靈武上橋痕量氫觀測臺站建設與地震預測前景

白曉川，常 明，李青梅，唐 浩

（寧夏回族自治區(qū)地震局，寧夏 銀川 750001）

0 引言

在地球內部蘊藏著大量高溫高壓狀態(tài)的氣體，由于這些氣體與地表大氣之間存在溫壓、濃度梯度差，導致地球內部不停地往地表大氣中釋放氣體。我們把與斷層活動有關的從斷層中逃逸出的氣體稱為斷層氣。斷層H2就是其中的一種滲透系數大，易于擴散的微量氣體。但空氣中H2含量很低，僅為0.5ppm。多年來國內外地球化學工作者，對斷層H2進行了大量研究工作。

在斷層H2與地震危險性分析、預測研究方面：范樹全和李覓[1]針對氦氣和氫氣因物理化學性質上的差異，提出將這兩種氣體的異常特征結合起來，可對觀測點所處構造帶上及附近相關構造帶上，約400km 范圍內5.0 級以上地震的發(fā)震時間和震級，作出較準確的預報；張培仁和王基華[2]分析研究發(fā)現，首都圈地區(qū)每次中強地震和部分中小地震前后，北京地區(qū)水化監(jiān)測井網均能監(jiān)測到地下熱水中氫氣含量明顯的異常上升變化，其幅度達正常背景值的幾倍、十幾倍、幾十倍甚至更高，震后均逐漸恢復正常，系統總結了京棉二廠熱水深井溶解氣體中氦、氫氣體異常變化與地震的關系，提出了氦、氫氣體前兆異常特征與發(fā)震時間、震級關系的經驗公式；從氫氣在地殼中的分布與地球化學特征的分析著眼，論證了氫氣的映震靈敏性。同時特別強調指出，作為深源氣體的氫氣動態(tài)中同樣存在干擾異常；劉耀煒等[3]，指出氣體地球化學方法在地震科學研究中有著廣泛的應用，被認為是一項具有廣闊前景的地震監(jiān)測方法；邵濟安等[4]，將H2濃度的異常變化與斷層背景研究結合，并配合區(qū)域其他異常的監(jiān)測可以作為地震預報的一種手段；斷層H2對地震的響應性十分敏感，其濃度異常可能和區(qū)域應力場的變化和地震活動有關。

從上述國內研究現狀可以總結出，在靈武上橋開展斷層H2觀測，能夠解決以下問題：（1） 解決寧夏中部前兆觀測手段少的問題；（2） 能夠確定本區(qū)域斷層H2的構造地球化學特征、影響因素、來源和成因機制等；（3） 可揭示斷層H2的構造地球化學特征與地震活動性的關系；（4） 為下一步進行區(qū)域斷層氣（H2、Hg、Rn 和CO2等） 定點連續(xù)觀測和流動觀測打下堅實基礎，更好地為本區(qū)域地震危險區(qū)震情跟蹤和判定提供服務；（5） 為地震監(jiān)測預測提供新技術和新方法，在地震異常甄別、震情跟蹤和判定中具有重要應用價值。

1 臺站構造背景及基本情況概述

根據前人研究，靈武地區(qū)的大地構造位置和構造單元劃分以青銅峽—固原深大斷裂為界，北東側為中朝準地臺，南西側屬北祁連褶皺系。在中朝準地臺內又進一步分為鄂爾多斯西緣拗陷帶和鄂爾多斯臺拗兩個二級構造單元。鄂爾多斯西緣拗陷帶由賀蘭山臺陷、銀川地塹和陶樂臺拱三個三級構造單元組成，黃河斷裂帶（靈武斷裂為其南段） 是陶樂臺拱和銀川地塹的構造邊界。

靈武市所在地區(qū)處在兩個大構造單元交接的特殊位置上，在地質歷史上曾受其南鄰地槽區(qū)構造活動的影響，有過明顯的、階段性的活動。靈武斷裂北段和中段開始活動的時間較早，根據其對沉積作用的控制，可追溯到中新世。北段活動在東、西支斷裂上有過轉移，中段一直是一條穩(wěn)定的活動邊界。南段形成較晚，到晚更新世中晚期才成為銀川地塹的東側構造邊界。強烈的新構造活動，成為本區(qū)地震頻繁發(fā)生的根源。靈武地區(qū)新生代的地質演化和現代地貌的形成受近南北向斷裂活動的控制，邊界和內部發(fā)育一組南北走向的斷裂。

