范雪芳 李自紅 劉國俊 黃春玲 王向陽

1)山西省地震局，太原市晉祠路二段69號 030021

2)太原理工大學礦業(yè)工程學院，太原 030024

3)山西省地震局夏縣中心地震臺，山西夏縣 044000

4)太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，太原市晉源區(qū)太原基準地震臺 030025

0 引言

氣體地球化學方法在地震科學研究中有廣泛的應用領域，探索氣體地球化學方法在地震監(jiān)測預報中的應用技術，是多年來國內(nèi)外地震學者的共同愿望，被認為是一項具有廣闊前景的地震監(jiān)測方法(劉耀煒等，2006;杜樂天，2010)。傳統(tǒng)的定點連續(xù)地球化學觀測，主要以氡(Rn)、汞(Hg)測項為主。因為以往受到觀測技術的局限，一些能夠反映深部流體活動的氣體地球化學測項，如氫氣(H2)、氦(He)、二氧化碳(CO2)等很難在定點臺站進行連續(xù)觀測。隨著近年來觀測技術的發(fā)展和新型觀測儀器的應用，氫、氦、二氧化碳等氣體測項已能夠在野外實現(xiàn)定點連續(xù)監(jiān)測。這類氣體地球化學測項的連續(xù)監(jiān)測技術，將為我們探索地震監(jiān)測新方法提供可能的途徑。

氫(H)是比較活潑的元素，在地球內(nèi)部主要以化合物形式存在，在各類化學物理作用條件下，氫元素轉(zhuǎn)化為氫氣(H2)并在地球內(nèi)部運移。地球內(nèi)部氫氣來源與演化的研究，已成為國際地球化學前沿領域研究的熱點之一(Whiticar，1999;Hernández et al，2000)。普遍認為地下氫氣濃度的變化對地震的反映較靈敏，特別在短臨階段的映震能力明顯優(yōu)于其他測項，是地震短臨預測的重要手段之一(車用太等，2002;張培仁等，1993;林元武等，1994)。汪成民等(1991)的研究結(jié)果表明，在我國唐山、寧河、海城、大同等地震前后北京附近水井中溶解氫氣濃度均急劇增加，其異常特征表現(xiàn)為多次高值突跳，突發(fā)性強且變化幅度大，背景值穩(wěn)定，異常時間短(1～幾個月)。氫氣也是斷裂帶氣體的主要成分，我國在利用氫氣研究隱伏斷層和地震前兆異常監(jiān)測方面取得了重要進展(林元武等，1994)，同時也有了用氫前兆異常預測地震的成功實例(張煒等，1988，1992;范雪芳等，2012)。

但是，很多學者都發(fā)現(xiàn)氫氣在水、土壤中的背景值較低，出現(xiàn)異常時變化幅度較大，異常的相對變化甚至高過原基本量的2～3個數(shù)量級，易于識別，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。但由于以往氫氣觀測方法使用熱導檢測器氣相色譜儀，操作繁雜，人工取樣每天只能產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)。重要的關鍵是儀器靈敏度較低，檢出限僅為1×10－5，而一般水中溶解氣或土壤中的氫氣濃度的背景值為0.5×10－6，或甚至更低，用氣相色譜儀很難檢測到氫氣的背景動態(tài)，在無法分析氫氣的正常動態(tài)的情況下就無法分析觀測量的可靠性，因此氣相色譜儀觀測方法遠不能滿足地震監(jiān)測提取前兆異常的需求。

山西省的中南部地區(qū)多年來一直被列為華北地震的重點關注地區(qū)。山西地震帶中南段新構(gòu)造活動顯著，近年來小震活動明顯增強。為了探索用斷層氫氣濃度監(jiān)測預測地震的新方法，2012年在中條山山前斷裂上布設了4個斷層氫氣濃度連續(xù)觀測點，使用痕量氫在線自動分析儀，開展定點連續(xù)觀測。通過對觀測點位置、集氣裝置以及采樣深度等觀測條件的試驗研究，給出了用痕量氫在線自動分析儀進行斷層氣觀測的技術方法。針對在野外環(huán)境條件下的儀器穩(wěn)定性、適宜條件等進行了對比試驗，對同一條斷層上不同測點的氫氣濃度動態(tài)特征進行了觀測對比分析。本項試驗研究為進一步推進斷層氫氣濃度連續(xù)觀測技術在地震監(jiān)測預報中的應用提供了可供參考的經(jīng)驗。

