斷裂帶土壤氣高精度氫異常分析
2016-08-22 11:15:46范雪芳李自紅陶京岺
地震地質 2016年2期
范雪芳 張 磊 李自紅* 陶京岺
1)山西省地震局， 太原 030021 2)中國地震局地殼應力研究所， 地殼動力學重點實驗室， 北京 100085 3)中國地震局地質研究所， 北京 100029
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斷裂帶土壤氣高精度氫異常分析
范雪芳1)張磊2)李自紅1)*陶京岺3)
1)山西省地震局， 太原030021 2)中國地震局地殼應力研究所， 地殼動力學重點實驗室， 北京100085 3)中國地震局地質研究所， 北京100029
氫氣作為1種靈敏的指標能夠指示斷裂活動過程。文中基于長期全時段的斷裂帶土壤氣高精度氫觀測資料， 根據(jù)測量值的分布范圍對資料的可靠性進行了評價， 通過氫濃度映震評估， 認為氫濃度與地震活動有一定的對應關系， 給出了異常判定指標。并結合氫濃度異常特征對測點周圍350km范圍內的有感地震進行了分析， 重點分析了2010年10月24日和2011年3月8日在河南太康分別發(fā)生MS4.6和MS4.1地震前1周左右震中距330km的山西夏縣土壤高精度氫濃度觀測到的相似異常變化， 其變化特征表現(xiàn)為 “突升—轉折下降—地震—恢復背景值”， 變化幅度達正常背景值的20多倍。認為斷層氫濃度異常變化與地震所處的構造位置有關， 在同一地點發(fā)生的2次相似地震， 斷層氫濃度出現(xiàn)相似變化， 異常重現(xiàn)性好。高精度斷層氫濃度觀測是短臨預報的1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。
斷層氫氣地震前兆異常特征映震效能重現(xiàn)性
0 引言
斷層氣是地球內部氣體及揮發(fā)組分不斷沿著活動板塊和活動塊體邊界以及其它活動性斷裂等地殼薄弱地帶向地表遷移和釋放的氣體。斷裂帶上的微量氣體組分(Rn， Hg， H2， CO2等)的變化， 主要受斷層和斷層活動性的影響?；顒訑鄬邮堑乇砼c地下深部聯(lián)系的通道， 斷層氣從通道中溢出地表并攜帶大量的構造活動信息， 是很好的構造指示劑(汪成民等， 1991； Waliaetal.， 2009； Lombardietal.， 2010)。在地震孕育過程中， 巖石受到的應力改變， 導致地殼中發(fā)生某些瞬時運動， 如裂縫擴張、 斷層蠕動等， 壓力驅動下深部的流體沿著斷裂及薄弱地帶在巖石圈內遷移、 聚集或分散， 形成地球化學異常(杜建國等， 2000)。大量跨斷層氣體地球化學研究表明， 土壤氣(CO2、 He、 H2、 Hg和Rn)異常的空間分布與斷裂相關， 活動斷裂是地殼的不連續(xù)處， 其垂直方向的滲透率要高于被斷巖石的滲透率， 成為地殼及更深部氣體向上逸出的有利通道(Irwinetal.， 1980； Kingetal.， 1996， 2006)。
地球內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； Hernndezetal.， 2000)。粟啟初(1992)通過實驗指出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。邵濟安等(2010)研究認為， 氫主要來源于地幔， 少量地殼來源是由于活動斷層產(chǎn)生的局部高溫高壓趨使中、 淺層地熱儲庫中的甲烷轉化為氫。Wakita等(1980)指出氫氣是一種新的手段指示斷層活動性。氫氣具有較強的映震靈敏性， 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(張煒等， 1988； 劉耀煒等， 2006； 車用太等， 2015)。汪成民等(1991)的研究結果表明， 在中國唐山、 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， 背景穩(wěn)定， 異常時間短(1個月至幾個月)。氫也是斷層氣的主要成分， 中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， 同時也獲得了氫前兆異常實例(汪成民等， 1991)。
