對赤峰地區(qū)痕量氫觀測點(diǎn)選址建設(shè)的思考

張延芹，郭延杰，桑 晨，于文學(xué)

（1.赤峰市防災(zāi)救災(zāi)中心，內(nèi)蒙古 赤峰 024000；2.赤峰地震監(jiān)測中心站，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

0 引言

氫作為化學(xué)元素中的第一個(gè)元素，具有粒子半徑小、質(zhì)量輕、遷移速度快、穿透力強(qiáng)等特點(diǎn)，在地殼中分布較為廣泛，尤其是集中分布并釋放于斷裂帶中。由于斷裂帶是深部氣體釋放的通道，而且氫氣還是斷層活動(dòng)的產(chǎn)物，因此斷層氫氣異常升高，很可能是斷層活動(dòng)重要而直接的標(biāo)志，與地震活動(dòng)性的關(guān)系十分密切[1-3]。

“遼蒙交界”地區(qū)多年來一直被列為地震重點(diǎn)危險(xiǎn)區(qū)或值得關(guān)注地區(qū)。近年來，赤峰市南部地區(qū)小震活動(dòng)明顯增強(qiáng)，赤峰市防災(zāi)救災(zāi)中心為監(jiān)控赤峰地區(qū)地震斷層活動(dòng)，捕捉有效的地震前兆異常信息，2018 年分別在赤峰市阿魯科爾沁旗、敖漢旗、寧城縣建成三個(gè)痕量氫觀測點(diǎn)。這三個(gè)旗（縣）處于嫩江—八里罕斷裂帶、赤峰—開原斷裂帶上或二者交匯部位，且均發(fā)生過破壞性地震。通過整理分析觀測點(diǎn)運(yùn)行以來的觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)觀測環(huán)境及觀測系統(tǒng)存在一些干擾因素，如痕量氫觀測點(diǎn)距排洪溝太近，夏季受洪水影響數(shù)據(jù)變化較大、蓄電池供電不足，想改市（農(nóng)）電但離村莊太遠(yuǎn)等。本文旨在對痕量氫觀測點(diǎn)選址及設(shè)備運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行探討，為今后各地區(qū)建設(shè)痕量氫觀測點(diǎn)選址提供參考。

1 赤峰地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造概況

赤峰市位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東南部，地處燕山北麓、大興安嶺西南段，內(nèi)蒙古高原向遼河平原的過渡地帶。境內(nèi)發(fā)育有北東向、北北東向、東西向和北西向斷裂構(gòu)造帶，其中北東向嫩江—八里罕斷裂構(gòu)造帶、東西向西拉沐倫斷裂構(gòu)造帶和錦山—開原斷裂構(gòu)造帶為三大主斷裂構(gòu)造帶。錦山—開原緯向斷裂構(gòu)造帶，其主體展布介于黑里河至遼寧朝陽-沈陽一線以北、赤峰-西豐一線以南之間的地帶。由褶皺、沖斷裂及某些花崗巖體和老巖塊、基性、超基性巖體所組成。它的生成時(shí)期遠(yuǎn)在太古代就已經(jīng)開始了，不但促使鞍山期發(fā)生沉積與褶皺，而且在東西向的坳槽中接受了長城系的沉積。乃至燕山期，該構(gòu)造帶的活動(dòng)較前雖有所減弱，但表現(xiàn)仍較強(qiáng)烈。嫩江-八里罕新華夏系斷裂構(gòu)造帶，所屬構(gòu)造形跡為眾多的北北東走向的壓性、壓扭性斷裂、褶皺和北西走向的張性、張扭性斷裂組合成一個(gè)巨大的新華夏系多字型構(gòu)造。在斷裂之間還夾有呈北北東延長的古老地壘和若干中生代的坳陷盆地。據(jù)野外觀測獲得的大量信息證明，該斷裂構(gòu)造帶在新生代時(shí)仍是一條異常活躍的構(gòu)造。在赤峰運(yùn)動(dòng)之后，沿?cái)嗔延行鋷r巖漿噴發(fā)；在較近地質(zhì)時(shí)期，該斷裂的南端還發(fā)育有高溫?zé)崴窗死锖苯缘臒崴疁馗哌_(dá)九十九度，很顯然它是以新華夏系中的北西向張性斷裂為通道，在該斷裂帶上1290 年曾發(fā)生過6.8 級(jí)地震。因此確認(rèn)了該構(gòu)造帶在較近時(shí)期有頻繁的活動(dòng)（圖1）。

