夏縣地震臺(tái)痕量氫氣突升異常成因的調(diào)查與分析

劉國俊 胡玉良 姚林鵬 郭國祥 劉垚坤

(1.山西省地震局夏縣中心地震臺(tái)，夏縣 044400；2.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)野外科學(xué)觀測(cè)研究站，太原 030025；3.山西省地震局，太原 030021；4.山西省地震局臨汾地震臺(tái)，臨汾 041000；5.山西省地震局五臺(tái)科技中心，五臺(tái) 034099)

經(jīng)驗(yàn)交流

夏縣地震臺(tái)痕量氫氣突升異常成因的調(diào)查與分析

劉國俊1,2胡玉良2,3姚林鵬1,2郭國祥2,4劉垚坤2,5

(1.山西省地震局夏縣中心地震臺(tái)，夏縣 044400；2.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)野外科學(xué)觀測(cè)研究站，太原 030025；3.山西省地震局，太原 030021；4.山西省地震局臨汾地震臺(tái)，臨汾 041000；5.山西省地震局五臺(tái)科技中心，五臺(tái) 034099)

針對(duì)2016 年9月～10月山西夏縣地震臺(tái)痕量氫氣出現(xiàn)的3 次大幅突升變化，按照異常核實(shí)的時(shí)間相關(guān)性、空間相關(guān)性、強(qiáng)度相關(guān)性和機(jī)理相關(guān)性原則，對(duì)異常進(jìn)行調(diào)查分析、實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，山西夏縣臺(tái)痕量氫氣大幅度變化系交流電源受干擾導(dǎo)致，非震兆異常，提出觀測(cè)系統(tǒng)整改意見，以期為地震預(yù)測(cè)提供可靠的觀測(cè)資料。

痕量氫氣 突升 異常

地下流體廣泛地賦存于地下巖體及孔隙中，由于具有可自由流動(dòng)性，能夠充分反映地下動(dòng)力過程，因此，觀測(cè)地下流體的各種物理、化學(xué)動(dòng)態(tài)，一直被人類作為探索地震預(yù)報(bào)科學(xué)的有希望的途徑[1，2]。國內(nèi)外大量研究資料表明，斷層氫深度對(duì)地殼介質(zhì)應(yīng)力應(yīng)變反映靈敏，在大量的中、強(qiáng)震前，斷層氣測(cè)項(xiàng)有較突出的異常表現(xiàn)，是地震短臨預(yù)測(cè)的重要地下流體測(cè)項(xiàng)之一[3]，夏縣地震臺(tái)斷層氣氫觀測(cè)有過比較好的前兆震例[4，5]。2016年9月～10月夏縣臺(tái)斷層氣氫氣(即痕量氫氣)出現(xiàn)3次短期的突升異常變化，每次持續(xù)時(shí)間5 ～ 6 d，氫觀測(cè)值的突出異常變化引起了分析預(yù)報(bào)部門的關(guān)注。這3次是地震前兆異常還是由干擾引起 ，無論從地震預(yù)報(bào)的現(xiàn)實(shí)工作需要 ，還是從異常成機(jī)理的研究來講，需要給出一個(gè)科學(xué)合理的分析結(jié)果。筆者依據(jù)地下流體學(xué)科觀測(cè)資料異常變化現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)工作技術(shù)要求，按照異常識(shí)別成因相關(guān)性、空間相關(guān)性、時(shí)間相關(guān)性和強(qiáng)度相關(guān)性的原則，對(duì)該異常變化進(jìn)行了跟蹤研究，最終確定該異常的成因非地震前兆性質(zhì)。

