高精度氫實驗臺網觀測數據淺析

梁 宏，陳學芬，劉雪梅，黃雪影，趙天霞，張永婕

(1.四川省地震局，四川 成都 610041；2.西昌地震中心站，四川 西昌 615000)

地殼中的H2因其獨特的物理化學特性，主要分布在距地殼多震層(10～20 km深度)頂部較近的地方，而且主要沿現今活動斷裂帶出現，與地震活動關系密切(車用太等，2015；杉崎隆一等，1984；竹花康夫等，1983)。通過國內外大量地震監測資料分析認為，H2是對地震前兆響應靈敏的氣體組分，特別是在短臨階段的映震能力，明顯優于其他氣體測項(Sugisaki et al.,1983，1987；車用太等，2002；張培仁等，1993)。地震前出現的氫氣濃度異常時間短、異常特征顯著，多具有明顯的短臨異常特征，通常表現為震前幾天至幾十天的突發性大幅上升(王基華等，1991；粟啟初，1992；范樹全等，1993)。一般情況下由于H2在土壤及地下水中的背景值較低，因此，其出現異常的幅度較高，通常表現為數量級的增幅，異常易于識別(范雪芳等，2014；黃春玲等，2014)。而連續觀測痕量氫儀器的研發成功，為我們開始斷層逸出氣H2的連續觀測提供了理論依據與實踐基礎。

為了探索地震監測預報新技術新方法，在川滇國家地震監測預報實驗場地震潛在危險區川滇菱形塊體東邊界的安寧河斷裂帶和則木河斷裂帶，建設斷層逸出氣H2觀測示范研究區。建設了由連續觀測固定點和流動觀測點組成的較高密度觀測臺陣，點位分布覆蓋不同構造段，在示范研究區域內建設連續觀測固定點5個，流動觀測點12個，連續觀測固定點與流動觀測點采用統一標準化的施工和建設方案。連續觀測固定點和流動觀測點均使用同一廠家生產的高精度痕量氫觀測儀器。

1 觀測場地概況

圖1 高精度氫實驗觀測場地分布圖

前期專家組結合地質構造資料在川滇菱形塊體東邊界的安寧河和則木河斷裂帶進行勘選，預選實驗觀測區域。技術組在專家組預選區域野外實地開展構造地球化學剖面測量，最后綜合區域構造、水文地質、人類活動和土壤氣勘選結果，選擇在土壤氣濃度較高、地下水位埋深大，人為干擾小，利于施工且便于維護的區域建成大箐梁、小廟鄉、羊福山3個斷層氣H2實驗觀測場地(如圖1)。大箐梁場地布設在則木河斷裂帶西昌—普格段的大箐村豐家堡子，建設了1個連續觀測固定點，1個流動觀測點。羊福山場地布設在安寧河斷裂冕寧—西昌段安寧河谷東側的羊福山上，建設了1個連續觀測固定點，4個流動觀測點。在小廟鄉場地布設在安寧河—則木河過渡帶小廟鄉李金堡村北，建設了3個連續觀測固定點，7個定點流動觀測點和1個對比觀測固定點。

2 觀測方法

在三個實驗觀測場地勘選出的觀測點位采用統一標準化的施工和建設方案建設觀測井孔。觀測氣孔位于斷層破碎帶上，井孔直徑1 m，孔深8 m，集氣倉回填礫石，上部用防水材料密封，在孔底預置電子溫度傳感器，預埋集氣裝置及四氟管，四氟管內輸氣管與地面觀測儀器連接。三個觀測場地共建5個固定觀測井孔，12個流動觀測井孔。連續觀測固定點由井孔、基座和觀測機柜、太陽能供電系統組成。觀測機柜內安裝高精度痕量氫觀測儀、地溫觀測設備、電源及通信等輔助設備。在定點流動觀測孔上修建正方形水泥基座，在基座上放置水泥套管，用于保護輸氣管和地溫電纜。在輸氣管口安裝了氣體閥門，套管配置水泥井蓋，流動觀測時打開井蓋進行觀測。

連續觀測固定點安裝ATG-118H型痕量氫觀測儀，儀器檢出限為0.01×10-6(0.01 ppm)，測量范圍0.01～5000 ppm，采樣時間間隔設置為60 min，采樣持續時間設置為30 s，抽氣量為10 ml/min，儀器每次測量氣體量為5 ml。同機測量土壤逸出氣的氫氣濃度、氣溫、氣壓。5個固定點與12個流動點井孔地下8米集氣倉內預埋了WD-2000型陣列式地溫觀測儀傳感器，進行同層地溫的觀測。WD-2000型陣列式地溫觀測儀測量范圍-50～50 ℃，精度0.1 ℃，分辨率0.001 ℃，具有網頁瀏覽、FTP服務、網絡數據通訊等功能，數據采樣率為分鐘采樣，從2016年7月1日起開始連續觀測。流動觀測時使用便攜式儀器進行地溫觀測。氫流動觀測使用便攜式測氫儀ATG-300H進行野外流動觀測，每次測量5個數據后取平均值，采樣間隔5 min，采樣時間為30 s，流動觀測間隔3～4個月，截至2018年7月5日已進行了六期流動觀測。