石油地震勘探成果揭示，銀川地塹南段的構造頗為復雜，內部至少有5 條規(guī)模不等的隱伏斷裂，其傾向或東或西，均屬正斷層。根據專家推斷，靈武斷裂是本段斷裂中活動性最強的一條斷裂。

圖1 大河子溝地震勘探剖面（據長慶油田資料解釋，1994）Fig.1 Seismic exploration profile of Dahezigou（according to Changqing oilfield data interpretation，1994）

圖1 表示了地震活動與斷裂的空間關系。由圖可以清楚看到，弱震分布顯示為一條清晰的南北走向的條帶，此條帶內最密集的部分位于靈武斷裂與葉盛（F4） 斷裂之間，集中了該區(qū)域弱震數量的82%。密集條帶以東和以西，弱震數量僅為9.8%和7.8%。地震分布的這一特征在破壞性地震（M≥4 43 ） 分布上表現得更為清楚，銀川地塹南段的所有破壞性地震均分布在靈武斷裂至以西13km 的寬度范圍內。地震活動具有東側強、西側弱趨勢，這與上述南北向斷裂活動的強度特征分布一致，地震活動條帶和中強地震的極震區(qū)呈南北走向，說明地震活動與走向相同的斷裂活動、尤其是靈武斷裂的活動具有密切的關系。靈武斷裂是本區(qū)域內活動性最強的一條斷裂，目前記錄到的最大地震為5.5 級，但這一震級是否能夠代表本段可能發(fā)生最大地震，認識靈武市近場地震危險性具有重要意義。

2 觀測點建設情況

觀測孔于2014 年10 月由人工開孔。觀測孔孔深7m，開挖2 個裸孔，2 孔相距3m；裸孔直徑1.2m，每個孔底部放置兩根直徑為110mm，長4m 的PVC 管，一共安裝4 根管子；每個管子都進行了保溫處理，加了保溫層；為擴大儲氣量，每個孔中有一個管子底部裝有高1000mm、直徑800mm 不銹鋼桶倒扣作為漏斗收集氣體；每根管子底部，1m 以下打有若干集氣小孔；1m 以下為了防止因淺層地表水位上升時潮濕氣體進入取樣管，而本身又可利于氣體通過添加一些透氣性好的礫石層（約1m 厚）；為了防止孔底部氣體的溢出，在砂礫層上面加蓋了一層塑料布和水泥，在其上回填了1m 厚的細黃土，細黃土上又加了一層塑料布，最后回填了近2m 厚礫石土。4 根管子在4m 處進行了變徑，變?yōu)?0mm 的熱縮管；并將管子轉向水平，向東延伸長約5m 通入觀測室內；管子全部整體用土層封住，埋入土層里面。

觀測室與觀測孔都于2014 年10 月開建。在觀測空東面5m 處的地方建觀測室；由地平深挖成寬5m，長7m，深4m 的觀測室；采用混凝土澆筑，建成的觀測室尺寸為寬2m，長4m。觀測室外墻做了SBS 防水層，也做了保溫處理（用100mm 的保溫板，比重22kg）。觀測室頂部與地平一致，頂部覆蓋了2m 厚的沙土，用磚砌筑了2m 高，24cm 寬的女兒墻。

觀測室門朝南開，西兩側做護坡，護坡為直角三角形。門前做了排水處理，排水管直徑200mm，長20m。管道順坡引到西面蓄水坑內；該蓄水坑在觀測室西面約5、6m 處的位置；大小為長6m、寬8m、深2m。

3 H2 與氣象因素的關系

自2014 年10 月29 日架設儀器以來，測值比較低且波動比較大，后經過改造，數值趨向平穩(wěn)。2017 年3 月28 日，預報中心和監(jiān)測中心人員攜帶便攜式測氫儀來到上橋測點觀測氫氣，發(fā)現測值與儀器的測值不同，隨后與廠家聯系，廠家確定了現有的ATG-6118H 測氫儀存在故障，需要返廠維修。4 月6 日，更換了新的ATG-6118H 測氫儀，自此測氫開始了正常觀測。

3.1 溫度對H2 濃度變化的影響

斷層氣是地球內部氣體與其揮發(fā)組分不斷沿著活動版塊，板內塊體邊界以及活動斷裂帶等地殼薄弱地帶向地球表層遷移和釋放的氣體。通常情況下，地球深部的氫氣，通過斷層的運動，對流、擴散、孔隙、地應力應變等逸出地表，淺層土壤氫氣的主要遷移方式為對流和擴散，因此溫度越高，對流和擴散活動越強，而冬季土壤孔隙度和透氣性相對比較差，氫氣濃度測值低一些。靈武上橋H2自2017 年4 月至2019 年12 月觀測以來，結果表明，斷層氣氫濃度正常動態(tài)具有日變形態(tài)和年變形態(tài)，溫度對靈武上橋H2濃度的變化有影響，表現為溫度與斷層H2濃度呈正相關（圖2）。