1 測點布設及觀測方法

1.1 測點布設依據(jù)

日本名古屋大學杉崎隆(1993)研究了氫氣的逸出與地震活動的關系后認為，逸出氫的增加期與附近地震活動期一致，氫氣濃度與地震活動所釋放的能量有關。邵濟安等(2010)研究認為，氫主要來源于地幔，來源于地殼的少量氫是由于活動斷層產(chǎn)生的局部高溫高壓使中-淺層地熱儲庫中的甲烷轉(zhuǎn)化而成。王華林等(1991)使用各種測量儀器，在斷層附近的斷層氣中獲取到高出背景值3～6倍的峰值數(shù)據(jù)。中國地震局地震預測研究所等單位曾對幾次大震現(xiàn)場開展了斷層氣測量工作，多次觀測結(jié)果表明，極震區(qū)地下逸出氣濃度明顯高于外圍地區(qū)，逸出氣強度一般與地震烈度的強度相吻合①中國地震局地震預測研究所，2013，四川蘆山7.0級地震科學總結(jié)報告。

根據(jù)蘇宗正等(2001)研究成果，本研究區(qū)域選擇的中條山北麓斷裂之夏縣斷裂，位于山西地震帶南端，是一高角度正斷層，為控制運城盆地的主控構(gòu)造。歷史上運城盆地周邊強震活躍，最大地震為1815年山西平陸級地震，近30年來運城盆地常有4.0級左右中等地震及震群發(fā)生，近年來發(fā)生了多次強有感地震，因此本地區(qū)是開展氣體地球化學觀測試驗的理想地區(qū)。1982年以來在夏縣及其周圍100km范圍內(nèi)發(fā)生的ML≥4.0地震分布和M-t圖見圖1。

圖1 山西夏縣及其周圍100km范圍1979～2013年ML≥4.0地震分布(a)及M-t圖(b)

1.2 測點堪選與布設

為了在斷裂帶上選擇合適的斷層氫氣濃度觀測點，使用ATG3000便攜式測氫儀，沿著中條山山前斷裂的夏縣斷裂帶進行了測點勘選，選擇了夏縣1、夏縣2、赤峪和東郭等4個氫氣濃度相對較高的測點，建立了連續(xù)觀測試驗點(圖2)。

中條山斷裂為鄂爾多斯斷塊周邊活動斷裂系東南部的一條斷裂，且為運城斷陷盆地和中條山斷塊隆起的分界。中條山斷裂帶出露于中條山山前的北麓和西麓，長137km，走向NE-NEE，傾向 NW，傾角58°～75°，屬高角度正斷層，斷裂破碎帶寬100余米(圖2(a))。該處由于巖體破碎，孔隙和裂隙比較發(fā)育，易富集和貯存氣體，是地下氣體較易逸出的靈敏地段。經(jīng)野外實測和前人研究成果表明，斷裂帶上土壤氣濃度富集，遠離斷裂帶兩側(cè)其濃度則銳減(范雪芳等，2009)，勘選觀測點布設在中條山山前大斷裂與NW向隱伏斷裂交匯處及其附近，斷層氫氣濃度定點試驗觀測點分別選擇在位于斷層上、靠近斷層和遠離斷層，以便開展對比分析(圖2(b))。

圖2 (a)氫氣測區(qū)地質(zhì)構(gòu)造圖，(b)測點分布圖

1.3 儀器參數(shù)與主要性能

本次試驗觀測使用了杭州超距科技有限公司生產(chǎn)的“痕量氫在線自動分析儀”。儀器的氫氣傳感器是利用氫氣與微電子納米薄膜半導體材料中活性成分的反應原理，將測量反應過程的電壓變化換算成氫氣濃度。該儀器測試靈敏度比熱導池氣相色譜儀高出4～5個數(shù)量級，氣敏元件對氫氣的檢測限達到0.001ppm，氫氣的絕對檢測限達到10－9L，儀器的工作原理見圖3。

