汶川映秀地震臺井孔逸出氫觀測實驗

陳學芬 吳微微 劉雪梅 趙晶 趙天霞 梁宏 黃雪影

摘要：為進一步認識汶川余震區破碎斷裂帶逸出氫的動態特征，選擇位于北川—映秀斷裂的映秀地震臺觀測井開展井孔逸出氫觀測實驗。實驗數據顯示：映秀臺井孔逸出氫濃度較高，日變幅較大且具有明顯的日變規律，呈現與氣壓變化同步及負相關的特征，日變形態與氣溫、水溫、靜水位相關性較小。通過不同儀器與采樣方式進行觀測實驗，結果表明：映秀地震臺井孔逸出氫濃度動態清晰、測值平穩，作為地震前兆觀測地下逸出氫項目是可行的。

關鍵詞：斷層氣;井孔逸出氫;氫濃度;實驗觀測;影響因素

中圖分類號：P315.724文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2020）04-0638-06

0引言

在地球演化過程中，地球內部氣體及其揮發組分主要沿活動板塊、塊體邊界、活動斷裂及其他地殼薄弱地帶向地球表面遷移和釋放（陳萬春，1996）。斷裂帶的裂隙發育是地熱流體垂向運移和氣體排放的良好通道（Tao et al，2005），構造活動和地震活動強烈的斷裂帶及大地震的震中區是斷層氣釋放強度較高的區域。在地震孕育過程中，震中區的巖石力學性質發生變化，斷層氣在地球內部壓力作用下向外釋放，引起震中區附近大氣組分（Rn，He，H2，Hg，CO2，CO等）改變，從而為地震預測提供依據，使斷層氣觀測成為地震前兆監測的有效手段之一（汪成民等，1991;汪成民，李宣瑚，1991）。

氫（H2）具有粒子半徑最小、質量最輕、遷移速度最快等優越性（蔣鳳亮等，1989）。空氣中氫的含量一般為0.5 ppm，地殼中氫的含量是大氣中的幾千至幾十萬倍，并且主要沿斷裂帶分布，特別是沿現今活動的斷裂帶和活動板塊邊界帶集中分布和大量釋放，與地震活動關系密切（車用太等，2015;Li et al，2018）。氫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，異常特征顯著，易于被識別（Satake et al，1984;Ito et al，1999;Hirose et al，2011;王基華，孫風民，1991;范樹全等，1993;劉耀煒等，2012;范雪芳等，2012）。

連續觀測痕量氫儀器能夠記錄氫濃度的微動態變化過程，使連續觀測氫濃度成為可能。目前，在山西、新疆、云南、四川等地均進行了斷層氣氫的示范性實驗觀測，取得了較好效果（范雪芳等，2016，2020）。氫的逸出濃度與斷層活動、地震活動關系密切，具有強烈的時空不均性，漲落現象突出，在非地震活動時期氫濃度表現出微弱中有差異、平穩中有起伏的動態特征（汪成民等，1991）。川滇國家地震預報實驗場高精度氫觀測臺陣的資料顯示，在安寧河斷裂和則木河斷裂上的5個野外斷層土壤逸出氣觀測點的氫濃度背景值為0.1～0.8 ppm，背景值較低且穩定（柯云龍等，2018;梁宏等，2018）。中強地震后在震區能探測到高濃度氫的分布（王先彬等，1992;劉耀煒等，2012）。2018年汶川地震后，龍門山斷裂帶一直是國內外學者們重點關注的區域，地震形成的斷裂破碎帶利于開展斷層氣觀測。為了進一步獲取汶川余震區斷裂帶逸出氫的動態特征，筆者選擇位于汶川映秀地震臺的觀測井開展斷層井孔逸出氫的實驗觀測，并驗證在斷裂帶上的井孔中開展地下逸出氫觀測的可行性。

1映秀地震臺概況

映秀地震臺位于四川省阿壩藏族羌族自治州汶川縣映秀鎮（103.48°E，31.06°N），距離2008年汶川8.0級地震微觀震中9 km，地處龍門山斷裂帶中段的北川—映秀斷裂。北川—映秀斷裂總長約300 km，總體走向N35°-45°E，傾向NW，由數條次級逆斷裂組成疊瓦狀構造，是龍門山構造帶幾條主干斷裂活動構造地貌中保存最為完好、活動性較強的斷裂，也是2008年汶川8.0級大地震的主要發震斷裂。汶川8.0級地震發生后，破裂自映秀SW開始，沿龍門山構造帶的北川—映秀斷裂向NE方向擴展，形成長約220～240 km的地表破裂帶，其中北川—映秀斷裂的北中段全部破裂貫通（徐錫偉等，2008）。

