异常。

在本文撰写过程中，广东省地震局刘特培教授提出完善意见和建议，在此表示感谢。