3 觀測數據分析

從地殼中擴散出的氣體是一個受氣象因素影響的復雜過程(Klusman RW et al.，1987)，氫氣濃度的變化與地溫、氣溫、氣壓有一定的關系(范雪芳等，2012；黃春玲等，2011)，以連續觀測固定點2017年的觀測數據為樣本，結合流動觀測數據進行實驗臺網觀測數據的分析研究，主要分析總結氫氣濃度、地溫、氣溫、氣壓觀測數據變化的日動態、月動態和年動態，淺析氫氣濃度數據變化與地溫、氣溫、氣壓之間的關系，著重考察氫氣濃度與同層地溫、氣溫的關系。

3.1 大箐梁觀測點觀測數據動態分析

圖2 大箐梁氣溫與地溫對比曲線圖(2017.08.17～2017.08.22)

根據流動觀測點數據統計分析，測點附近土壤中氫氣濃度的背景值為0.17 ppm，連續觀測固定點氫氣濃度背景基值為0.05～0.15 ppm。在連續觀測固定點觀測到的地溫與氣溫日變形態良好，地溫與氣溫同步反向變化(如圖2)，地溫日變幅度在1 ℃以內，年變化幅度3 ℃以內，呈現與氣溫相反的夏低冬高的年動態變化特征。氫氣濃度日動態無明顯規律，測值與地溫、氣溫、氣壓無明顯相關性，日動態為脈沖式變化，高值前后測值在背景基值附近變化，走勢較為平穩，年內最大日變幅度為4.0 ppm。氫氣濃度無明顯年動態變化特征，觀測數據變化的日動態、月動態和年動態分別如圖3～5所示。

此測點由于測值低，在觀測過程中進行過不同采樣時間、不同采樣間隔、不同儀器的實驗。同一儀器進行不同采樣時間、 不同采樣間隔實驗時，測值變化不大，通常是低值—不規律脈沖值—低值走勢，儀器用標準濃度氫氣校準前后測值無大變化。2017年11月進行了儀器更換，更換儀器后脈沖值明顯減少，測值在0.1 ppm上下波動，脈沖值不定期出現。綜合大箐梁連續觀測與流動觀測數據，大箐梁測區氫氣濃度測值處于低值。目前正在進行不同井孔深度和不同集氣方式的實驗，后期將進一步分析研究。

圖3 大箐梁數據日動態曲線圖(2017.08.17)

圖4 大箐梁數據月動態曲線圖(2017.08)

圖5 大箐梁2017年數據年動態曲線圖(2017.01.01～2017.12.31)

3.2 羊福山觀測點觀測數據動態分析

圖6 羊福山地溫與氣溫對比曲線圖(2017.08.15～2017.08.20)

根據流動觀測點數據統計分析，羊福山測點附近土壤中氫氣濃度的背景值為0.45 ppm，連續觀測固定點氫氣濃度背景值為 0.6～0.8 ppm。此連續觀測固定點同層地溫與氣溫日變形態良好，地溫與氣溫同步反向變化(如圖6)，同層地溫日變幅度在1 ℃以內，年變化幅度為2 ℃以內，呈現與氣溫相反的夏低冬高的年動態變化特征。氫氣濃度日動態規律明顯，呈現與氣溫同向變化，與同層地溫氣壓反向變化的規律。在氣溫高值或稍滯后出現每日高值，高值以急速上升，快速下降形態出現，年內最大日變幅度為15.0 ppm。高值前后測值在背景值0.7 ppm附近波動，走勢較為平穩。氫氣濃度年動態較為平穩，無明顯年動態變化特征，觀測數據變化的日動態、月動態和年動態如圖7～9所示。

3.3 小廟鄉1號觀測點觀測數據動態分析

根據流動觀測點數據統計分析，小廟鄉1號觀測點(簡稱小廟1)附近土壤中氫氣濃度的背景值為0.5 ppm左右。此連續觀測點同層地溫與氣溫日變形態良好，地溫與氣溫同步反向變化(如圖10)，同層地溫日變幅度在1 ℃以內，年變化幅度為2 ℃以內，呈現與氣溫相反的夏低冬高的年動態變化特征。氫氣濃度日動態規律明顯，呈現與氣溫反向同步變化，與同層地溫同向同步變化且形態相似的日變規律， 年內最大日變幅度為4.0 ppm。氫氣濃度年動態較為平穩，未隨地溫出現夏低冬高變化特征，觀測數據變化的日動態、月動態和年動態如圖11～圖13所示。