圖1 赤峰地區(qū)地震地質(zhì)構(gòu)造圖Fig.1 Seismic geological structure map of Chifeng area

2 痕量氫觀測原理及儀器概況

在巖石形成及地殼運(yùn)動(dòng)過程中，由地殼深部上涌氣體的一部分被封存在與外界隔絕的巖石孔隙、裂隙中，在地震孕育、發(fā)生的過程中，由于地殼應(yīng)力的作用，可導(dǎo)致巖石產(chǎn)生微破裂或已經(jīng)閉合的舊裂隙重新開啟，新舊裂隙相互溝通，封存于其間的氫氣由壓力大的深部向壓力小的地表迅速遷移，使地下水（可能還有土壤氣）中的氫氣含量出現(xiàn)異常升高變化[1-3]。

赤峰市三個(gè)痕量氫觀測點(diǎn)所使用的觀測儀器均為杭州超鉅科技有限公司研制的ATG-6118H 痕量氫在線自動(dòng)分析儀，該儀器主要由傳感監(jiān)測、中央控制、信息處理、網(wǎng)絡(luò)通訊、設(shè)備狀態(tài)檢測等模塊組成。其核心是承擔(dān)氫氣濃度測定的傳感監(jiān)測模塊，該模塊采用基于微化學(xué)的傳感器新技術(shù)，通過自行研發(fā)的數(shù)字流量控制器進(jìn)行精密載氣流量控制，以空氣作為載氣，經(jīng)凈化，送入定量控制裝置，最后進(jìn)入分離裝置，再到氫氣傳感器。從而實(shí)現(xiàn)響應(yīng)速度快，檢測精度高，維護(hù)工作量小。被廣泛用于大氣、水和沉積物中的痕量氫的現(xiàn)場快速測定，可以在現(xiàn)場對相關(guān)樣品進(jìn)行全自動(dòng)分析測定，體積小、靈敏度高，通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程提取數(shù)據(jù)。該設(shè)備有較好的穩(wěn)定性，被地震系統(tǒng)廣泛應(yīng)用。

3 堪選過程及測量方法

3.1 堪選過程

三個(gè)臺(tái)址的堪選工作均由杭州超鉅科技有限公司完成。首先通過野外踏勘、查閱活斷層資料及地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，初步選定所需要觀測的斷裂帶及臺(tái)站的備選位置，然后通過測量斷層氣確定候選臺(tái)站的位置。本次勘選主要測量土壤CO2和H2含量，對斷層進(jìn)行有效控制，并結(jié)合斷層土壤氣濃度的高低變化特征進(jìn)行觀測點(diǎn)位置的選擇。

3.2 測量方法

H2濃度的測定使用的是杭州超鉅ATG-300H 型便攜式測氫儀。CO2濃度測量使用的是杭州超鉅ATG-C60 型便攜式二氧化碳測量儀。土壤氣測量過程是：首先將便攜式測氫儀及便攜式二氧化碳測量儀預(yù)熱后測量新鮮空氣；然后用直徑約2.5 cm 的六角鋼釬在土壤中垂直打一個(gè)深約1 m 的導(dǎo)氣孔，拔出鋼釬后，迅速插入麻花鉆連續(xù)取樣器（注意：橡皮導(dǎo)氣管與儀器連接的底端處用止水夾夾住，防止跑氣）；通過橡皮導(dǎo)管將便攜式測氫儀與麻花鉆連續(xù)取樣器相連，開始測量H2，記錄測量峰值作為測試結(jié)果；最后待H2測試完成后，再將便攜式二氧化碳測量儀與麻花鉆連接。

4 三個(gè)痕量氫觀測點(diǎn)臺(tái)址及建設(shè)情況

阿魯科爾沁旗痕量氫觀測點(diǎn)：位于阿魯科爾沁旗天山口鎮(zhèn)勝聯(lián)村，處于東西向天山斷裂與北北東向嫩江—八里罕斷裂交匯地區(qū)，1988年曾發(fā)生過4.7級(jí)地震。經(jīng)實(shí)地布線測量，斷層土壤氣H2濃度變化范圍為1.822～182.7 ppm，CO2濃度變化范圍為1 681.4～19 072.2 ppm，兩種氣體形態(tài)具有良好的一致性且總體均沿布線測點(diǎn)呈遞減的趨勢，表明斷裂帶兩側(cè)地下裂隙通道發(fā)育程度較好。該測點(diǎn)在農(nóng)田附近，距村莊3公里，地勢相對較低，西南5 m處為排洪溝。