2017年7月，映秀地震臺建成觀測井，井深400 m，開孔直徑219 mm，終孔直徑146 mm，凈空直徑≮150 mm，垂直度90°（偏差度≯3°）。井孔巖性主要為花崗巖，整個井孔穿過龍門山斷裂帶，巖石比較破碎，觀測井內全井安裝鋼管護壁，0～100 m采用217×7鋼管，100～400 m采用168×7濾水鋼管護壁。觀測井目前有靜水位和水溫觀測項目，靜水位埋深68 m左右，水位傳感器安裝在水面以下約8 m處（探頭距井口約為76 m），水溫傳感器安裝在水面以下100 m處。

2實驗數據

2.1儀器設置

映秀地震臺使用ATG-6118H型痕量氫在線分析儀進行實驗觀測，儀器檢出限為0.01×10-6（0.01 ppm），測量范圍0.01～5 000 ppm，平均相對誤差δ≤5%、線性回歸直線相關系數γ2≥0.996。每次采樣前，抽氣泵先將氣路中的殘余氣體抽排到空氣中，再將新氣體樣品采集到檢測單元測試氫濃度。檢測工作流程為：抽氣排空→采樣→檢測。該儀器配置環境氣溫傳感器和氣壓傳感器，同步給出氫濃度、氣溫和氣壓觀測值。

映秀地震臺觀測井上蓋有觀測房，ATG-6118H型痕量氫在線分析儀放置于觀測房內的井孔旁邊，采樣氣路由外直徑3 mm、內直徑2 mm、長0.2 m的聚四氟乙烯管轉接外直徑6 mm、內直徑為4 mm、長0.6 m的聚四氟乙烯管組成，采樣端伸至井下0.3 m。通信采用無線通信方式，可遠程完成數據采集與儀器控制。

地震研究43卷第4期陳學芬等：汶川映秀地震臺井孔逸出氫觀測實驗ATG-6118H型痕量氫在線分析儀的測量時間間隔可設置為10，20，30，60，120 min，設置采樣間隔為60 min，即整點采樣，采樣時間設置為30 s。由于觀測井孔安裝有靜水位與水溫觀測設備，因此井孔未做密封處理，采樣端直接安放至井孔內并固定，直接抽取井孔內逸出氣進行氫濃度測定。

2.2數據分析

儀器安裝后工作狀態穩定，數據記錄連續、完整。氫濃度日均值為1.5～2.8 ppm，每日最高值可達2～9 ppm，高于空氣值幾倍至十幾倍，最低值為0.3～0.5 ppm，最低值與空氣背景值相當。與范雪芳等（2014a，b）在山西中條山山前斷裂5個土壤逸出氫觀測點和川滇國家地震預報實驗場項目在安寧河斷裂帶與則木河斷裂帶上的5個野外斷層土壤逸出氫觀測示范點觀測到的氫濃度背景值數據（柯云龍等，2018）進行對比發現，映秀地震臺井孔逸出氫濃度的背景值明顯偏高（表1），且日變幅較大。

以2018年9月12—16日的數據為例，用ATG-6118H型痕量氫在線分析儀產出的氫氣濃度、氣溫、氣壓數據，與珠海泰德水位水溫觀測儀產出的水溫、靜水位數據，繪制氫氣濃度與氣壓、水溫、靜水位、氣溫的整點值對比曲線圖（圖1）。同時，以2018年12月的數據為例，繪制氫氣濃度、氣壓、靜水位和氣溫的整點值月觀測曲線如圖2所示，綜合分析觀測數據發現：

（1）映秀地震臺井孔逸出氫濃度動態平穩，有明顯的日變規律，日變形態為光滑的雙波曲線形態。由圖1可見，每日上午5時左右氫濃度達到第一高值后開始逐步下降，上午11時左右降至第一低值后逐漸增加，下午17時左右達到第二高值后下降，至23時左右為最低值，如此循環。每日最低值為0.3～0.5 ppm，接近于空氣值，最高值高于空氣值幾倍至十幾倍，在2～9 ppm浮動，日變幅較大。

（2）實驗觀測相同時間段內氫濃度與氣壓測值出現準同步現象，曲線變化形態基本一致，但方向相反，即在氣壓最高值附近，氫濃度最低，氣壓最低值附近，氫濃度最高（圖1a）。

（3）從圖1b可看出，在測試期間水溫一直保持17.168 ℃左右的穩定變化，但氫濃度有明顯起伏變化，兩者之間的關聯性不大。圖1c，d顯示，氫濃度與靜水位、氣溫有一定的相關性，但相關性較小。

（4）從圖2可以看出，在地震平靜期月尺度及更長時間尺度上，氫濃度在0.3～9 ppm起伏波動，沒有出現隨氣溫、氣壓、靜水位的趨勢性變化。3逸出氫井孔觀測可行性分析

為了進一步驗證水位觀測井開展井孔逸出氫觀測的可行性，筆者在實驗觀測期間分別進行了測點空氣背景值觀測實驗、井口與井下5 m不同采樣深度逸出氫觀測實驗、不同儀器對比觀測實驗。由于映秀地震臺氣溫、水溫、靜水位對氫氣濃度影響不顯著（圖1b～d），因此，主要通過氫濃度與氣壓關系分析氫觀測結果的可靠性。