1 井孔及觀測(cè)概況

1. 1 觀測(cè)點(diǎn)地質(zhì)概況

夏縣地震臺(tái)痕量氫氣觀測(cè)點(diǎn)海拔高程450 m，取氣孔設(shè)在中條山山前大斷裂與 N w 向隱伏斷裂交匯處的夏縣地震臺(tái)山洞硐口。山西南部的中條山斷裂是鄂爾多斯斷塊周邊活動(dòng)斷裂系東南部的一條斷裂， 并且是運(yùn)城斷陷盆地和中條山斷塊隆起的分界。中條山斷裂出露于中條山 山前的北麓和西麓， 長(zhǎng)137 km，走向N E-N E E，傾 向N w，傾 角 58°～75°，屬高角度正斷層， 斷裂破碎帶寬100 余米，沿?cái)嗔褞в袦厝雎?，為一局部地?zé)岙惓^(qū)。經(jīng)野外實(shí)測(cè)， 斷裂帶上土壤氣富集，遠(yuǎn)離斷裂帶兩邊則銳減，是理想的斷層氣觀測(cè)點(diǎn)[6]，地質(zhì)構(gòu)造和采樣裝置剖面圖見圖1。

圖1 夏縣地震臺(tái)地質(zhì)構(gòu)造和采樣裝置剖面圖

1.2 痕量氫采樣集氣裝置

夏縣地震臺(tái)痕量氫氣觀測(cè)孔深7.6 m，采樣集氣裝置剖面如圖1所示[6]，觀測(cè)孔底埋有1.2m深花管，由砂礫石回填，因氫氣具有極強(qiáng)的滲透性和遷移性及容易垂直向上擴(kuò)散的特點(diǎn)，在孔底安裝集氣裝置。采樣量是300mL/minX10S=0.05L，儀器每間隔 20min 采集一次樣品。礫石層中的氣體很快擴(kuò)散使氣體達(dá)到新的平衡，因此測(cè)定結(jié)果可以反映礫石層中斷層氣的真實(shí)情況 。

1.3 觀測(cè)概況

夏縣地震臺(tái)痕量氫斷層氣自2010年2月1日在夏縣臺(tái)觀測(cè)以來，痕量氫自動(dòng)分析儀儀器穩(wěn)定[7]，儀器故障率低，運(yùn)行正常，系統(tǒng)無故障發(fā)生，每?jī)赡赀M(jìn)行一次現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)，記錄到連續(xù)可靠的觀測(cè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析顯示，該測(cè)項(xiàng)采樣率為1次/20分鐘,日動(dòng)態(tài)正常背景值均為1～3 ×10-6(圖2)。日變化平穩(wěn)，受氣溫波動(dòng)較大，無明顯的年動(dòng)態(tài)特征[8]。分析正常背景值下數(shù)據(jù)變化特征，顯示該測(cè)項(xiàng)與氣溫、氣壓存在一定相關(guān)性，對(duì)潮汐反應(yīng)較靈敏，受降雨影響不明顯；不受周邊溫泉區(qū)抽水影響，無明顯的干擾源。

圖2 夏縣地震臺(tái)斷層氣氫氣濃度原始曲線圖

2 痕量氫突升異常概述

夏縣地震臺(tái)斷層氣氫觀測(cè)點(diǎn)氫濃度正常變化背景值在0.2～1.5×10-6左右變化。2016年9月～10月期間出現(xiàn)3次突升異常(圖3)，持續(xù)時(shí)間為5～6d，第一次變化是2016年9月13～17日，最大變化幅度達(dá)39.678 ×10-6，第二次變化是2016年10月5～10日，最大變化幅度達(dá)41.526 ×10-6，第三次變化是2016年10月20～25日，最大變化幅度達(dá)29.800 ×10-6。1個(gè)多月在同一測(cè)點(diǎn)連續(xù)出現(xiàn)3次突變，間隔時(shí)間比較短，其變化幅度達(dá)到正常背景值的30倍以上，可以作為成組異常對(duì)待。由于山西南部多年來一直被列為值得注意地區(qū)，此異常對(duì)震情判斷非常重要。

