高精度氫實(shí)驗(yàn)臺網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)淺析

梁 宏，陳學(xué)芬，劉雪梅，黃雪影，趙天霞，張永婕

(1.四川省地震局，四川 成都 610041；2.西昌地震中心站，四川 西昌 615000)

地殼中的H2因其獨(dú)特的物理化學(xué)特性，主要分布在距地殼多震層(10～20 km深度)頂部較近的地方，而且主要沿現(xiàn)今活動(dòng)斷裂帶出現(xiàn)，與地震活動(dòng)關(guān)系密切(車用太等，2015；杉崎隆一等，1984；竹花康夫等，1983)。通過國內(nèi)外大量地震監(jiān)測資料分析認(rèn)為，H2是對地震前兆響應(yīng)靈敏的氣體組分，特別是在短臨階段的映震能力，明顯優(yōu)于其他氣體測項(xiàng)(Sugisaki et al.,1983，1987；車用太等，2002；張培仁等，1993)。地震前出現(xiàn)的氫氣濃度異常時(shí)間短、異常特征顯著，多具有明顯的短臨異常特征，通常表現(xiàn)為震前幾天至幾十天的突發(fā)性大幅上升(王基華等，1991；粟啟初，1992；范樹全等，1993)。一般情況下由于H2在土壤及地下水中的背景值較低，因此，其出現(xiàn)異常的幅度較高，通常表現(xiàn)為數(shù)量級的增幅，異常易于識別(范雪芳等，2014；黃春玲等，2014)。而連續(xù)觀測痕量氫儀器的研發(fā)成功，為我們開始斷層逸出氣H2的連續(xù)觀測提供了理論依據(jù)與實(shí)踐基礎(chǔ)。

為了探索地震監(jiān)測預(yù)報(bào)新技術(shù)新方法，在川滇國家地震監(jiān)測預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)場地震潛在危險(xiǎn)區(qū)川滇菱形塊體東邊界的安寧河斷裂帶和則木河斷裂帶，建設(shè)斷層逸出氣H2觀測示范研究區(qū)。建設(shè)了由連續(xù)觀測固定點(diǎn)和流動(dòng)觀測點(diǎn)組成的較高密度觀測臺陣，點(diǎn)位分布覆蓋不同構(gòu)造段，在示范研究區(qū)域內(nèi)建設(shè)連續(xù)觀測固定點(diǎn)5個(gè)，流動(dòng)觀測點(diǎn)12個(gè)，連續(xù)觀測固定點(diǎn)與流動(dòng)觀測點(diǎn)采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化的施工和建設(shè)方案。連續(xù)觀測固定點(diǎn)和流動(dòng)觀測點(diǎn)均使用同一廠家生產(chǎn)的高精度痕量氫觀測儀器。

1 觀測場地概況

圖1 高精度氫實(shí)驗(yàn)觀測場地分布圖

前期專家組結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造資料在川滇菱形塊體東邊界的安寧河和則木河斷裂帶進(jìn)行勘選，預(yù)選實(shí)驗(yàn)觀測區(qū)域。技術(shù)組在專家組預(yù)選區(qū)域野外實(shí)地開展構(gòu)造地球化學(xué)剖面測量，最后綜合區(qū)域構(gòu)造、水文地質(zhì)、人類活動(dòng)和土壤氣勘選結(jié)果，選擇在土壤氣濃度較高、地下水位埋深大，人為干擾小，利于施工且便于維護(hù)的區(qū)域建成大箐梁、小廟鄉(xiāng)、羊福山3個(gè)斷層氣H2實(shí)驗(yàn)觀測場地(如圖1)。大箐梁場地布設(shè)在則木河斷裂帶西昌—普格段的大箐村豐家堡子，建設(shè)了1個(gè)連續(xù)觀測固定點(diǎn)，1個(gè)流動(dòng)觀測點(diǎn)。羊福山場地布設(shè)在安寧河斷裂冕寧—西昌段安寧河谷東側(cè)的羊福山上，建設(shè)了1個(gè)連續(xù)觀測固定點(diǎn)，4個(gè)流動(dòng)觀測點(diǎn)。在小廟鄉(xiāng)場地布設(shè)在安寧河—?jiǎng)t木河過渡帶小廟鄉(xiāng)李金堡村北，建設(shè)了3個(gè)連續(xù)觀測固定點(diǎn)，7個(gè)定點(diǎn)流動(dòng)觀測點(diǎn)和1個(gè)對比觀測固定點(diǎn)。