圖3 痕量H2在線自動分析儀結(jié)構(gòu)圖

與之配套的還有與氫氣觀測采樣率一致的環(huán)境氣溫、氣壓輔助觀測項。操作過程采用LED大屏幕實時時鐘顯示，全中文操作菜單，定時自動存儲數(shù)據(jù)?？呻S時查看存儲數(shù)據(jù)以及不同時間段的氫氣濃度隨時間的變化曲線等。儀器在較高濕度、較大溫度變化環(huán)境下可正常工作。

1.4 觀測方法

(1)選擇觀測孔深度。根據(jù)測試結(jié)果，選擇適當?shù)挠^測深度，并考慮到防凍、防雨、傳輸?shù)纫蛩?，盡量避免自然因素干擾。根據(jù)陳華靜等(1999)研究認為，斷層土壤氣的觀測點孔深的選擇，應根據(jù)地貌、斷層覆蓋層厚度、植被、淺層地表水位等多種因素綜合考慮。一般來說，在考慮盡可能減少氣溫影響和接近斷層破碎帶的情況下，觀測孔的深度應選擇高于本地區(qū)淺層地表水位500mm為宜。本項研究的觀測孔深度為6～8m。

(2)制作集氣裝置。觀測孔由人工開挖，如赤峪測點孔深7.0 m，裸孔直徑(φ)1.2m，觀測孔底部放置一根打有若干透氣的小孔，直徑0.11m、長0.6m的 PVC集氣管，并與直徑0.05m、長度6.7m的PVC導氣管相連接。導氣管出露地面約0.3m，在頂部用密封圈管口螺紋密封蓋，在密封蓋正中鉆直徑為8mm的孔，用于連接導氣軟管。為防止因淺層地表水位上升致使潮濕氣體進入取樣管，且又利于氣體通過，在集氣孔底部鋪設一層透氣性好的礫石層。為防氣體逸出，礫石層上面鋪設塑料厚膜密封，用土回填。用導氣軟管連接PVC導氣管，并連接測量儀器。觀測孔集氣裝置結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 夏縣赤塔斷層氫氣觀測孔集氣裝置示意圖

(3)測量時間間隔。測量時間可在儀器上直接設定，根據(jù)觀測點氫氣濃度的含量，可設定觀測時間間隔10、20、30和60min等。

(4)數(shù)據(jù)采集。儀器觀測時抽氣時間10s，抽氣流量0.3L/min，抽氣總氣量需0.05L。儀器每次測定檢測器輸出的電壓值，自動換算成氫氣濃度(ppm)，觀測數(shù)據(jù)直接存入儀器。

(5)數(shù)據(jù)獲取。遠程獲取數(shù)據(jù)，可在儀器上直接設定IP地址，通過網(wǎng)絡實時接收、下載數(shù)據(jù)，或通過網(wǎng)頁直接繪制所需時段曲線，網(wǎng)頁界面見圖5，用痕量氫在線自動分析儀進行觀測，首次實現(xiàn)了氫氣濃度觀測數(shù)字化，并記錄到實時變化信息。在現(xiàn)場可通過U盤，從儀器上直接導出所需時段的數(shù)據(jù)。

圖5 H2濃度觀測實時監(jiān)控網(wǎng)頁界面

2 儀器的標定

2.1 標定過程

儀器標定界面中有兩個參數(shù)需要設置，設置界面見圖6。

圖6 儀器標定界面

(1)標準氣體濃度。采用的是1000ppm濃度標準氣。

(2)標準氣體體積。標定所需的氣體體積，如圖6中標準氣體體積為0.02mL。

(3)標定操作過程。

①點擊“清洗”，儀器會自動清洗管路3秒鐘。清洗結(jié)束后，原先的“清洗”按鍵變成“測量”按鍵。儀器左下方提示請注入氣體。

②用微型注射器抽取1000ppm濃度的氣體0.02mL，通過儀器前端的白色進樣口打入氣體。

③打入氣體后，立即點擊“測量”按鍵，進入標定狀態(tài)。

④當儀器標定結(jié)束后，顯示標定系數(shù)在標定值框中，標定結(jié)束。

2.2 儀器標定時間的確定

為了分析不同運行時間長度下該類儀器傳感器的穩(wěn)定性問題，需確定該類儀器在現(xiàn)場標定的最長時間。本項研究對已經(jīng)運行3年的夏縣1測點和運行6個月的東郭測點儀器進行了標定，根據(jù)標定結(jié)果，分析該類儀器在連續(xù)觀測時需要標定的時間指標。

