山西東郭斷層氣氫濃度異常調查與研究*

范雪芳，劉國俊，黃春玲，何 鑭，李孝楠

(1.山西省地震局，山西太原030021;2.山西省地震局夏縣中心地震臺，山西夏縣044000;3.杭州超距科技有限公司，浙江杭州310030)

0 引言

地震前兆異常的研究是突破地震預報難關的重要環節(車用太，魚金子，2004)。如何從各種變化中判斷出異常與地震孕育、發生過程有關還是由觀測環境變化等其他因素引起的，是地震分析預報工作的基礎(劉耀煒等，2006)。實際觀測中遇到的絕大多數異常都是非地震前兆異常(廖麗霞等，2013)，但這些非地震前兆異常有時很難辨別，因此觀測資料異常的現場核實與分析工作就顯得尤為重要。

氫具有遷移和擴散快速，滲透能力極強的特點，能靈敏地將地下深部變化的信息傳遞到地表，痕量氫自動分析儀記錄到了氫濃度的微動態變化過程，比正在使用的氣相色譜儀或質譜儀觀測周期短，可以實時監控、網絡傳輸，實現了氣體地球化學數字化觀測監測，為我國開展氣體地球化學監測方法提供了新技術，是一項具有廣闊前景的地震觀測方法。

2013年4月東郭斷層氣觀測點氫濃度出現2次短期過程的突出變化，每次持續時間4～5 d。由于斷層氣氫觀測有過比較好的前兆震例(黃春玲，王向陽，2012)，因此氫觀測值的突出異常變化引起了分析預報部門的關注。這2次氫異常是地震前兆異常還是由干擾引起，無論從地震預報的現實工作需要，還是從異常成因機理的研究來講，都需要給出一個科學合理的分析結果。筆者依據地下流體學科觀測資料異常變化現場核實工作技術要求，收集了東郭斷層氣觀測點的基礎資料，針對觀測技術系統、集氣系統、儀器標定、對比觀測、周邊環境干擾情況等因素，從各個環節逐一進行了分析，給出了異常排查的依據，合理解釋了異常產生的可能機理。

1 東郭測區水文地質概況及氫濃度異常特征

1.1 測區水文地質概況

東郭斷層氣氫測點位于運城市東郭鎮東郭村(35.0°N，111.1°E)(圖1)，海拔高程400 m。測區南靠中條山，北依稷王山，中部為平原。該觀測點位于中條山山前地帶，在構造上處于NE向中條山山前大斷裂與NW向隱伏斷裂交匯部位(蘇宗正等，2001;李自紅等，2012)，水文地質上處于中條山大氣降水滲入補給與運城鹽湖排泄區之間的地下水徑流帶。中條山斷裂長137 km，走向NE—NEE，傾向NW，傾角58°～75°，為高角度正斷層，屬于鄂爾多斯斷塊周邊活動斷裂系的東南部分，并且是運城斷陷盆地和中條山斷塊隆起的分界(圖1)。根據構造不連續特征(程紹平，楊桂枝，2002)，中條山斷裂被分為3段，自東北向西南分別為夏縣段、解州段和韓陽段。觀測點所在區域分為兩個水文地質單元，東部山區基巖裂隙水及山前傾斜平原松散層孔隙水區，東部山區含水層為涑水群變質巖，風化裂隙十分發育，受大氣降水補給及東部鄰區側向徑流補給，由東向西徑流補給洪積山區;西部平原區0～50 m以上含水層為礫卵石層，含水豐富;50～200 m含水層為粉細沙層，富水性較弱;200 m以下含水層為膠結粉細砂，相對含水性較差。

圖1 東郭測區地質構造略圖Fig.1 Geological structure sketch of Dongguo region

1.2 測區周圍地震活動情況

東郭斷層氣氫觀測點位于山西地震帶南端的運城盆地，歷史上，運城盆地地震活動強度較低，周邊最大震級為1815年山西平陸62級地震。近30 a來運城盆地常有4.0級左右中等地震及震群發生。1973年以來在夏縣及其周圍100 km范圍ML≥4.0地震目錄見表1，其震中分布和M－t圖如圖2所示。