由于斷裂帶巖層中氫濃度背景值較低， 長期以來， 國內外觀測氫濃度主要采用熱導檢測器氣相色譜儀， 靈敏度較低， 檢出限一般為10×10-6， 由于人為因素(如取樣地點、 步驟和操作等)引起誤差增加， 資料的可靠性降低。而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的限制而未能在地震預測中得到充分應用。近年來， 隨著氫氣分析技術的發(fā)展， 新研制出的ATG-6118H型痕量氫自動分析儀能夠滿足地震系統(tǒng)觀測技術的要求(范雪芳等， 2014a，b； 2015)。筆者利用痕量氫氣觀測儀器在2010年10月24日和2011年3月8日河南太康MS4.6和MS4.1地震前， 觀測到斷層氫濃度比較顯著的異常； 異常重現(xiàn)性好， 其變化幅度達背景值的20多倍。本文結合2次地震的震源機制解和夏縣斷層氫濃度觀測結果， 分析了地震前的氫氣變化特征， 同時對氫氣的地震前兆機理進行了探討。
1 基本概況與觀測方法
1.1地質概況
夏縣斷層氫濃度觀測點布設在NE向中條山山前斷裂與NW向南師隱伏斷裂的交會處， 海拔高度450m(圖1)。中條山山前斷裂地處山西南部， 是鄂爾多斯斷塊周邊活動斷裂系東南部的1條斷裂， 運城斷陷盆地和中條山斷塊隆起的分界。該斷裂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m， 沿斷裂帶有溫泉出露。
圖1 痕量氫測點區(qū)域地質構造及350km范圍內MS≥3.0地震分布圖Fig. 1 Geological setting of hydrogen observation station and earthquakes with magnitude MS≥3.0 within 350km around Xiaxian observation station.
中條山山前斷裂形成于新元古代以前， 演化至新生代時， 發(fā)生了與中生代應力方向相反的運動， 形成運城斷陷盆地， 其中新生代沉積物厚度達5,000m以上(山西省地質礦產(chǎn)局， 1989)。中條山北麓斷裂呈弧形向SE凸出， 弧形頂點在磨河村附近； 中條山西麓斷裂和北麓斷裂以120°相交， 交會點在西姚溫附近。這樣， 2個主要構造不連續(xù)特征把中條山山前斷裂分為3個幾何段， 即中條山斷裂北段、 中段和南段， 分別稱為夏縣斷裂、 運城斷裂和韓陽斷裂(蘇宗正等， 2001)。
1.2河南太康2次地震活動概況
2010年10月24日16時58分， 河南省周口市太康縣、 扶溝縣、 西華縣交界處發(fā)生了MS4.6地震(34.0°N， 114.6°E)(中國地震臺網(wǎng)中心， http： ∥www.csndmc.ac.cn/newweb/index.jsp)。該地震主要發(fā)生在2條斷裂構造的交會處： 其中1條為EW向， 從許昌至太康、 鄢陵的斷裂； 另1條NE方向， 從太康至山東曹縣的斷裂。該地震周口、 開封等地有明顯震感， 許昌、 平頂山、 鄭州等地有感， 地震造成多間房屋倒塌， 部分人員受傷， 經(jīng)濟損失較大。而后于2011年3月8日0時19分在此次地震附近又發(fā)生1次MS4.1地震。根據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心目錄， 2次地震之后該地區(qū)附近還發(fā)生了若干次小震。韓立波等(2012)利用P波到時差對2次地震的水平位置進行了相對定位， 定位結果顯示2011年MS4.1地震位于2010年地震以東0.18km、 以北0.27km處， 水平距離約0.3km。由于地處弱震、 少震區(qū)， 2次中等地震的發(fā)生造成較大的社會影響， 該地區(qū)的地震危險性也引起社會公眾和地震工作者的廣泛關注。
1.3斷裂土壤氫氣觀測
2010年1月24日山西河津MS4.8地震發(fā)生后， 于2010年1月29日在夏縣地震臺形變觀測山洞口開挖了1個8m深的觀測孔， 孔底到斷層破碎帶， 裸孔直徑1.0m， 觀測孔底部放置1根直徑0.11m的集氣裝置， 剖面圖見參考文獻(范雪芳等， 2012)。為防止因淺層地表水位上升致使潮濕氣體進入取樣管， 且便于氣體流動， 在集氣孔底部鋪設1.2m厚透氣性好的礫石層， 礫石層中的氣體會很快通過擴散使氣體達到新的平衡； 為防止氣體逸出， 礫石層上面鋪設雙層塑料厚膜密封， 用黃土回填。在頂部用橡皮塞密封， 用導氣軟管連接PVC導氣管， 并連接痕量氫自動分析儀。
使用杭州超距科技有限公司生產(chǎn)的ATG6118H痕量氫自動分析儀連續(xù)觀測。儀器每間隔20min自動采1次樣， 1次連續(xù)10 s采集300ml氣體， 實現(xiàn)了斷層氣的連續(xù)觀測(范雪芳等， 2014a， b； 2015)。
經(jīng)野外實測， 夏縣斷裂帶上土壤氣富集， 遠離斷裂帶兩邊則銳減， 對鄰近地區(qū)一些孕震應力場的變化十分靈敏， 較深部的信息能通過地殼斷裂的裂隙通道到達取樣點的地表， 是1個較理想的觀測點(范雪芳， 2009)。
2 土壤高精度氫氣長期觀測資料可靠性分析
圖2 氫濃度測值大小分布情況Fig. 2 Distribution of hydrogen concentration.