2 觀測方法

在三個(gè)實(shí)驗(yàn)觀測場地勘選出的觀測點(diǎn)位采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化的施工和建設(shè)方案建設(shè)觀測井孔。觀測氣孔位于斷層破碎帶上，井孔直徑1 m，孔深8 m，集氣倉回填礫石，上部用防水材料密封，在孔底預(yù)置電子溫度傳感器，預(yù)埋集氣裝置及四氟管，四氟管內(nèi)輸氣管與地面觀測儀器連接。三個(gè)觀測場地共建5個(gè)固定觀測井孔，12個(gè)流動(dòng)觀測井孔。連續(xù)觀測固定點(diǎn)由井孔、基座和觀測機(jī)柜、太陽能供電系統(tǒng)組成。觀測機(jī)柜內(nèi)安裝高精度痕量氫觀測儀、地溫觀測設(shè)備、電源及通信等輔助設(shè)備。在定點(diǎn)流動(dòng)觀測孔上修建正方形水泥基座，在基座上放置水泥套管，用于保護(hù)輸氣管和地溫電纜。在輸氣管口安裝了氣體閥門，套管配置水泥井蓋，流動(dòng)觀測時(shí)打開井蓋進(jìn)行觀測。

連續(xù)觀測固定點(diǎn)安裝ATG-118H型痕量氫觀測儀，儀器檢出限為0.01×10-6(0.01 ppm)，測量范圍0.01～5000 ppm，采樣時(shí)間間隔設(shè)置為60 min，采樣持續(xù)時(shí)間設(shè)置為30 s，抽氣量為10 ml/min，儀器每次測量氣體量為5 ml。同機(jī)測量土壤逸出氣的氫氣濃度、氣溫、氣壓。5個(gè)固定點(diǎn)與12個(gè)流動(dòng)點(diǎn)井孔地下8米集氣倉內(nèi)預(yù)埋了WD-2000型陣列式地溫觀測儀傳感器，進(jìn)行同層地溫的觀測。WD-2000型陣列式地溫觀測儀測量范圍-50～50 ℃，精度0.1 ℃，分辨率0.001 ℃，具有網(wǎng)頁瀏覽、FTP服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊等功能，數(shù)據(jù)采樣率為分鐘采樣，從2016年7月1日起開始連續(xù)觀測。流動(dòng)觀測時(shí)使用便攜式儀器進(jìn)行地溫觀測。氫流動(dòng)觀測使用便攜式測氫儀ATG-300H進(jìn)行野外流動(dòng)觀測，每次測量5個(gè)數(shù)據(jù)后取平均值，采樣間隔5 min，采樣時(shí)間為30 s，流動(dòng)觀測間隔3～4個(gè)月，截至2018年7月5日已進(jìn)行了六期流動(dòng)觀測。

3 觀測數(shù)據(jù)分析

從地殼中擴(kuò)散出的氣體是一個(gè)受氣象因素影響的復(fù)雜過程(Klusman RW et al.，1987)，氫氣濃度的變化與地溫、氣溫、氣壓有一定的關(guān)系(范雪芳等，2012；黃春玲等，2011)，以連續(xù)觀測固定點(diǎn)2017年的觀測數(shù)據(jù)為樣本，結(jié)合流動(dòng)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)臺網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)的分析研究，主要分析總結(jié)氫氣濃度、地溫、氣溫、氣壓觀測數(shù)據(jù)變化的日動(dòng)態(tài)、月動(dòng)態(tài)和年動(dòng)態(tài)，淺析氫氣濃度數(shù)據(jù)變化與地溫、氣溫、氣壓之間的關(guān)系，著重考察氫氣濃度與同層地溫、氣溫的關(guān)系。

