震前土壤痕量氫氣異常特征

范雪芳李自紅張 磊山西省地震局，太原 030021中國地震局地殼應(yīng)力研究所地殼動力學(xué)重點實驗室，北京 100085

震前土壤痕量氫氣異常特征

范雪芳1）李自紅1）張 磊2）
1）山西省地震局，太原 030021
2）中國地震局地殼應(yīng)力研究所地殼動力學(xué)重點實驗室，北京 100085

斷層氣是地球內(nèi)部氣體及揮發(fā)組分不斷沿著活動板塊和活動塊體邊界以及其他活動性斷裂等地殼薄弱地帶向地表遷移和釋放的氣體。氫氣逸出對斷層的運動、地震的發(fā)生有直接的誘發(fā)作用。由于斷裂帶巖層中氫濃度背景值較低，即土壤中氫氣的背景值約為0.5×10－6，因此，氫濃度觀測受到觀測技術(shù)的限制而未能在地震預(yù)報中得到充分應(yīng)用。近年來，隨著氫氣分析技術(shù)的發(fā)展，新研制出的痕量氫自動分析儀能夠滿足地震系統(tǒng)觀測技術(shù)的要求。

2010年10月24日和2011年3月8日在河南太康分別發(fā)生4.6級和4.1級顯著地震，兩次地震前一周左右震中距330 km的山西夏縣土壤痕量氫濃度觀測到相似的異常變化，變化特征表現(xiàn)為“突升-轉(zhuǎn)折下降-地震-恢復(fù)背景值”變化過程，變化幅度達(dá)正常背景值的20多倍。結(jié)合兩次地震的震源機制解分析，認(rèn)為斷層氫濃度異常變化與地震所處的構(gòu)造位置有關(guān)，在同一地點發(fā)生兩次相似地震，斷層氫濃度出現(xiàn)相似變化異常重現(xiàn)性好。斷層氫濃度觀測是短臨預(yù)報的一種有效手段，可為地震重點危險區(qū)開展短臨跟蹤研究提供參考。

（1）氫濃度異常的短臨特征。夏縣斷層氫濃度異常的一個顯著特點是異常幅度大，通?？蛇_(dá)到正常背景值的幾倍、十幾倍、幾十倍，且震前出現(xiàn)異常時間較短，一般不超過半個月，大多數(shù)在震前10天左右。河南太康兩次地震前氫濃度異常幅度達(dá)到正常背景值的20多倍，且在震前5～8天出現(xiàn)，屬于短臨異常前兆。根據(jù)這一特點，在地震重點危險區(qū)選擇氫濃度作為地震預(yù)報的一項短臨前兆指標(biāo)較為適宜。

（2）斷層氫濃度異常重現(xiàn)性。根據(jù)韓立波等（2012）利用CAP方法、深度震相對比以及理論地震圖與實際觀測記錄擬合等多方法研究表明，河南太康兩次4級多地震發(fā)生在同一地點，且兩次地震均為走滑型、震源機制解結(jié)果相近，震源深度均為13 km左右。同一地點發(fā)生極為相似的兩次地震前，同一地點同一測項出現(xiàn)異常形態(tài)相似的短臨異常變化，其變化特征表現(xiàn)為“突升-地震-下降”，異常重現(xiàn)性好。這一特征為氫氣異常判定提供了一個定量的概念，特別是，對于日常跟蹤提供有利的判別異常依據(jù)，對識別其它地下微量、超微量的稀有氣體的地震前兆異常具有參考價值。

（3）異常幅度與地震大小對應(yīng)關(guān)系。Ito等（1999）觀測到了氫氣對區(qū)域內(nèi)的1.6～5.4級地震的地震前兆異常現(xiàn)象，表現(xiàn)為震前氫氣濃度上升的異?，F(xiàn)象，但是不同震級地震前的異常幅度規(guī)律并不明顯。本文的研究結(jié)果也表明了氫氣異常的幅度與震級大小之間的相關(guān)性不明確。筆者推測由于不同的構(gòu)造帶或同一構(gòu)造帶不同部位的活動程度不同，致使在不同的構(gòu)造帶不同部位聚集了不同的元素，因此斷層氫濃度異常幅度與未來地震發(fā)生的強度、地點之間對應(yīng)關(guān)系較復(fù)雜。有時異常幅度較大，但發(fā)生的地震震級不大，所以根據(jù)氫濃度異常幅度大小判斷未來地震的強弱與地點，在目前還是相當(dāng)困難的，這是由于臺站觀測點地質(zhì)構(gòu)造與孕震區(qū)域發(fā)震斷層的不確定性所決定的，因此可以認(rèn)為，痕量氫氣濃度異常變化反映的是一個區(qū)域應(yīng)力場的變化。

研究結(jié)果表明，在地震斷裂帶上開展土壤痕量氫氣連續(xù)觀測，能夠有效地捕捉區(qū)域應(yīng)力應(yīng)變的變化。本文觀測到河南太康2次4級前的相同氫氣異常變化，表明了氫氣對同類型地震的響應(yīng)特征。那么，在斷裂帶上開展有一定密度的土壤氫氣連續(xù)觀測，能夠進(jìn)一步獲得氫氣的地震前兆特征，進(jìn)一步提升土壤氣在地震監(jiān)測預(yù)測中的重要作用。