土壤氫濃度含量較低， 一般為0.5×10-6， 在多數(shù)情況下低于0.5×10-6。 采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法對該測點全時間段(2010年2月—2015年10月)5a多的150,297個數(shù)據(jù)按照不同測量值的分布進行統(tǒng)計， 根據(jù)記錄的氫濃度大小共分8個區(qū)間， 其測值大小分布情況見圖2、 表1。從統(tǒng)計情況分析， 理論上應該產(chǎn)出151,488個數(shù)據(jù)， 實際產(chǎn)出150,297個數(shù)據(jù)， 數(shù)據(jù)完整率幾乎達到100%； 一般缺數(shù)情況是人為因素造成的， 斷記率很低。從產(chǎn)出氫濃度數(shù)據(jù)大小的分布范圍分析， H2≤0.5×10-6占14.12%， 0.5×10-6～3.0×10-6占53.54%， 5.0×10-6～7.0×10-6占15.74%， >10×10-6僅占4%， 測值0.5×10-6～3×10-6占50%以上， 測值較低的數(shù)據(jù)和較高的數(shù)據(jù)比較少， 基本符合正態(tài)分布， 從所得到高精度氫濃度的完整率、 測值分布范圍， 進一步說明高精度氫觀測儀器穩(wěn)定， 在實際工作中維護方便， 觀測數(shù)據(jù)測值穩(wěn)定， 資料可靠。
表1 高精度土壤氫濃度不同測量值分布統(tǒng)計表
Table1 Statistics of distribution of high-precision soil hydrogen concentrations
測值大小/×10-6H2≤0.50.5
3 高精度氫濃度異常判別與地震的對應關系
3.1斷裂氫氣異常的判別方法
斷層氫氣動態(tài)變化， 無論有無年變規(guī)律， 在幾至幾十天的時間尺度上， 多呈現(xiàn)出突然升高或鋸齒狀起伏的特點。 這種起伏變化受多種因素的影響， 變化規(guī)律尚難取得定量認識。 同時， 斷裂帶高精度氫濃度震前異常觀測到比正常起伏范圍高幾、 十幾、 甚至上百倍的大幅度變化(車用太等， 1995)， 根據(jù)數(shù)學統(tǒng)計分析結果， 氫濃度背景值觀測有14.12%在0.5×10-6以下， 0.5×10-6～3.0×10-6占53.54%， 5.0×10-6～7.0×10-6占15.74%。因此， 根據(jù)測值大小的分布情況和地震活動對應情況， 高精度氫氣異常識別以>10×10-6作為判據(jù)， 即觀測值>10×10-6為異常值。
3.2研究地震的選擇
本次研究選擇2014年2月份以后(即氫濃度始測時間)至2015年10月31日測點周圍350km范圍內MS≥3.0(中國地震臺網(wǎng)中心，http： ∥www.csndmc.ac.cn/newweb/index.jsp)的地震(表2)， 共發(fā)生地震17次， 其中3.0～3.5級地震11次， 3.6～4.0級地震4次， 4.0級以上地震2次， 空間分布見圖1。
表2 夏縣測點周圍350km范圍內MS≥3.0地震目錄
Table2 Catalog of earthquakes with magnitude MS≥3.0 within 350km around Xiaxian observation station
