闫玮 李新勇 杨绍富 徐长银

摘要：结合新疆库尔勒断层H₂观测站的构造位置、台站周边岩性特点、观测方式等，对观测点H₂浓度变化特征与辅助气温、气压观测资料进行分析，取得了H₂浓度变化的相关系数。对2014年以来断层H₂浓度观测数据进行多项式拟合后获得观测资料的残差数据，结合周边历史地震分布得到了地震与异常变化情况的对应关系。研究结果表明：① 气压、温度对断层H₂浓度有影响，表现为：断层H₂浓度与气压呈正相关，相关系数为0.658 5，与气温呈负相关，相关系数为-0.795 4，气温变化对H₂浓度的影响更显著。② 断层H₂观测站的构造位置、岩性对H₂年变化形态是有影响的。③ 利用 Savitzky-Golay拟合后的残差序列，结合历史地震分析，认为在观测站周边200 km范围内发生的M_S4.9以上地震前，H₂浓度有显著反应，可为震情研判提供参考。

关键词：活动断裂；断层H₂；异常特征；影响因素

doi：10.16256/j.issn.1001-8956.2023.01.008

地震孕育过程中的地壳形变引发了裂隙张开、断裂蠕滑等构造活动，促使断裂带内的流体运移，导致其周边地区的流体地球化学特征变化^［1］。断层一直被认为与地震活动性紧密联系，在断层附近寻找地震前兆变化，对地震预报预测有较好的意义^［2］。活动断裂深部在应力应变作用下，会引起断裂面封闭性改变，同时断层活动性质改变过程会伴随深部流体与岩石的地球化学变化，导致地球发生排气异常变化。断裂带土壤气中H₂主要来自岩石新生破裂的水岩反应，因此它是最能反应活动断裂破裂特征的气体^［3］。同时，气体中H₂最为活跃，具有质量轻、原子半径小、迁移速度快及穿透性强的特点，被看作是可以用于地震预测的最灵敏的地球化学组分之一^［4］。周晓成等^［3］通过研究银川隐伏断裂带土壤气中H₂浓度的变化特征得出：断裂的活动性对银川隐伏断层带土壤气H₂浓度异常起到了主要控制作用。麻荣等^［5］通过对乌苏艾其沟泥火山气体排放通量的研究认为乌苏泥火山逸出气体浓度变化的应震效能较为明显，一定程度上表明了地壳流體与地震活动实际上是伴生关系。

新疆天山地震带分布大量活动断裂，其结构复杂、构造运动剧烈，是新疆中强地震主要分布区域，南天山更是高发区。库尔勒断层H₂观测站位于北轮台断裂辛格尔断裂与兴地断裂的交会处。对于断层H₂浓度资料的变化特征及影响因素分析，有助于提高该地区的震情判定。因此，对2014年以来断层H₂浓度数据的进一步研究是很必要的。本次工作通过介绍其构造位置、观测及集气测量方式，分析气温、气压影响情况。最后采用多项式拟合并计算H₂浓度的残差序列，结合观测站周边历史地震，对其异常变化与地震之间的关系进行小结，对其前兆机理变化进行探讨。

1 观测站情况

1.1 观测站构造位置及历史地震情况

观测站构造上处于北轮台辛格尔断裂带与兴地断裂带的交会复合部位，此处构造复杂，岩层变形褶皱十分强烈（图1，图中红色地震表示震前有异常变化，蓝色地震表示震前无异常变化）。其中，北轮台断裂辛格尔断裂是天山地槽区与塔里木地区的分界断层，属于全新世活动断裂，断层长度达到400 km，呈东西走向，北倾，倾角60°～75°。晚第四纪以来，北轮台断裂的持续活动使得多期洪积地貌面发生了断错变形与褶皱隆升。北轮台断裂带的SN向地壳缩短速率由西向东递减^［6］。库尔勒塔什店南疆铁路山洞附近地质剖面显示：元古代灰绿色片岩和石英片岩逆冲到中更新世的洪积物之上^［7］。兴地断裂位于库尔勒东部库鲁克塔格南缘，构造规模较大，断层长度达到300 km，地质学者通过实地考察，认为其断层错断了第四系。该断层的西北段进入山前第四系洪积扇，并错断扇体，地面可看到陡坎，坎高1.7～2.4 m。