1.3 氫濃度異常特征

東郭斷層氣氫觀測點氫濃度正常變化背景值在0.2～0.6 ppm左右波動，2013年4月共出現2次突變異常(圖3)，持續時間4～7 d。第一次變化是4月7～10日，最大變化幅度達14 ppm;第二次突升變化是4月24～29日，最大變化幅度為25 ppm，第二次變化比第一次變化幅度大、持續時間長。4月在同一測點連續出現2次突變，間隔時間比較短，其變化幅度達到正常背景值的20倍以上，可以作為一組異常對待。由于山西中南部多年來一直被列為值得注意地區，此異常對震情判斷非常重要。

表1 1979～2013年山西夏縣及其周圍100 km范圍ML≥4.0地震Tab.1 Distribution of ML≥4.0 earthquakes in and around Xiaxian，Shanxi Province from 1979 to 2013

圖2 1979～2013年山西夏縣及其周圍100 km范圍ML≥4.0地震分布(a)及M－t圖(b)Fig.2 Distribution of ML≥4.0 earthquakes in Xiaxian and its adjacent area of 100 km in Shanxi province from 1979 to 2013(a)，and M－t diagram(b)

圖3 東郭測點氫濃度異常變化曲線Fig.3 Hydrogen concentration abnormal variation recorded by Dongguo measuring point

2 氫測點概述

很多學者都發現氫在水、土壤中的背景值較低，出現異常時變化幅度較大，異常的相對變化甚至高過原背景量2～3個數量級，易于識別，并且異常多出現在震前短臨階段，是值得推廣的地震短臨監測方法(張培仁等，1993;林元武等，1994)。由于以往氫氣觀測方法使用熱導檢測器氣相色譜儀，儀器靈敏度低，檢出限為1×10－5，而一般土壤中的氫濃度的背景值為0.5×10－6，甚至更低，用氣象色譜儀就檢測不到氫氣的背景動態。另外，人工取樣操作繁雜，每天只能產生一個數據，無法分析一些低氫含量觀測點的正常動態，不能有效判定異常觀測量的可靠性，滿足不了地震監測提取地震前兆異常的需求。

2012年在山西夏縣的中條山山前斷裂上布設了4個斷層氣氫濃度連續觀測點，使用痕量氫在線自動分析儀，開展定點連續觀測。東郭斷層氣氫觀測點于2012年5月成孔，孔深6.5 m，氫濃度背景值1.4 ppm，取得了氫濃度連續可靠觀測數據。以下詳細論述實驗過程和實驗方式。

(1)集氣裝置制作:觀測孔由人工開挖，孔深6.5 m，裸孔直徑1.0 m，觀測孔底部放置一根打有若干透氣小孔、直徑110 mm，長0.6 m的PVC集氣管，并與直徑50mm、長度6.5 m的PVC導氣管相連接。導氣管出露地面約0.6 m，在頂部用橡皮塞密封。為防止因淺層地表水位上升導致潮濕氣體進入取樣管，且有利于氣體通過，在集氣孔底部鋪設一層透氣性好的礫石層。為防氣體逸出，礫石層上面鋪設塑料厚膜密封，用土回填。為了開展兩套儀器的對比試驗觀測，使用三通管連接導氣軟管，并與孔內PVC導氣管連接。觀測孔集氣裝置結構見圖4。氣體富集與采樣時間可在儀器上直接設定，設定采樣時間間隔為30 min。

圖4 東郭觀測孔集氣裝置示意圖Fig.4 The schematic diagram of gas collection equipment at Dongguo measuring point

(2)數據采集:根據痕量氫在線自動分析儀的功能，設定觀測時抽氣時間10 s，抽氣流量0.3 L/min，抽氣總氣量為0.05 L。儀器每次測量氣體用量為0.001 L，根據測量值的絕對量，自動換算成氫濃度(ppm)存入儀器內存。

(3)數據提取:可在儀器上直接設定IP地址，通過網絡遠程實時接收數據，也可以從儀器上直接導出所需時段的數據曲線與數據顯示，并通過網頁直接繪制、瀏覽設定時段的曲線或數據，網頁界面見圖5。

圖5 氫濃度觀測實時監控網頁界面Fig.5 Real-time monitor web interface of hydrogenconcentration observing system

東郭斷層氣氫觀測點自2012年11月開始正常觀測，儀器產出溫度和氣壓輔助觀測數據，氫濃度與溫度、氣壓的變化關系曲線見圖6，日變形態穩定，觀測值受氣溫、氣壓的影響較小。

圖6 東郭氫濃度與溫度、氣壓的變化關系曲線Fig.6 Hydrogen concentration variation curve versus temperature and atmospheric pressure

