松原5.7級地震震中區(qū)土壤氫氣變化特征

康健 肖寧 高小其 張思萌 王健宇 張磊

1）黑龍江省地震局，哈爾濱 150090

2）中國地震局地殼應(yīng)力研究所地殼動力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085

0 引言

氫氣作為斷裂帶釋放的主要?dú)怏w成分之一，具有遷移速度快和穿透力強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠?qū)?gòu)造活動產(chǎn)生快速響應(yīng)（張培仁等，1993；周曉成等，2017；Fang et al，2018；Wakita et al，1980），被認(rèn)為是探索短臨地震前兆異常的突破性手段之一（劉耀煒等，2006；車用太，2015；高小其等，2017）。近年來隨著測氫技術(shù)的發(fā)展，我國在斷層氫氣研究領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展，已建立起斷層氫氣觀測點(diǎn)的勘選、建設(shè)方法（柯云龍等，2018），并觀測到了諸如汶川科學(xué)鉆探2號孔和山西夏縣、新疆阿克蘇斷層氫氣在震前短期內(nèi)的濃度突升異常變化現(xiàn)象（范雪芳等，2016；張濤等，2016；張彬等，2018；向陽等，2018）。斷層氫氣同時被廣泛應(yīng)用于跨斷層土壤氣測量中，以識別斷層位置和判定斷層活動狀態(tài)（馬興全等，2017；李源等，2018；闞寶祥等，2018）。以上研究結(jié)果豐富了對于斷層氫氣與構(gòu)造活動間關(guān)系的認(rèn)識。

近幾年吉林省松原地區(qū)中小地震頻發(fā)，2013年以來該地區(qū)發(fā)生了6次5級以上地震，其中，2018年5月28日在松原寧江區(qū)發(fā)生5.7級地震。該地區(qū)是進(jìn)行地震學(xué)研究的理想場地，運(yùn)用地球化學(xué)探測方法對該地區(qū)氫氣進(jìn)行連續(xù)高精度觀測，有助于了解地下流體變化與地震活動的機(jī)理，具有較高的地震分析預(yù)測與科學(xué)研究價(jià)值。本文作者在松原5.7級地震震后第一時間趕赴現(xiàn)場開展考察工作，對震中區(qū)進(jìn)行氫氣觀測，獲取了寶貴的震時第一時間資料以及震后加密觀測資料。結(jié)合前人相關(guān)研究結(jié)果，嘗試了解該地區(qū)是否存在與地震及斷裂活動相伴的地球排氣作用。本文擬通過對震中區(qū)乃至扶余-肇東斷裂上土壤氫氣濃度實(shí)地測量獲取相關(guān)的地球化學(xué)參量，以分析震前、震后土壤氫氣地球化學(xué)特征及其成因以及余震對氫濃度的影響。

1 區(qū)域概況

松原地區(qū)屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫4.5℃左右。春季干旱少雨，升溫較快；夏季炎熱，降水集中；秋季涼爽，少雨；冬季寒冷干燥。區(qū)域上屬于松遼盆地松花江沖積平原，第四系覆蓋層厚度為80～150m。

研究區(qū)域主要分布NE向的扶余-肇東斷裂和NW向的第二松花江斷裂（圖1）。扶余-肇東斷裂是松原地區(qū)的主要發(fā)震構(gòu)造，斷裂位于松遼盆地中部，北起肇東，經(jīng)扶余至懷德楊大城子一帶，為松遼斷塊沉降帶內(nèi)次一級構(gòu)造單元的分界線。根據(jù)中石化地震勘探反射資料（尉洋等，2016），扶余-肇東斷裂對基底埋深有明顯的控制作用，斷裂西側(cè)為中央凹陷帶，東側(cè)為東南隆起區(qū)，斷裂大致位于基底等深線的陡變帶上。扶余-肇東斷裂南段地震多發(fā)，該段在吉林省境內(nèi)由3條斷裂組成（邵博等，2016）：北段為大洼-薄荷臺斷裂，中段為扶余北斷裂，南段為查干花斷裂（圖1）。據(jù)松原活斷層探測結(jié)果（萬永魁等，2016）、余震分布圖、震源機(jī)制解和地震烈度調(diào)查綜合分析，扶余北斷裂是此次5.7級地震的發(fā)震構(gòu)造。該地區(qū)地震活動非常頻繁，2017年7月3日松原市寧江區(qū)發(fā)生4.9級地震；2018年3月5日寧江區(qū)發(fā)生4.2級地震；2018年5月28日寧江區(qū)發(fā)生5.7級地震，震中區(qū)最高烈度達(dá)Ⅶ度，之后數(shù)月余震不斷，其中，震級較大的余震有8月12日3.2級、9月15日4.5級地震。

