斷層氫氣濃度觀測技術(shù)試驗研究

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(xué)礦業(yè)工程學(xué)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(xué)國家野外科學(xué)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(xué)方法在地震科學(xué)研究中有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，探索氣體地球化學(xué)方法在地震監(jiān)測預(yù)報中的應(yīng)用技術(shù)，是多年來國內(nèi)外地震學(xué)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(xué)觀測，主要以氡(Rn)、汞(Hg)測項為主。因為以往受到觀測技術(shù)的局限，一些能夠反映深部流體活動的氣體地球化學(xué)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(shù)的發(fā)展和新型觀測儀器的應(yīng)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(xué)測項的連續(xù)監(jiān)測技術(shù)，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(xué)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(xué)前沿領(lǐng)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(yù)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(yù)測地震的成功實例(張煒等，1988，1992;范雪芳等，2012)。

但是，很多學(xué)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(dǎo)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(guān)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(guān)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(yù)測地震的新方法，2012年在中條山山前斷裂上布設(shè)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(shù)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(shù)在地震監(jiān)測預(yù)報中的應(yīng)用提供了可供參考的經(jīng)驗。

1 測點布設(shè)及觀測方法

1.1 測點布設(shè)依據(jù)

日本名古屋大學(xué)杉崎隆(1993)研究了氫氣的逸出與地震活動的關(guān)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(guān)。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(yù)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(yù)測研究所，2013，四川蘆山7.0級地震科學(xué)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(xué)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(shè)

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(shè)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(dǎo)體材料中活性成分的反應(yīng)原理，將測量反應(yīng)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(dǎo)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)纫蛩兀M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(yīng)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(yīng)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(dǎo)氣管相連接。導(dǎo)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(dǎo)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(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。用導(dǎo)氣軟管連接PVC導(dǎo)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(shè)定，根據(jù)觀測點氫氣濃度的含量，可設(shè)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(shè)定IP地址，通過網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)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(shè)置，設(shè)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(shù)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(shè)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(shè)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(luò)實時傳輸，滿足了中國地震局數(shù)字化觀測的技術(shù)要求。

(3)觀測點應(yīng)布設(shè)在活動斷裂的破碎帶上。觀測孔的深度應(yīng)根據(jù)當?shù)氐孛?、覆蓋層厚度、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(yù)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(yù)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(yīng)能力較強，IP地址直接到儀器，將觀測數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)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(shù)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(shù)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!