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1、水文地球化学地震前兆杜建国中国地震局地震预测研究所E-mail:研究内容 地下水化学成分变化及其控制因素 水岩化学作用对孕震介质物性的影响 地下流体化学前兆的形成机理与判识 地下流体化学前兆的映震效能与预测方法地下水化学成分变化及其控制因素 区域背景值 元素的克拉克值 地下水循环途径和滞留时间 岩石圈深部物质的外溢 气象因素 降水 气温 气压降雨对泉水氡含量的影响B测点A测点气温地温气压八宝山断层气氡浓度、气温、气压和3.2m地温曲线A-b测点1m深处断层气中的氡浓度；B-a测点2m深处断层气中的氡浓度; C、D、E分别为气温、3.2m地温和气压测值，单位为和毫巴。 八宝山a测点氡浓度值的原始
2、值曲线、回归曲线和余差曲线 水文地球化学地震前兆的成因 实验室岩石排放流体的实验研究 野外爆破与地下流体化学组分含量变化 水文地球化学地震前兆形成机理饱水岩石超声振动实验（冯玮等，1981）功率:250W 振幅：300V 频率：20kV100ml/min30min控温：3平均升 28析出氡积分面积与超声实验次数饱水岩石超声振动实验 （冯玮等，1981）花岗岩低频振动释放氡的实验（罗光伟等，1984 ）Rocks:Granite, metamorphic granite from California不同压力和 溶剂对岩 石的溶解 （李桂茹等 ，1984） 北京八达岭花岗岩压裂实验中氡的排放（罗
3、光伟，1977）低频振动下土壤 气中氡浓度的变 化（王永才等， 1983)单轴压缩时日本 小川花岗岩氡 释放量 (Zhang et al. 1988)玄武岩受力时排放的水、氡和汞量野外爆破与地下流体化学组分含量变化核爆炸时辛格尔泉氦、氡的浓度变化10km核爆炸时12K1井、甘草泉、甘草泉水井汞浓度变化1971年四川渡口爆破双龙潭泉水氡观测值1975年安徽铜陵爆破水氡观测值1977年宁夏固原爆破北海子泉水氡观测值1978年江西永平爆破1号和5号泉水氡观测值1978年江西永平爆破4号孔氢观测值1978年江西 永平爆破7号 孔用能谱 法观测的镭 、钍浓度1978年江西永平爆破1号泉电导、Ph测值地震
4、流体地球化学异常形成机理地球内部圈层的热不仅是构造应力的 源泉,也是流体运移和水岩反应的主 要营力。地球深部物质运动和热能 向外不均匀的传递，导致地壳的运 动、地震发生和局部地区温度压力 的变化，从而造成地下流体化学成 分的改变，即形成了地震地球化学 异常。 流体异常成因假说 混合机理 膨胀扩散机理 振动机理 空隙压缩机理 压溶机理 深部物质上溢机理 多元综合机理水文地球化学地震前兆观测 地震流体地球化学观测项目选取 地震流体地球化学观测点选址 地震流体地球化学观测网 流体地球化学样品采集方法观测水位采气管集气罐诼鹿矾山地震台观测室集气装置水gasimputoutputH2OH2Ogas气液分
5、离 集气装置gasimputoutputH2OH2OgasAir排水取气装置 H2O+NaClgasliquid地震流体地球化学异常与地震预报方法 数据质量评价 流体地球化学异常的确定方法 异常特征 地震前兆性异常的识别 地球化学异常与地震的时空对应关系数据质量评价 观测条件（取样和测试环境） 数据的误差（仪器、试剂、测试过程） 数据的统计评价方法（T检验，2检验）地震气体地球化学短临前兆的判识原则 了解观测点所处的地质背景、观测井的条件和 观测方法及其原理 根据观测参数的特点采用适当的数理统计方法 确定异常 明确各种可能引起观测参数变化的非地震因素 对异常的贡献 依据经验统计,推断观测点各参
6、数与地震发生的关系 异常点数一般不超过统计总点数的30% 气体地球化学异常一般特征 前兆发展具有阶段性，可以呈现中期、短期、 临震前兆；各阶段的前兆特征有别：中期异常 表现为长趋势的前兆演化，短期异常表现为趋 势前兆的转折或加速，以及短趋势前兆变化， 临震前兆多为突发性变化及单点突跳； 前兆点空间分布是在震中附近相对集中，分布 范围与震级、震中距有关； 前兆的延续时间、分布范围、出现数量一般与 震级成正比； 前兆演化过程中具有方向性迁移特征。确定异常的数理统计方法1.算术平均值法 几何平均值标准方差2.余差法求得观测参数的正常变化基准值，再求观测值与 基准值的差值，根据差值变化确定异常。一般采
7、取 时序法和回归分析法。对有周期性变化的观测数据 采用该方法较好。时序法：将多年的同月、同旬、同日或同时观测 值求和，获得正常自然变化数列；然后将原始观测 值与自然变化数列中相应的值相减，获得余差值的 数列，再确定异常。回归分析法：将观测值数列与主要影响观测参数 的因素的测值数列进行回归分析，求得观测参数自 然变化的函数式，将实际观测值与相应的计算值相 减，获得余差值数列，而后确定异常。3.差分法差分法是一种削减长周期变化，突出短周期变化的 线性滤波方法，适合于判别短临异常。先求得差分值（ xI）,再求年平均值（Xj）：（n365） 4.自适应阈值法自适应阈法，又称滑动均值基线法，适用于地球化
