Characteristics of gas radon concentration anomaly at Ledu before the 2016 Menyuan MS6.4 earthquake
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青海省乐都气氡观测的对象为断裂带土壤逸出气氡浓度.该测项自2007年开始施测，但直至2013年完成观测装置的完善与更新后，才开始产出连续稳定的数据产品. 2014年至2016年初的气氡观测曲线呈现清晰完整的年变形态.
2016年1月21日门源发生MS6.4地震，其震中距乐都观测点140 km，震前乐都气氡观测曲线出现年变形态异常变化.
图 1给出了乐都气氡浓度2014年以来的观测曲线.由图中红色部分可以看出，自2015年12月19日起气氡浓度打破正常年变形态迅速上升，持续至2016年12月21日；此后约20天内，气氡浓度观测值呈下降—转折—上升变化，并于1月9日达到2015年11月以来的最大值256 Bq/L；之后一直维持在较高水平，且在观测峰值出现后约11天发生了门源MS6.4地震；震后第二天 (2016年1月23日) 观测值开始出现小幅下降；4天后 (2016年1月27日)，观测值以13 Bq/(L·d) 的速率下降，直至2016年2月3日降至最低，为125 Bq/L.综上，乐都气氡呈现了震前剧烈变化、临震持续高值、震后稳定下降的特征，其变化过程与地震在时间上的吻合表明二者具有一定的内在联系.
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图 1 乐都台2014年以来气氡浓度观测曲线Figure 1. Observation curve of radon concentration at Ledu station since 2014此次乐都气氡年变畸变异常为2013年稳定观测以来首次出现.为了确定乐都气氡观测值这次年变畸变异常现象是否与地震有关，立即进行了观测系统检查和环境干扰排查.
观测系统的检查结果显示：① SD-3A自动测氡仪电压检查显示正常；② SD-3A自动测氡仪供电系统和仪器线路接触良好；③检查仪器及其工作参数等，并进行复位操作，测氡仪的各项参数符合要求；④观测人员业务熟练，工作经验丰富，且SD-3A测氡仪为自动装置，无需人工取样，故观测数据基本不受人为因素影响；⑤抽气装置及气路密闭性好，无老化漏气等现象.
现场调查结果显示：①周边无大型施工作业及工业设备，仅有一家小型自来水公司，定时定量抽水，长期以来很稳定，无变化；②距离观测点约2 m处为引胜河，流量与往年相比，无明显变化，属正常状态；③观测室的温度和湿度符合规范要求，无明显变化；④辅助观测气象三要素的对比观测显示，自2014年1月份以来，该测点温度和气压变化均正常，无突变.
这样看来，乐都台站的其它测项，例如，水温、气象三要素等在该异常出现前后并未呈显著变化，而且周边其它气氡观测点也未发现类似变化，故将此次乐都气氡大幅度突升异常认定为地震前兆异常.
在乐都气氡异常变化的分析过程中，为了解观测点周围水体的水化学组分变化情况，本研究还对观测点附近所采水样进行了地球化学组分分析，以期为该异常的判定提供地球化学方面的佐证.
选取观测点周边1.4 km内的5个取样点，在震前、地震当天及震后11天分3次取样，进行水化学组分分析.使用PHS-3CT型酸度计、DDS-320型电导率仪和XZ-0125型多参数水质分析仪分别测试了各水样的PH值、电导率、溶解固体总量 (total dissolved solids, 简写为TDS)，以及铬、锰、铁、铜、氨氮、总氯、镍、磷酸盐的浓度，其中：酸度计误差为±0.01；电导率仪测量误差为±0.5%；水质分析仪浓度检测限为0.01 mg/L，示值误差为±5%. 2016年1月13日、1月21日和2月1日的水样化学组分分析结果列于表 1—3.