2.2.1 儀器長時間標定

夏縣1測點觀測儀器2010年3月開始運行，運行時間3年，標定結(jié)果見表1。

表1 夏縣1測點儀器2次標定結(jié)果

按下式計算2次標定的誤差，若K老=0.02764，K新=0.01983，則2次標定的K值誤差為

儀器運行約3年后，新、老K值誤差已達28.3%，可見在儀器連續(xù)觀測中，氫傳感器靈敏度會逐漸降低。

2.2.2 儀器短期標定

東郭測點觀測儀器2012年11月27日開始運行，運行時間近6個月，標定結(jié)果見表2。

表2 東郭測點儀器2次標定結(jié)果

用下式計算2次標定的誤差，其中，K老=0.14996，K新=0.14147，則2次標定的K值誤差為

儀器運行約6個月后，新、老K值誤差為5.66%，可見在儀器連續(xù)觀測中，6個月內(nèi)至少要對儀器進行一次現(xiàn)場標定，才符合儀器標定誤差控制在5%以內(nèi)的技術要求。

3 觀測結(jié)果分析

3.1 同一場地不同深度的觀測試驗

為了研究鉆孔深度對斷層氫氣的背景值及其動態(tài)的影響，在同一地點相距數(shù)米的小范圍內(nèi)鉆了深度分別為7.4m、4m、8.6m的孔，即夏縣1孔、夏縣2孔和夏縣3孔。觀測點布設在中條山山前大斷裂與NW向隱伏斷裂交匯處的夏縣地震臺背后山洞洞口，3個孔均位于斷裂帶上，屬同一構(gòu)造。其基本情況見表3。

夏縣1孔和3孔相距僅3m，在同一觀測室內(nèi)，該處由于巖體破碎，孔隙和裂隙比較發(fā)育，易富集和貯存氣體，是地下氣體較易逸出的靈敏地段。觀測孔均打到斷層碎裂巖，孔深7～9m。圖7給出不同深度對比試驗結(jié)果，從圖7可知，相同時間段比較，夏縣1孔和3孔變化形態(tài)非常相似，上升、下降變化同步，只是背景值有些不同。夏縣1孔2010年4月開始實驗觀測，初始背景值0.5ppm，隨著觀測時間的變化，測孔周圍有幾次中等地震發(fā)生，目前背景值已達1.5ppm。夏縣3孔背景值0.5ppm，兩個孔深度相差1.2m，均呈顯著的日變規(guī)律，背景值相對穩(wěn)定，變化形態(tài)的一致性較好。夏縣2孔和夏縣3孔相距13m，夏縣2孔深4m，未到破碎帶，從記錄結(jié)果看，數(shù)據(jù)變化起伏和擾動較大，日變規(guī)律不清楚。由此可見，觀測深度對氫氣濃度的背景值及動態(tài)變化有一定影響，孔深達破碎帶效果最好。

圖7 2013年2月6～28日同一地點不同深度對比試驗結(jié)果

3.2 斷層位置對氫氣濃度觀測結(jié)果的影響

在中條山斷裂附近布設了夏縣1孔、夏縣2孔、赤峪和東郭4個連續(xù)定點測點(見圖2)，形成小的區(qū)域觀測網(wǎng)。各測點基本情況如表3(所示)，幾個測點基本位于中條山山前斷裂及其附近，從記錄結(jié)果(圖8)可以看出，在同一條斷裂附近，小局域范圍內(nèi)氫氣濃度出現(xiàn)準同步變化，能夠比較好的反應同一斷裂帶地下氣體的動態(tài)特征。各測點這種正常的動態(tài)變化，有利于識別構(gòu)造活動及地震前兆異常信息，對捕捉短臨前兆異常能夠提供比較可靠的信息。

圖8 2012年12月1～20日同一斷裂帶不同測點H2濃度變化曲線

3.3 儀器工作溫度的確定

儀器的工作溫度對地震監(jiān)測來說非常重要，比如室內(nèi)地下流體水氡觀測的室溫要求為15～25℃(國家地震局，1985)，超出觀測環(huán)境的溫度范圍可能影響儀器性能，且直接影響氡濃度的觀測。按照痕量氫自動分析儀的特性，儀器的適應范圍為0～50℃，為了驗證此指標，進行了如下實驗。

