鐘駿 王博 晏銳 李慶
摘要:利用Molchan圖表法對洱源溫泉水氡觀測資料進行預測效能檢驗,并開展了溫泉水化學組分、氫氧同位素和水循環(huán)特征研究。結果表明:①DMolehan圖表法檢驗結果顯示,洱源水氡出現(xiàn)高值時,對觀測點附近中強以上地震反應較靈敏,優(yōu)勢對應地震時間段為90d以內;②洱源溫泉井的水化學類型為HCO3·SO4-Na,與周邊地表水體及淺層地下水無直接水力聯(lián)系;③洱源溫泉井水屬于“部分平衡水”,具有深部來源特征。
關鍵詞:洱源水氡;預測效能;水化學特征
中圖分類號:P315.72? 文獻標識碼:A文章編號:1000-0666(2021)04-0564-08
0引言
氡作為地球內部放射性元素鈾、鐳衰變的產物,是地震科學研究中觀測歷史最久、研究程度最深的地下流體前兆手段之一(劉伯禮等,1975;劉耀煒,2006)。前人觀測實踐表明,氡的濃度變化是地球深部信息的重要表現(xiàn),特別是地震孕育及發(fā)生階段,水中氡的濃度會出現(xiàn)不同程度的異常變化(付虹等,1997;Ge et al ,2014;孫小龍等,2020)。然而,氡濃度的變化與地震活動的關系較為復雜,變化形態(tài)往往也不一致。如龍陵邦臘掌溫泉水氡在多次中強地震前出現(xiàn)低值波動異常(李加穩(wěn),孫文波,2004),但在汶川M8.0地震前,位于龍門山斷裂帶附近的多個水氡觀測項目的自相關系數(shù)則出現(xiàn)了明顯趨勢性上升的異常現(xiàn)象(晏銳等,2011)。地下水溶解氡濃度在地震前上升或者下降的異常變化,在一定程度上反映了應力作用條件下所引起的水動力條件和局部水文地球化學環(huán)境的改變(Muir-Wood,King,1993)。
針對氡的異常成因,前人提出了諸如膨脹擴散、破裂混合、熱液爆沸、氡團混入、超聲振動、巖漿沖熔及水動力作用等機理和模式(Birchard,Libby ,1978;郭增建等,1979;馮瑋等,1981;李宣瑚,1981;Thomas ,1988;蔣鳳亮等,1989;車用太等,1997)。在此基礎上,張慧等(2005)提出了孕震體介質微破裂生長的觀點,進一步揭示了水氡前兆場的時空變化特征及其物理機制。溫泉作為連接地球深部與淺部的重要通道,與構造活動和地震活動都有較好的聯(lián)系,能反映較多的地球深部信息,而溫泉水氡觀測是十分理想的前兆觀測手段(蘇鶴軍等,2020)。因此,深入分析溫泉水氡的水化學特征及其與地震活動的關系,對使用溫泉水氡進行地震預測實踐具有重要意義。
日常震情跟蹤發(fā)現(xiàn),洱源溫泉水氡與周邊地區(qū)一定范圍內的中強地震存在一定的關聯(lián)性,而針對該泉點資料的歸納梳理和系統(tǒng)研究較少。因此,本文以洱源溫泉為研究對象,使用Molchan圖表法對洱源溫泉水氡進行映震效能檢驗,從水化學組成和氫氧同位素的角度分析洱源溫泉水化學特征和氡的來源問題,并對其前兆機理進行了討論。
1觀測點概況
洱源溫泉水氡(以下簡稱洱源水氡)觀測點位于洱源斷陷盆地,構造上屬于揚子準地臺、松潘—甘孜褶皺帶與三江褶皺帶的交界部位(房艷國等,2015),主要出露地層巖性為二疊系、三疊系灰?guī)r(李曉露,2017)。區(qū)內活動斷裂發(fā)育,紅河斷裂北段、鶴慶—洱源斷裂、龍蟠—喬后斷裂和通甸—巍山斷裂等多條斷裂交匯于此(圖1),構造活動較為強烈,是滇西地區(qū)中強地震的密集活動區(qū)域(林愛文,1997)。
洱源水氡自2006年開始在興興溫泉取樣,水溫為62.0℃左右,流量為(0.75±0.03)L/s(段美芳等,2020),觀測儀器為FD-105K型測氡儀,測量靈敏度為(0.37±0.15)Bq/(L·格·min),采樣率為日值,無明顯年變規(guī)律,受氣象因素影響較小,濃度變化范圍為38.2~50.1Bq/L。2006—2007年洱源水氡因影響觀測穩(wěn)定因素的出現(xiàn),觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)大幅波動,之后趨于穩(wěn)定并且連續(xù)可靠。在2008年8月21日盈江M6.0、2009年7月9日姚安M6.0、2012年6月24日寧蒗M5.7、2013年8月31日德欽M5.9、2015年10月31日昌寧M5.1等多次地震前,洱源水氡都出現(xiàn)明顯的異常變化,表現(xiàn)為水氡濃度值快速上升或波動幅度增大,顯示出較強的映震能力,說明其異常可能與地震活動存在一定聯(lián)系(圖2)。
