關(guān)于建設(shè)斷層氣觀測網(wǎng)的思考——再論探索地震短臨預(yù)測的新途徑*

車用太 魚金子 陳其峰 鄧 陽 李繼業(yè)

1) 中國地震局地質(zhì)研究所， 北京100029 2) 山東省地震局聊城水化站， 山東聊城252000 3) 黑龍江省地震局地震監(jiān)測中心， 哈爾濱150090

學(xué)術(shù)論文

關(guān)于建設(shè)斷層氣觀測網(wǎng)的思考
——再論探索地震短臨預(yù)測的新途徑*

車用太1)※魚金子1)陳其峰2)鄧 陽3)李繼業(yè)3)

1) 中國地震局地質(zhì)研究所， 北京100029 2) 山東省地震局聊城水化站， 山東聊城252000 3) 黑龍江省地震局地震監(jiān)測中心， 哈爾濱150090

我國擁有世界上規(guī)模最大、 地震監(jiān)測效能一流的地震地下流體觀測網(wǎng)， 但幾十年的地震監(jiān)測實(shí)踐表明， 其監(jiān)測效能非常有限， 捕捉到的前兆信息多屬于與地震孕育過程伴生的區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)產(chǎn)生的場兆， 直接來自震源的源兆很少， 因此， 利用該網(wǎng)有效地實(shí)現(xiàn)地震三要素的科學(xué)預(yù)測是十分困難的。 由此， 筆者提出在繼續(xù)調(diào)整、 完善與優(yōu)化現(xiàn)有觀測網(wǎng)的同時(shí)， 再建設(shè)新型的斷層氣觀測網(wǎng)的思想， 并針對觀測網(wǎng)的建設(shè)目標(biāo)與布設(shè)方案、 觀測點(diǎn)的選址與觀測孔的建設(shè)、 測項(xiàng)與儀器的選擇及觀測模式等問題提出具體建議。

斷層氣； 觀測網(wǎng)； 地震短臨預(yù)測

引言

我國地震監(jiān)測與預(yù)測科學(xué)探索已有50年歷史。 在半個(gè)世紀(jì)的風(fēng)風(fēng)雨雨中， 我國地震地下流體監(jiān)測與預(yù)測人員頂著“地震不可預(yù)測論”， 艱難地堅(jiān)持探索， 取得了不可否認(rèn)的成就。 我國不僅建成了擁有670多口觀測井與1200多個(gè)測項(xiàng)的觀測網(wǎng)[1]， 而且在1966—2003年間170多次MS≥5.0地震前捕捉到1162項(xiàng)次的異常[2]， 1975—2001年間成功實(shí)現(xiàn)預(yù)測(報(bào))的24次地震中[3]， 16次地震前為成功預(yù)測(報(bào))提供了重要的流體異常依據(jù)[4]。 然而， 地震預(yù)測(報(bào))水平仍然很低。 據(jù)地下流體觀測井(泉)密度≥1個(gè)/萬平方千米的100°E以東地區(qū)1975—1999年間174個(gè)MS≥5.0地震短臨預(yù)測情況的統(tǒng)計(jì)[4]，MS≥7.0地震可預(yù)測約百分之三十～四十，MS≥6.0～6.9地震只可預(yù)測約百分之十幾， 而MS≥5.0～5.9地震只可預(yù)測百分之幾。 即使從成功預(yù)測的幾個(gè)典型震例看， 預(yù)測的依據(jù)多不充分， 預(yù)測的意見多不明確， 遠(yuǎn)沒能達(dá)到科學(xué)預(yù)測的要求。 如何改變地下流體學(xué)科這種低水平不夠科學(xué)的地震預(yù)測現(xiàn)狀， 是筆者退休之后一直思考的主要問題。

1 現(xiàn)有臺(tái)網(wǎng)地震前兆監(jiān)測能力方面的不足

筆者剖析了1998年1月10日河北省張北MS6.2地震與2014年8月3日云南省魯?shù)镸S6.5地震的地下流體異常及其預(yù)測實(shí)踐[5]。 這兩次地震都發(fā)生在我國地下流體臺(tái)網(wǎng)密度較大(2～3個(gè)觀測井(泉)/萬平方千米)的地區(qū)， 震前記錄到20～30項(xiàng)地下流體異常， 并依此都提出了較好的短臨預(yù)測意見。 然而， 反思這兩次典型震例時(shí)發(fā)現(xiàn)， 無論是異常還是預(yù)測都有不少值得反思的問題。

