延慶五里營井稀有氣體地球化學特征①

高 玲，林元武，楊明波

（北京市地震局，北京 100038）

延慶五里營井稀有氣體地球化學特征①

高 玲，林元武，楊明波

（北京市地震局，北京 100038）

延慶五里營井逸出氣體中主要組分是N2，微量組分含有He，CH4，Rn，CO2，Ar等。N2／Ar值為46．3，3He／4He為2．4Ra，說明井熱水中有深部幔源組分的加入；CH4含量為2．2%，CO2（TCD）為4．9mg／L，顯示了強還原環(huán)境下的熱水釋放活動，這與延懷盆地微量氣體以還原性氣體釋放為主的氣體背景場相符。五里營井氣體釋放更傾向于是熱儲庫型氣體釋放而非斷裂型釋放，這可通過氦氣動態(tài)觀測及2次大震前后流體前兆氦氣濃度異常釋放得到體現(xiàn)。熱儲庫型氣體釋放中深部氣體上升進入熱儲并改變整個熱儲組成的時間較斷裂型晚，消失的時間也會晚得多，這與處于八寶山斷裂帶的大灰場井氦氣釋放特征存在明顯差異。五里營井氣體釋放特征與該區(qū)域地質、地球物理特征相符。

五里營井；稀有氣體；還原性氣體釋放；成因；熱儲庫型

Abstract：The release gas in Wuliying well，Yanqing county of Beijing，is N2，with minor gases He，CH4，Rn，CO2，Ar．The ratio of N2／Ar is 46．3and ratio of3He／4He is 2．4Ra，which show that it mixted by deep mantle－origin conponents．The facts of CH4content is 2．2%，and CO2（TCD）is 4．9mg／L show the hot water release activity under strong reduction environment，which corresponds the gas－release background field characteristicsed by reduction－oriented gas release activity in Yanhuai basin where the well located in．It also shows that the gas release in Wuliying well tends to be a themal－reservoir type，rather than a fault type，reflected by Helium observation and the abnormal release of Helium density before and after two strong earthquakes．It suggests that the time of deep gas with themal－reservoir type entering themal－reservoir lags than the fault type，and disappears much later than fault type does also．This is different from the gas release characteristics in Dahuichang well which located near Babaoshan fault at Fengtai area of Beijing．

Key words：Wuliyng well；Minor gases；Reduction－oriented gas release；Origin；Thermal－reserivor type

0 前言

稀有氣體氦及其同位素是反映深部流體活動的靈敏組分。由于觀測條件限制，He氣觀測開展的較少。隨著技術的進步，2007年在地質背景特殊的點陸續(xù)開展了He氣觀測。北京地區(qū)選在了延慶五里營井和豐臺大灰廠井，分別于2008年2月正式投入觀測。He氣觀測對于了解區(qū)域深部氣體背景動態(tài)變化，開展氣體地球化學“一井多測項”觀測，實施多指標綜合判定地震前兆有重要意義。本文對五里營井稀有氣體及He同位素組成特征進行分析，通過與大灰廠氦氣釋放動態(tài)觀測對比，對五里營井稀有氣體釋放機理進行初步分析。

1 五里營井背景概況

延懷盆地位于山西裂谷系北部晉冀北盆嶺與張渤斷裂帶復合部位［1］。五里營井位于延懷盆地北緣的沉降過渡帶上（圖1）。井區(qū)周圍壓性斷層發(fā)育，地勢平緩。井深533m，屬自流井，水溫36℃，水頭高出地面2m多。水化學類型為HCO3－Na型。多年觀測資料顯示，該井地下水動態(tài)幾乎不受淺層水和大氣降水的干擾。五里營井2007年10月新上數(shù)字化氦氣觀測儀，使用型號WGK－1，2008年2月正式觀測。氣體采用井口密封經脫氣集氣獲得。

圖1 延慶五里營井地質簡圖Fig．1 Ceological sketch map of area where the Wuliying well located．

2 五里營井氣體地球化學特征

五里營井氣體化學及同位素組成見表1。

表1 延慶五里營井氣體化學及同位素組成

He氣化學性質穩(wěn)定，滲透性較好。如表1所示，五里營井主要氣體組分是N2，游離CO2只有4．9 mg／L，顯示井熱水逸出氣體主要來自殼內。同時井逸出氣體中含有He、CH4、Ar、CO2等微量氣體。其中N2／Ar體積比為46．3，明顯有異于空氣N2／Ar體積比（83．96），說明該井熱水逸出氣中有深部氣體的加入。

大氣氦、殼源氦、幔源氦的表征值分別為1．4× 10－6、2．0×10－8、1．1×10－5，并以R（樣品值）與Ra（大氣值）之比來表示氦同位素特征，R／Ra＞1即說明有幔源氦的加入。表1所示，五里營井He同位素組成為3．43×10－6［2］，相應的R／Ra為2．4Ra，顯示有幔源組分加入。根據(jù)Sano殼幔端元公式［3］計算得到的五里營井逸出氣體中幔源氦的貢獻量為25%。說明逸出氦中大部分來自殼內。