2地震預測效能檢驗
雖然洱源水氡在一些地震前出現(xiàn)過明顯異常變化,但異常與地震并非一一對應,很可能存在其他影響因素,導致地震前兆異常被掩蓋或非地震前兆信息被放大。因此,需要使用有效的方法對觀測資料進行預處理,從而提取有效異常指標,并依據(jù)預測效能評價方法——Molchan圖表法(Molchan,1990)來檢驗這種異常提取方法的映震水平,獲取最優(yōu)預測指標,為更好地利用觀測資料進行地震監(jiān)測預測提供方法依據(jù)。
根據(jù)模糊數(shù)學原理,引入從屬函數(shù)方法中的斜率K和相關系數(shù)R的乘積Y來反映觀測數(shù)據(jù)變化斜率隨時間的變化程度(馮德益等,1984):
式中:K為觀測數(shù)據(jù)的斜率,反映數(shù)據(jù)的變化速率;R1為觀測數(shù)據(jù)的自相關系數(shù),反映數(shù)據(jù)內在質量的好壞。K與R可以利用指定窗長內連續(xù)觀測數(shù)據(jù)及其相應的時間序列作一元線性回歸分析求得,即:
式中:n為滑動窗長,即一元線性回歸分析時樣本的個數(shù),通常取n=5;Y為觀測數(shù)據(jù);T為與觀測數(shù)據(jù)相應的時間序列。
當|R不變時,Y隨|K的增大而增大,表明觀測值變化速率越大,異常的可能性越高;當K不變時,R越大,則數(shù)據(jù)的相關性越好,說明|K作為判別異常的信度越大。
本文選取20082018年洱源水氡的觀測數(shù)據(jù)進行分析,并依據(jù)震級與震中距一般對應關系:M5.0~5.9地震的震中距小于250km、M6.0~6.9地震的震中距小于300km(孫小龍等,2018),篩選出該時間段內洱源水氡觀測點250km范圍內發(fā)生的M3≥5.5地震共21次,其中,M5.5~5.9地震17次、M6.0~6.9地震4次(圖1),地震參數(shù)詳見表1。在實際計算過程中,為減小數(shù)據(jù)中的系統(tǒng)誤差和偶然誤差,本文采用45天滑動平均對洱源水氡的原始數(shù)據(jù)進行趨勢提取,如圖3所示,可以看出水氡濃度呈現(xiàn)明顯的上升-下降變化,預處理后曲線相對于原始曲線的震前異常特征更為突出、更易于識別。
Molchan圖表法通過對預測結果與觀測目標地震的差異度進行檢驗,直觀反映觀測數(shù)據(jù)的預報效能,得到最佳閾值所對應的異常識別指標(蔣長勝等,2011;孫小龍等,2018)。每一個閾值對應一組漏報率r和異常時空占有率v,r-v值連線與橫、縱坐標圍成的面積代表檢驗的預測效果,且與面積大小呈反比。此外,報準率h所對應的顯著性水平α越低、概率增益Gain越大時,預測效果越好。
本文利用Molchan圖表法對洱源水氡預處理后的斜率數(shù)據(jù)(圖3c)與周邊地震關系進行檢驗,得到該測項的整體預測效能、最佳預測指標(即異常的最佳判別指標)及優(yōu)勢對應時間。圖3c中空心五角星為選取的21個地震,其中紅色代表有效預測期內報準的地震,藍色代表有效預測期外漏報的地震,紅色虛線為最佳閾值線(0.0175);圖4a為洱源水氡Y值整體預報效能與概率增益關系圖;圖4b為洱
源水氡Y值漏報率v與時間占有率r關系曲線及不同顯著性水平α等值線。圖中紅色粗階梯線為預測閾值從大到小滑動得到的r-v曲線,藍色圓圈代表最接近原點(0,0)的r-v值,其閾值可視為最佳閾值。圖中右下角(1,0)點表示地震全部報準,但其時間占有率也最大,覆蓋數(shù)據(jù)整個時間段;左上角(0,1)點表示地震全部漏報,其時間占有率最小,相當于未做出預測。