問題之一是異常井或異常項(xiàng)的比例(占區(qū)內(nèi)全部觀測井或測項(xiàng)的百分比)很低， 異常井的比例小于百分之十～二十， 異常項(xiàng)的比例小于百分之幾～十幾， 說明多數(shù)井(項(xiàng))震前記錄不到異常信息。

問題之二是異常的形態(tài)多樣， 沒有顯示出一致性與隨發(fā)震時(shí)間的鄰近而有規(guī)律性的變化； 異常的空間分布廣而亂， 既沒有顯示出異常井?dāng)?shù)隨震中距的增大而減少， 也沒有顯示出集中分布在未來發(fā)震構(gòu)造上； 異常的時(shí)間分布， 多出現(xiàn)在中短期階段， 沒有顯示出異常數(shù)量隨發(fā)震時(shí)間的臨近而顯著增多， 特別是， 臨震階段異常的數(shù)量并不劇增等。 這些特征說明了異常并不是來自一個(gè)“源”， 而是來自力學(xué)過程與震源的過程并不相關(guān)的多個(gè)“源”， 即多屬場兆。

鑒于上述兩類問題， 筆者認(rèn)為利用現(xiàn)有的觀測網(wǎng)有可能做到“震前有所覺察”， 但實(shí)現(xiàn)有效的地震三要素預(yù)測是十分困難的。 因此， 必須對現(xiàn)有觀測網(wǎng)的布局、 觀測井的質(zhì)量、 測項(xiàng)的優(yōu)化與配套、 觀測技術(shù)的完善與改進(jìn)等方面進(jìn)行大規(guī)模的調(diào)整與優(yōu)化[1]， 確保該網(wǎng)在震前可捕捉到具有一定數(shù)量與質(zhì)量的場兆信息， 為把握區(qū)域的震情態(tài)勢提供依據(jù)。 然而， 從根本上改變地下流體學(xué)科地震監(jiān)測與預(yù)測的低水平與被動(dòng)局面， 單靠上述的努力還不夠， 必須建立具有捕捉源兆能力的斷層氣觀測網(wǎng)。

2 斷層氣及其地震前兆監(jiān)測能力方面的優(yōu)勢

斷層氣指由斷層帶釋放的地殼深部氣體， 主要是H2、 He、 CO2、 Rn、 Hg等。 這些氣體質(zhì)量輕， 粘滯性小， 遷移速度快， 對地殼動(dòng)力作用的響應(yīng)能力應(yīng)比地下水靈敏。

氣體在地殼中的分布相對地下水更廣泛， 不僅存在于含水層中， 也存在于非含水層中。 但地殼中氣體的分布并不均一。 在地殼表層主要集中分布在地殼活動(dòng)相對活躍的部位， 如火山口、 斷層帶等。 在地殼中， 主要分布在多震層(埋深幾～十幾千米)的上部。 據(jù)前蘇聯(lián)Kola-3深鉆揭露的結(jié)果， 地面以下0～800 m深度主要組分是N2、 O2等大氣； 800～4200 m為大氣與深源氣體的混合氣體， 主要組分為N2、 O2、 H2等； 4500～5850 m深度則以深源氣體H2與He為主； 5850～6900 m以深源氣體H2、 He、 CO2為主； 6900～9200 m以CO2、 H2、 He為主， 由此可見， 約5000～10000 m深度則以深源氣體為主[6]。

地殼中深源氣體一是平面上集中分布在斷層帶中， 二是剖面上集中分布在5000～9000 m的多震層頂部， 因此， 把這種氣體作為地震前兆觀測是理想的。

斷層氣的另一特點(diǎn)是地殼中的濃度與大氣中的濃度差異很大[7]。 以H2為例， 大氣中濃度一般小于1 ppm(×10-4%)， 而地殼斷層帶中則可高達(dá)幾十～上百個(gè)ppm， 甚至可達(dá)上千個(gè)ppm； 再以CO2為例， 大氣中的濃度一般為300～400 ppm， 但地殼斷層帶中可高達(dá)幾千～幾萬， 乃至幾十萬個(gè)ppm。 這種濃度上的顯著差異， 保證斷層氣受地表環(huán)境下的氣象水文等干擾少而弱， 作為地震前兆異常時(shí)其信噪比一般都較高。 斷層氣的這種特征， 為作為地震前兆觀測對象提供了特別的優(yōu)勢。