編號日期時間緯度/(°)經(jīng)度/(°)震級(MS)震源深度/km發(fā)震地點12010-04-0715:29.5936.33111.703.65山西洪洞22010-06-1021:08.1637.77111.473.06山西交城32010-06-2409:10.5534.73108.983.26陜西渭南42010-10-2416:58.5534.07114.654.66河南太康52010-12-1411:45.4035.40111.083.36山西聞喜62011-01-1502:02.0235.58110.773.78山西河津72011-03-0800:19.4433.98114.634.110河南太康82011-04-2100:15.5436.08112.933.18山西長子92011-08-2119:57.1536.52112.033.719山西古縣102011-09-3008:07.5336.50113.123.07山西襄垣112012-08-1806:11.4333.28109.283.010陜西鎮(zhèn)安122012-09-1221:58.3435.18112.233.010河南濟源132012-09-1710:43.4137.57112.373.26山西清徐142012-11-0200:09.4535.95111.733.25山西浮山152013-04-0417:42.2535.33111.623.414山西聞喜162013-10-2219:08.0737.92112.533.022山西太原172014-04-0423:16.4037.27112.223.615山西平遙
3.3氫濃度異常與地震活動的對應關系
圖3 氫濃度觀測值及測點周圍MS≥3.0地震M-t圖Fig. 3 Hydrogen concentrations and the M-t figure of earthquakes with magnitude MS≥3.0 around the observation station.
圖3 給出了測點周圍350km范圍內3.0級以上地震M-t圖及氫濃度始測以來的觀測值曲線。 從圖上可以直觀地看出， 地震主要集中在2個時段， 即2010年10月—2011年3月和2012年8月—2012年11月。在地震活躍時段均出現(xiàn)氫濃度高值異常， 地震平靜時段的斷層氫氣在背景值波動。第1時段(2010年10月—2011年3月)斷層氫濃度出現(xiàn)多次異常， 高值異常頻次增多， 幅度增大， 在該時段發(fā)生3.0級以上地震5次， 可對應地方(震中距Δ<100km，Δ<200km 范圍內)的3次中小地震(MS3.5左右)和區(qū)域(震中距Δ<350km)的2次中等地震(4級以上)； 2012年8月—2012年11月異常時段發(fā)生3.0級以上地震4次。可見氫濃度的異常變化時段與地震活動有比較好的對應關系。
3.4高精度氫氣異常的映震效能
評價高精度斷層氫氣異常的映震效能， 用2個參數(shù)來表述。一是異常對應地震的百分比， 即異常對應地震的次數(shù)與全部異常次數(shù)之比； 二是震前有異常的百分比， 即震前有異常的地震次數(shù)與全部地震次數(shù)之比。以氫濃度觀測時段內測點周圍350km范圍內共發(fā)生3.0級以上地震17次計算， 有9次地震發(fā)生在氫異常高的時段， 8次地震前無異常， 地震對應率為53%； 若以10×10-6為異常判定指標， 震前出現(xiàn)異常有5次(圖3)， 占30%， 因此， 利用斷層氫氣預報周圍350km范圍內3.0級地震的漏報率比較高， 這與震中距、 震級大小及地震構造有一定的關系。
4 氫濃度顯著異常特征分析
2010年10月—2011年3月期間， 在測點周圍共發(fā)生3.0級以上地震5次(圖4a)， 氫濃度處于高值突跳狀態(tài)， 對此階段的異常特征進行分析， 幾次地震的異常特征統(tǒng)計結果見表3。
圖4 夏縣斷層氫濃度異常變化與地震活動的關系Fig. 4 The relation between hydrogen concentrations and local earthquakes in Xiaxian.