由圖4a可見,洱源水氡在不同預測時長的概率增益均大于1,預測效能基本在0.6以上,具有顯著的統(tǒng)計和檢驗意義。尤其是短期(90d內),概率增益均大于2,預測效能均在0.7以上,表明洱源水氡短期預測效果更好。因此選取預測時長80d進行計算,如圖4b所示,在80d所示位置(藍色圓圈),21個地震中,報準15個、漏報6個,報準率約71%,時間占有率約0.33,置信水平較高,說明預測效果較好。因此,洱源水氡的優(yōu)勢對應地震時間段為90d以內,在預測時長為80d時,最佳閾值為0.0175,可作為相應時間段的“警報”閾值。
3水化學特征及溫泉來源分析
水化學特征分析能夠探明地下流體的來源與補給過程,是區(qū)別地下流體是否受構造活動影響的重要技術方法之一(蔣鳳亮等,1989)。地殼深部構造活動或淺層地表水補給會影響地下流體的流量、溫度和水化學組分的變化。為了判斷氡的來源及其與深部構造活動的關系,筆者于2018年5月8日對洱源水氡(SD)、洱源老街(LJ)和溫泉療養(yǎng)院(LYY)3處溫泉點,以及滇20井(D20)和附近河流(HL)等淺表水,共計5個水體進行了水樣采集,采樣點空間分布如圖1所示。樣品檢測由中國地震局地殼動力學實驗室完成,使用Dionex ICS -2100離子色譜儀進行離子組分檢測,包括Ca2+、Mg2+、Na+、K+、SO、Cl-和NO3,濃度檢測限為0.01mg/L;HCO3采用酸堿中和滴定法求得;氫氧同位素δ0與8D使用LGR LWIA -24-EP激光液態(tài)水穩(wěn)定同位素分析儀測定,精度分別高于0.1%和0.4%。水化學測試結果見表2。
由表2及圖5可以看出,洱源水氡和洱源老街優(yōu)勢陽離子成分為Na+、優(yōu)勢陰離子成分為HCO3和SO4,兩處水體的Na+、HCO3和SO4毫克當量百分比分別為92.5%、67.7%、29.4%以及90.5%、67.2%、29.8%,水化學類型均為HCO3·SO4-Na;溫泉療養(yǎng)院優(yōu)勢陽離子成分為Ca2+和Na+、優(yōu)勢陰離子成分為HCO3和SO,其各離子毫克當量百分比分別為45.3%、40.8%、57.5%和41.3%,水化學類型為HCO3·SO4-Ca·Na;滇20井優(yōu)勢陽離子成分為Na+、優(yōu)勢陰離子成分為HCO3,其離子毫克當量百分比分別為85.9%和93.8%,水化學類型為HCO3-Na;河流優(yōu)勢陽離子成分為Ca2+和Mg2+、優(yōu)勢陰離子成分為HCO3,其離子毫克當量百分比分別為60.6%、30.5%和89.8%,水化學類型為HCO3-Ca·Mg。由上可見,溫泉水的大多數(shù)離子含量明顯高于淺表水,表明其來源較深、離子反應更強烈,從而導致不同水體的水化學類型差別較大,呈現(xiàn)出明顯分區(qū)特征。
從圖5可見,洱源水氡與洱源老街在菱形區(qū)域中的投影點幾乎重合,表明其來源較為一致;而溫泉療養(yǎng)院、滇20井和河流落在不同的位置,說明其來源和形成過程不同,與洱源水氡與洱源老街沒有直接的水力聯(lián)系。分析認為,洱源地區(qū)溫泉水水化學組分的形成過程是地下熱水與圍巖發(fā)生溶濾作用和離子交換作用的結果。由于該地區(qū)發(fā)育大量二疊系、三疊系灰?guī)r,三疊系和白堊系的碎屑巖中含有石膏(張春山等,2003),當?shù)叵聼崴鹘?jīng)灰?guī)r層及膏鹽層時與圍巖發(fā)生溶濾作用,使得Ca2+、HCO3和SO大量進入水中。隨著循環(huán)深度和循環(huán)時間的增加,CO2和O2等氣體耗盡,溶濾作用減弱,離子交換作用開始增強,Ca2+不斷被Na+替換,逐漸形成HCO3·SO4-Ca·Na或HCO3·SO4-Na型水(王大純,1986;吳桂武等,2015)。