圖2 上橋氫氣與氣象要素的相關分析Fig.2 Correlation analysis of hydrogen and meteorological elements in Shangqiao Village

3.2 氣壓對H2 濃度變化的影響

斷層是孔隙和裂隙大量發(fā)育的部位，當大氣壓力發(fā)生改變時，上下壓力的差異可以在地下形成壓力梯度，大氣壓力的縱深效益可以改變斷層中氣體的遷移，進而造成氫濃度的變化，氣壓升高反而降低了氫氣的濃度，通過對靈武上橋H2濃度的變化與氣壓的對比分析，氣壓與斷層H2濃度呈負相關（圖2）。

3.3 大氣降水對H2 濃度變化的影響

降雨量能夠直接改變土壤的含水量，從而影響氫氣濃度，在土壤含水量不大的情況下，氫氣的濃度會隨含水量的增加而變化，氫氣在土壤干燥時，易于向大氣中擴散，隨土壤表層形成的上升氣流釋放出來。由于靈武上橋H2觀測，臺站勘選到建設，嚴格考慮到了大氣降雨對土壤的干擾因素，所以從觀測數據變化上，可以看出降雨量對靈武上橋H2濃度的變化沒有影響（圖2）。

綜上所述：靈武上橋H2濃度的變化與氣溫氣壓多元回歸間存在明顯的相關關系，相關系數達到0.742，也就是溫度、氣壓是影響H2的主要因素，溫度與斷層H2濃度呈正相關,氣壓與斷層H2濃度呈負相關,溫度對斷層H2濃度變化影響較大，氣壓影響較小，大氣降水對H2濃度變化沒有影響。具體數據分析處理結果如表1 所示。

表1 H2 相關數據分析處理結果

3.4 痕量氫濃度變化與地震的關系

在地震斷裂帶上開展土壤痕量氫氣的連續(xù)觀測，能夠有效捕捉區(qū)域應力應變的變化，獲得氫氣濃度變化的地震前兆特征，發(fā)揮其在地震監(jiān)測預報中的重要作用。靈武上橋H2自產出數據以來，2017 年8 月2 日凌晨3 時30 分在寧夏回族自治區(qū)固原市原州區(qū)，北緯36.28 度，東經106.01 度，發(fā)生了4.6 級地震，震源深度10 千米。震前10 天左右，靈武上橋H2濃度異常幅度達到正常背景值的5 倍多，且異常時間短，屬于短臨異常。根據這一特點，在寧夏地震重點危險區(qū)選擇氫濃度作為地震預報的一項短臨前兆指標，對于日常異常跟蹤分析提供有利的判別異常依據，對識別其它地下微量稀有氣體的地震前兆異常具有參考價值。在斷裂帶上開展H2連續(xù)觀測，能過進一步獲得氫氣的地震前兆特征，進一步提升其在地震監(jiān)測預報中的重要作用。

4 結論

地質構造運動多伴隨著地下氣體的逸出，觀測和研究地下氣體的逸出，可能會抓住一些地下構造活動的信息，而氫氣作為一種靈敏的指標能夠指示斷裂活動的過程。通過靈武上橋氫氣的觀測，嘗試找出靈武斷層氫氣背景動態(tài)變化特征，為地震孕育過程中氫氣異常演化的判定提供依據，為建立地震短期預測動態(tài)方法提供一些思路。本文通過對環(huán)境觀測資料的分析認為：靈武上橋痕量氫H2觀測數據能過真實的反應地下構造活動特征，為寧夏今后臺站建設和地震前兆資料應用，具有關鍵性推廣實用價值。

5 討論與結論

本文著重從臺站建設方面進行了簡單的分析，沒有綜合深層次考慮臺站附近的區(qū)域地質、水文地質及斷層覆蓋層厚度、植被、淺層地表水位對觀測數據的影響；沒有對H2的構造地球化學變化與斷裂活動性、地震活動性的關系，及斷層H2的機理和成因進行分析。為了更好的開展H2觀測數據在地震預報預測中發(fā)揮作用，建議開展如下探索研究：開展斷層H2的地球化學特征及其影響因素分析；斷層H2的成因機制分析；斷層H2構造地球化學變化與斷裂活動性以及地震活動性的關系；進行斷層H2觀測的技術方法和滿足地震觀測的實用化指標研究等。