8、学短临异常的判识。首先求观测值的滑动平均值和滑动均方差，以步长30天滑动，滑动值置于后端点上，可消除月周期变化。其次确定阈值D(i),取2-3倍的均方差值为自适应阈值。最后判别异常，求观测值与滑动平均值的差值，大于自适应阈值的差值为异常值。 5.谱分析法一般进行时间谱分析，消除周期变化，求得观测值的异常变化值。此外,还有根据水化参量自然变化趋势进行异常判识的方法，如利用年均值、月均值的变化判断趋势异常、打破正常年变规律的方法、线性速度异常判识法等。 地震前兆的判别方法 判断异常是否象征未来地震，常用群体异常 来识别地震前兆。(1)异常系列成组或同步出现，异常演化往往 具有数量增加、分布较有规律
9、。气体地球化 学前兆多为短临异常，异常群体中个体发生 的时间差小于4个月，临震异常则应小于1个 月。震例研究结果表明短临前兆在300km的 范围内，12个月内出现的成组异常对应4.5 级以上地震的概率为73%。(2)异常分布范围相对集中，地震前兆多出现在地震活动带，相邻的两 个异常距离一般在250km以内。(3)异常数量较大，统计资料表明群体异常中的个体异常数越大，对应地震的概率越高，单个异常数大于3时，对应地震的概率为63%。预报方法 图象类比法 统计性方法几次强地震的地球化学前兆张北地震前后几个水汞观测点的异常曲线图 a.河北怀来；b.北京东三旗；c.天津王4井 包头西6.4？常规分析山西
10、带积累过程介休水位常规分析山西带1995年武定地震水汞异常曲线图 a.盐源；b.西昌太和；c.石棉 7.1210.24包头西6.4级地震前后郝窑CO2异常图 张北尚义6.2级地震前后郝窑CO2异常图 1976年唐山7.8级地震前河北诼鹿矾山水氡异常前兆群体非均匀度(ID)法 (石绍先石绍先） 各项前兆量纲不同，由于量纲不同不能直接进行 可比性研究，当然也就无法提取前兆群体异常 特征；不同测点同一类前兆绝对值悬殊很大， 进行合成计算时其中绝对值小的前兆异常常被 绝对值大的变化所掩盖，处于被忽视的状态， 这在实际上也使前兆群体非均匀性异常研究失 去真正“群体”内涵；因此, 对研究的每一项 前兆必须
11、进行消除量纲和等权的数学预处理。 极差标准化数学计算式ai = ; (i=1，2，n) 其中xi、xmin、xmax、ai分别为某项前兆观测序列、该序列最小观测值、最大观测值和经数学处理后的新序列。 各项前兆分别进行等权无量纲的处理后得到新的前兆群体矩阵 :A = 其中aij(max) = 1， aij(min) = 0，在此基础上进行综合异常信息提取计算:Ai= （罗灼礼 等，2002）滇西实验场区前兆群体ID-t图 腾冲-龙陵地震区前兆群体非均匀度（ID）异常图 腾冲-龙陵地震区前兆群体非均匀度异常图 1995.1.112.31大震震中300km范围内全部正在观测的测点即龙 陵、芒市、昌宁
12、、施甸、普洱、思茅、孟连7个台水氡观测数据 震中距500km范围内1994.11999.6全部正常水汞观测点 （思茅、保山、弥度、下关、洱源、江干、弥勒）数据 隐伏构造的气体地球化学 勘探 目的和意义 基本原理：气体的垂向运移 测量方法：现场测量+实验室分析 活动断裂的气体地球化学勘探 油气圈闭的探测1 9 9 5年阪神地震野岛活断层穿过处围墙被撕裂 、房屋倒塌。而不在断层上的围墙 、房屋等基本完好野岛活断层保存馆该断层是1995年日本阪神地震的发震断 层。日本是深受地震灾害的国家之一。 阪神地震后，日本政府投入巨资对野岛 活断层进行解剖、研究，有关的地质现 象得到永久保存1999年土耳其依兹
13、米特地震活断层地震断层从一座两层的小学教学楼下穿过,导致该建筑物完全倒塌;而不在断层 上的其它建筑物只遭受轻微破坏活断层造成地表近2米的垂直位移, 而距活断层不远的 建筑破坏轻微1 9 9 9年台湾地震活断层于校区中心通过，一半 以上教室全毁，运动场造成2米以上 的垂直位移，上盘破坏严重，下盘 地面基本完好水库大坝被毁石岗坝连接大甲溪，为台中县主要饮用水源之一，全长700米，兴建于1974- 1977年，受分支断层截切，大坝北侧三跨泻洪道结构体全毁，蓄水功能尽失，上 游水库底床露出地表地震活断层通过处铁路被毁浅层人工地震探测 每公里布设一条以上，至少达到中更新统顶界 亚米级GPS定位接收仪或全
14、站速测仪测定控制点位置 震源采用空气枪、可控震源，市郊采用小药量爆炸源。 地质雷达探测 对埋深较浅的地震活断层（030m） 每公里布设2条以上剖面，剖面长度控制活断层位置 亚米级GPS定位接收仪或全站速测仪测定点位。 瞬变电磁法（TEM） 探测15m到100m范围活断层的详细结构产状与性质 线距小于40 m ，点距小于20m。 高密度直流电法 查明地下数百范围内断层的详细结构和性质。 一般线距210米，点距15米。 地球化学探测法 大比例尺剖面和小范围测网结合部署 测项：氡、汞、氦、二氧化碳为主。” 其它地球物理方法 微重力测量法、井间电阻率成像、井间电磁波成像、微动测深等。地震活断层的探测方法活动断裂地球化学探测方法 地球化学野外测量 异常确定 异常解释地下流体在地震孕育中的作用 传递能量 改变孕震体的边界条件（润滑、空隙压力） 改变孕震介质的力学性质（水岩反应） 形成高应力地体-导致地震发生