3 異常調查及成因分析

3.1 觀測技術系統工作狀態檢查

通過對東郭斷層氣氫觀測點的儀器運行狀況、電源線路、電壓等觀測系統進行排查，確認觀測儀器工作正常，電源線路、電壓均沒有變化，數據采集系統沒有問題，觀測系統工作正常，測點觀測孔結構沒有變化，氫濃度變化是真實的。

3.2 儀器標定

為了確定觀測值的可靠性，異常核實中對儀器進行了現場標定。通過標定，可以發現儀器傳感器性能是否發生變化。標定過程按照有關規范要求，使用的標準氣符合相關標準，同時邀請儀器生產廠家到現場進行操作，避免操作中引起的誤差。標定過程按以下程序完成。

(1)k值計算:

式中:k為標定的儀器系數(μl/mV);C為標準氣體濃度(μl/L);V標為標準氣體體積(L);U為傳感器顯示的電壓值(mV)。

(2)氫濃度計算:根據儀器性能，傳感器在一定氣體濃度范圍內，氣體濃度變化產生的電壓變化是線性的。即:

已知，當注入的氣體中沒有氫氣，那么傳感器的電壓輸出為0，即b=0;式(2)簡化為:y=k×x。

儀器在自動測量過程中，采樣的體積一定為1 ml，所以測量時，氫濃度值y=標定系數×毫伏數/1 ml:

式中:y為樣品氫氣濃度值(10－6×μl/L，即ppm)，k為標定的儀器系數(μl/mV)，U為傳感器顯示的電壓值(mV)，V樣為進樣體積(L)。

2013年5月7日14時35分，由儀器廠家對正在運行的東郭1儀器進行標定，用針筒抽取1 000 ppm濃度的標準氣體0.02 ml，標定得到的k值為0.041 83。2012年5月出廠時標定的 k老為0.045 898 5，這次新標定的k新為0.041 83，新老k值誤差為:

根據儀器性能指標，儀器穩定性指標k值，在12個月內相對誤差應小于10%。標定結果在儀器性能誤差范圍內，說明儀器工作正常。

3.3 對比試驗

除了開展上述儀器標定外，為了解測量值的一致性狀態，本實驗在同一工作環境和集氣裝置條件下，同時架設了兩臺相同型號的儀器東郭1和東郭2，采用三通管引入同一個測量孔的斷層氣，采樣率為每30 min 1個值，兩套儀器采樣間隔時間為15 min。圖7給出兩套儀器對比觀測的曲線，數據趨勢變化形態一致，通過對比結果分析，說明儀器工作正常，排除儀器干擾的可能。

圖7 兩套儀器對比觀測實驗結果(a)兩套儀器對比曲線;(b)兩套儀器同軸對比曲線Fig.7 Comparative observation test results of two suits of equipments(a)comparative observation curve of two suits of equipments;(b)coaxial comparative curve of two suits of equipments

3.4 環境干擾調查分析

環境干擾因素的調查分析，主要是查清觀測點周圍有無直接影響觀測值的環境因素。該觀測點位于運城市東郭村北邊約150 m處，四周均為農田。測點南距中條山山前斷裂約2.5 km，北距鹽湖東部約2 km。整個地形呈南高北低，中條山山根至鹽湖東部高差約50 m，屬中條山山前洪積扇。本次工作調查了周圍3 km范圍內用、抽水情況及新鉆井孔情況。據調查，2013年東郭鎮白莊村新打了兩口井，對新打的兩口井的施工情況進行了以下詳細調查與分析。

(1)周圍用水情況調查:在東郭測點周圍有東郭村、下月村、上月村和白莊村，調查周圍3 km范圍內有10口抽水澆地、飲用井，有些淺井用于季節性抽水，有的在調查季節停測。調查井孔基本情況見表2，空間分布見圖8。淺水抽水井的用水情況沒有改變，停用的淺井也沒有變化，所以周圍用水井不會引起氫濃度的改變。

(2)運城市東郭鎮白莊村新鉆1#井于2013年3月29日開鉆，工期13天。1號井位于白莊村(35.024 4°N，111.145 0°E)(圖8)，高程386 m，此井距東郭測點2.12 km，井深130 m。據鉆井人員介紹，此井工期13 d，8 d后基本打成，4月7日下井管破壁，9日洗井，10日開始抽水，5月7日到現場時1#新井正在抽水。而氫濃度出現大幅度變化時間是7日開始上升，8日達最大值，9日下降，10日觀測數據恢復背景值(圖3)。數據出現大幅度變化與施工時間相吻合。