库尔勒断层H₂观测室位于库尔勒北霍拉山南缘的山洞内，所跨断层走向NE-NEE，倾向NW，倾角35°～80°，观测站内可观测到断裂上盘的元古界灰色黑云母片麻岩和大理岩等逆冲在上新统（N2）砂砾岩层之上，断裂破碎带宽4～8 m，破碎带内主要为破碎的黑云母片麻岩角砾及砾岩、砂岩角砾的混杂堆积物。

2014年10月以来，观测站周边300 km内共发生M_S≥4.0地震44次，M_S≥5.0地震5次，M_S≥6.0地震1次。其中最大震级是2016年12月8日13时15分发生在新疆呼图壁县附近的M_S6.2地震，震源深度约15 km。

1.2 观测点概况

新疆库尔勒断层氢气观测站位于库尔勒北霍拉山南缘的一个“Ｕ”形山洞内，洞体处在半山腰。山洞408 m，洞内高4 m，宽3 m左右。观测仪器采用ATG-6118H 痕量氢在线自动分析仪。设备主要技术指标：高检测限（10～9 L）、较好稳定性（零点漂移<2 mV/8 h）、平均相对误差 δ≤5%、线性（回归直线相关系数）γ²≥0.996、氢气浓度测试范围为 0.005～1 000  μL/L。

观测点位于霍拉山形变观测山洞内，通过勘选后由人工开挖观测孔，裸孔开挖达基岩，孔径1.0 m，孔深1.7 m。观测孔内放置一根直径250 mm，长135 cm的PVC管，管底50 cm打有气孔（孔径10 mm），制成集气的花管。PVC管上部通过4个变径管头（长35 cm）相连，连接处用PVC胶粘接。最终变为直径25 mm，而后用橡皮管塞密封。在集气管周围50 cm铺设一层透气性好的砾石层，而后将沙石回填。孔表层用水泥沙浆（5 cm）密封（图2）。

2 断层H₂浓度影响因素分析

断层H₂在沿着断裂、裂隙向上遷移和富集的过程中，不但会受构造因素的影响，还受非构造因素的影响^［8-9］。新疆库尔勒断层H₂自2014年10月开始正式观测，多年观测浓度均值0.683 8×10^-6，最大值2.683 9×10^-6，最小值0.000 2×10^-6。H₂浓度呈现较为显著的年周期变化，每年6～9月浓度值下降至最低，10月至第2年5月上升至高值波动（图3）。结合辅助气压、气温测项对比发现，H₂浓度与气压呈正相关，与气温呈较为显著的负相关。同时新疆南天山地区属于温带大陆性气候，干旱少雨，降雨影响因素可以忽略。H₂浓度变化受断层的封闭性、集气装置的放置深度、观测站周边温度、气压变化等影响。不同观测站的断层H₂浓度变化规律也不一致，例如阿克苏断层H₂浓度变化与气温呈正相关变化，与气压呈负相关变化。

通过相关性分析可知，气压与H₂浓度变化相关系数为0.658 5，呈较好的正相关，即随着气压的升高，断层H₂逸出浓度升高。利用一元线性回归对观测数据进行拟合，获得回归方程：y=0.03665x-31.9715（图4b）。气温与H₂浓度变化相关系数-0.795 4，呈较强的负相关，即当气温升高时，氢气浓度出现显著的降低。利用一元线性回归对观测数据进行拟合，获得回归方程：y=-0.0242x+0.9593（图4a）。