觀測孔直徑為1.5 m，深度為3 m，底層鋪設(shè)50 cm鵝卵石透氣層，鵝卵石上方為高度40 cm、邊長80 cm 的不銹鋼集氣罩，集氣罩上方為直徑110 mm 的PVC 引氣管，引氣管內(nèi)固定2 個(gè)采氣花管，分別位于地下室地面下方100 cm 和50 cm 處，引氣管頂端密封，密封蓋上有兩個(gè)導(dǎo)氣管口，可連接測量儀器。此觀測孔上方地面整體平鋪水泥，建造地下室及觀測房。供電系統(tǒng)由太陽能板、太陽能控制器和蓄電池三部分組成。太陽能板使用支架安裝在屋頂上，兩塊太陽能板輸出端并聯(lián)接入室內(nèi)。

敖漢旗痕量氫觀測點(diǎn)：位于敖漢旗貝子府鎮(zhèn)，通過野外現(xiàn)場勘查，未發(fā)現(xiàn)斷層出露位置。據(jù)活斷層探查及地質(zhì)調(diào)查資料顯示：該處位于赤峰—開原斷裂與朱錄科—刀爾登斷裂交匯處，斷層復(fù)雜，與斷裂帶相關(guān)的溫泉、冷泉等廣泛發(fā)育，存在一定厚度的第四系覆蓋。該地區(qū)1996年7月17日曾發(fā)生過4.7級(jí)地震。經(jīng)實(shí)地布線測量，斷層土壤氣CO2濃度變化范圍為760.7～8 545.1 ppm，H2濃度變化范圍為2.959～478.7 ppm，其中H2及CO2表現(xiàn)出良好的一致性特征，均表現(xiàn)為單峰式的特征。該測點(diǎn)在農(nóng)田里，與村莊住戶相鄰。

觀測孔直徑為1 m，深度為1.8 m，其他建設(shè)與阿魯科爾沁旗觀測點(diǎn)一致。

寧城痕量氫觀測站：位于赤峰市南部，寧城縣存金溝鄉(xiāng)李麻子溝村，處于嫩江—八里罕斷裂構(gòu)造帶上，斷層出露清晰，存在一定厚度的第四系覆蓋。1290 年寧城6.8 級(jí)地震曾發(fā)生在此斷裂帶上，距該地區(qū)30 公里。經(jīng)實(shí)地布線測量，土壤氣CO2濃度變化范圍為1367.4～2 279.4 ppm，H2濃度變化范圍為2.168～27.71 ppm。該測點(diǎn)地勢相對較高，在半山腰處，距村莊2 km。

觀測孔直徑1.5 m，深度為1 m，其他建設(shè)與阿魯科爾沁旗觀測點(diǎn)一致。

5 存在的主要問題

5.1 選址時(shí)環(huán)境影響因素考慮不夠充分

阿魯科爾沁旗痕量氫觀測點(diǎn)建在了排洪溝邊上，2018 年12 月正式投入觀測。2019 年7 月5 日到6 日，連降大雨，洪水從井房周圍漫過，致使該井房周圍土層坍陷，部分地基下沉，導(dǎo)致氫濃度數(shù)值大幅度波動(dòng)（圖2-4）。之后在井房四周用石頭、砂子、水泥等做了攔壩，盡管保護(hù)了井房不被洪水沖刷，但痕量氫觀測數(shù)據(jù)還是受到了一定的干擾。

圖2 阿魯科爾沁旗痕量氫觀測點(diǎn)洪水來臨前Fig.2 Trace hydrogen observation site in Alukeerqin before flood

圖3 阿魯科爾沁旗痕量氫觀測點(diǎn)洪水沖刷后Fig.3 Trace hydrogen observation site in Alukeerqin after flood

圖4 2019年阿魯科爾沁旗痕量氫濃度受洪水影響大幅波動(dòng)Fig.4 Trace hydrogen concentration in Alukeerqin fluctuated greatly under the influence of floods in 2019