3.1 大箐梁觀測點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)分析

圖2 大箐梁氣溫與地溫對比曲線圖(2017.08.17～2017.08.22)

根據(jù)流動(dòng)觀測點(diǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，測點(diǎn)附近土壤中氫氣濃度的背景值為0.17 ppm，連續(xù)觀測固定點(diǎn)氫氣濃度背景基值為0.05～0.15 ppm。在連續(xù)觀測固定點(diǎn)觀測到的地溫與氣溫日變形態(tài)良好，地溫與氣溫同步反向變化(如圖2)，地溫日變幅度在1 ℃以內(nèi)，年變化幅度3 ℃以內(nèi)，呈現(xiàn)與氣溫相反的夏低冬高的年動(dòng)態(tài)變化特征。氫氣濃度日動(dòng)態(tài)無明顯規(guī)律，測值與地溫、氣溫、氣壓無明顯相關(guān)性，日動(dòng)態(tài)為脈沖式變化，高值前后測值在背景基值附近變化，走勢較為平穩(wěn)，年內(nèi)最大日變幅度為4.0 ppm。氫氣濃度無明顯年動(dòng)態(tài)變化特征，觀測數(shù)據(jù)變化的日動(dòng)態(tài)、月動(dòng)態(tài)和年動(dòng)態(tài)分別如圖3～5所示。

此測點(diǎn)由于測值低，在觀測過程中進(jìn)行過不同采樣時(shí)間、不同采樣間隔、不同儀器的實(shí)驗(yàn)。同一儀器進(jìn)行不同采樣時(shí)間、 不同采樣間隔實(shí)驗(yàn)時(shí)，測值變化不大，通常是低值—不規(guī)律脈沖值—低值走勢，儀器用標(biāo)準(zhǔn)濃度氫氣校準(zhǔn)前后測值無大變化。2017年11月進(jìn)行了儀器更換，更換儀器后脈沖值明顯減少，測值在0.1 ppm上下波動(dòng)，脈沖值不定期出現(xiàn)。綜合大箐梁連續(xù)觀測與流動(dòng)觀測數(shù)據(jù)，大箐梁測區(qū)氫氣濃度測值處于低值。目前正在進(jìn)行不同井孔深度和不同集氣方式的實(shí)驗(yàn)，后期將進(jìn)一步分析研究。

圖3 大箐梁數(shù)據(jù)日動(dòng)態(tài)曲線圖(2017.08.17)

圖4 大箐梁數(shù)據(jù)月動(dòng)態(tài)曲線圖(2017.08)

圖5 大箐梁2017年數(shù)據(jù)年動(dòng)態(tài)曲線圖(2017.01.01～2017.12.31)

3.2 羊福山觀測點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)分析

圖6 羊福山地溫與氣溫對比曲線圖(2017.08.15～2017.08.20)

根據(jù)流動(dòng)觀測點(diǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，羊福山測點(diǎn)附近土壤中氫氣濃度的背景值為0.45 ppm，連續(xù)觀測固定點(diǎn)氫氣濃度背景值為 0.6～0.8 ppm。此連續(xù)觀測固定點(diǎn)同層地溫與氣溫日變形態(tài)良好，地溫與氣溫同步反向變化(如圖6)，同層地溫日變幅度在1 ℃以內(nèi)，年變化幅度為2 ℃以內(nèi)，呈現(xiàn)與氣溫相反的夏低冬高的年動(dòng)態(tài)變化特征。氫氣濃度日動(dòng)態(tài)規(guī)律明顯，呈現(xiàn)與氣溫同向變化，與同層地溫氣壓反向變化的規(guī)律。在氣溫高值或稍滯后出現(xiàn)每日高值，高值以急速上升，快速下降形態(tài)出現(xiàn)，年內(nèi)最大日變幅度為15.0 ppm。高值前后測值在背景值0.7 ppm附近波動(dòng)，走勢較為平穩(wěn)。氫氣濃度年動(dòng)態(tài)較為平穩(wěn)，無明顯年動(dòng)態(tài)變化特征，觀測數(shù)據(jù)變化的日動(dòng)態(tài)、月動(dòng)態(tài)和年動(dòng)態(tài)如圖7～9所示。