以上分析结果表明，库尔勒断层H₂浓度出现较为规律的年动态变化与观测点周边的气温、气压变化息息相关。在气温相关性分析方面与前人研究结果不一致（气温相关系数-0.426 2，气压相关系数0.673 5），主要原因是选取的气温、气压观测位置不同。前人分析数据源于测氢仪测量山洞中的温度和气压，山洞中温度、气压变化幅度较小。而本次研究选取的是观测点外的气温、气压数据，在分析气象因素对H₂浓度影响因素大小时，气温与浓度变化相关性显著增大，分析认为库尔勒H₂浓度变化更易受外部温度变化影响。

从相关系数上可以看出，气温对断层H₂浓度的影响比气压更显著。当大气压力增大时，作用于断层、裂隙上的应力增强，有利于断层气体的逸出。气温对断层氢气呈负相关，推测和观测点所处的构造位置及岩性组合有关，观测点位于3组断裂交汇处，应力相对较为集中，断层面封闭性较强，且其岩性为元古界灰色黑云母片麻岩，硬度大，其裂隙发育程度弱于沉积岩。温度升高后，岩石受热膨胀断层面及裂隙封闭性增强，逸出断层H₂浓度降低。另地表生物及地表化学作用可能产生浅层来源气体，由于山洞内温度变化较小，观测环境变化不大，认为浅层来源氢气浓度变化不大。

3 异常信息提取方法

地震波形是随时间变化的典型地球物理数据信号，能够反映出地下应力变化的过程，而地震信号具有随机性、非线性^［10］。随着地震监测数字化的发展，采用较为有效的方法对数据进行精确处理是目前研究地震监测预报的重要问题之一。大部分异常特征都是基于原始数据曲线归纳总结的，在深度挖掘数据异常方面具有一定的局限性^［11-12］。根据现有地震监测的数据，部分中强地震前的异常变化比较微弱，但是经过合适的方法处理后，就可以很好的识别出来^［13-14］。

Savitzky-Golay滤波方式使用最小二乘法将数据的一个小窗口回归到多项式上，它可以应用于平滑数据，即在不改变信号趋势的情况下提高数据的精度：

其中，h_i/H为平滑系数，由最小二乘法拟合多项式求得，x_k，smooth表示第k个利用最小二乘法将数据的一个小窗口回归到多项式上值。

该方法是通过卷积的过程实现的，即通过线性最小二乘法将相邻数据点的连续子集与一个低次多项式拟合。当数据点的间距相等时，可以找到最小二乘方程的解析解，其形式是一组可以应用于所有数据子的“卷积系数”，然后使用多项式来估计窗口中心的点，尽可能减小平滑对有用信息的影响。Savitzky-Golay滤波方式可提高数据曲线的平滑性，降低噪音的干扰。本次利用python的scipy模块实现Savitzky-Golay方法进行多项式回归，获得了其多项式拟合曲线，对比原始观测曲线，其回归方程拟合程度较好，精度比较高。利用原始值与拟合值的差，求得了库尔勒断层H₂浓度的残差值。

岩石应力应变的变化会引起断裂附近岩石孔隙中H₂浓度的释放^［15］，为了研究库尔勒断层H₂浓度与周边地震之间的联系，本文中选取观测站2014年10月观测以来200 km内的M_S≥4.5地震、200～300 km范围内的M_S≥5.0地震（表2），结合残差曲线变化形态，通过已经发生的地震回溯残差序列变化，逐步提高高频变化幅度的取值，最终选定了高频变幅的阈值，下面对4次较为显著的变化进行总结分析。