Na-K-Mg三角圖通過水-巖平衡狀態(tài),可以判斷地下水循環(huán)深度及混合程度。水-巖平衡程度越高,地下水循環(huán)越深或循環(huán)周期越長(Giggen-bach,1988)。由圖6可見,所有采樣點均靠近右下角Mg端元,未達到飽和狀態(tài)。其中,洱源水氡屬于“部分平衡水”,洱源老街接近“部分平衡水”,兩者接近重合,說明其水-巖平衡狀態(tài)相似,來源于深部的可能性更大。且相比于后者,洱源水氡的水-巖反應程度更高,其接受大氣降水補給或淺部冷水混合更少。結合表2及水化學結果分析,可以清楚看到溫泉療養(yǎng)院具有深部來源特征(SO含量較高),但溫泉療養(yǎng)院與淺表水體(滇20井、河流)同屬“未成熟水”,均表現(xiàn)出大氣降水補給的特征,說明在循環(huán)過程中明顯受到了地表水或淺部冷水混入影響(Ca2含量較高)。研究區(qū)位于多條斷裂交匯處,構造裂隙十分發(fā)育,特別是紅河斷裂北段和鶴慶—洱源斷裂具有活動性強、切割深度大的特點,有利于地下水的深循環(huán)和深部熱物質的對流(顏鹍等,1997;王云等,2019)。大氣降水經(jīng)洱源盆地周邊山區(qū)入滲補給,沿構造裂隙向地下運移,經(jīng)過深循環(huán)或深部熱物質對流后,在水頭壓力差或阻水斷裂的阻擋作用下,沿壓力較小的斷裂破碎帶向地表運移并與淺層冷水發(fā)生不同程度的混合,進而表現(xiàn)出不同的水-巖平衡狀態(tài)。
氫氧同位素特征是研究水體補給來源及演化規(guī)律的有效手段。不同水體在運移過程中水-巖相互作用程度存在一定的差異性,水-巖反應程度越高,氧同位素跟巖石交換程度越大,0向右漂移越明顯(蘇鶴軍等,2020)。本文水樣氫氧同位素分布如圖7所示。參考全球大氣降水線(Craig ,1961)及西南地區(qū)大氣降水線(劉進達等,1997)可知,河流水樣更接近全球大氣降水線,其它采樣點也在降水線附近,且均向右偏離大氣降水線,表明采樣點水體成因為大氣降水,并存在一定的0漂移現(xiàn)象。分析認為洱源水氡、洱源老街、溫泉療養(yǎng)院以及滇20井的0漂移現(xiàn)象主要是區(qū)域地下水經(jīng)過長時間的運移,在高溫條件下與含氧圍巖(灰?guī)r或硅酸鹽巖石)充分進行氧同位素交換的結果(李學禮等,2010;倪高倩等,2016),而河流水體主要與其長期出露地表,蒸發(fā)作用強烈有關。
綜上分析,洱源水氡成因是大氣降水,其水化學組成及類型主要與深部地下水熱循環(huán)過程中的高溫水-巖反應有關。研究表明,地球內部熱能直接參與巖石物理化學性質改變和地殼運動過程(趙慈平等,2014;Wang et al ,2015)。而溫泉作為重要的運移通道,能夠將地下深部變化信息運移到地表。洱源水氡來源于天然放射性元素鈾、鐳的衰變。自中生代以來,滇西地區(qū)火山及巖漿活動強烈,造成大量基性火山巖的噴發(fā)和花崗巖的入侵(吳乾蕃等,1988),其中富含的鈾、鐳放射性元素衰變產生的氡一部分溶解于高溫熱水,通過溫泉向地表運移;另一部分則以自由氡、吸附氡及封閉氡的形式存在于巖石的孔(裂)隙或晶格內(程業(yè)勛等,2001;任宏微等,2010)。隨著區(qū)域孕震條件的成熟,區(qū)域應力不斷積累,巖石受力變形發(fā)生破裂,形成許多微小裂隙,賦存于巖石孔(裂)隙或晶格內的氡大量析出并進一步溶解于水中,因此,地震前觀測到的水氡濃度升高或者波動幅度增大現(xiàn)象是孕震階段巖石中氡釋放加劇或水體中氡遷移加劇的結果(曹玲玲等,2005)。根據(jù)氦同位素和碳同位素組成顯示,洱源地區(qū)3He/4He值為0.12~0.71Ra,洱源溫泉溶解二氧化碳的83C值為-4.995%(沈立成等,2007;張翔等,2019),與溫泉流體中幔源成因的3He/4He值(1.1~1.4)×10-3和8C值(-8%~-4%)相符(Mamyrin et al ,1970;Sano,Marty,1995;周曉成等,2020)。因此,認為洱源溫泉水氡濃度的異常變化能真實反映地下深部構造活動程度。
4結論