4.1山西3次3級地震前的氫異常變化特征
2010年12月14日聞喜MS3.3地震與2011年1月15日河津MS3.7地震分別發(fā)生在峨嵋臺地南側的運城盆地和北側的臨汾盆地內， 2次地震的發(fā)生時間相差僅1個月， 震中距分別為34km和66km， 屬于地方震(震中距<100km)。痕量氫氣在這2次地震前的反應形態(tài)(圖4b)為， 2010年11月氫濃度穩(wěn)定在5×10-6變化， 12月5日上升至10×10-6， 至12月13日上升至14×10-6， 14日發(fā)生聞喜MS3.3地震， 17日下降至10×10-6以下。2011年1月1日氫濃度又出現(xiàn)突升， 之后氫濃度一直在高值波動， 1月15日發(fā)生河津MS3.7地震時， 痕量氫濃度達最大值52.7×10-6， 震后異常加速下降。2011年4月15日至4月19日， 氫濃度出現(xiàn)>10×10-6的小幅度變化(圖4c)， 19日后氫濃度下降， 下降過程中在相距187km處發(fā)生長治MS3.1地震， 地震后氫濃度大幅度下降， 之后氫濃度再沒有出現(xiàn)過>10×10-6的變化， 且氫濃度基本在低值變化。這3次3級地震前的氫濃度變化說明氫濃度高值變化對3級地震有一定的反映， 且在高值異常出現(xiàn)6～15d后發(fā)震， 具有短臨異常特征。
表3 夏縣氫濃度變化異常特征統(tǒng)計表
Table3 Characteristics of the hydrogen anomalies in Xiaxian
序號異常開始時間異常結束時間持續(xù)時間/d距發(fā)震時間/d最大值/×10-6發(fā)震時間緯度/(°)經(jīng)度/(°)震源深度/km震級(MS)發(fā)震地點震中距/km12010-10-162010-10-2814825.72010-10-2434.07114.6564.6河南太康33422010-12-052010-12-1713914.12010-12-1435.40111.0863.3山西聞喜3432011-01-012011-01-19201552.72011-01-1535.58110.7783.7山西河津6642011-03-042011-04-2856548.12011-03-0833.98114.63104.1河南太康33752011-04-152011-04-194613.02011-04-2136.08112.9383.1山西長子187
4.2河南太康2次4級以上地震異常特征
2010年和2011年在河南太康發(fā)生2次4級以上地震， 這2次地震是發(fā)生在該測點始測以來周圍350km范圍內的最大地震， 也是唯一發(fā)生在同一區(qū)域的2次4級以上地震。在此重點對河南太康2次4級以上地震進行分析研究。
河南太康MS4.6地震震中距離測點約334km， 震前痕量氫氣濃度連續(xù)觀測正常背景值為0.8×10-6～1×10-6， 數(shù)據(jù)變化幅度不大。2010年10月16日17時氫濃度觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)緩慢上升(圖4d)， 18日出現(xiàn)2×10-6的突升臺階， 變化幅度是背景值的5倍； 19—21日在2×10-6附近變化； 22日0時起加速上升， 至10時測值達13.6×10-6， 至23日23時數(shù)據(jù)持續(xù)在14.0×10-6左右波動； 24日0時起數(shù)據(jù)大幅度上升變化， 由14.0×10-6變化至13時的25.7×10-6， 短短13h， 變化幅度超過背景值25倍多， 此后氫濃度小幅度下降， 異常出現(xiàn)8d后于24日16時58分發(fā)生河南太康MS4.6地震。
夏縣氫濃度觀測在經(jīng)歷了2010年河南太康MS4.6、 山西河津MS3.7、 山西平陸MS3.3地震后， 痕量氫濃度背景值為2×10-6。2011年3月4日氫濃度再次出現(xiàn)大幅度上升， 至3月7日0時上升至48.1×10-6(圖4e)， 之后轉折下降， 在氫濃度下降過程中3月8日19時43分河南太康再次發(fā)生MS4.1地震。
從河南太康2次4級以上地震前夏縣氫濃度異常特征統(tǒng)計結果(表3)可以看出， 2010年10月24日和2011年3月8日河南太康MS4.6和MS4.1兩次地震前， 斷層氫濃度的異常特征相似(圖4d， e)， 異常幅度均大于背景值20倍以上， 地震前5～8d出現(xiàn)異常， 持續(xù)時間短， 震后很快恢復到背景值， 氫濃度均表現(xiàn) “突升—轉折下降—地震—恢復背景值”的變化過程。根據(jù)韓立波等的研究結果， 河南太康2次4級以上地震發(fā)生在同一地點， 且2次地震均為走滑型、 震源機制解結果相近， 震源深度均為13km左右。因此在同一地點的2次4級以上地震前氫濃度出現(xiàn)相似的變化， 說明氫濃度重現(xiàn)性好， 更加確認了痕量氫濃度的映震能力。
5 氫異常特征及機理分析
5.1氫濃度異常機理分析
研究表明， 斷層活動過程中能夠引起氫氣的釋放， 氫氣的產(chǎn)生與水和新鮮巖石面的作用有一定的關系(Hiroseetal.， 2011)。斷裂活動可以促使氫氣的溢出， 同時由于氫氣自身的特殊物理化學性質， 氫氣極易通過斷裂從地下擴散到地表。鑒于氫氣的這種性質， 通過觀測土壤中的氫氣含量能夠有效地指明斷層活動過程(Wakitaetal.， 1980)。當環(huán)境條件發(fā)生改變時， 特別是地下應力狀態(tài)變化時， 地球深部的氫氣極易隨之變化， 擴散到地表形成斷層土壤氣中氫氣的含量高值異常現(xiàn)象。
圖5 斷層氣地震前兆機理運移模式圖(據(jù)高清武， 1992)Fig. 5 Hydrogen migration pattern before earthquakes(after Gao Qing￣wu， 1992).
