氡作为地下流体映震敏感组分，在目前地震前兆监测预报中占有重要的地位，尤其是在我国地震地下流体学科中，与水位并列作为两大主测项而受到重视^[1-3]。在1944年日本西南海岸发生的8.3级地震震前Hatuda观测到氡的突变现象^[4]，引发了地震科学家开展氡与地震关系之间的研究，此后，前苏联、中国、美国、日本、欧洲等许多国家和地区开展了氡观测和地震预测及构造活动的研究，并积累了大量的资料。

车用太等依据大量的震例，提出了水氡异常的水动力学机制，即在较低的应力水平下含水岩体的变形与其水动力状态的变化引起水氡的异常机制^[5]；范雪芳等对定襄泉的水氡异常特征进行了可靠性论证，认为该井水氡在1998年张北6.2级地震前存在可信的前兆异常^[6]；晏锐等对2008年汶川8.0级地震前的地下流体资料进行回顾与异常特征进行分析，认为震前多井的水氡异常存在一定程度的趋势性异常，且异常形态多以趋势性高值异常为主^[7]；苏小芸等以2008年汶川8.0级2013年甘肃岷县—漳县6.6级地震为例研究了甘东南地区的多个台的水氡变化，认为在两次地震前水氡浓度均存在临界慢化特征^[8]。长期的观测结果表明，氡等地下流体地球化学组分存在震前具有显著的异常变化^[9-12]。

在地质构造上，台湾及其附近海域位于欧亚板块与菲律宾板块的交接带，受到菲律宾板块的推挤，强震活动十分频繁^[13]。华安汰内温泉水氡观测点位于靠近台湾海峡南部的闽粤交界附近，受台湾强震的影响，该区域内中强以上地震相对较为活跃，一直是该区震情关注的重点。该温泉水氡自1987年开始观测，至今已积累了30多年的观测资料期间也出现过不同程度的中短临前兆异常^[14-17]，为该区域的地震预报提供一定的经验尝试。本文在对华安汰内温泉水文地球化学特征分析的基础上，研究其温泉水氡的变化形态和影响因素，结合期间台湾地区发生的多次7级以上强震，对映震特征进行研究，并利用Molchan图表法对其预测效能进行检验和评估，得出最佳的异常判定指标和有效的预测时间。

华安汰内温泉水氡观测点位于福建省漳州市华安县沙建镇汰内村（24.72°N，117.55°E），海拔高程105 m，测点处于华南块体东缘，NE一NNE向长乐一诏安断裂带的西侧断裂与政和—海丰断裂带的东侧断裂通过本区，并与斜贯本区的NW—NNW向九龙江断裂交汇，控制着该区的现代断块差异运动、地震活动和温泉出露^[18]。华安汰内温泉出露于北325°西的张性断裂新华夏系尚卿—坂里断裂带和第四纬向构造带复合部，NNE向的福安-南靖断裂带中段，坂里—汰内—南蔗构造变质带上，断层倾角直立，两盘裂开约10 cm左右（图1）。

图1 福建华安汰内温泉地质构造图Fig.1 Geological structure map of Tainei hot spring in Hua'an，Fujian

华安汰内温泉井始建于1982年7月，该泉点为自流上升热泉，水头高度2.5 m，泉口水温61℃， 1983年进行改造，用直径10 cm的水泥管下埋4 m至基岩，排除地表水干扰。目前主要测项为水氡和水化学离子，辅助测项有水位和气温。该温泉井水氡的观测系统由FD-125氡钍分析仪和DB-2001A标定器组成，主机、副机各一套，每日8：00定时采样进行测量，该温泉水氡资料多年来一直变化比较稳定，被评估为A类。

地下水水化学特征是岩土体中的矿物成分和地下水流之间相互作用的结果，它决定于地下水运动时接触的围岩成分、水文地质条件和氧化还原环境等^[19]。本次研究中，于2021年7月在华安汰内温泉泉口取样，水样寄送至中国地震局地壳应力研究所进行水质检测，水质分析见下图（表1）。

样品显示华安汰内温泉水体的矿化度为408.23 mg/L，泉水阴离子主要成份为HCO^-₃，含量146.44 mg/L；其次为SO^{2 -}₄ ，含量112.45 mg/L.阳离子主要成份为Na⁺，含量为103.32 mg/L，其次为Ca^{2 +}，含量为16.64 mg/L。泉水水化学类型为HCO₃∙SO₄ - Na型水（图2），水化学类型显示该温泉水体经历了较长的补给路径，发生较为强烈的Ca^{2 +}、Na⁺阳离子交替吸附作用以及还原反应，同时Na - K - Mg三角图解法结果也显示出该温泉水体处于部分平衡水状态（图3）。

表1 华安汰内温泉水化学主要离子成份Table 1 Main ion components of water chemistry of Tainei hot spring in Hua'an

图2 华安汰内温泉水化学成分Piper三线图解Fig.2 Piper three line diagram of chemical composition of Tainei hot spring in Hua'an

图3 华安汰内温泉Na-K-Mg三角图解Fig.3 Na-K-Mg triangle diagram of Tainei hot spring in Hua'an

