劉磊，　馬玉虎，　祁昌煒，　王佳音

( 1.青海省地震局， 青海 西寧 810000； 2.青海省地質(zhì)調(diào)查局， 青海 西寧 810000 )

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氣象三要素與氡值濃度變化的相關性分析

劉磊1，馬玉虎1，祁昌煒2，王佳音2

( 1.青海省地震局， 青海 西寧 810000； 2.青海省地質(zhì)調(diào)查局， 青海 西寧 810000 )

摘要：以青海省湟源溶解氣氡和樂都逸出氣氡為研究對象，在剔除干擾(儀器故障、人為因素)的前提下，利用氡值和氣象三要素的對比觀測值，通過運用SPSS、Mapsis等相關軟件，分析并計算了氣象三要素與氡值濃度的相關系數(shù)，結果顯示：氣溫、氣壓對氡值濃度變化都具有一定的影響，但氣溫與氡值濃度的相關系數(shù)值較氣壓與氡值濃度的相關系數(shù)值更高.降雨量與氡值濃度的相關系數(shù)很小，這是由于雨量分布及記錄原因造成，但在每年雨季降雨量明顯尤其是暴雨季節(jié)，降雨量對氡值濃度會有一定影響，造成數(shù)據(jù)突跳.對應震例的分析結果表明，若所關注時間段內(nèi)氣象三要素與氡值濃度變化的相關性顯著，則這種情況下的突跳變化屬于地震前兆異常的可能性不大，不具備預報地震的效能. 氣象三要素； 氡值； 相關分析 P315.75

文獻標識碼：A

0引言

前兆資料記錄到的信息包含了大量的非地震信息，氡值濃度觀測也不例外.地下流體中的水(氣)氡一般會受到氣象三要素和水點流量等因素的干擾.很多地震學者對于氣象三要素對氡值濃度測量的影響進行了研究，例如：杜建國等[1]研究了寶山斷裂逸出氡濃度測值變化的干擾因素，認為土壤濕度和大氣溫度是控制斷裂逸出氡濃度年變化的主要影響因素；王博等[2]分析了嘉峪關氣氡濃度測值變化的主要干擾因素，認為大氣溫度是控制嘉峪關氣氡濃度年變化的主要因素；朱自強等[3]分析了八寶山斷層氣氡濃度與降雨的關系，發(fā)現(xiàn)降雨后氣氡濃度會降低.為了有效獲取構造活動引起的地下流體變化的信息，必須要對觀測數(shù)據(jù)的動態(tài)變化進行分析，排除干擾成分，才能確保觀測資料準確可信，以期從中提取與地震孕育、發(fā)生過程有關系的異常信息.青海地區(qū)擁有較豐富的水化觀測資料，但還未對氡值濃度觀測資料進行過系統(tǒng)的分析計算，且當前地震預報研究正處在由經(jīng)驗性預報逐步向由物理基礎的概率性預報的過渡階段；因此，對各種觀測數(shù)據(jù)的處理工作具有重要意義.

本文選用湟源溶解氣氡和樂都逸出氣氡作為研究對象，通過運用SPSS、Mapsis等相關軟件，計算各變量間相關系數(shù)，定量研究氣象三要素與氡值濃度短期變化之間的相關性，分析氣象三要素對氡值濃度變化的影響.

1臺站及資料選取

1.1　湟源溶解氣氡

湟源地震臺溶解氣氡觀測項目于1982年5月架設并投入觀測，儀器型號為FD -105K.1997年11月儀器改造升級為FD -125室內(nèi)氡釷分析儀.湟源溶解氣氡在1990年共和7.0級地震前出現(xiàn)該臺觀測資料中罕見的長時間趨勢性異常，對1986年門源6.4級地震、1994年共和6.0級和5.8級余震也有異常反應.

湟源地震臺地處青藏高原東部，日月山斷裂帶和拉脊山斷裂帶的交匯復合處北緣地段(圖1)，臺基屬加里東期侵入巖、片麻狀黑云母花崗巖，巖體完整性好.該地區(qū)屬于大陸性氣候，日照時間長，太陽輻射度高，氣溫日差較大，年差較小，冷凍期長，無霜期短.觀測泉點位置位于湟源縣波航鄉(xiāng)泉灣村，距臺站觀測室西北2 km處.地質(zhì)構造西為日月山構造帶，南北分別為拉脊山、達阪山構造帶，該泉初步斷定屬斷裂上升泉，斷裂巖性為片麻巖，含水層為礫石濾層.觀測泉點水溫為8 ℃，含氧量為73 Bq/L，流量為1 L/s[4].觀測背景主要受自然氣象因素影響.