圖3 夏縣地震臺(tái)斷層氣氫氣濃度原始曲線圖

3 異常核實(shí)與成因分析

3.1 異常調(diào)查與落實(shí)情況

上述3次異常發(fā)生后，工作人員現(xiàn)場(chǎng)對(duì)儀器工作狀態(tài)、供電、接地、周邊觀測(cè)環(huán)境進(jìn)行了調(diào)查，儀器工作狀態(tài)正常，供電采用交流供電(電壓219V)無直流供電，機(jī)柜無接地，觀測(cè)室儀器布設(shè)圖4。調(diào)查周邊觀測(cè)環(huán)境無何改變，周邊溫泉井抽水量與平日相當(dāng)。查看進(jìn)出觀測(cè)室工作登記本，此突升異常出現(xiàn)時(shí)間與給電磁波觀測(cè)儀器電瓶充電時(shí)間相吻合。

圖4 夏縣地震臺(tái)痕量氫儀器室布設(shè)示意圖

3.2 異常特征與充電的時(shí)空對(duì)應(yīng)分析

分析2016年9月至10月痕量氫異常突變時(shí)段數(shù)據(jù)變化特征，氫濃度最高值達(dá)41 ×10-6， 變化幅度較背景值呈40倍變化，且數(shù)據(jù)在17～20h內(nèi)升到最高值，然后呈下降趨勢(shì)，降幅度較明顯，并且回復(fù)至背景值時(shí)間較快，具體情況見表1 。

從圖3可以看出每次氫氣突升變化屬于典型的阻尼諧振蕩頻譜，與充電模式類似：第一階段為恒流充電階段；第二階段為恒壓充電階段；第三階段為涓流充電階段。根據(jù)進(jìn)出觀測(cè)室工作登記本記錄情況，結(jié)合3次氫氣變化分析認(rèn)為：第1次充電時(shí)充電器與痕量氫儀共用一個(gè)插座，充一塊電瓶；第2次充電時(shí)充電器改變充電方式，加入交流穩(wěn)壓電源，充電期間斷電測(cè)電瓶電壓；第3次充電時(shí)延用第二次充電方式，加載為兩塊電瓶。異常持續(xù)時(shí)間與電瓶電壓有關(guān)，異常幅度與電瓶電壓有關(guān)[9]。

表1

3.3 影響機(jī)理分析

首先對(duì)痕量氫觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行檢查，排除觀測(cè)系統(tǒng)是否存在干擾因素，3次高值異常期間供電環(huán)境有所改變，與電磁波電瓶充電有一定相關(guān)性。

充電電源為市場(chǎng)上較為便宜的開關(guān)電源，由于充電器本身是一個(gè)開關(guān)電源，工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾。其中，由基本整流電路產(chǎn)生的高次諧波干擾和電壓轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生的尖峰電壓干擾是主要因素。特別是高次諧波沿著輸電線路是會(huì)產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。一方面會(huì)使接在其前端的電源線上的電路波形發(fā)生畸變，這些干擾信號(hào)占有比較寬的頻率范圍，又有一點(diǎn)的幅度所以會(huì)對(duì)周圍電子設(shè)備造成干擾。充電電瓶需加載的輸出電流由電瓶?jī)?nèi)阻決定，而電瓶?jī)?nèi)阻由其電動(dòng)勢(shì)決定，電動(dòng)勢(shì)越高，內(nèi)阻越小，因而隨著充電的過程，電瓶的電動(dòng)勢(shì)越來越大，充電電源產(chǎn)生電流干擾的頻率越來越小[10，11]。