斷層氣的又一個(gè)特點(diǎn)是與斷層的現(xiàn)今活動(dòng)性關(guān)系密切。 現(xiàn)有的資料表明， 活動(dòng)斷層中釋放的氣體濃度較不活動(dòng)斷層中明顯高， 斷層活動(dòng)時(shí)段釋放的氣體濃度較不活動(dòng)時(shí)段明顯高， 斷層活動(dòng)強(qiáng)烈的地段與時(shí)段上釋放的氣體濃度更高[8]。 據(jù)日本學(xué)者脅田宏、 杉崎隆一等的研究[9]， 斷層帶不僅是深部氣體釋放的通道， 而且H2還可以是斷層活動(dòng)的產(chǎn)物， 當(dāng)斷層活動(dòng)壓碎了巖石時(shí)， 其中硅酸鹽礦物中的Si-O-Si鍵遭破壞并產(chǎn)生Si與Si-O自由基， 此時(shí)有水(H2O)作用時(shí)將發(fā)生Si+2H2O→SiO2+2H2↑化學(xué)反應(yīng)， 從而釋放出H2。

由此可見， 斷層氣H2異常升高， 很可能是斷層活動(dòng)的重要而直接的標(biāo)志。 地震的發(fā)生與斷層活動(dòng)密切相關(guān)， 那么斷層氣觀測有可能能有效地捕捉到地震活動(dòng)的前兆異常。

由于斷層氣觀測的上述優(yōu)勢， 國內(nèi)外有些學(xué)者們一直關(guān)注斷層氣觀測在地震前兆監(jiān)測中的應(yīng)用[9-14]。 初步的探索結(jié)果， 不僅取得了一些震例， 而且取得一致認(rèn)識(shí)， 即斷層氣異常不僅映震靈敏性高而且其短臨前兆性明顯， 信噪比很高。 這些優(yōu)點(diǎn)， 其他前兆異常是難以媲美的。

依林元武等[12]1991—1998年間在河北懷來后郝窯斷層氣CO2觀測結(jié)果， 7年間獲得了10次MS4.5～6.4震例， 映震距為20～500 km， 異常出現(xiàn)的時(shí)間為震前為十幾～幾十天， 異常的幅度較正常起伏度高幾～十幾倍。 顯然， 利用這樣的異常， 實(shí)現(xiàn)地震的短臨預(yù)測是有希望的。

然而， 斷層氣觀測一直處于試驗(yàn)研究階段， 未能在全國得到有效的推廣與應(yīng)用， 其主要原因是我國未能發(fā)展出適合于臺(tái)站連續(xù)觀測的儀器。 近年來斷層氣觀測技術(shù)有了顯著的進(jìn)步， 已研發(fā)出一批適用于臺(tái)站連續(xù)觀測的儀器， 而且正在實(shí)現(xiàn)實(shí)用化與工程化， 有望一二年內(nèi)多數(shù)測項(xiàng)的儀器將成熟， 可批量生產(chǎn)并大規(guī)模推廣應(yīng)用。 斷層氣成網(wǎng)觀測， 已具備了技術(shù)條件。

3 斷層氣成網(wǎng)觀測的初步設(shè)想

3.1 斷層氣成網(wǎng)觀測的科學(xué)目標(biāo)

斷層氣成網(wǎng)觀測的目標(biāo)是在未來發(fā)生破壞性地震的地區(qū)內(nèi)有效地捕捉到源兆， 為實(shí)現(xiàn)地震短臨預(yù)測提供有效的科學(xué)依據(jù)。

源兆， 指來自正在孕育地震的震源體中的異常信息。 這類前兆異常應(yīng)集中出現(xiàn)在未來震中區(qū)， 且隨震中距的增大而減弱； 異常形態(tài)及其變化要符合一定的理論模式， 如DD模式[15]、 IPE模式[16]。 這類前兆異常是實(shí)現(xiàn)科學(xué)的地震預(yù)測所必需的。 例如， 在1974年2月海城MS7.2地震前， 在震中外圍幾十千米范圍內(nèi)的多口水位觀測井中， 看到了井水位“緩慢下降—加速下降—轉(zhuǎn)折回升”的異常過程， 為成功的短臨預(yù)測決策提供了重要依據(jù)。 在1976年7月唐山MS7.8地震震中外圍150 km范圍內(nèi)的十多口水位觀測井中， 也曾記錄到了類似的異常及其過程， 使個(gè)別學(xué)者震前意識(shí)到了發(fā)震的危險(xiǎn)性。 理論與實(shí)踐都表明， 在未來震中外圍一定范圍內(nèi)出現(xiàn)一批空間分布上有集中性， 形態(tài)與時(shí)間變化過程有一定一致性的源兆異常， 是地震的“必需”信息。

