范雪芳，劉國俊，黃春玲，何 鑭，李孝楠

(1.山西省地震局，山西太原030021;2.山西省地震局夏縣中心地震臺(tái)，山西夏縣044000;3.杭州超距科技有限公司，浙江杭州310030)

0 引言

地震前兆異常的研究是突破地震預(yù)報(bào)難關(guān)的重要環(huán)節(jié)(車用太，魚金子，2004)。如何從各種變化中判斷出異常與地震孕育、發(fā)生過程有關(guān)還是由觀測環(huán)境變化等其他因素引起的，是地震分析預(yù)報(bào)工作的基礎(chǔ)(劉耀煒等，2006)。實(shí)際觀測中遇到的絕大多數(shù)異常都是非地震前兆異常(廖麗霞等，2013)，但這些非地震前兆異常有時(shí)很難辨別，因此觀測資料異常的現(xiàn)場核實(shí)與分析工作就顯得尤為重要。

氫具有遷移和擴(kuò)散快速，滲透能力極強(qiáng)的特點(diǎn)，能靈敏地將地下深部變化的信息傳遞到地表，痕量氫自動(dòng)分析儀記錄到了氫濃度的微動(dòng)態(tài)變化過程，比正在使用的氣相色譜儀或質(zhì)譜儀觀測周期短，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)傳輸，實(shí)現(xiàn)了氣體地球化學(xué)數(shù)字化觀測監(jiān)測，為我國開展氣體地球化學(xué)監(jiān)測方法提供了新技術(shù)，是一項(xiàng)具有廣闊前景的地震觀測方法。

2013年4月東郭斷層氣觀測點(diǎn)氫濃度出現(xiàn)2次短期過程的突出變化，每次持續(xù)時(shí)間4～5 d。由于斷層氣氫觀測有過比較好的前兆震例(黃春玲，王向陽，2012)，因此氫觀測值的突出異常變化引起了分析預(yù)報(bào)部門的關(guān)注。這2次氫異常是地震前兆異常還是由干擾引起，無論從地震預(yù)報(bào)的現(xiàn)實(shí)工作需要，還是從異常成因機(jī)理的研究來講，都需要給出一個(gè)科學(xué)合理的分析結(jié)果。筆者依據(jù)地下流體學(xué)科觀測資料異常變化現(xiàn)場核實(shí)工作技術(shù)要求，收集了東郭斷層氣觀測點(diǎn)的基礎(chǔ)資料，針對(duì)觀測技術(shù)系統(tǒng)、集氣系統(tǒng)、儀器標(biāo)定、對(duì)比觀測、周邊環(huán)境干擾情況等因素，從各個(gè)環(huán)節(jié)逐一進(jìn)行了分析，給出了異常排查的依據(jù)，合理解釋了異常產(chǎn)生的可能機(jī)理。

1 東郭測區(qū)水文地質(zhì)概況及氫濃度異常特征

1.1 測區(qū)水文地質(zhì)概況

東郭斷層氣氫測點(diǎn)位于運(yùn)城市東郭鎮(zhèn)東郭村(35.0°N，111.1°E)(圖1)，海拔高程400 m。測區(qū)南靠中條山，北依稷王山，中部為平原。該觀測點(diǎn)位于中條山山前地帶，在構(gòu)造上處于NE向中條山山前大斷裂與NW向隱伏斷裂交匯部位(蘇宗正等，2001;李自紅等，2012)，水文地質(zhì)上處于中條山大氣降水滲入補(bǔ)給與運(yùn)城鹽湖排泄區(qū)之間的地下水徑流帶。中條山斷裂長137 km，走向NE—NEE，傾向NW，傾角58°～75°，為高角度正斷層，屬于鄂爾多斯斷塊周邊活動(dòng)斷裂系的東南部分，并且是運(yùn)城斷陷盆地和中條山斷塊隆起的分界(圖1)。根據(jù)構(gòu)造不連續(xù)特征(程紹平，楊桂枝，2002)，中條山斷裂被分為3段，自東北向西南分別為夏縣段、解州段和韓陽段。觀測點(diǎn)所在區(qū)域分為兩個(gè)水文地質(zhì)單元，東部山區(qū)基巖裂隙水及山前傾斜平原松散層孔隙水區(qū)，東部山區(qū)含水層為涑水群變質(zhì)巖，風(fēng)化裂隙十分發(fā)育，受大氣降水補(bǔ)給及東部鄰區(qū)側(cè)向徑流補(bǔ)給，由東向西徑流補(bǔ)給洪積山區(qū);西部平原區(qū)0～50 m以上含水層為礫卵石層，含水豐富;50～200 m含水層為粉細(xì)沙層，富水性較弱;200 m以下含水層為膠結(jié)粉細(xì)砂，相對(duì)含水性較差。