3.1測點空氣背景值觀測實驗

在測點儀器安裝調試階段，首先進行空氣背景值的測試。儀器開機預熱穩定后不連接井下氣路，直接抽取觀測室空氣進行測定，采樣間隔設置為30 min，采樣時間設置為30 s，觀測5組測值，測得氫濃度平均值為0.503 ppm。連接井下氣路正常觀測一段時間后，再次斷開井下氣路，觀測24 h，對室空氣值進行觀測，測得氫濃度平均值為0.537 ppm，空氣測值變化平穩，未表現出與氣壓的相關關系（圖3）。測點空氣背景值實驗結果證明儀器工作正常，不受氣壓影響。

3.2井下不同采樣深度觀測實驗

儀器首次調試安裝設置如下：氣路總長度為0.8 m，井下深度為0.3 m，采樣間隔60 min，采樣時間30 s。安裝完成后，氫濃度曲線顯示氫濃度出現規律的日變特征，其形態為光滑的雙波曲線，與氣壓數據曲線形態相似、方向相反。2018年9月17日，更改氣路長度，氣路總長5.5 m，井下深度5.0 m，采樣間隔60 min，采樣時間30 s。觀測發現，井下深度為0.3 m和5.0 m，氫濃度變化不大，觀測曲線形態相似，呈現與氣壓反向變化的日動態特征（圖4）。

此實驗結果說明測點在井口與井下5.0 m觀測到的氫濃度相當（表2），觀測井中的氫濃度與氣壓有較明顯的相關關系。

3.3不同儀器對比觀測實驗

筆者于2019年1月14—15日進行了ATG-3000型便攜式測氫儀與ATG-6118H型痕量氫在線分析儀對比觀測實驗。這兩種儀器為同一廠家生產，便攜式測氫儀主要用于大氣、水和沉積物中痕量氫的野外流動觀測或現場測定，特點是體積小、靈敏度高、功耗低、數據自動存儲、操作簡單。儀器檢出限為0.005 ppm，測量范圍0～1 000 ppm，平均相對誤差δ≤10%、相關系數γ2≥0.996。

實驗過程中斷開ATG-6118H分析儀井下氣路，原氣路連接至ATG-3000測氫儀進行觀測。ATG-3000測氫儀采樣間隔設置為60 min，采樣時間設置為30 s，觀測持續24 h。圖5b顯示氫濃度曲線依然清晰地記錄到了氣壓的影響，測值與氣壓測值出現準同步反向變化，與ATG-6118H分析儀觀測到的動態相似（圖5a）。

不同型號的氫觀測儀器對比觀測實驗證明，水位觀測井可以觀測到氫濃度變化的動態特征，這對于獲取地下巖石介質在構造活動中氫氣釋放特征具有重要意義。

4結論

本文通過對汶川映秀地震臺井孔逸出氫進行觀測實驗，得到以下結論：

（1）映秀地震臺井孔逸出氫實驗觀測數據動態清晰、氫濃度較高、日變幅較大，測值明顯高于山西中條山山前斷裂、四川安寧河斷裂和則木河斷裂等的觀測結果。氫氣以汶川地震形成的斷裂破碎帶為通道向地表運移擴散而產生高值，斷裂帶內逸出氫的濃度與斷裂的破裂程度、斷層活動性和地震活動性密切相關，不同構造環境下氫濃度的背景與其動態特征各不相同。

（2）實驗觀測結果表明，在非地震活動時期穩定的觀測條件下，映秀臺井孔逸出氫濃度具有規律的日動態，呈現出與氣壓變化相似但反向的典型日變特征，且氫濃度日動態與氣壓相關性顯著，與氣溫、水溫、靜水位相關性不明顯。在月尺度及更長時間尺度上，氫濃度不隨氣溫、氣壓、靜水位的趨勢變化而變化，這一特征值得進一步研究分析。

（3）不同型號的氫觀測儀器均能有效觀測到氫濃度變化的動態特征，表明活動斷裂帶上的鉆孔揭示的巖層中氫濃度較斷裂帶淺層土壤氣中的氫濃度背景值高，這也為獲取巖石受構造活動及其應力應變作用過程中氫濃度的變化提供了良好的觀測場地，為拓展氫觀測站點選擇提供了重要依據。

本文獲得了映秀實驗點井孔逸出氫濃度的動態特征，證明了在斷裂帶上的井孔中開展地下逸出氫氣觀測是可行的，但是否可以有效反映和揭示龍門山斷裂帶氣體運移過程及其機理，還需使用更長時間的觀測數據進行驗證與分析。

本文在撰寫過程中得到劉耀煒研究員和李大虎博士的幫助，在此向他們表示衷心感謝。

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