斷層氣成網(wǎng)觀測的科學(xué)目標(biāo)， 無疑是要捕捉到這類源兆異常。 要捕捉到這類異常， 則對布網(wǎng)區(qū)的選擇、 網(wǎng)點(diǎn)的布設(shè)、 觀測點(diǎn)的建設(shè)與觀測儀器的選型等方面， 要做到有理有據(jù)， 要科學(xué)化。

3.2 成網(wǎng)觀測區(qū)的選擇

斷層氣觀測網(wǎng)的布設(shè)區(qū)， 應(yīng)與全國地下流體觀測網(wǎng)的布設(shè)區(qū)有所不同， 后者可考慮在全國各省、 市、 自治區(qū)布網(wǎng)， 而前者應(yīng)布設(shè)在我國主要地震區(qū)(帶)內(nèi)[17]。

我國共劃分出5個(gè)地震區(qū)24個(gè)地震帶77個(gè)地震構(gòu)造區(qū)[17]。 顯然， 每個(gè)地震帶或地震構(gòu)造區(qū)的空間尺度很大， 因此尚不能作為布設(shè)斷層氣觀測網(wǎng)的依據(jù)， 因而還需要在區(qū)域上進(jìn)一步細(xì)化。 細(xì)化的原則是區(qū)、 帶內(nèi)進(jìn)一步劃分出潛在震源區(qū)， 即未來可能發(fā)生破壞性地震的震源所在地區(qū)。 然而， 目前已細(xì)分出的潛在震源區(qū)多達(dá)1000多個(gè)， 其規(guī)模大小不一， 大者長達(dá)幾百千米， 乃至上千千米， 寬則可達(dá)上百千米[17]， 斷層氣觀測網(wǎng)也不可能建設(shè)這么多這么大， 顯然仍需要進(jìn)一步細(xì)化。 這個(gè)層次上的細(xì)化， 則要依據(jù)各地防震減災(zāi)任務(wù)而定， 把斷層氣觀測網(wǎng)布設(shè)在一二十個(gè)不僅發(fā)生破壞性地震的概率大， 而且人口相對密度大、 社會(huì)經(jīng)濟(jì)相對發(fā)達(dá)的地區(qū)。 在這樣的地區(qū)， 應(yīng)選擇第四紀(jì)活動(dòng)斷層上布網(wǎng)[18]， 尤其是在其閉鎖段上布網(wǎng)。 每個(gè)布網(wǎng)區(qū)的規(guī)模， 宜控制在長100～300 km， 寬100 km的范圍內(nèi)。

3.3 網(wǎng)內(nèi)的測點(diǎn)密度與布局

因?yàn)閿鄬託庥^測網(wǎng)的建設(shè)目標(biāo)是捕捉源兆， 因此， 測點(diǎn)的密度必須考慮源兆的顯現(xiàn)尺度。

源兆的顯現(xiàn)尺度， 前人已做過一些研究[19]。 其基本結(jié)果是源兆的顯現(xiàn)尺度(R)， 首先是與孕育地震的斷層長度(L)有關(guān)， 其次是與未來發(fā)生的地震強(qiáng)度(M)有關(guān)， 一般的關(guān)系式為R=(2～3)L， logL=aM-b， 其中a與b為統(tǒng)計(jì)系數(shù)，a多為0.5～1.0，b多為 0.3～3.0。 郭增建等[20]根據(jù)中國大陸地震的研究給出了M與R的關(guān)系(表1)。

表1 中國大陸不同震級(jí)(MS)與該地震源兆顯現(xiàn)區(qū)尺度(R)的關(guān)系

MS5．05．56．06．57．07．5R/km13264785151273

斷層氣觀測網(wǎng)中測點(diǎn)間的間距要小于表1中給出的源兆顯現(xiàn)區(qū)的尺度。 例如， 未來要捕捉MS6.0地震的源兆， 那么網(wǎng)中測點(diǎn)距應(yīng)小于47 km(大體上可認(rèn)為小于50 km)， 要捕捉MS5.0地震的源兆就要加密到至少13 km要設(shè)一個(gè)測點(diǎn)等等。

測點(diǎn)可沿未來發(fā)震斷裂帶及其兩側(cè)呈三角形或正方形布局。 即， 測點(diǎn)可沿主干斷裂呈一條線， 主干斷裂兩側(cè)再布兩條線， 每條線上的點(diǎn)， 可按表1點(diǎn)間距布設(shè)， 這樣若干點(diǎn)構(gòu)成正方形或三角形圖形， 可確保布網(wǎng)區(qū)內(nèi)發(fā)生一定震級(jí)的地震時(shí)可捕捉3～4個(gè)源兆異常信息。