研究表明，温泉水氡在观测过程中不仅会受到构造因素的影响，还会受到气温、降雨和流量等非构造因素的影响^[20-21]，图4为1987—2020年华安汰内温泉水氡日测值资料，显示水氡测值变化比较稳定，表现出明显的夏高冬低年变动态特征。为分析水位和气温与水氡测值的相关关系，选取2010年1月—2020年12月共计252个月值数据（图5），利用一元线性回归方法对水氡资料多年来的变化与水位、气温之间相关性进行拟合分析，结果显示（图6），水氡与水位测值的相关系数为0.4442，拟合方程为y=27.2725x + 58.5121；水氡与气温测值的相关系数0.4377，拟合方程为y=0.4231x + 74.2604，水位、气温与水氡都呈正相关性，相关程度基本相同。表明在该区域，随着气温的变化引起大气中水循环和降水的变化，引起水位产生变化，从而引起温泉水中溶解水氡含量的变化，三者呈现出一定的正相关性。

图4 华安汰内温泉水氡测值曲线图Fig.4 Measured value curve of water radon of Tainei hot spring in Hua'an

图5 华安汰内温泉水氡（a）、水位（b）、气温（c）观测曲线Fig.5 Observation curves of water radon（a），water level（b）and air temperature（c）of Tainei hot spring in Hua'an

图6 水氡浓度与水位（a）和气温（b）的相关性Fig.6 Correlation between water radon concentration and water level（a）and air temperature（b）

基于华安汰内温泉水氡出现的高值异常与台湾地区7级以上强震间具有较好的对应关系，显示出华安汰内温泉水氡在台湾多次强震前具有较好的映震能力。利用有效可靠的前兆预测指标和方法来识别异常实现地震预报的主要途径，开发具有一定预报效果的预测指标是实现短临预报的重要技术途径。

为了验证华安汰内温泉水氡异常指标的预报效能，采用Molchan图表法值对其进行检验和评估。Molchan图表法（Molchan Error Diagram）最早是对20世纪80—90年代开展的经验性地震预测进行的科学总结，解决固定研究区强震时间的预测问题，并试图给出概率解释而逐渐发展起来的概率统计检验方法。由于该方法既可以直观地反映预测效能，又可以对观测资料进行评估和对异常进行定量分析，从而得出最佳阈值所对应的异常判别指标^[22-27]，对后续前兆资料的异常识别判定具有重要的意义。

为突出资料的前兆异常信息，利用差值方法将水氡资料消除其年变动态成分。本次检验使用1987—2020年的月均值差值观测数据（图9a），检验地震为1987—2020年期间台湾及近海海域的7级以上强震10次（表2、图7）。对不同滑动步长的检验结果如图8所示，颜色表示有效预测期，从蓝色至红色表示有效预测期从1-365 d内，检验效果从概率增益和预测效果两方面来估计。

表2 1987—2020年台湾及近海海域M≥7.0强震目录Table 2 List of strong earthquakes with M≥7.0 in Taiwan and offshore water from 1987 to 2020 year

从图8可以看出，华安汰内温泉水氡预测效能较好，基本上所有数据点的概率增益均大于1，而且预测效能绝大部分在0.65以上，具有统计和检验意义。同时可以看出，在地震前200 d左右检验效果最好，预测效能都大于0.7，概率增益大于2.0，表明华安汰内井水氡的映震特征以中短期为主。

图7 华安汰内温泉井及台湾及近海海域M≥7.0强震分布图Fig.7 Distribution of strong earthquakes with M≥7.0 of Tainei hot spring well in Hua'an and Taiwan and offshore waters

图8 华安汰内温泉水氡对台湾强震预测效能检验Fig.8 Effectiveness test of water radon of Tainei hot spring in Hua'an for strong earthquake prediction in Taiwan

图9a为华安汰内温泉井水氡月均值差值曲线，红色五角星和虚线分别代表选取的10个地震和最优阈值线；图9b为华安汰内温泉水氡漏报率υ与时间占有率τ关系曲线及不同显著性水平α等值线。折线为不同阈值从大到小滑动求得的τ - υ值连线，蓝色圆圈为离原点（0，0）最近的τ - υ值，相应的阈值可作为最优阈值。

基于华安汰内温泉水氡预测效能检验结果，利用Molchan图表法定量提取得到该温泉水氡前兆异常判定指标，从图9a可以看出，该温泉水氡异常的最佳阈值线为3.9977 Bq/L ，从图9b可以看出10个实际发生的地震中，报准8个，漏报2个，报准率80%，漏报率20%，时间占有率0.32，显著性水平α接近最小的α等值线，置信水平高，说明预测效果好。

图9 华安汰内温泉水氡Molchan检验结果Fig.9 Molchan test results of water radon in Tainei hot spring in Hua'an

华安汰内温泉水氡在台湾多次7级强震震前显示出明显的高值异常变化特征，表明该温泉水氡对台湾地区的7级以上强震活动引起的构造应力反映敏感。通过对该温泉的水文地球化学特征、观测水氡的影响因素、映震特征及地震预测效能的检验评估，得出以下结论：

（1）水文地球化学特征显示，华安汰内温泉水体循环深度较大，具有一定的深层水信息，水化学类型为HCO₃∙SO₄ - Na型水，水体经历较长的补给路径；

（2）华安汰内温泉水氡的观测动态呈现夏高冬低年变形态，与水位和气温具有一定的正相关性，且相关程度基本相同，表明随着气温的变化引起的水循环变化，使得水位产生变化，从而引起温泉水体中水氡含量的变化；

（3）基于Molchan图表法对华安汰内温泉水氡资料的检验结果显示，该温泉水氡异常提取的最佳预测指标为3.9977 Bq/L，最佳预报时间为异常出现后180 d内，表明华安汰内温泉水氡映震效能以中短期特征为主。

致谢：本工作得到国家自然灾害防治研究院孙小龙博士和中国地震台网中心王博博士在Molchan图表法程序上提供的指导和帮助，在此向他们表示衷心的感谢。