圖1 2018年5月28日寧江5.7級地震烈度圖

2 測試與方法

本次觀測是在2018年5月28日寧江5.7級地震后針對烈度Ⅶ度區(qū)進(jìn)行的。分別在震中區(qū)的高家窩堡、東渠（高家窩堡東）、姜家村和復(fù)興村東等4個觀測點(diǎn)進(jìn)行土壤中氫氣調(diào)查（圖1）。每個觀測點(diǎn)取5個樣本，共測量4～5期。除了高家窩堡第1期是在震前幾個月觀測的以外，其余均是在震后觀測的，觀測日期見表1。

表1 氫氣觀測數(shù)據(jù)

觀測儀器為便攜式氫氣分析儀（ATG-300H），標(biāo)定后空氣檢測值一般為0.5×10-6。測量時在土壤中打1個觀測孔，孔徑約3cm，孔深80cm。先將取樣器（麻花鉆）吸氣端插入孔中并封住氣孔，然后用軟管將取樣器排氣端與儀器相連，并啟動儀器開始觀測，讀取最高值。為了減少非構(gòu)造因素的影響，觀測時選同一土質(zhì)條件的場地進(jìn)行多次觀測。場地條件如下：高家窩堡測點(diǎn)，0～80cm，全新世沖積，中砂稍密，一期有凍土層；東渠測點(diǎn)，0～80cm，全新世沖積，粉砂土密實(shí)，局部有黏土夾層；姜家村測點(diǎn)，0～80cm，全新世沖積，黏土含砂稍松；復(fù)興村東測點(diǎn)，0～80cm，全新世沖積，細(xì)砂，局部黏土含砂。

3 結(jié)果

3.1 數(shù)據(jù)

經(jīng)過震后多期觀測得到了震中區(qū)氫氣濃度的最大值、平均值、背景值等（表1）。背景值一般可以體現(xiàn)研究區(qū)域客觀氫氣濃度值，文中采用各測點(diǎn)濃度值的幾何平均值，這種方法能弱化極端數(shù)值對整個數(shù)據(jù)的影響，從而更為真實(shí)地反映1組數(shù)據(jù)的整體水平。計(jì)算公式為

式中，G為觀測點(diǎn)所有樣本幾何平均值；x1為觀測點(diǎn)第1個樣本；n為觀測點(diǎn)樣本個數(shù)。

通過計(jì)算驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，幾何平均值計(jì)算的結(jié)果與取對數(shù)均值的結(jié)果一致。整體數(shù)據(jù)見表1。

除了高家窩堡測點(diǎn)第1期數(shù)據(jù)以外，其余數(shù)據(jù)皆在2018年5月28日松原5.7級地震發(fā)生當(dāng)天至震后2個月內(nèi)測得。以高家窩堡測點(diǎn)為例數(shù)據(jù)如下：5月28日地震發(fā)生幾個小時后測得氫氣濃度背景值最低，僅為1.7×10-6，6月1日背景值為10.1×10-6，氫氣濃度幾乎為地震當(dāng)天的6倍；1個月后，即7月3日測得氫氣濃度背景值為7.8×10-6，數(shù)值稍有降低；2個月后，即8月7日測得氫氣濃度背景值為23.9×10-6，氫氣濃度在此階段又迅速上升。隨后8月12日震中區(qū)發(fā)生的3.2級地震震中距姜家村測點(diǎn)僅500m，而恰恰這次余震前姜家村測點(diǎn)的氫氣濃度變化幅度最大。第4期時該測點(diǎn)背景值為85.6×10-6，到了第5期很快躍升至738.0×10-6，而其他3個觀測點(diǎn)也都呈現(xiàn)出類似特征，具體見表1。

值得注意的是6月1日的觀測，觀測點(diǎn)檢測到空氣中氫氣濃度高于正常背景值（0.5×10-6），其中，高家窩堡測點(diǎn)氫氣濃度為1.0×10-6～2.0×10-6；東渠測點(diǎn)為1.0×10-6～2.0×10-6；姜家村測點(diǎn)為4.0×10-6～5.0×10-6；復(fù)興村東測點(diǎn)為1.0×10-6～3.0×10-6。這種現(xiàn)象以姜家村測點(diǎn)為最，空氣中一直可檢測到氫氣且其濃度穩(wěn)定，而姜家村測點(diǎn)正是5月31日3.6級余震的震中（圖1）。