表 1 2016年1月13日水样化学组分分析结果Table 1. The analysis results of hydrochemical composition of water samples on January 13, 2016取样
点各元素浓度/(mg·L-1) 电导率
/(μm·cm-1)TDS
/(mg·L-1)PH
值铬 锰 铁 氨氮 总氯 镍 磷酸盐 井1 0.06 0 0.02 0.91 0 0.03 0.88 579 261 8.8 井2 0.09 0.02 0.02 0.64 0.01 0.04 0.45 1017 522 8.4 台1 0.08 0 0.02 0.68 0.01 0 0.45 436 363 8.8 厂1 0.06 0 0.01 0.96 0 0.03 0.19 559 277 8.6 河1 0.06 0 0.01 0.65 0.01 0.05 0.10 453 223 8.7 表 2 2016年1月21日水样化学组分分析结果Table 2. The analysis results of hydrochemical composition of water samples on January 21, 2016取样
点各元素浓度/(mg·L-1) 电导率
/(μm·cm-1)TDS
/(mg·L-1)PH
值铬 锰 铁 氨氮 总氯 镍 磷酸盐 井1 0.1 0.02 0.02 0.55 0 0 0.16 611 325 8.6 井2 0.1 0.01 0.04 1.02 0 0 0 1040 573 7.6 台1 0.08 0 0.01 0.09 0 0 0 677 377 7.9 厂1 0.14 0 0.01 1.01 0 0 0 517 280 8.0 河1 0.1 0 0.01 0.51 0 0.03 0 456 251 8.5 表 3 2016年2月1日水样水化学组分分析结果Table 3. The analysis results of hydrochemical composition of water samples on February 1, 2016取样
点各元素浓度/(mg·L-1) 电导率
/(μm·cm-1)TDS
/(mg·L-1)PH
值铬 锰 铁 氨氮 总氯 镍 磷酸盐 井1 0.08 0 0.01 0.34 0.01 0 0.63 629 312 8.2 井2 0.08 0 0.02 1.65 0.01 0 0.07 1011 621 7.4 台1 0.08 0 0 0.44 0.02 0 0.09 745 367 8.6 厂1 0.09 0 0.01 1.17 0 0 0.26 634 329 8.5 河1 0.07 0 0 0.52 0 0 0.08 460 216 8.3 基于表 1—3中的数据，将5个水样中各化学组分测项的3次取样值绘于图 2，可见，各化学组分总体上表现为3种形态：“V”字型变化、无序变化、平稳变化.从图 2还可以看出：井2样品的测试结果与其它4个样品的差值较大，这是由于样本为不同含水层采集所致，井2的取样点深度约为130 m，其余4处取样点均为地表水；从环境角度来讲，铬、锰、铁、氨氮、总氯、镍、磷酸盐、总氯等测项为反映污染程度的指标，该测试结果表明5个取样点的水质均未受到外界污染；除无序变化的锰、镍外，其它测项在1月21日均有不同程度的同步性波动变化.
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图 2 3次取样中各水样测项的浓度变化图(a) 铬; (b) 磷酸盐; (c) 铁; (d) 总氯; (e) 锰; (f) 镍; (g) 电导率; (h) TDSFigure 2. Concentration change of inspection items from water samples(a) Chromium ions; (b) Phosphates; (c) Iron ions; (d) Total chlorine; (e) Manganese ions; (f) Nickel ions; (g) Electric conductivities; (h) TDS乐都气氡观测点与门源MS6.4地震震中相距约为140 km.门源MS6.4地震前32天, 乐都气氡浓度发生显著变化，快速上升，涨幅达160 Bq/L，为年变畸变异常.对现场观测系统的工作状态和井房周围环境的调查结果表明，观测点周围并未发现明确干扰源及异常情况；对比水温的观测也未发现明显异常，故判定乐都气氡上升情况具有一定信度，是单井单项观测手段异常.从水化学组分测试结果来看：除井2为深层水外，其它4个样品均为浅层的同层水，且在本次测试中未发现水质受外界污染的情况；除无序变化的锰、镍和PH值外，其它测项在1月21日的数据均有不同程度的同步性波动变化，但未能证明该变化与本次地震直接相关 (高小其等, 2001, 2002；黄辅琼等，2002).由于青海地区无背景值资料，导致在分析工作中困难重要，下一步工作中将继续采集水化学样品，开展测试分析工作，总结归纳该地区的水化学背景资料，以备后用.