圖1 東郭測區(qū)地質(zhì)構(gòu)造略圖Fig.1 Geological structure sketch of Dongguo region

1.2 測區(qū)周圍地震活動(dòng)情況

東郭斷層氣氫觀測點(diǎn)位于山西地震帶南端的運(yùn)城盆地，歷史上，運(yùn)城盆地地震活動(dòng)強(qiáng)度較低，周邊最大震級(jí)為1815年山西平陸62級(jí)地震。近30 a來運(yùn)城盆地常有4.0級(jí)左右中等地震及震群發(fā)生。1973年以來在夏縣及其周圍100 km范圍ML≥4.0地震目錄見表1，其震中分布和M－t圖如圖2所示。

1.3 氫濃度異常特征

東郭斷層氣氫觀測點(diǎn)氫濃度正常變化背景值在0.2～0.6 ppm左右波動(dòng)，2013年4月共出現(xiàn)2次突變異常(圖3)，持續(xù)時(shí)間4～7 d。第一次變化是4月7～10日，最大變化幅度達(dá)14 ppm;第二次突升變化是4月24～29日，最大變化幅度為25 ppm，第二次變化比第一次變化幅度大、持續(xù)時(shí)間長。4月在同一測點(diǎn)連續(xù)出現(xiàn)2次突變，間隔時(shí)間比較短，其變化幅度達(dá)到正常背景值的20倍以上，可以作為一組異常對(duì)待。由于山西中南部多年來一直被列為值得注意地區(qū)，此異常對(duì)震情判斷非常重要。

表1 1979～2013年山西夏縣及其周圍100 km范圍ML≥4.0地震Tab.1 Distribution of ML≥4.0 earthquakes in and around Xiaxian，Shanxi Province from 1979 to 2013

圖2 1979～2013年山西夏縣及其周圍100 km范圍ML≥4.0地震分布(a)及M－t圖(b)Fig.2 Distribution of ML≥4.0 earthquakes in Xiaxian and its adjacent area of 100 km in Shanxi province from 1979 to 2013(a)，and M－t diagram(b)

圖3 東郭測點(diǎn)氫濃度異常變化曲線Fig.3 Hydrogen concentration abnormal variation recorded by Dongguo measuring point

2 氫測點(diǎn)概述

很多學(xué)者都發(fā)現(xiàn)氫在水、土壤中的背景值較低，出現(xiàn)異常時(shí)變化幅度較大，異常的相對(duì)變化甚至高過原背景量2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，易于識(shí)別，并且異常多出現(xiàn)在震前短臨階段，是值得推廣的地震短臨監(jiān)測方法(張培仁等，1993;林元武等，1994)。由于以往氫氣觀測方法使用熱導(dǎo)檢測器氣相色譜儀，儀器靈敏度低，檢出限為1×10－5，而一般土壤中的氫濃度的背景值為0.5×10－6，甚至更低，用氣象色譜儀就檢測不到氫氣的背景動(dòng)態(tài)。另外，人工取樣操作繁雜，每天只能產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)，無法分析一些低氫含量觀測點(diǎn)的正常動(dòng)態(tài)，不能有效判定異常觀測量的可靠性，滿足不了地震監(jiān)測提取地震前兆異常的需求。

2012年在山西夏縣的中條山山前斷裂上布設(shè)了4個(gè)斷層氣氫濃度連續(xù)觀測點(diǎn)，使用痕量氫在線自動(dòng)分析儀，開展定點(diǎn)連續(xù)觀測。東郭斷層氣氫觀測點(diǎn)于2012年5月成孔，孔深6.5 m，氫濃度背景值1.4 ppm，取得了氫濃度連續(xù)可靠觀測數(shù)據(jù)。以下詳細(xì)論述實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)方式。

(1)集氣裝置制作:觀測孔由人工開挖，孔深6.5 m，裸孔直徑1.0 m，觀測孔底部放置一根打有若干透氣小孔、直徑110 mm，長0.6 m的PVC集氣管，并與直徑50mm、長度6.5 m的PVC導(dǎo)氣管相連接。導(dǎo)氣管出露地面約0.6 m，在頂部用橡皮塞密封。為防止因淺層地表水位上升導(dǎo)致潮濕氣體進(jìn)入取樣管，且有利于氣體通過，在集氣孔底部鋪設(shè)一層透氣性好的礫石層。為防氣體逸出，礫石層上面鋪設(shè)塑料厚膜密封，用土回填。為了開展兩套儀器的對(duì)比試驗(yàn)觀測，使用三通管連接導(dǎo)氣軟管，并與孔內(nèi)PVC導(dǎo)氣管連接。觀測孔集氣裝置結(jié)構(gòu)見圖4。氣體富集與采樣時(shí)間可在儀器上直接設(shè)定，設(shè)定采樣時(shí)間間隔為30 min。