按著這樣的思想， 在100 km×300 km范圍內(nèi)捕捉到6.0級(jí)強(qiáng)震的源兆為目標(biāo)布網(wǎng)時(shí)， 需建約20個(gè)測點(diǎn)。 顯然， 測點(diǎn)的數(shù)量隨監(jiān)測區(qū)的大小與震級(jí)的大小而不同， 同樣大小監(jiān)測區(qū)內(nèi)若以捕捉5.0級(jí)地震的源兆為目標(biāo)時(shí)， 測點(diǎn)數(shù)要達(dá)到150個(gè)， 若以捕捉7.0級(jí)地震的源兆為目標(biāo)時(shí)， 測點(diǎn)數(shù)僅需6個(gè)等等。

3.4 測點(diǎn)建設(shè)

測點(diǎn)建設(shè)是確保斷層氣觀測網(wǎng)有效地捕捉到源兆的重要條件之一。 測點(diǎn)建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)有兩個(gè)， 一個(gè)是正確地選點(diǎn)， 另一個(gè)是合理建觀測孔。

3.4.1 斷層氣觀測點(diǎn)的選定

斷層氣觀測點(diǎn)必須選在活動(dòng)斷裂帶及其兩側(cè)。 測點(diǎn)首先應(yīng)位于斷層破碎帶上， 在第四系覆蓋層發(fā)育區(qū)難以準(zhǔn)確布設(shè)在破碎帶上時(shí)， 也必須使測點(diǎn)盡可能靠近斷層破碎帶， 傾角較大時(shí)測點(diǎn)距主斷層面的水平距離應(yīng)小于50 m， 傾角較小時(shí)要小于100 m。 但必須注意， 不宜把測點(diǎn)選在斷層泥等不透氣物質(zhì)發(fā)育的擠壓斷層面上。

測點(diǎn)重點(diǎn)選在斷層的上盤或斷層活動(dòng)的主動(dòng)盤上。

測點(diǎn)最好位于基巖地區(qū)， 特別是結(jié)晶巖發(fā)育地區(qū)。 當(dāng)然， 巖石出露條件不好的地區(qū)也可開展斷層氣觀測， 非結(jié)晶巖裸露地區(qū)， 甚至沒有基巖裸露的第四系覆蓋區(qū)(斷裂隱伏區(qū))也可設(shè)點(diǎn)， 自然觀測的效果可能受到一定影響。

測點(diǎn)的選擇， 最好先做流動(dòng)測線探測， 找到釋放氣體濃度最高的部位， 作為優(yōu)選的測點(diǎn)。

3.4.2 斷層氣觀測孔的選擇

斷層氣觀測孔的建設(shè)， 必須遵守兩條基本原則： 一是孔底不積水， 二是孔內(nèi)聚集最多的新鮮氣體。

孔底不積水， 則要求孔深要設(shè)計(jì)得合理， 孔底一定要高于當(dāng)?shù)刈罡邼撍妫?即全孔處在包氣帶內(nèi)。 在寒冷地區(qū)， 集氣管段宜設(shè)在凍土層之下。

孔內(nèi)要聚集最多的新鮮氣體， 則要求觀測孔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要合理。 一般的觀測孔分上、 下兩部分： 下部分為集氣管段(可稱集氣腔)， 即斷層帶釋放出的氣體聚集在其中； 上部分為引氣管段， 把集氣腔中聚集的新鮮氣體及時(shí)送到儀器中去的管段。

引氣管段中， 一般孔內(nèi)設(shè)引氣管， 引氣管的下端設(shè)利于聚氣并引氣用的倒三角形的漏斗。 把漏斗的上端接引氣管， 其開大口的下端接集氣腔。 引氣段(外管)的直徑一般可為100～200 mm， 引氣管(內(nèi)管)直徑一般為10～30 mm， 材質(zhì)多為PVC工程塑料管。 引氣管段的直徑， 可根據(jù)測項(xiàng)多少選擇合理的大小。 引氣段管外與圍巖之間的環(huán)狀間隙， 一定要用弱透氣材料如黏土、 水泥等填死。

集氣管段， 一般用直徑與引氣管段相同的PVC管， 不過管上要打一定數(shù)量的直徑10～20 mm的透氣孔， 孔可等邊三角形分布， 確保斷層帶上釋放出的氣體盡可能多地聚集到集氣腔中。 集氣段管與外圍巖土間的環(huán)狀間隙中充填透氣性良好的碎石、 礫石等， 確保斷層帶釋放出的氣體全部順利地進(jìn)入集氣腔內(nèi)。