CH4是還原性碳物質，五里營井熱水溶解氣CH4含量為2．2%體積分數(shù)，井CO2（TCD）只有4．9 mg／L，顯示了五里營井封閉良好的強還原環(huán)境。延懷盆地土壤氣CH4平均含量為12．7×10－6，高值在空間上呈孤立分布，盆地內CO2含量平均為396× 10－6，遠低于活動斷裂帶的CO2含量（幾千至幾萬量級以上）［4］，顯示延懷盆地微量氣體以還原性氣體為主的氣體背景場特征。因此，五里營井更傾向于熱儲庫型氣體釋放而非斷裂型釋放。這可通過氦氣動態(tài)觀測和2次大震流體前兆氦氣觀測響應得到體現(xiàn)（圖2、圖3）。

五里營井自觀測以來，氦氣測值呈冬低夏高變化趨勢（圖2）。2008年汶川M8．0地震、2010年玉樹M7．1地震前，氦氣最先出現(xiàn)不同幅度異常釋放，其中汶川8．0地震表現(xiàn)最為明顯，氦氣異常釋放達2個月。玉樹M7．1地震氦氣釋放出現(xiàn)小幅度異常，異常釋放達1個月；強震發(fā)生后異常釋放反而增加。汶川地震持續(xù)5個月，玉樹地震持續(xù)4個月后，都在當年9月底回至背景值。這與大灰廠井氦氣釋放特征存在明顯差異。大灰場井位于八寶山斷裂帶中段，該井處于斷層下盤，距離斷層20m。其氦氣動態(tài)曲線呈冬高夏低變化趨勢，大致呈U形（圖3），具有類似固體潮效應［5］。2008年汶川8．0地震、2010年玉樹7．1地震前后氦氣異常釋放明顯增加，異常幅度、釋放強度都較正常背景值有明顯增強，但由于深部氣體上升通道相對順暢，氣體逃逸速度快，異常消失速度快，總體上與動態(tài)曲線變化趨勢一致（圖3）。上述顯示，五里營井和大灰廠井不同的氣體釋放特征與二者之間地質背景差異和不同類型水位觀測井密切相關。五里營井地處延懷盆地，周圍為壓性斷層覆蓋，氣體釋放表現(xiàn)出強還原性特征，該井為動水位觀測井，逸出氣流量相對較大，氦氣釋放異常幅度也較大。就熱儲型氣體釋放而言，深部流體沿斷裂通道上升至流體熱儲庫中，改變整個熱儲的組分較斷裂型熱儲氣體釋放在時間上要晚，同理，消失的時間也會較斷裂型氣體釋放晚得多。這一過程也可能與五里營井7－9月可能是年變特征有關。不論是年變過程中氦氣釋放，還是由于地震活動、地應力調整有關的異常氦釋放都表現(xiàn)為脈沖式正異常釋放之后緩慢回至背景值。

圖2 汶川M8．0和玉樹M7．1地震前后五里營井氦氣觀測動態(tài)曲線Fig．2 The dynamic curves of digital Helium observation in Wuliying well before and after the M8．0Wenchuan earthquake and M7．1Yushu earthquake．

地球物理研究顯示延懷盆地殼幔附近存在低速度多層結構，與邢臺地震區(qū)殼幔過渡帶結構相似，說明殼幔過渡帶存在深斷裂帶［61］。地震波研究顯示，上地殼10km存在明顯的低速層，類似于熔融體，并延伸到地殼6～20km深度范圍，并認為延慶盆地及其鄰近區(qū)的地震活動與區(qū)域地殼內的熱狀態(tài)有密切關系［7］。此外，延懷盆地底下溫度和壓力梯度變化明顯［8］，盆地內熱流值較周圍山區(qū)高［9］。與斷裂型井氣體釋放比較，熱儲庫型五里營井深部氣體遷移過程中，受到了上覆巖層阻擋，遷移速度慢，釋放入熱水中速度也較慢，并且重新恢復平衡的時間也較長［10］。五里營井所表現(xiàn)出來的熱儲型釋放特征與該區(qū)域地質地球物理、地球化學結果是相符的。

圖3 汶川M8．0和玉樹M7．1地震前后大灰廠井氦氣觀測動態(tài)曲線Fig．3 The dynamic curves of digital Helium observation in Dahuichang well at Fengtai before and after the M8．0Wenchuan earthquake and M7．1Yushu earthquake．

3 結論

延慶五里營井逸出氣體中主要組分是N2，微量組分含有He，CH4，Rn，CO2，Ar等。N2／Ar值為46．3，3He／4He為2．4Ra，說明井熱水中有深部幔源組分的加入。CH4含量為2．2%，CO2（TCD）為4．9mg／L，顯示了五里營井強還原環(huán)境下的熱水釋放活動，這與延懷盆地微量氣體以還原性氣體釋放為主的氣體背景場相符。

五里營井氣體地球化學背景場，氦氣動態(tài)變化及2次大震異常釋放顯示，該井氣體釋放更傾向于是熱儲庫型氣體釋放而非斷裂型釋放，異常釋放持續(xù)時間較斷裂型晚，消失時間也較斷裂型晚得多。其與處于八寶山斷裂帶的大灰場井氦氣異常釋放存在明顯不同。

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Geochemistry Characteristics of the Minor Gases in Wuliying Well at Yanqing County，Beijing

GAO Ling，LIN Yuan－wu，YANG Ming－bo
（Earthquake Administration of Beijing，Beijing 100038，China）

P592

A

1000－0844（2012）03－0274－03

10．3969／j．issn．1000－0844．2012．03．0274

2011－04－26

高 玲（1973－），女，碩士研究生，助理研究員，主要研究方向為地下流體地震前兆．