表2 東郭測點周邊井孔基本情況Tab.2 Basic situation of boreholes around Dongguo measuring point

(3)運城市東郭鎮白莊村2#井于2013年4月22日動工，23日休息，24日開鉆，工期7 d，4月29日結束。2號井也位于白莊村(35.026 4°N，111.142 2°E)，高程 386 m，此井距東郭測點1.8 km，井深140 m。據鉆井人員介紹，在27～28日洗井、下井管，30日鉆孔完工。5月7日到現場時，2#新井鉆井架子沒有拆除，尚未投入使用。而氫濃度24日出現上升，大幅度變化時間是27～28日，28日達最大值，29日下降，30日恢復正常，觀測數據恢復背景值(圖3)。數據出現大幅度變化與施工時間相吻合。

圖8 東郭氫觀測點周圍用水井分布圖Fig.8 Distribution of water wells around Dongguo measuring point

4 異常性質判定及成因分析

4.1 氣象因素分析

根據前人的研究成果，氣體濃度的變化受氣象因素的影響，隨著溫度的升高，氣體溶解度增大，濃度升高，但氫濃度短期突變與溫度因素無關(陳華靜等，1999;范雪芳等，2012;黃春玲，王向陽，2012)。另外，分析了氫濃度與降雨關系，東郭測點孔深6.5 m，受地表降雨補給影響比較小，且異常出現的4月為干旱季節，測點附近無降雨，所以降雨對氫濃度的變化沒有影響。

4.2 周圍新開采井施工關系

通過調查分析，東郭鎮白莊村新打兩口井井深分別為130 m、140 m，在施工過程中，井孔下套管需要2～3 d，氫濃度出現大幅度變化的時間與下井管時間吻合，井管放好后，新打井開始抽水或停工，氫濃度觀測數據恢復背景值。2次氫濃度突變時間鉆井時間吻合，可以初步判斷氫濃度的大幅度突變是新打井施工造成。

4.3 成因分析

氫(H2)是無色無味的氣體，其特點是質量輕，粘度小，極易遷移，并具有很強的滲透與擴散能力。H2主要來自地殼深部的化學作用、生物作用、放射性衰變與火山活動。地下巖體或松散層中都存在有He、H2、Rn、CO2等氣體，含量一般較低，大多呈自由狀態存在于巖石和土層的孔隙中，或吸附在巖土的顆粒表面。在外界條件不變時，這些氣體處于平衡狀態;當環境條件改變時，地殼表層中的次生氫氣，包括生物成因和化學成因的一些表層次生氫氣平時以分子狀態聚積在土層孔隙中，或吸附在巖土顆粒表面(高清武，范樹全，1992)，當地下條件改變時，它們會改變原來狀態，按一定方向運移和再分配。由于斷裂附近應力容易集中，當地下應力加強時，地下不同深處的次生氫氣便向斷裂帶匯集，使斷層氣氫增高。因此鉆孔施工過程中，下套管會引起巨大的震動，在周圍環境條件發生變化，強大力的作用下造成地層松動，由于氫具有極強的穿透和擴散能力，氫快速遷移，氫濃度短期出現大幅度突跳異常變化，且氫濃度出現突變的時間與井管下套管時間一致，當新井處于抽水或停用狀態，沒有大的沖擊力，氫濃度恢復正常，因此氫濃出現的短期突變異常系非構造活動引起。

5 結論及討論

前兆觀測的多樣性、個體差異性造就其復雜性，影響資料產出的因素很多，既有外部環境、觀測系統、隨機(人為)干擾等，又有類似斷層氣氫濃度短期變化由施工過程引起等個別性因素，在異常核實的過程中須逐一排查，盡可能剔除非震兆性異常。

2013年4月氫濃度出現2次的突變異常，通過觀測系統檢查、儀器標定、同一測點兩套儀器對比分析、氣象因素和環境調查等因素綜合分析，結果表明，氫濃度4月出現的2次突變與相距2 km左右兩口新打井施工過程有關，并非地震前兆。本文提供的異常核實過程及分析依據，可作為異常核實工作的一個實例，對今后異常現場核實、異常性質判別提供借鑒和參考。

本項工作在完成過程中得到劉耀煒教授的指導，在此表示衷心的感謝!

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