引氣管段的上端(出露于地面以上)， 要設(shè)孔蓋， 防止大氣進(jìn)入觀測孔中。

3.5 測項(xiàng)與觀測儀器

從理論上來講， 任何由斷層帶釋放出來的氣體都可作為斷層氣觀測的項(xiàng)目， 但從現(xiàn)有震例與觀測技術(shù)考慮， 目前可選的測項(xiàng)有H2、 CO2、 Rn、 Hg， 尤其是可把H2作為首選的測項(xiàng)。

氫(H2)是化學(xué)周期表中原子序數(shù)為第一的化學(xué)元素， 其原子質(zhì)量最輕(1.0079)， 半徑最小(0.046 nm)， 粘滯性很小(83.5×10-6Pa)， 分子運(yùn)動(dòng)速度最快(0℃下可達(dá)1.09 km/s)， 大氣中濃度(0.5～1.0 ppm)與地殼中濃度差異顯著， 特別是斷裂錯(cuò)動(dòng)的直接產(chǎn)物。 這樣的特點(diǎn)決定了其映震性能可能最強(qiáng)， 自然可作為斷層氣觀測的首選測項(xiàng)[21]。

從以往的觀測技術(shù)來看， H2濃度觀測， 主要依賴于質(zhì)譜儀， 這種觀測技術(shù)復(fù)雜， 不宜在臺(tái)站廣泛推廣應(yīng)用； 后來研發(fā)的自動(dòng)測氫儀， 不僅其檢出限低(濃度大)， 觀測精度與長期穩(wěn)定性等技術(shù)指標(biāo)不滿足連續(xù)高精度氫氣觀測的需求； 近幾年， 杭州超距科技有限公司(Addtech)研發(fā)的ATG-6118H型痕量氫在線自動(dòng)分析儀(簡稱測氫儀)不僅檢出限高(5×10-9L)， 觀測精度高， 而且長期穩(wěn)定性好， 測量范圍大(0.05～1000 μL/L)， 適合于在臺(tái)站作為地震前兆觀測儀器推廣應(yīng)用。

二氧化碳(CO2)也是映震較靈敏的氣體， 其大氣中的濃度相對穩(wěn)定(300～400 ppm)， 且斷層帶釋放出的氣體濃度值明顯偏大， 加上斷層帶CO2的夏高冬低的年變規(guī)律清楚等特點(diǎn)， 利于異常的識(shí)別。 CO2的觀測， 以往主要依賴質(zhì)譜計(jì)與CO2測定管。 前者技術(shù)復(fù)雜， 不宜臺(tái)站推廣應(yīng)用， 后者只能定時(shí)測定每日的累計(jì)釋放量， 且受人工操作的影響較大。 近幾年， 多家廠商都在研發(fā)適用于臺(tái)站連續(xù)自動(dòng)觀測用的儀器， 目前趨于成熟的儀器有河北科技大學(xué)研發(fā)的RZW-3A型二氧化碳測量儀， 此外， 杭州超距科技有限公司與吉林大學(xué)等單位也正在研發(fā)新型高精度大量程二氧化碳測量儀。 這些儀器都有望一二年內(nèi)得到實(shí)用化。

氡(Rn)與汞(Hg)是地震地下流體觀測的傳統(tǒng)測項(xiàng)， 經(jīng)數(shù)字化之后已在全國臺(tái)網(wǎng)的地下水逸出氣觀測中得到一定規(guī)模的推廣應(yīng)用。 現(xiàn)有的SD-3A型數(shù)字測氡儀與RG-BQZ型數(shù)字測汞儀， 也可用于斷層氣觀測， 但這些儀器多已老化， 缺乏后期技術(shù)服務(wù)。 針對這種情況， 南昌貝谷科技有限公司(Begood)成功研發(fā)出BG-2015R型測氡儀， 杭州超距科技有限公司已成功研發(fā)并開始推廣應(yīng)用ATG-6138M型測汞儀， 這類新研發(fā)出的儀器為把測氡測汞技術(shù)應(yīng)用到斷層氣觀測提供了技術(shù)保障。

綜上所述， 斷層氣成網(wǎng)觀測的技術(shù)已趨于成熟， 有望在未來的斷層氣觀測網(wǎng)中開展有規(guī)模的H2、 CO2、 Rn、 Hg等測項(xiàng)的觀測。