① 2015年6月26日托克逊M_S5.4地震前，断层氢气残差值在2015年5月22日出现波动幅度整体变大情况，同时在2015年5月23日至7月20日出现10次变化超0.15×10^-6情况，其中最大波动幅度0.366×10^-6。② 2016年1月14日轮台县M_S5.2地震前，断层氢气残差值2015年12月17日出现波动幅度整体变大情况，同时在2015年12月25日至2016年2月23日出现13次变化超0.15×10^-6情况，其中最大波动幅度0.701×10^-6。③ 2018年4月5日尉犁县M_S4.9地震前，断层氢气残差值2017年11月22日出现波动幅度整体变大情况，同时在2017年12月26日至2018年2月28日出现19次变化超0.15×10^-6情况，其中最大波动幅度0.788×10^-6。④ 2014年12月21日这组变化周边未发生M_S≥4.9地震。

结合历史地震及残差序列，认为断层H₂浓度对其周边200 km范围的M_S≥4.9地震有一定指示意义，异常变化需要满足两个判定条件，① H₂浓度残差整体波动值增大，② 出现多次高频成分变化，幅度超0.15×10^-6。

4 结语

通过两个方面对库尔勒断层氢气濃度变化资料进行了分析，首先对其受气温、气压影响因素进行相关性分析，得到回归方程；其次利用Savitzky-Golay进行H₂浓度的多项式拟合，结合周边历史地震取得残差序列异常变化与地震的对应关系。

（1） 库尔勒断层氢气浓度变化与气温、气压有较好的相关性，其中气压与H₂浓度变化相关系数为0.658 5，相关性较好的正相关，即随着气压的升高，断层H₂逸出浓度升高。气温与H₂浓度变化相关系数为-0.795 4，相关性较强的负相关，即当气温升高时，H₂浓度出现显著的降低。气压效应原理：大气压力增大时，作用于断层、裂隙上的应力增强，有利于断层气体的逸出，反之亦反。气温对断层氢气呈负相关，推测和观测点所处的构造位置及岩性组合有关，其所在断层面封闭性较强、岩性为变质岩、裂隙发育程度弱，温度升高后，岩石受热膨胀断层面及裂隙封闭性增强，逸出断层H₂浓度降低。

（2） 结合历史地震及残差序列，认为断层H₂浓度经数据分析处理后，预报效能提升显著，对其周边200 km范围的M_S≥4.9地震有一定指示意义，异常指标为H₂浓度波动背景值增大且多次出现高频幅度超0.15×10^-6现象。

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STUDY ON INFLUENCE FACTORS OF HYDROGEN

CONCENTRATION AND ANOMALY INFORMATION

EXTRACTION METHOD OF KORLA

FAULT IN XINJIANG

YAN Wei¹， LI Xin-yong¹， YANG Shao-fu²， XU Chang-yin²

（1. Earthquake Agency of Xinjiang Uygur Autonomous Region，Urumqi 830011， Xinjiang， China;

2. Korla central seismic station of Earthquake Agency of Xinjiang Uygur Autonomous Region， Aksu 841000， Xinjiang， China）

Abstract： Based on the structural location， lithologic characteristics and observation mode of H₂observation station in Korla fault， Xinjiang， the characteristics of H₂concentration change at observation point and auxiliary air temperature and pressure observation data were analyzed， and the correlation coefficient of H₂concentration change was obtained. The residual data of fault H₂concentration observed since 2014 were obtained by polynomial fitting， and the corresponding relationship between earthquakes and abnormal changes was obtained by combining with the distribution of surrounding historical earthquakes. The results show that： ① Air pressure and temperature have an effect on the concentration of H₂on the fault， showing that the concentration of H₂on the fault is positively correlated with air pressure （correlation coefficient： 0.658 5）， and negatively correlated with air temperature （correlation coefficient： -0.795 4）. Temperature change has a more significant effect on the concentration of H₂. ② The tectonic location and lithology of the hydrogen station on the fault have influence on the morphology of H₂year change. ③ Based on the residual sequence of Savitzky-Golay fitting and the analysis of historical seismic data， it is concluded that there is a significant reaction of H₂concentration before M_S≥4.9 earthquakes occurring within 200 km around the observation station， which can provide a reference for the study of seismic conditions.

Key words： Active fault；Fault H₂；Anomaly characteristics；Influence factors