夏縣斷層氫氣濃度在河南太康2次4級多地震前出現(xiàn)形態(tài)相似的突跳異常， 筆者認為是地殼淺部應力、 應變效應作用的結果。在震源機制解相近、 震源深度幾乎相同的2次地震前， 同一測點斷層氫濃度震前均出現(xiàn)短臨異常變化， 且變化形態(tài)相似、 幅度相近。地震前， 由于應力的累積， 巖石形成眾多的微裂隙， 增加了地下水與巖石界面的水巖作用， 有利于氫氣的產(chǎn)生。同時斷層處的裂隙通道更加暢通， 氣體擴散加快， 使地下富集氣體被大量的釋出。由于深源氣體混合比例的大量增加， 以及氣體擴散速度的加快， 打破了正常狀態(tài)的氣體平衡， 形成新的臨時狀態(tài)——異常狀態(tài)， 使我們觀測到土壤氫氣的正異?，F(xiàn)象。如圖5 模型， 斷裂上的斷裂氣孔處在相對低壓區(qū)， 周圍的地下氣體在應力場作用下， 向這里的斷裂氣孔匯集， 使得一些特征性氣體含量增加， 進而使得觀測的斷裂氫氣出現(xiàn)了不同幅度的正異常(高清武， 1992)。另一方面， 震后， 應力釋放， 裂隙閉合， 水與巖石作用產(chǎn)生的氫氣量減少， 同時氣體擴散通道被關閉， 地下氫氣運移到地表的量減少， 使觀測的土壤氫氣含量減少至背景值。
5.2氫濃度異常與地震前兆
5.2.1氫濃度異常的短臨特征
高精度斷層氫濃度異常的1個顯著特點是異常幅度大， 通常可達到正常背景值的幾倍、 十幾倍、 幾十倍的變化， 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10d左右。氫氣與區(qū)域內的3級以上地震活動和河南太康2次4級以上地震活動的研究表明， 震前氫濃度異常幅度達到正常背景值的20多倍， 判別指標為10×10-6， 且在震前5～8d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報的1項短臨前兆指標較為適宜。
5.2.2斷層氫濃度異常重現(xiàn)性
韓立波等(2012)利用主事件相對定位法和CAP方法研究表明， 河南太康2次4級多地震發(fā)生在同一地點， 且2次地震均為走滑型， 震源機制解結果相近， 震源深度均為13km左右。同一地點發(fā)生極為相似的2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。這一特征能夠為氫氣異常判定提供1個定量的概念， 特別是為日常跟蹤提供有利的判別異常依據(jù)， 對識別其他地下微量、 超微量的稀有氣體的地震前兆異常具有參考價值。
5.2.3異常幅度與地震大小的對應關系
Ito等(1999)觀測到了氫氣對區(qū)域內的1.6～5.4級地震的前兆異?，F(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。本文的研究結果也表明氫氣異常的幅度與震級大小之間的相關性不明確。但1組氫氣的高值異常與地方3.0～3.9級地震和區(qū)域4級以上地震活動有比較好的對應關系。筆者推測由于不同的構造帶或同一構造帶不同部位的活動程度不同， 致使在不同的構造帶的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、 地點之間對應關系較復雜。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， 在目前還是相當困難的， 這是由臺站觀測點地質構造與孕震區(qū)域發(fā)震斷層的不確定性決定的， 因此可以認為痕量氫氣濃度異常變化反映的是1個區(qū)域應力場的變化。
6 認識與討論
(1)通過對該測點5a多的連續(xù)觀測結果分析， 數(shù)據(jù)連續(xù)率基本達到100%， 按照不同測值范圍統(tǒng)計分析， 數(shù)據(jù)變化動態(tài)穩(wěn)定， 數(shù)據(jù)可靠， 進一步證明了ATG-6118H型痕量氫自動分析儀穩(wěn)定， 靈敏度高， 操作簡單， 維護方便， 能夠滿足地震系統(tǒng)的要求， 便于在地震臺網(wǎng)推廣應用。
(2)氫是粒徑最小， 質量最輕， 遷移速度最快， 穿透能力最強的元素， 在地殼中分布較廣泛， 尤其集中分布并釋放在斷裂帶中， 與地震活動性關系十分密切(車用太等， 2015)。地震前， 可觀測到土壤中痕量氫氣的異?，F(xiàn)象， 異常出現(xiàn)到發(fā)震時間間隔均為幾天到幾十天， 其異常特征主要表現(xiàn)出震前土壤氣氫氣含量突升、 震后含量下降恢復的特征， 具有短臨異常特征， 有可能提高地震短臨預測水平。
(3)本文的研究結果表明， 在活動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)域應力應變的變化。本文觀測到河南太康2次4級地震前的相同氫氣異常變化， 表明了氫氣對同類型地震的響應特征， 異常重現(xiàn)性好。因此在斷裂帶上開展有一定密度的土壤氫氣連續(xù)觀測， 能夠進一步獲得氫氣的地震前兆特征， 進一步提升土壤氣在地震監(jiān)測預測中的重要作用。
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Abstract