3.6 觀測模式

斷層氣觀測網(wǎng)中可選用定點(diǎn)連續(xù)觀測與定點(diǎn)定時(shí)流動(dòng)觀測相結(jié)合的觀測模式， 以定點(diǎn)連續(xù)觀測為主。 定點(diǎn)連續(xù)觀測， 根據(jù)各地的實(shí)際情況， 尤其是根據(jù)經(jīng)費(fèi)投入， 可采用由少到多的發(fā)展模式， 統(tǒng)一規(guī)劃下選若干個(gè)固定連續(xù)觀測點(diǎn)， 然后根據(jù)震情變化與經(jīng)費(fèi)投入逐年增加觀測點(diǎn)數(shù)量， 最終實(shí)現(xiàn)完全滿足捕捉一定震級(jí)源兆的觀測需求。 定點(diǎn)定時(shí)流動(dòng)觀測， 指在建好的固定觀測點(diǎn)上定期流動(dòng)觀測， 其數(shù)量隨定點(diǎn)連續(xù)觀測點(diǎn)數(shù)量的增多可逐年減少。 然而， 當(dāng)震情緊急時(shí)也可在原規(guī)劃的網(wǎng)內(nèi)可加建臨時(shí)觀測點(diǎn)， 提高觀測網(wǎng)密度， 把擬監(jiān)測的地震震級(jí)降低。 當(dāng)然， 在一個(gè)觀測網(wǎng)中， 無論是定點(diǎn)連續(xù)觀測點(diǎn)還是定點(diǎn)定時(shí)流動(dòng)觀測點(diǎn)的數(shù)量， 依需求與能力及觀測效果等可隨時(shí)做調(diào)整， 不僅可增加， 也可以減少。

一個(gè)觀測孔中的觀測項(xiàng)目可多可少， 一般以2～3項(xiàng)為宜。 當(dāng)然， 必要時(shí)進(jìn)行輔助測項(xiàng)的觀測， 如集氣腔內(nèi)溫度與濕度觀測等。

4 認(rèn)識(shí)與討論

通過上述思考， 提出如下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

(1) 我國現(xiàn)有的地震地下流體觀測臺(tái)網(wǎng)， 雖在地震監(jiān)測與預(yù)測實(shí)踐中發(fā)揮著重要作用， 但其地震前兆捕捉能力低， 且捕捉到的異常多屬于場兆， 很難為地震三要素預(yù)測提供有效的依據(jù)。

(2) 斷層氣具有質(zhì)量輕， 遷移能力強(qiáng)， 映震靈敏， 特別是其異常多屬短臨異常， 因此， 可作為突破地震短臨預(yù)測科學(xué)難關(guān)的測項(xiàng)， 有必要進(jìn)行成網(wǎng)觀測。

(3) 斷層氣成網(wǎng)觀測的科學(xué)目標(biāo)是捕捉源兆， 探索地震短臨預(yù)測的新途徑， 提升我國地震預(yù)測與防震減災(zāi)的能力。

(4) 斷層氣觀測網(wǎng)布設(shè)在未來地震危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)， 觀測點(diǎn)應(yīng)布設(shè)在孕震斷裂帶上， 觀測點(diǎn)的密度要依監(jiān)測的地震強(qiáng)度而定， 如6級(jí)地震的源兆監(jiān)測區(qū)觀測點(diǎn)間距可控制在50 km左右。

(5) 觀測孔的設(shè)計(jì)與施工， 應(yīng)結(jié)合觀測區(qū)的地質(zhì)與水文地質(zhì)條件， 要合理、 科學(xué)。

(6) 觀測項(xiàng)目可選H2、 CO2、 Rn、 Hg， 以H2為首選測項(xiàng)。

(7) 觀測模式可遵循一孔多項(xiàng)觀測及定點(diǎn)連續(xù)觀測與定點(diǎn)定時(shí)流動(dòng)觀測相結(jié)合的方式。

斷層氣觀測， 尚處于試驗(yàn)觀測與研究階段， 上述認(rèn)識(shí)僅依現(xiàn)有理論與實(shí)踐而提出， 難免具有一定的局限性， 尚需進(jìn)一步檢驗(yàn)、 修正與完善。

[1] 車用太， 魚金子. 我國地震地下流體觀測臺(tái)網(wǎng)調(diào)整與優(yōu)化方案探討. 地震學(xué)報(bào)， 2015， 37(2)： 357-367

[2] 孫小龍. 地下水動(dòng)態(tài)變化與地震活動(dòng)的關(guān)系研究. 北京： 中國地質(zhì)大學(xué)(北京). 2016： 25-26