5.2 所選位置可能偏離斷層

2021 年10 月15 日阿魯科爾沁旗曾發(fā)生4.7級(jí)地震，震中距離阿魯科爾沁旗痕量氫觀測點(diǎn)約50 km，震前痕量氫濃度值無明顯異常；敖漢旗痕量氫觀測點(diǎn)距離4.7級(jí)地震震中約200 km，震前痕量氫濃度值也沒有明顯異常；而距離4.7級(jí)地震震中約280 km 的寧城痕量氫觀測點(diǎn)，正常氫氣濃度背景值0.15 ppm，2021年7月3日氫氣濃度值卻大幅升高，最高值為6.78 ppm，高出正常背景值40 多倍，7 月11 日逐漸回落，但仍在高出背景值波動(dòng)，11 月4 日之后基本恢復(fù)正常（圖5）。分析認(rèn)為：寧城痕量氫濃度高值異常可能是4.7級(jí)地震的前兆反映，而距離較近的阿魯科爾沁旗、敖漢旗兩觀測點(diǎn)可能由于所選位置偏離斷層，震前無明顯異常。

圖5 阿魯科爾沁旗4.7級(jí)地震前痕量氫濃度變化情況Fig.5 Variation of Trace hydrogen concentration before the Alukeerqin 4.7 earthquake

5.3 太陽能和蓄電池供電不適合北方地區(qū)

三個(gè)痕量氫觀測點(diǎn)投入使用后的兩年，由于冬季日照時(shí)間短、溫度低，蓄電池儲(chǔ)存電量不足、放電量快，造成了冬季夜間不能正常供電，數(shù)據(jù)中斷的現(xiàn)象，直到第二天上午8點(diǎn)到9點(diǎn)儀器才恢復(fù)啟動(dòng)。以阿魯科爾沁旗痕量氫觀測點(diǎn)為例，2018年12月開始投入使用，從2020年12 月5 日開始，出現(xiàn)夜間數(shù)據(jù)中斷白天數(shù)據(jù)正常的現(xiàn)象，而且經(jīng)過斷電、來電儀器重新啟動(dòng)后，數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大波動(dòng)（圖6）。

圖6 阿魯科爾沁旗痕量氫濃度冬季日照時(shí)間短蓄電池供電不足影響Fig.6 Influence of short sunshine time in winter on battery power supply of Trace hydrogen concentration in Alukeerqin

5.4 所選位置離村莊較遠(yuǎn)

由于蓄電池供電不能滿足冬季連續(xù)觀測，敖漢旗痕量氫觀測點(diǎn)與村莊農(nóng)戶相鄰，2019 年已將太陽能和蓄電池供電改為農(nóng)電；阿魯科爾沁旗、寧城觀測點(diǎn)距村莊3 公里左右，中間隔著耕地，想改農(nóng)電，不但成本高，而且還需要解決與村民協(xié)商等問題。

6 認(rèn)識(shí)及建議

（1）痕量氫觀測點(diǎn)選址時(shí)應(yīng)考慮周邊自然環(huán)境和人為環(huán)境的影響，避開且盡量遠(yuǎn)離大型廠礦、河道、排洪溝等，避免日常觀測受到干擾，影響觀測質(zhì)量。

（2）痕量氫觀測站選址時(shí)，盡量選擇有斷層出露的地方，如果選擇隱伏斷層，要在大比例尺地質(zhì)構(gòu)造圖上確定所選位置，不能與斷層位置相差太遠(yuǎn)，否則監(jiān)測到氫氣的濃度不能較好地反映斷層活動(dòng)。

（3）由于北方冬季日照時(shí)間短、氣溫低，會(huì)出現(xiàn)蓄電池供電不足現(xiàn)象，如果每1～2 年更換一次蓄電池，成本偏高。所以選址建臺(tái)時(shí)應(yīng)考慮使用市（農(nóng)）電的問題，如果遠(yuǎn)離村莊，實(shí)在無法接用，可考慮冬季蓄電池保暖，延長其使用壽命。

本文主要從痕量氫觀測點(diǎn)選址方面進(jìn)行了簡單分析，沒有更深層次的綜合分析區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)、第四紀(jì)覆蓋層厚度等條件，沒有實(shí)踐探究井的深度對觀測數(shù)據(jù)是否有影響，下一步計(jì)劃選取阿魯科爾沁旗痕量氫觀測點(diǎn)作為試點(diǎn)，在地下室內(nèi)井孔旁鉆一深孔，進(jìn)行氫氣濃度對比觀測，選取適合斷層氫氣觀測的井孔深度，可能更有利于反映地震活動(dòng)信息。