3.3 小廟鄉(xiāng)1號觀測點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)分析

根據(jù)流動(dòng)觀測點(diǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，小廟鄉(xiāng)1號觀測點(diǎn)(簡稱小廟1)附近土壤中氫氣濃度的背景值為0.5 ppm左右。此連續(xù)觀測點(diǎn)同層地溫與氣溫日變形態(tài)良好，地溫與氣溫同步反向變化(如圖10)，同層地溫日變幅度在1 ℃以內(nèi)，年變化幅度為2 ℃以內(nèi)，呈現(xiàn)與氣溫相反的夏低冬高的年動(dòng)態(tài)變化特征。氫氣濃度日動(dòng)態(tài)規(guī)律明顯，呈現(xiàn)與氣溫反向同步變化，與同層地溫同向同步變化且形態(tài)相似的日變規(guī)律， 年內(nèi)最大日變幅度為4.0 ppm。氫氣濃度年動(dòng)態(tài)較為平穩(wěn)，未隨地溫出現(xiàn)夏低冬高變化特征，觀測數(shù)據(jù)變化的日動(dòng)態(tài)、月動(dòng)態(tài)和年動(dòng)態(tài)如圖11～圖13所示。

圖7 羊福山數(shù)據(jù)日動(dòng)態(tài)曲線圖(2017.08.16)

圖8 羊福山數(shù)據(jù)月動(dòng)態(tài)曲線圖(2017.08)

圖9 羊福山2017年數(shù)據(jù)年動(dòng)態(tài)曲線圖(2017.01.01～2017.12.31)

圖10 小廟1地溫與氣溫對比曲線圖(2017.08.15～2017.08.20)

圖11 小廟1數(shù)據(jù)日動(dòng)態(tài)曲線圖(2017.08.27)

圖12 小廟1數(shù)據(jù)月動(dòng)態(tài)曲線圖(2017.08)

圖13 小廟1數(shù)據(jù)2017年動(dòng)態(tài)曲線圖(2017.01.01～2017.12.31)

3.4 小廟鄉(xiāng)2號觀測點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)分析

根據(jù)流動(dòng)觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，小廟鄉(xiāng)2號觀測點(diǎn)(簡稱小廟2)附近土壤中氫氣濃度的背景值為0.3 ppm左右，連續(xù)觀測固定點(diǎn)氫氣濃度背景值為 0.6～0.7 ppm。此連續(xù)觀測點(diǎn)觀測到的同層地溫與氣溫日變形態(tài)良好，地溫與氣溫同步反向變化(如圖14)，同層地溫日變幅度在1 ℃以內(nèi)，年變化幅度2 ℃以內(nèi)，呈現(xiàn)與氣溫相反的夏低冬高的年動(dòng)態(tài)變化特征。氫氣濃度

圖14 小廟2地溫度與氣溫對比曲線圖(2017.08.15～2017.08.20)

日變規(guī)律明顯，呈現(xiàn)與氣溫同步變化，與同層地溫氣壓反向變化的日變規(guī)律，年內(nèi)最大變化幅度為2.0 ppm。氫氣濃度年動(dòng)態(tài)隨氣溫出現(xiàn)夏高冬低變化特征，觀測數(shù)據(jù)變化的日動(dòng)態(tài)、月動(dòng)態(tài)和年動(dòng)態(tài)如圖15～圖17所示。

圖15 小廟2數(shù)據(jù)日動(dòng)態(tài)曲線圖(2017.08.12)