圖1　湟源地震臺附近斷裂帶分布

1.2　樂都逸出氣氡

樂都逸出氣氡自2007年7月10日開始觀測，觀測裝置采用SD -3A自動測氡儀，原為人工取氣模擬觀測，后經(jīng)過改造成為數(shù)字化觀測.樂都氣氡采用的是流體空吸原理，該集氣裝置的效率主要受空氣進氣量、氣流量以及空氣與流量兩者同時變化比例系數(shù)大小的影響(圖2).在2011年之前，樂都數(shù)字化氣氡觀測資料數(shù)據(jù)極不穩(wěn)定，表現(xiàn)為大起大落，原因不明，但2011年之后該資料數(shù)據(jù)相對開始出現(xiàn)平穩(wěn)狀態(tài).故本文選用的觀測資料數(shù)據(jù)從2012年開始.

圖2　樂都地震臺取氣點示意圖

樂都地震臺地處樂都縣引勝鄉(xiāng)熊家灣西側(圖3).位于青藏高原北部邊緣，祁連山褶皺帶的西寧-民和斷陷盆地內(nèi)，盆地邊緣的主要活動斷裂帶為日月山-達坂山斷裂帶.這些斷裂具有形成時間早，規(guī)模大，切割深，活動強的特征.該地區(qū)屬于內(nèi)陸高原氣候，雨水集中在7—8月，年蒸發(fā)量遠大于降雨量，日溫差變化大，并且具有垂直分帶性；全年日平均氣溫為7 ℃，月相對濕度為56%，月平均蒸發(fā)量為145 mm，月平均降雨量為25 mm[4].

圖3　樂都地震臺地理位置圖

樂都逸出氣氡觀測點位于樂都地震臺東北部約1.5 km處的老爺山山腳下，地處達坂山、拉脊山交匯處的加里東期花崗巖長巖NE向小斷裂帶上，南側與樂都盆地相鄰，其余三面是中高山區(qū).在大地構造單元上，處于祁呂賀蘭“山”字型構造前弧西冀的達坂山、日月山、拉脊山等隆起帶及西寧-民和盆地拗陷帶內(nèi)，該區(qū)主要構造線為NWW向，受構造控制的中新生代拗陷帶亦呈NWW向分布.湟水流域周邊及內(nèi)部中高山、低山丘陵區(qū)古老堅硬、裂隙發(fā)育的變質(zhì)巖及碳酸鹽巖構造斷裂形成的破碎帶，盆地內(nèi)碎屑巖的空隙、裂隙、第四系松散沉積層所具有的孔隙等，為該地區(qū)地下水的蓄積集聚提供了空間條件，特別是中高山區(qū)較為豐富的降水，為地下水的形成提供了較為豐富的來源.

2數(shù)據(jù)處理方法

氡是鈾及其子體的放射性產(chǎn)物，它從產(chǎn)生到遷移至地表需要經(jīng)歷一定的過程和時間.氣象三要素在不同時間段對氡值濃度變化會有一定影響，但何時影響最大，是否與地震前兆有關，都還無法確定[5-6]，所以本文選用湟源溶解氣氡和樂都逸出氣氡作為研究對象，從不同時段進行計算分析.湟源溶解氣氡濃度觀測值為日均值，每天9點在測點取樣，然后帶回實驗室進行濃度測量．選取每日取樣或測樣時所測的氣象三要素來分析其對氡值濃度變化的影響.樂都逸出氣氡濃度觀測值為整點值，數(shù)字化記錄.選取取樣周期內(nèi)各個時段的氣象三要素來分析其對氡值濃度變化的影響.

2.1　原始數(shù)據(jù)預處理

對于本文選用的湟源溶解氣氡觀測值(2009年1月1日至2015年7月31日)和樂都逸出氣氡觀測值(2012年1月1日至2015年7月31日)，在分析計算時都采用原始觀測值，將明確由干擾(人為或儀器)造成的數(shù)據(jù)非正常變化作缺數(shù)處理.湟源溶解氣氡觀測值為日均值，故將其對應的氣象三要素數(shù)據(jù)也轉(zhuǎn)換為日值數(shù)據(jù)；樂都逸出氣氡觀測值為整點值，將其對應的氣象三要素數(shù)據(jù)也轉(zhuǎn)換為整點值數(shù)據(jù)，并將氣象三要素原始數(shù)據(jù)的非正常變化同樣作缺數(shù)處理[7].