3.3.1 儀器抗寒能力實驗

對于氫觀測儀可否用于地震系統(tǒng)，其對觀測室溫度有什么要求?是否可以進行野外觀測等問題并無肯定的結(jié)論。故為了檢驗實驗儀器的抗寒能力，將儀器放在野外臨時簡易活動房內(nèi)。在2012年冬季至2013年第一季度進行了野外連續(xù)觀測。圖9給出了夏縣2孔氫氣濃度、溫度及氣壓的觀測記錄，從圖中可見，在最低溫度為0.5℃時，可以記錄到氫氣濃度、溫度和氣壓的觀測數(shù)據(jù)，儀器工作正常。可見痕量氫在線自動分析儀可以用于野外觀測，0℃以上是可以正常觀測的。

3.3.2 儀器最高溫度實驗

按照痕量氫自動分析儀的特性，儀器的適應范圍在0～50℃。但在25℃以上可否正常工作?圖10給出夏縣2孔2013年4月氫氣濃度、溫度的觀測結(jié)果。從圖10中可見，在溫度達40℃時，儀器能夠記錄到氫氣濃度變化，工作正常?？梢姾哿繗湓诰€自動分析儀在工作中對室溫沒有過高要求。

圖9 2012年12月1日～2013年1月8日夏縣2孔氫氣濃度、溫度及氣壓觀測微動態(tài)變化曲線

圖10 2013年4月1～18日夏縣2孔H2濃度、溫度變化曲線

4 結(jié)論及討論

通過上面對斷層氫氣濃度的觀測試驗，得到如下初步認識:

(1)通過集氣裝置試驗、現(xiàn)場儀器標定、儀器穩(wěn)定性連續(xù)觀測資料分析，認為痕量氫在線自動分析儀穩(wěn)定性比較好，靈敏度高，可記錄斷裂帶土壤中氫氣濃度的變化;靈敏度達1×10－9，比普通氣相色譜儀器的靈敏度提高了4～5個數(shù)量級。

(2)該類型觀測儀器至少6個月應標定一次，以保證儀器觀測值絕對量的可靠性。儀器輔助觀測項包括環(huán)境溫度和氣壓。斷層氣中氫氣濃度觀測工作實現(xiàn)了無人值守，數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡實時傳輸，滿足了中國地震局數(shù)字化觀測的技術要求。

(3)觀測點應布設在活動斷裂的破碎帶上。觀測孔的深度應根據(jù)當?shù)氐孛病⒏采w層厚度、植被、淺層地表水位等因素來確定。觀測層位于破碎帶的觀測孔，觀測值動態(tài)變化規(guī)律清晰。同一斷層位置上的不同深度觀測孔，觀測結(jié)果具有準同步變化特征，當然觀測孔較淺會對觀測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性有一定影響。

(4)分析同一斷裂帶不同測點的實驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在同一斷裂及其附近不同測點會出現(xiàn)同步或準同步變化，這對異常的可靠性識別非常有利，在重點監(jiān)視區(qū)或值得注意地區(qū)開展多測點斷層氫氣濃度觀測，依據(jù)準同步異常變化信息，有望捕捉到有價值的短臨地震異常信息。

利用斷層土壤氣預測地震是近年來發(fā)展起來的一種新方法，國內(nèi)外在斷層氣觀測實踐中已獲得大量震例，它已成為地震短臨預測的重要手段之一。實踐證明，斷層土壤氣觀測的干擾因素(主要是氣象因素)較為單一，年變規(guī)律清楚。經(jīng)過短期試驗認為，痕量氫在線自動分析儀適應能力較強，IP地址直接到儀器，將觀測數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡實時傳輸，可實現(xiàn)在線瀏覽和分析，能夠滿足地震系統(tǒng)氫氣觀測技術的需要。另外，觀測儀器很適用于野外觀測，能夠為地震短臨監(jiān)測提供新的技術支撐。

由于此項工作目前尚處于試驗研究階段，僅得到初步的結(jié)論和認識，有待通過今后的觀測和總結(jié)獲取新的認識。

致謝:本研究得到杭州超距科技有限公司何鑭經(jīng)理、王維熙教授的支持，在此深表感謝!