圖4 東郭觀測孔集氣裝置示意圖Fig.4 The schematic diagram of gas collection equipment at Dongguo measuring point

(2)數(shù)據(jù)采集:根據(jù)痕量氫在線自動(dòng)分析儀的功能，設(shè)定觀測時(shí)抽氣時(shí)間10 s，抽氣流量0.3 L/min，抽氣總氣量為0.05 L。儀器每次測量氣體用量為0.001 L，根據(jù)測量值的絕對(duì)量，自動(dòng)換算成氫濃度(ppm)存入儀器內(nèi)存。

(3)數(shù)據(jù)提取:可在儀器上直接設(shè)定IP地址，通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)，也可以從儀器上直接導(dǎo)出所需時(shí)段的數(shù)據(jù)曲線與數(shù)據(jù)顯示，并通過網(wǎng)頁直接繪制、瀏覽設(shè)定時(shí)段的曲線或數(shù)據(jù)，網(wǎng)頁界面見圖5。

圖5 氫濃度觀測實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)頁界面Fig.5 Real-time monitor web interface of hydrogenconcentration observing system

東郭斷層氣氫觀測點(diǎn)自2012年11月開始正常觀測，儀器產(chǎn)出溫度和氣壓輔助觀測數(shù)據(jù)，氫濃度與溫度、氣壓的變化關(guān)系曲線見圖6，日變形態(tài)穩(wěn)定，觀測值受氣溫、氣壓的影響較小。

圖6 東郭氫濃度與溫度、氣壓的變化關(guān)系曲線Fig.6 Hydrogen concentration variation curve versus temperature and atmospheric pressure

3 異常調(diào)查及成因分析

3.1 觀測技術(shù)系統(tǒng)工作狀態(tài)檢查

通過對(duì)東郭斷層氣氫觀測點(diǎn)的儀器運(yùn)行狀況、電源線路、電壓等觀測系統(tǒng)進(jìn)行排查，確認(rèn)觀測儀器工作正常，電源線路、電壓均沒有變化，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)沒有問題，觀測系統(tǒng)工作正常，測點(diǎn)觀測孔結(jié)構(gòu)沒有變化，氫濃度變化是真實(shí)的。

3.2 儀器標(biāo)定

為了確定觀測值的可靠性，異常核實(shí)中對(duì)儀器進(jìn)行了現(xiàn)場標(biāo)定。通過標(biāo)定，可以發(fā)現(xiàn)儀器傳感器性能是否發(fā)生變化。標(biāo)定過程按照有關(guān)規(guī)范要求，使用的標(biāo)準(zhǔn)氣符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)邀請儀器生產(chǎn)廠家到現(xiàn)場進(jìn)行操作，避免操作中引起的誤差。標(biāo)定過程按以下程序完成。

(1)k值計(jì)算:

式中:k為標(biāo)定的儀器系數(shù)(μl/mV);C為標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度(μl/L);V標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)氣體體積(L);U為傳感器顯示的電壓值(mV)。

(2)氫濃度計(jì)算:根據(jù)儀器性能，傳感器在一定氣體濃度范圍內(nèi)，氣體濃度變化產(chǎn)生的電壓變化是線性的。即:

已知，當(dāng)注入的氣體中沒有氫氣，那么傳感器的電壓輸出為0，即b=0;式(2)簡化為:y=k×x。

儀器在自動(dòng)測量過程中，采樣的體積一定為1 ml，所以測量時(shí)，氫濃度值y=標(biāo)定系數(shù)×毫伏數(shù)/1 ml:

式中:y為樣品氫氣濃度值(10－6×μl/L，即ppm)，k為標(biāo)定的儀器系數(shù)(μl/mV)，U為傳感器顯示的電壓值(mV)，V樣為進(jìn)樣體積(L)。

2013年5月7日14時(shí)35分，由儀器廠家對(duì)正在運(yùn)行的東郭1儀器進(jìn)行標(biāo)定，用針筒抽取1 000 ppm濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體0.02 ml，標(biāo)定得到的k值為0.041 83。2012年5月出廠時(shí)標(biāo)定的 k老為0.045 898 5，這次新標(biāo)定的k新為0.041 83，新老k值誤差為:

根據(jù)儀器性能指標(biāo)，儀器穩(wěn)定性指標(biāo)k值，在12個(gè)月內(nèi)相對(duì)誤差應(yīng)小于10%。標(biāo)定結(jié)果在儀器性能誤差范圍內(nèi)，說明儀器工作正常。

3.3 對(duì)比試驗(yàn)

除了開展上述儀器標(biāo)定外，為了解測量值的一致性狀態(tài)，本實(shí)驗(yàn)在同一工作環(huán)境和集氣裝置條件下，同時(shí)架設(shè)了兩臺(tái)相同型號(hào)的儀器東郭1和東郭2，采用三通管引入同一個(gè)測量孔的斷層氣，采樣率為每30 min 1個(gè)值，兩套儀器采樣間隔時(shí)間為15 min。圖7給出兩套儀器對(duì)比觀測的曲線，數(shù)據(jù)趨勢變化形態(tài)一致，通過對(duì)比結(jié)果分析，說明儀器工作正常，排除儀器干擾的可能。

圖7 兩套儀器對(duì)比觀測實(shí)驗(yàn)結(jié)果(a)兩套儀器對(duì)比曲線;(b)兩套儀器同軸對(duì)比曲線Fig.7 Comparative observation test results of two suits of equipments(a)comparative observation curve of two suits of equipments;(b)coaxial comparative curve of two suits of equipments

3.4 環(huán)境干擾調(diào)查分析

環(huán)境干擾因素的調(diào)查分析，主要是查清觀測點(diǎn)周圍有無直接影響觀測值的環(huán)境因素。該觀測點(diǎn)位于運(yùn)城市東郭村北邊約150 m處，四周均為農(nóng)田。測點(diǎn)南距中條山山前斷裂約2.5 km，北距鹽湖東部約2 km。整個(gè)地形呈南高北低，中條山山根至鹽湖東部高差約50 m，屬中條山山前洪積扇。本次工作調(diào)查了周圍3 km范圍內(nèi)用、抽水情況及新鉆井孔情況。據(jù)調(diào)查，2013年東郭鎮(zhèn)白莊村新打了兩口井，對(duì)新打的兩口井的施工情況進(jìn)行了以下詳細(xì)調(diào)查與分析。

(1)周圍用水情況調(diào)查:在東郭測點(diǎn)周圍有東郭村、下月村、上月村和白莊村，調(diào)查周圍3 km范圍內(nèi)有10口抽水澆地、飲用井，有些淺井用于季節(jié)性抽水，有的在調(diào)查季節(jié)停測。調(diào)查井孔基本情況見表2，空間分布見圖8。淺水抽水井的用水情況沒有改變，停用的淺井也沒有變化，所以周圍用水井不會(huì)引起氫濃度的改變。

(2)運(yùn)城市東郭鎮(zhèn)白莊村新鉆1#井于2013年3月29日開鉆，工期13天。1號(hào)井位于白莊村(35.024 4°N，111.145 0°E)(圖8)，高程386 m，此井距東郭測點(diǎn)2.12 km，井深130 m。據(jù)鉆井人員介紹，此井工期13 d，8 d后基本打成，4月7日下井管破壁，9日洗井，10日開始抽水，5月7日到現(xiàn)場時(shí)1#新井正在抽水。而氫濃度出現(xiàn)大幅度變化時(shí)間是7日開始上升，8日達(dá)最大值，9日下降，10日觀測數(shù)據(jù)恢復(fù)背景值(圖3)。數(shù)據(jù)出現(xiàn)大幅度變化與施工時(shí)間相吻合。

表2 東郭測點(diǎn)周邊井孔基本情況Tab.2 Basic situation of boreholes around Dongguo measuring point

(3)運(yùn)城市東郭鎮(zhèn)白莊村2#井于2013年4月22日動(dòng)工，23日休息，24日開鉆，工期7 d，4月29日結(jié)束。2號(hào)井也位于白莊村(35.026 4°N，111.142 2°E)，高程 386 m，此井距東郭測點(diǎn)1.8 km，井深140 m。據(jù)鉆井人員介紹，在27～28日洗井、下井管，30日鉆孔完工。5月7日到現(xiàn)場時(shí)，2#新井鉆井架子沒有拆除，尚未投入使用。而氫濃度24日出現(xiàn)上升，大幅度變化時(shí)間是27～28日，28日達(dá)最大值，29日下降，30日恢復(fù)正常，觀測數(shù)據(jù)恢復(fù)背景值(圖3)。數(shù)據(jù)出現(xiàn)大幅度變化與施工時(shí)間相吻合。