Hydrogen is recognized as one of the most useful gases to detect fault activities. Based on long-term high-accuracy soil hydrogen observation data in fault zones， the paper evaluates the reliability of data according to the distribution of measurements. Through the evaluation of earthquake-reflecting ability of hydrogen concentration， we consider that there is a certain corresponding relationship between hydrogen concentration and seismic activity and we present the judging index for this anomaly. Hydrogen concentration characteristics with the earthquakes within the range of 350km around the station were analyzed， especially the two earthquakes， which occurred on October 24， 2010 and March 8， 2011 in Taikang， Henan Province， with magnitudeMS4.6 andMS4.1 respectively. The observation station is located at Xiaxian in Shanxi Province， 300km away from the epicenter. In a week before the two earthquakes， high-accuracy soil hydrogen concentration measurements showed similar anomaly variation， which was increasing abruptly， then decreasing， and after the earthquakes it returned to background level. Overall， the changing scope was more than 20 times of the background value. We concluded that the anomaly was affected by tectonic setting of the earthquakes. The similar hydrogen distribution pattern recorded at the same station is attributed to the same tectonic position and focal mechanism solution. The hydrogen could be an effective tool for short-term and imminent earthquake prediction， which provides reference for short-term and imminent earthquake prediction in areas with high earthquake risk.
HIGH-ACCURACY ANALYSIS OF SOIL HYDROGEN ANOMALY IN FAULT ZONE
FAN Xue-fang1)ZHANG Lei2)LI Zi-hong1)TAO Jing￣ling3)
1)EarthquakeAdministrationofShanxiProvince，Taiyuan030021，China;2)KeyLaboratoryofCrustalDynamics，InstituteofCrustalDynamics，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100085，China3)InstituteofGeology,ChinaEarthquakeAdministration,Beijing100029,China
hydrogen， earthquake precursor， anomaly characteristics， earthquake-reflecting ability， reproducibility
2015-07-21收稿， 2016-04-18改回。
中國地震局地震科技星火計劃(XH15006)與2016年度震情跟蹤定向工作任務(2016020302)共同資助。
*
李自紅， 男， 正研級高級工程師， 電話： 0351-5610548， E-mail: sxsdzjgcy@163.com。
P315.72+4
A
0253-4967(2016)02-303-13
范雪芳， 女， 1963年生， 1986年畢業(yè)于山西大學化學專業(yè)， 獲學士學位， 高級工程師， 主要從事地下流體監(jiān)測預報和研究工作， 電話： 0351-5610587， E-mail： xuefang63@163.com。
doi:10.3969/j.issn.0253- 4967.2016.02.006