圖7 羊福山數據日動態曲線圖(2017.08.16)

圖8 羊福山數據月動態曲線圖(2017.08)

圖9 羊福山2017年數據年動態曲線圖(2017.01.01～2017.12.31)

圖10 小廟1地溫與氣溫對比曲線圖(2017.08.15～2017.08.20)

圖11 小廟1數據日動態曲線圖(2017.08.27)

圖12 小廟1數據月動態曲線圖(2017.08)

圖13 小廟1數據2017年動態曲線圖(2017.01.01～2017.12.31)

3.4 小廟鄉2號觀測點觀測數據動態分析

根據流動觀測數據統計分析，小廟鄉2號觀測點(簡稱小廟2)附近土壤中氫氣濃度的背景值為0.3 ppm左右，連續觀測固定點氫氣濃度背景值為 0.6～0.7 ppm。此連續觀測點觀測到的同層地溫與氣溫日變形態良好，地溫與氣溫同步反向變化(如圖14)，同層地溫日變幅度在1 ℃以內，年變化幅度2 ℃以內，呈現與氣溫相反的夏低冬高的年動態變化特征。氫氣濃度

圖14 小廟2地溫度與氣溫對比曲線圖(2017.08.15～2017.08.20)

日變規律明顯，呈現與氣溫同步變化，與同層地溫氣壓反向變化的日變規律，年內最大變化幅度為2.0 ppm。氫氣濃度年動態隨氣溫出現夏高冬低變化特征，觀測數據變化的日動態、月動態和年動態如圖15～圖17所示。

圖15 小廟2數據日動態曲線圖(2017.08.12)

圖16 小廟2數據月動態曲線圖(2017.08)

圖17 小廟2數據2017年動態曲線圖(2017.01.01～2017.12.31)

3.5 小廟鄉3號觀測點觀測數據動態分析

根據流動觀測點數據統計分析，小廟鄉3號觀測點(簡稱小廟3)附近土壤中氫氣濃度的背景值為0.3 ppm左右，連續觀測固定點氫氣濃度背景值為 0.5～0.7 ppm。此連續觀測固定點同層地溫傳感器工作不正常，不能記錄到較好的日變形態，氣溫與氣壓日變形態良好。測點氫氣濃度數據2017年6月24日以前沒有隨地溫氣溫變化的變化形態，2017年6月25日至2017年10月10日出現高值與氣溫高值同向變化的日變規律，2017年10月10日后日變規律消失，高值以脈沖方式出現，高值前后數據在背景基值附近波動，年內最大日變幅度為26.0 ppm。氫氣濃度無明顯年動態變化特征，觀測數據變化的日動態、月動態和年動態如圖18～20所示。

圖18 小廟3數據日動態曲線圖(2017.08.19)

圖19 小廟3數據月動態曲線圖(2017.08)

圖20 小廟3數據2017年動態曲線圖(2017.01.01～2017.12.31)

4 結論

通過對觀測點數據進行分析，有以下幾點初步認識：(1)實驗臺網現有井孔孔深8 m，集氣倉回填礫石，上部用防水材料密封的建設方式使得保溫隔熱較好，同層地溫日變幅度在1 ℃以內，年變化幅度在2～3 ℃以內，日動態上地溫與氣溫正好呈反向變化，地溫年動態呈現與氣溫動態相反的夏低冬高的年動態變化特征。(2)實驗臺網五個連續觀測固定點中三個測點氫氣濃度日變化與氣溫同步同向變化，一個測點氫氣濃度出現無規律脈沖值，只有一個測點氫氣濃度與地溫同步同向變化，且形態相似。說明實驗臺網在現有建設模式下氫氣濃度主要受氣溫影響，觀測曲線中未出現到與氣壓相似的曲線形態，說明受氣壓影響不大。(3)實驗臺網中四個測點氫氣濃度無年周期動態變化特征，只有一個測點氫氣濃度年動態隨氣溫出現夏高冬低變化特征，這可能與測點建設或地區差異性有關。(4)高精度氫實驗臺網觀測數據變化的物理機制有待更長觀測時間，更深入細致的分析研究。

致謝：劉耀煒研究員對本文給予了指導和幫助，張磊博士、包創博士、柯云龍碩士在資料方面提供協助，在此表示衷心感謝。