充電電源產(chǎn)生的高頻電流干擾超出痕量氫儀器中濾波電容的工作范圍(50Hz)，與儀器中數(shù)采模塊計(jì)數(shù)器發(fā)生諧振，致使數(shù)據(jù)發(fā)生變化。因?yàn)殡娏鞲蓴_的頻率有趨勢(shì)減小的過程，初始頻率并未與痕量氫儀器供電部分發(fā)生完全共振現(xiàn)象，而是在干擾頻率減小過程達(dá)到完全共振后逐漸偏離，故痕量氫干擾圖像呈現(xiàn)出趨勢(shì)上升-下降的特征。當(dāng)停止充電，斷開充電設(shè)備，氫濃度恢復(fù)正常，因此氫濃度出現(xiàn)的短期突變異常系非構(gòu)造活動(dòng)引起 。

3.4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

鑒于以上情況，我臺(tái)做了兩次實(shí)驗(yàn)：(1)10月7日在氫濃度恢復(fù)過程中，14時(shí)對(duì)電磁波電瓶充電器進(jìn)行開關(guān)機(jī)實(shí)驗(yàn)，氫濃度14時(shí)20分就出現(xiàn)數(shù)據(jù)突變現(xiàn)象，轉(zhuǎn)折為數(shù)據(jù)上升，至19時(shí)40分上升幅度為8.775×10-6,然后呈下降恢復(fù)狀態(tài)； (2)10月23日9時(shí)關(guān)閉充電器，隨后氫濃度數(shù)據(jù)發(fā)生突跳，變幅為0.847×10-6，經(jīng)過26小時(shí)氫濃度逐漸恢復(fù)至背景值。10月27日停電對(duì)電磁波電瓶充電工作，氫濃度觀測(cè)數(shù)據(jù)正常如圖5。

圖5 夏縣地震臺(tái)斷層氣氫氣濃度原始曲線圖

4 思考與建議

前兆觀測(cè)的多樣性 、個(gè)體差異性造就其復(fù)雜性，影響資料產(chǎn)出的因素很多，既有外部環(huán)境、觀測(cè)系統(tǒng)、隨機(jī) (人為 ) 干擾等 。此次異常調(diào)查，通過對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)檢查，結(jié)合詳細(xì)的工作記錄，我們分析認(rèn)為此次氫濃度突升是由供電環(huán)境改變導(dǎo)致，與構(gòu)造活動(dòng)無關(guān)。鑒于此情況建議：(1)改善供電環(huán)境，采用供電電路隔離方式將充電器與儀器進(jìn)行隔離。排除諧波源負(fù)荷的影響；(2)對(duì)觀測(cè)儀器做好接地，減少紋波和噪聲對(duì)數(shù)字電路干擾，確保觀測(cè)儀器設(shè)備安全、可靠、高效運(yùn)行。

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Investigation and analysis on jump anomalies in monitoring of trace hydrogen at Xiaxian Seismological Station.

Liu Guojun1,2, Hu Yuliang2,3,Yao Linpeng1,2,Guo Guoxiang2,3,Liu Yaokun2,5

(1. Xiaxian Central Seismological Station of Earthquake Administration of Shanxi Province.Xiaxian,044400,China; 2.National Continental Rift Dynamics Observatory of Taiyuan,Taiyuan 030025,China; 3.Earthquake Administration of Shanxi Province, Taiyuan 030021；4. Linfen Central Seismological Station of Earthquake Administration of Shanxi Province,Linfen 041000,China;5. Wutai Science and Technology Center Earthquake Administration of Shanxi Province, Wutai 034099, China)

Three jump anomalies appeared from September to October 2016. They were investigated and analyzed according to the relativity principle of time, space, strength and mechanism. The results revealed that these phenomenas were not seismic precursor. The main reason was the power supply disturbance of the monitor.

trace hydrogen; jump; anomaly

中國地震局監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)、科研三結(jié)合課題(CEA-JC/3JH-160401)

10.3969/j.issn.1001-232x.2017.04.027

2017-03-02

劉國俊，男，1972出生，1992年畢業(yè)于防災(zāi)技術(shù)高等?？茖W(xué)校，高級(jí)工程師，主要從事地下流體監(jiān)測(cè)工作，E-mail:liuguojun926@163.com。