圖16 小廟2數(shù)據(jù)月動(dòng)態(tài)曲線圖(2017.08)

圖17 小廟2數(shù)據(jù)2017年動(dòng)態(tài)曲線圖(2017.01.01～2017.12.31)

3.5 小廟鄉(xiāng)3號觀測點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)分析

根據(jù)流動(dòng)觀測點(diǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，小廟鄉(xiāng)3號觀測點(diǎn)(簡稱小廟3)附近土壤中氫氣濃度的背景值為0.3 ppm左右，連續(xù)觀測固定點(diǎn)氫氣濃度背景值為 0.5～0.7 ppm。此連續(xù)觀測固定點(diǎn)同層地溫傳感器工作不正常，不能記錄到較好的日變形態(tài)，氣溫與氣壓日變形態(tài)良好。測點(diǎn)氫氣濃度數(shù)據(jù)2017年6月24日以前沒有隨地溫氣溫變化的變化形態(tài)，2017年6月25日至2017年10月10日出現(xiàn)高值與氣溫高值同向變化的日變規(guī)律，2017年10月10日后日變規(guī)律消失，高值以脈沖方式出現(xiàn)，高值前后數(shù)據(jù)在背景基值附近波動(dòng)，年內(nèi)最大日變幅度為26.0 ppm。氫氣濃度無明顯年動(dòng)態(tài)變化特征，觀測數(shù)據(jù)變化的日動(dòng)態(tài)、月動(dòng)態(tài)和年動(dòng)態(tài)如圖18～20所示。

圖18 小廟3數(shù)據(jù)日動(dòng)態(tài)曲線圖(2017.08.19)

圖19 小廟3數(shù)據(jù)月動(dòng)態(tài)曲線圖(2017.08)

圖20 小廟3數(shù)據(jù)2017年動(dòng)態(tài)曲線圖(2017.01.01～2017.12.31)

4 結(jié)論

通過對觀測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，有以下幾點(diǎn)初步認(rèn)識：(1)實(shí)驗(yàn)臺網(wǎng)現(xiàn)有井孔孔深8 m，集氣倉回填礫石，上部用防水材料密封的建設(shè)方式使得保溫隔熱較好，同層地溫日變幅度在1 ℃以內(nèi)，年變化幅度在2～3 ℃以內(nèi)，日動(dòng)態(tài)上地溫與氣溫正好呈反向變化，地溫年動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)與氣溫動(dòng)態(tài)相反的夏低冬高的年動(dòng)態(tài)變化特征。(2)實(shí)驗(yàn)臺網(wǎng)五個(gè)連續(xù)觀測固定點(diǎn)中三個(gè)測點(diǎn)氫氣濃度日變化與氣溫同步同向變化，一個(gè)測點(diǎn)氫氣濃度出現(xiàn)無規(guī)律脈沖值，只有一個(gè)測點(diǎn)氫氣濃度與地溫同步同向變化，且形態(tài)相似。說明實(shí)驗(yàn)臺網(wǎng)在現(xiàn)有建設(shè)模式下氫氣濃度主要受氣溫影響，觀測曲線中未出現(xiàn)到與氣壓相似的曲線形態(tài)，說明受氣壓影響不大。(3)實(shí)驗(yàn)臺網(wǎng)中四個(gè)測點(diǎn)氫氣濃度無年周期動(dòng)態(tài)變化特征，只有一個(gè)測點(diǎn)氫氣濃度年動(dòng)態(tài)隨氣溫出現(xiàn)夏高冬低變化特征，這可能與測點(diǎn)建設(shè)或地區(qū)差異性有關(guān)。(4)高精度氫實(shí)驗(yàn)臺網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)變化的物理機(jī)制有待更長觀測時(shí)間，更深入細(xì)致的分析研究。

致謝：劉耀煒研究員對本文給予了指導(dǎo)和幫助，張磊博士、包創(chuàng)博士、柯云龍碩士在資料方面提供協(xié)助，在此表示衷心感謝。