2.2　數(shù)據(jù)計算方法

首先分別計算氣象三要素與兩處氡值濃度變化的相關性分析.本文采用SPSS統(tǒng)計軟件進行相關分析，調(diào)用此過程可對變量內(nèi)部各觀察單位間的數(shù)值進行距離相關分析，以考察相互間的接近程度.由于研究區(qū)降雨分布極為不均勻，導致降雨量數(shù)據(jù)大部分記錄為零，必然會影響最終計算結果，所以本文對降雨量集中月份逐年統(tǒng)計，計算和氡值觀測濃度變化的相關性分析.

3數(shù)據(jù)處理結果分析

3.1　氣象三要素與氡值濃度變化的相關性分析

3.1.1氣象三要素與湟源溶解氣氡濃度變化相關性分析本文選用的湟源溶解氣氡觀測數(shù)據(jù)和氣象三要素數(shù)據(jù)均從2009年1月1日開始至2015年7月31日結束，共計79個月.計算結果(表1)顯示，氣溫、氣壓與湟源溶解氣氡濃度變化呈正相關關系，其中氣溫與湟源溶解氣氡濃度的相關系數(shù)最大為0.26，氣壓與湟源溶解氣氡濃度的相關系數(shù)為0.11.查表[8]得到相關系數(shù)臨界值r0.05=0.039 98，通過檢驗.

表1　氣溫、氣壓與湟源溶解氣氡濃度的相關性

3.1.2氣象三要素與樂都逸出氣氡濃度變化相關性分析本文選用的樂都逸出氣氡觀測數(shù)據(jù)和氣象三要素數(shù)據(jù)均從2012年1月1日開始至2015年7月31日結束，共計43個月.由于該點降雨量分布不均勻，并且2014年以后降雨觀測儀器損壞，所以本文不計算降雨量與樂都逸出氣氡濃度變化的相關性分析，只對氣溫、氣壓與樂都逸出氣氡濃度變化的相關性進行分析計算.計算結果(表2)顯示，氣溫、氣壓與樂都逸出氣氡濃度變化呈正相關關系，其中氣溫與樂都逸出氣氡濃度的相關系數(shù)最大為0.415，氣壓與樂都逸出氣氡濃度的相關系數(shù)為0.102.查表[8]得到相關系數(shù)臨界值r0.05=0.011 29，通過檢驗.

表2　氣溫、氣壓與樂都逸出氣氡濃度的相關性

綜上所述，氣溫對氡值濃度變化影響較為顯著，二者成正相關關系．氣壓對氡值濃度變化影響次之，它們具有相關性，但相關系數(shù)不高.在每年雨季降雨量明顯尤其是暴雨季節(jié)，降雨量對氡值濃度會有一定影響，造成數(shù)據(jù)突跳.

4震例論證

湟源溶解氣氡觀測點和樂都逸出氣氡觀測點相距110 km，該區(qū)附近2013年1月—2015年5月間，共發(fā)生了6次5級以上地震，其中震中距大于1 000 km發(fā)生1次8級以上地震，6次地震的具體參數(shù)見表3.從表3可以看出：2013年4月20日蘆山7.0級地震、2013年7月22日岷縣6.6級地震震前,湟源溶解氣氡濃度和樂都逸出氣氡濃度都沒有顯著變化；2013年9月20日門源5.1級地震前湟源溶解氣氡觀測點有突跳變化;其余3次地震前兩處觀測點均不同步地出現(xiàn)突跳變化.

以下本文利用地震前氣象三要素與氡值濃度的相關系數(shù)變化來判斷上述突跳變化究竟是地震短臨異常還是由氣象三要素的變化引起的.根據(jù)短臨異常時間范圍的界定，本文僅分析震前2個月氡值濃度的突跳變化.

表3　地震參數(shù)及相應氡值變化時間統(tǒng)計表

門源5.1級地震：從表4可以看出，2013年9月氣溫與湟源溶解氣氡濃度的相關系數(shù)為0.208，表明相關性較為顯著；氣壓與湟源溶解氣氡濃度的相關系數(shù)為0.356，表明相關性顯著.

烏蘭5.1級地震:從表5可以看出,2014年9月氣溫與湟源溶解氣氡濃度的相關系數(shù)為0.6，表明相關性顯著；氣壓與湟源溶解氣氡濃度的相關系數(shù)為-0.364，表明負相關性顯著;降雨量與湟源溶解氣氡濃度的相關系數(shù)為-0.507，表明負相關性顯著.查表[8]得到相關系數(shù)臨界值r0.05=0.254 2，通過檢驗.