圖8 東郭氫觀測點(diǎn)周圍用水井分布圖Fig.8 Distribution of water wells around Dongguo measuring point

4 異常性質(zhì)判定及成因分析

4.1 氣象因素分析

根據(jù)前人的研究成果，氣體濃度的變化受氣象因素的影響，隨著溫度的升高，氣體溶解度增大，濃度升高，但氫濃度短期突變與溫度因素?zé)o關(guān)(陳華靜等，1999;范雪芳等，2012;黃春玲，王向陽，2012)。另外，分析了氫濃度與降雨關(guān)系，東郭測點(diǎn)孔深6.5 m，受地表降雨補(bǔ)給影響比較小，且異常出現(xiàn)的4月為干旱季節(jié)，測點(diǎn)附近無降雨，所以降雨對(duì)氫濃度的變化沒有影響。

4.2 周圍新開采井施工關(guān)系

通過調(diào)查分析，東郭鎮(zhèn)白莊村新打兩口井井深分別為130 m、140 m，在施工過程中，井孔下套管需要2～3 d，氫濃度出現(xiàn)大幅度變化的時(shí)間與下井管時(shí)間吻合，井管放好后，新打井開始抽水或停工，氫濃度觀測數(shù)據(jù)恢復(fù)背景值。2次氫濃度突變時(shí)間鉆井時(shí)間吻合，可以初步判斷氫濃度的大幅度突變是新打井施工造成。

4.3 成因分析

氫(H2)是無色無味的氣體，其特點(diǎn)是質(zhì)量輕，粘度小，極易遷移，并具有很強(qiáng)的滲透與擴(kuò)散能力。H2主要來自地殼深部的化學(xué)作用、生物作用、放射性衰變與火山活動(dòng)。地下巖體或松散層中都存在有He、H2、Rn、CO2等氣體，含量一般較低，大多呈自由狀態(tài)存在于巖石和土層的孔隙中，或吸附在巖土的顆粒表面。在外界條件不變時(shí)，這些氣體處于平衡狀態(tài);當(dāng)環(huán)境條件改變時(shí)，地殼表層中的次生氫氣，包括生物成因和化學(xué)成因的一些表層次生氫氣平時(shí)以分子狀態(tài)聚積在土層孔隙中，或吸附在巖土顆粒表面(高清武，范樹全，1992)，當(dāng)?shù)叵聴l件改變時(shí)，它們會(huì)改變原來狀態(tài)，按一定方向運(yùn)移和再分配。由于斷裂附近應(yīng)力容易集中，當(dāng)?shù)叵聭?yīng)力加強(qiáng)時(shí)，地下不同深處的次生氫氣便向斷裂帶匯集，使斷層氣氫增高。因此鉆孔施工過程中，下套管會(huì)引起巨大的震動(dòng)，在周圍環(huán)境條件發(fā)生變化，強(qiáng)大力的作用下造成地層松動(dòng)，由于氫具有極強(qiáng)的穿透和擴(kuò)散能力，氫快速遷移，氫濃度短期出現(xiàn)大幅度突跳異常變化，且氫濃度出現(xiàn)突變的時(shí)間與井管下套管時(shí)間一致，當(dāng)新井處于抽水或停用狀態(tài)，沒有大的沖擊力，氫濃度恢復(fù)正常，因此氫濃出現(xiàn)的短期突變異常系非構(gòu)造活動(dòng)引起。

5 結(jié)論及討論

前兆觀測的多樣性、個(gè)體差異性造就其復(fù)雜性，影響資料產(chǎn)出的因素很多，既有外部環(huán)境、觀測系統(tǒng)、隨機(jī)(人為)干擾等，又有類似斷層氣氫濃度短期變化由施工過程引起等個(gè)別性因素，在異常核實(shí)的過程中須逐一排查，盡可能剔除非震兆性異常。

2013年4月氫濃度出現(xiàn)2次的突變異常，通過觀測系統(tǒng)檢查、儀器標(biāo)定、同一測點(diǎn)兩套儀器對(duì)比分析、氣象因素和環(huán)境調(diào)查等因素綜合分析，結(jié)果表明，氫濃度4月出現(xiàn)的2次突變與相距2 km左右兩口新打井施工過程有關(guān)，并非地震前兆。本文提供的異常核實(shí)過程及分析依據(jù)，可作為異常核實(shí)工作的一個(gè)實(shí)例，對(duì)今后異?，F(xiàn)場核實(shí)、異常性質(zhì)判別提供借鑒和參考。

本項(xiàng)工作在完成過程中得到劉耀煒教授的指導(dǎo)，在此表示衷心的感謝!

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