地下氫氣微動態與動力響應特征

劉耀煒張 磊范雪芳王海燕任宏微孫小龍楊朋濤中國地震局地殼應力研究所地殼動力學重點實驗室，北京 100085山西省地震局，太原 030002遼寧省地震局，沈陽 110031

地下氫氣微動態與動力響應特征

劉耀煒1）張 磊1）范雪芳2）王海燕3）任宏微1）孫小龍1）楊朋濤1）
1）中國地震局地殼應力研究所地殼動力學重點實驗室，北京 100085
2）山西省地震局，太原 030002
3）遼寧省地震局，沈陽 110031

地球內部氣體中與構造活動有直接關系的氫（H2），被廣泛認為是最有可能在短臨地震前兆異常中獲得突破的測項。研究表明，地殼逸出的氫、特別是斷裂帶溢出氣中H2形成的機理歸納為3種類型：①地殼下層的塑性巖石在斷層錯動過程中會產生H2，如蛇紋巖或硅酸巖大新鮮裂隙和破裂面容易發生水巖反應直接產生氫；②源于地殼深部巖石孔隙、裂隙中被封存的H2，隨著斷裂帶巖石中裂隙的連通和孔隙壓力的增大，會導致H2經裂隙向上運移，溢出地表，使地下水及土壤氣中的H2濃度升高；③地震孕育過程中，特別是臨震破裂階段，巖石膨脹產生超聲振動，可釋放巖石孔隙、裂隙中封存的H2。斷裂帶內的H2濃度可以反映斷裂帶的活動程度。

盡管前人對氫氣與地球排氣以及地震活動關系給予了高度關注，但人們對地下氫氣的微動態特征以及氫濃度與介質動力響應過程的關系了解甚少。以往氫的觀測技術未能達到在臺站連續觀測的程度，氣相色譜儀氫濃度檢出限較低，無法觀測到氣氫濃度微動態特征和地下介質動力加載作用的響應信息。“十二五”國家科技支撐項目支持研發出新型氫觀測儀，濃度觀測精度達到1×10-7，分辨率優于1×10-8，連續觀測最小采樣率為2 min，采樣量50 ml。觀測儀器能夠觀測水中逸出（或溶解）氫濃度或斷層帶土壤中的H2濃度，滿足對地下氫高采樣率觀測的要求。觀測儀器配有環境氣溫傳感器和氣壓傳感器，與觀測值同步的氣溫、氣壓數據有利于對觀測資料的干擾因素分析和獲取可靠的氣體濃度變化觀測結果。

熱水井逸出氣氫濃度觀測在遼寧錦州沈家臺熱水井進行。沈家臺熱水井位于遼西塊隆東北端，北東向和北西向斷裂構造的交匯部位，觀測井深155 m，基巖裂隙水，水溫27 ℃。觀測時間2010年1月至2012 年2月，觀測結果表明，沈家臺熱水井逸出氣氫濃度變化幅度為（1.5～2.5）×10-6，觀測過程中獲得了2011 年3月11日日本9.0級地震氫濃度的同震響應信息，與井水位震蕩同震效應時間同步，同震響應的氫濃度異常幅度達到2.87×10-6。對正常觀測資料時均值的譜分析結果表明，氫濃度出現明顯的半日波信號，調和分析得到氫濃度的M2波幅度達到0.92 ×10-6，這是國際上首次獲得氫濃度同震響應與固體潮信息。

斷裂帶逸出氣氫濃度實驗觀測在山西中條山斷裂夏縣山前斷裂段開展。觀測從2010年2月起至今長達6年多時間，未出現儀器故障斷數。斷層氣氫濃度正常動態具有日變形態和年變形態，正常背景濃度為（2～3）×10-6，正常日變幅度約（0.2～0.6）×10-6，年變幅度為（5～10）×10-6。觀測期間距測點330 km周口發生4.7、4.3級地震，氫觀測值出現形態相似的異常變化，幅度達（25～48）×10-6，取得較好震例，在新疆、云南氫觀測點上也獲得類似的異常震例。斷裂帶氣體氫濃度變化與環境溫度有一定相關性，氣壓影響不顯著，但長時間降水直接滲入觀測孔，會對觀測值有一定影響；500 m范圍內的地下水抽水會引起氫濃度的同步升高；氣路被冷凝水堵塞是造成氫測值低于背景值的主要原因。

研究表明，地殼氣體氫濃度對地下介質動力加載作用響應靈敏，符合地震孕育發生及斷裂活動引起地下介質變化的前兆物理機理，是值得推廣的地震監測預報新方法。當然要提高推廣應用效能，還需要開展深入研究工作：①基于高密度觀測臺陣斷裂活動段與閉鎖段氫變化特征分析；②氫連續觀測野外觀測環境與抗干擾實驗；③溶解氣與斷層氣氫連續觀測臺站建設技術要求；④異常識別、干擾排除與機理分析方法。