內(nèi)蒙古阿拉善左旗5.8級地震和尼泊爾8.1級地震：從表6可以看出，2015年3—4月氣溫與樂都逸出氣氡濃度的相關系數(shù)為0.318，表明相關性較為顯著；氣壓與樂都逸出氣氡濃度的相關系數(shù)為0.491，表明相關性顯著.

表42013年9月氣象三要素與湟源溶解氣氡濃度的相關性

值向量間的相關性湟源水氡濃度氣溫氣壓降雨量湟源水氡濃度1.0000.2080.3560.193氣溫0.2081.000-0.116-0.383氣壓0.3560.1161.0000.140降雨量0.193-0.3830.1401.000

表52014年9月氣象三要素與湟源溶解氣氡濃度的相關性

值向量間的相關性湟源水氡濃度降雨量氣溫氣壓湟源水氡濃度1.000-0.5070.600-0.364降雨量-0.5071.000-0.5460.310氣溫0.600-0.5461.000-0.779氣壓-0.3640.310-0.7791.000

表62015年3—4月氣象三要素與樂都逸出氣氡濃度的相關性

值向量間的相關性樂都氣氡濃度氣溫氣壓樂都氣氡濃度1.0000.3180.491氣溫0.3181.000-0.149氣壓0.491-0.1491.000

綜合以上震例分析可以看出，湟源溶解氣氡濃度和樂都逸出氣氡濃度在不同時間段出現(xiàn)的突跳變化，主要是由氣象三要素變化引起的，其中起顯著作用的是氣壓和氣溫，由此說明湟源溶解氣氡濃度和樂都逸出氣氡濃度在震前的突跳變化只是由氣象三要素引起的時間上的一種巧合，并不是地震前兆異常.

5結論

本文計算分析了湟源溶解氣氡濃度和樂都逸出氣氡濃度與氣象三要素的相關性及相關系數(shù)，通過分析不同時間段兩者相關系數(shù)的變化特征，得到了以下主要結論：

1)從得出的相關系數(shù)可以看到，無論氣溫、氣壓還是降雨量，均對氡值濃度的日值變化有顯著的影響，并且氣溫對氡值濃度的短期影響明顯大于氣壓，這與文獻[1,9-10]的研究結果一致.

2)不同時間段、不同月份氣象三要素與氡值濃度變化的相關性存在著明顯的差異.

3)綜合震例分析可以看出，湟源溶解氣氡濃度和樂都逸出氣氡濃度在不同時間段出現(xiàn)的突跳變化，主要是氣象三要素變化引起的，其中起顯著作用的是氣溫和氣壓，與地震并沒有明顯的關系.說明若所關注時間段內(nèi)氣象三要素與氡值濃度變化呈顯著相關性，則這種情況下出現(xiàn)的突跳變化屬于地震前兆異常的可能性不大，不具備預報地震的效能.

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Correlativity between three meteorological factors and Radon concentration value

LIU Lei1，MA Yuhu1，QI Changwei2，WANG Jiayin2

( 1.QinghaiEarthquakeAdministration，Xining810000,China；

2.QinghaiGeologicalSurvey，Xining810000,China)

Abstract：Paying attention to daily values of gas Radon concentration from Huangyuan and Ledu in Qinghai, analyzing the gas Radon concentration value with three meteorological factors by related software like SPSS, Mapsis on the condition of excluding the interference (instrument failure, human factor). This paper studied the influence of gas Radon concentration and meteorological factors by calculating the relevance, correlation coefficient, cluster analysis between each variable, the results showed that air temperature had obvious influence on Radon concentration change with positive correlation, atmosphere pressure came second with low correlation. This study indicated that the influence from air temperature on Radon concentration value was more remarkable than air temperature. The low influence existed on Radon concentration and rainfall, which caused by incomplete data, but during annual rainy season especially in heavy rainy season, there was some influence and easily caused record data leakage. The analysis on related earthquakes indicated that the change during remarkable correlation between Radon concentration values and three meteorological factors had no ability to forecast earthquake.

Keywords：three meteorological factors； Radon concentration value； correlation coefficient

文章編號：1004-4353(2015)04-0351-05

作者簡介：劉磊(1987—)，男，助理工程師，研究方向為地下水化學.

收稿日期：2015-11-23基金項目： 青海省地震科學基金資助項目(2015B05)