综上可知，乐都气氡异常具有很高信度.在调查落实期间，发生了门源MS6.4地震，通过震前、发震当天、震后的异常形态变化及两次现场异常核实分析结果，可以判定该异常为门源MS6.4地震的前兆异常.基于该异常，首次在青海省内开展了水化学组分测试分析工作，虽未能有力地说明离子浓度的规律变化与构造活动直接相关，但可作为背景值分析，为异常跟踪和震情研究工作提供依据.
青海省地震局马玉虎、邱鹏成、屠泓为、张晓清、杨晓霞、李霞等和海东市地震局李延京、何永强、孔德明等在资料收集、异常跟踪及稿件撰写过程中给予了帮助和支持，审稿专家提出了意见，作者在此一并表示诚挚的感谢. -
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图 1 乐都台2014年以来气氡浓度观测曲线
Figure 1. Observation curve of radon concentration at Ledu station since 2014
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图 2 3次取样中各水样测项的浓度变化图
(a) 铬; (b) 磷酸盐; (c) 铁; (d) 总氯; (e) 锰; (f) 镍; (g) 电导率; (h) TDS
Figure 2. Concentration change of inspection items from water samples
(a) Chromium ions; (b) Phosphates; (c) Iron ions; (d) Total chlorine; (e) Manganese ions; (f) Nickel ions; (g) Electric conductivities; (h) TDS
表 1 2016年1月13日水样化学组分分析结果
Table 1 The analysis results of hydrochemical composition of water samples on January 13, 2016
取样
点各元素浓度/(mg·L-1) 电导率
/(μm·cm-1)TDS
/(mg·L-1)PH
值铬 锰 铁 氨氮 总氯 镍 磷酸盐 井1 0.06 0 0.02 0.91 0 0.03 0.88 579 261 8.8 井2 0.09 0.02 0.02 0.64 0.01 0.04 0.45 1017 522 8.4 台1 0.08 0 0.02 0.68 0.01 0 0.45 436 363 8.8 厂1 0.06 0 0.01 0.96 0 0.03 0.19 559 277 8.6 河1 0.06 0 0.01 0.65 0.01 0.05 0.10 453 223 8.7 
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表 2 2016年1月21日水样化学组分分析结果
Table 2 The analysis results of hydrochemical composition of water samples on January 21, 2016
取样
点各元素浓度/(mg·L-1) 电导率
/(μm·cm-1)TDS
/(mg·L-1)PH
值铬 锰 铁 氨氮 总氯 镍 磷酸盐 井1 0.1 0.02 0.02 0.55 0 0 0.16 611 325 8.6 井2 0.1 0.01 0.04 1.02 0 0 0 1040 573 7.6 台1 0.08 0 0.01 0.09 0 0 0 677 377 7.9 厂1 0.14 0 0.01 1.01 0 0 0 517 280 8.0 河1 0.1 0 0.01 0.51 0 0.03 0 456 251 8.5
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表 3 2016年2月1日水样水化学组分分析结果
Table 3 The analysis results of hydrochemical composition of water samples on February 1, 2016
取样
点各元素浓度/(mg·L-1) 电导率
/(μm·cm-1)TDS
/(mg·L-1)PH
值铬 锰 铁 氨氮 总氯 镍 磷酸盐 井1 0.08 0 0.01 0.34 0.01 0 0.63 629 312 8.2 井2 0.08 0 0.02 1.65 0.01 0 0.07 1011 621 7.4 台1 0.08 0 0 0.44 0.02 0 0.09 745 367 8.6 厂1 0.09 0 0.01 1.17 0 0 0.26 634 329 8.5 河1 0.07 0 0 0.52 0 0 0.08 460 216 8.3
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