利用Molchan圖表法對洱源水氡的地震預測效能進行檢驗,并對洱源水氡及周邊水體水化學和氫氧同位素組成進行分析,討論了洱源溫泉井的水化學特征及水氡異常成因,得到以下結論:
(1)Molehan圖表法檢驗結果顯示,洱源水氡出現(xiàn)高值時,對觀測點附近中強以上地震反應較靈敏,優(yōu)勢對應時間段為90d以內,在預測時長為80d時,最佳閾值為0.0175,映震效果較好。
(2)洱源溫泉井的水化學類型為HCO3·SO4-Na,觀測井與周邊地表水體及淺層地下水沒有直接、快速的水力聯(lián)系,受周邊地表水體、淺層地下水及大氣降雨直接補給的干擾較小。洱源溫泉井水屬于“部分平衡水”,與其它水體相比,水-巖反應程度更高、循環(huán)深度較深,具有深部流體輸入特征。研究區(qū)水體成因均為大氣降水,同時存在一定的0漂移現(xiàn)象,表明地下水在深部循環(huán)過程中,高溫水-巖作用造成了0富集。
采樣過程得到云南省地震局張翔的支持與幫助,在此表示感謝!
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Prediction Efficiency of the Water Radon in Eryuan Hot Spring and Its Hydrochemical Characteristics
ZHONG Jun WANG Bo, YAN Rui, LI Qing
(I. China Earthquake Networks Center, Bejing 100045, China)
(2. State Key Laboratory of earthquake Dynamics, Institute of Geology, China EarthquakeAdministration, Beiing 100029, China)
(3.Eryuan Seismic Station, Yunnan Earthquake Agency, Eryuan 671200, Yunnan, China)
Abstract
The prediction efficieney of the water radon in Eryuan hot spring was tested by using Molchan diagram method and the chemical composition, hydrogen and oxygen isotopes and water cycle characteristics of the spring water were studied. The results show that: High value of water radon in Eryuan hot spring is more sensitive to the me-dium-strong earthquakes in the vicinity, and the most probable predictive period is less than 90 days before the earthquake event;2The hydrochemical type of Eryuan hot spring is HCo, . SO4-Na, which has no direct hydrau-lic relations with the surrounding surface water and shallow groundwater;3The water in Eryuan hot spring belongs topartially - balanced water and gets supply from deep source.
Keywords: water radon in Eryuan hot spring; prediction efficiency; hydrochemical characteristics