[3] 岳明生. 地震預(yù)測研究發(fā)展戰(zhàn)略幾點(diǎn)思考. 國際地震動(dòng)態(tài)， 2005(5)： 7-21

[4] 車用太， 魚金子. 地震地下流體學(xué). 北京： 氣象出版社， 2006： 240-242

[5] 車用太， 何案華， 馮恩國， 等. 從二個(gè)地下流體典型震例論臺(tái)網(wǎng)優(yōu)化與升級(jí). 地震， 2017， 37(1)： 134-147

[6] Козловский， E A.張秋生， 譯. 科拉超深鉆井(上). 北京： 地質(zhì)出版社， 1989： 189-198

[7] 蔣鳳亮， 李桂茹， 王基華， 等. 地震地球化學(xué). 北京： 地質(zhì)出版社， 1989： 52-55

[8] 汪成民， 李宣瑚， 魏柏林. 斷層氣測量在地震科學(xué)中的應(yīng)用. 北京： 地震出版社， 1991： 1-6， 4-135

[9] 張煒， 唐仲興. 日本地震地球化學(xué)研究. 北京： 海洋出版社， 1993： 1-8， 52-56， 61-66

[10] 何跟巧， 常秋君， 郭玉英， 等. 斷層氣體的動(dòng)態(tài)變化與地震. 西北地震學(xué)報(bào)， 1990， 12(4)： 13-19

[11] 高清武. 巖體氣體異常與地震∥國家地震局科技監(jiān)測司. 地震地下水手冊. 北京： 地震出版社， 1995： 612-618

[12] 林元武， 王基華， 高松生. 斷層氣CO2測定新方法與張北—尚義6.2級(jí)地震預(yù)報(bào). 地震， 1998， 18(4)： 353-357

[13] 車用太， 張大維， 魚金子， 等. 斷層帶土壤氣的映震效能與地震短期預(yù)報(bào). 中國地震， 1995， 11(4)： 74-80

[14] 范雪芳， 黃春玲， 劉國俊. 山西夏縣痕量氫觀測資料的初步分析. 山西地震， 2012(3)： 7-12

[15] Scholtz C H， Sykes L R， Aggrawal Y P. Earthquake prediction： A physical basis. Science， 1973， 181(4102)： 803-809

[16] Мячкин В И.Основы Фчзки Очага и Предвестнчк Землемрясений. физка Очга Землемряский， 1975： 6-29

[17] 周本剛. 新一代地震區(qū)劃圖潛在震源區(qū)劃分的技術(shù)進(jìn)展. 城市與減災(zāi)， 2016(3)： 18-23

[18] 鄧起東， 冉勇康， 楊曉平， 等. 中國活動(dòng)構(gòu)造圖(1:400萬). 北京： 地震出版社， 2007： 1

[19] 笠原慶一. 趙仲和， 譯. 地震力學(xué)附錄二. 北京： 地震出版社， 1984： 228

[20] 郭增建， 秦保燕. 地震成因與地震預(yù)報(bào). 北京： 地震出版社， 1991： 78-80

[21] 車用太， 劉耀煒， 何鑭. 斷層帶土壤氣中H2觀測. 地震， 2015， 35(4)： 1-10

A thought on the establishment of the fault gas monitoring network——Further discussion on searching new approaches to the short/imminent earthquake prediction

Che Yongtai1)， Yu Jinzi1)， Chen Qifeng2)， Deng Yang3)， Li Jiye3)

1) Institute of Geology， China Earthquake Administration， Beijing 100029 ， China 2) Liaocheng Water Chemistry Station， Earthquake Administration of Shandong Province，Shandong Liaocheng 252000， China 3) Seismic Monitoring Centre， Earthquake Administration of Heilongjiang Province，Harbin 150090， China

China has the largest and first class seismic subsurface fluid monitoring network in terms of the monitoring effectiveness in the world. However， the results of the seismic monitoring in the past decades indicated that its monitoring effectiveness is very limited. Majority of the precursors recorded belong to field precursors which were caused by the regional tectonic activities during the seismogeny of the earthquake. Very few of them are source precursors which come directly from the epicenter of the earthquake. Therefore， it is very difficult to use this monitoring network to make an accurate and meaningful prediction of the three key elements of the earthquake. In light of the current situation， the author proposes to continue to adjust， improve and optimize the existing monitoring network， at the meantime， to establish a new fault gas monitoring network. The paper further discusses the objective， layout， locations， test hole constructions， parameter and equipment selections and monitoring models of the monitoring network， and provides some specific suggestions.

fault gas; monitoring network; short/imminent earthquake rediction

2016-07-18； 采用日期： 2016-08-09。

P315.7；

A；

10.3969/j.issn.0235-4975.2016.12.004

※通訊作者： 車用太， e-mail: che@ies.ac.cn。