3.2 土壤氫氣變化特征

地震發(fā)生后氫氣濃度并沒有立即升高，而是在震后1～3天開始呈現(xiàn)升高現(xiàn)象，濃度迅速增加，甚至在空氣中也監(jiān)測到氫氣濃度明顯增加。隨后1個月內(nèi)變化較為平緩，震后第2個月濃度又迅速竄升，個別觀測點(diǎn)濃度甚至呈指數(shù)式增長，幾天后便發(fā)生了3.2級余震，震后第3個月又發(fā)生了4.5級地震。由圖2可見，震后余震不斷，地震活動一直在持續(xù)。氫氣濃度大致經(jīng)歷“低值平穩(wěn)（地震發(fā)生前）—升高（5.7級地震發(fā)生后1～3天）—高值平穩(wěn)—再升高（3.2級余震發(fā)生前）”的過程（圖3）。

圖2 松原5.7級地震主震及余震M-t分布

圖3 地震對震中區(qū)土壤氫氣濃度的影響

2018年5月28日松原5.7級地震后，在同一條斷裂的東北方向距震中50多km的肇源縣薄荷臺鄉(xiāng)氫氣濃度也出現(xiàn)類似變化，薄荷臺測線主要用來跟蹤監(jiān)視扶余-肇東斷裂南段。該測線共15個測點(diǎn)，從2016年開始定點(diǎn)定期觀測，一直持續(xù)至今，共完成了11期觀測（圖4）。由圖4可見，2018年氫氣濃度背景值比2017年同期高出較多；地震發(fā)生前2天（5月26日）該測線氫氣濃度背景值還處于相對較低的水平，無論同比還是環(huán)比都較低。震后，6月1日震中區(qū)氫氣濃度開始升高，而薄荷臺測線在6月2日濃度仍未有反映，直到7月4日氫氣濃度開始增加，再到8月6日所測得背景值為最高，此時與震中區(qū)的趨勢性變化基本一致。震后氫氣濃度變化比震中區(qū)稍有延遲，氫氣釋放量也小于震中區(qū)，這可能與震中距和地震動強(qiáng)度有關(guān)。

圖4 扶余-肇東斷裂薄荷臺鄉(xiāng)測線不同期次氫氣濃度背景值

4 土壤氫氣異常機(jī)理分析

高家窩堡測點(diǎn)第1期氫氣濃度非常高，經(jīng)分析是由凍土層造成的。3月的黑龍江地區(qū)正處在由寒轉(zhuǎn)暖的階段，但凍土層并未開化，依然存在。在冬季有些地方土壤氣濃度極高，這與凍土層有直接關(guān)系。多年觀測發(fā)現(xiàn)在干旱地區(qū)，土壤濕度非常低，且不具備形成連續(xù)、完整、較厚凍層的地方，土壤氣濃度并無明顯變化；相反，在降水量較多地區(qū)，土壤濕度大、透水性差的黏性土中，易形成連續(xù)、完整、較厚的凍土層，土壤氣濃度與其他季節(jié)相比顯著增高。這一現(xiàn)象在凍土開化季節(jié)尤為明顯，在山陽坡沒有凍土層的地方土壤氣濃度正常，在山陰處凍土層未開化的地方數(shù)值極高。分析認(rèn)為凍土層會形成一個密閉的封蓋，減緩了地下氣體逸出的速度，不斷積累滯留土壤氣會使?jié)舛葮O大的增高，這一現(xiàn)象在高寒地區(qū)普遍存在。

濕度對土壤氣體的濃度有一定影響，尤其在雨季。從2018年5月末以來包括震中區(qū)在內(nèi)的黑龍江、吉林地區(qū)降水量異常多，6、7、8月為當(dāng)?shù)赜昙?，降雨量最為集中。觀測時土壤濕度相差不大，6、7、8月的平均溫度為20～22℃，其對土壤氫氣濃度的影響微乎其微，在此期間觀測可以排除濕度和溫度因素，故震后土壤氣濃度的迅速升高可以確定是由地震構(gòu)造因素所致。

地震發(fā)生前后震中區(qū)氫濃度變化很大，形成了階梯式上升曲線（圖3）。震后氫濃度沒有隨時間呈線性上升，而是與余震有較好的對應(yīng)關(guān)系。此次松原5.7級地震氫濃度在主震前反映小，余震前反映大，探究其原因如下：此次地震屬于“主震-余震”型，這種地震是突發(fā)式的，地震前異常有時并不明顯。許多地震震前存在平靜現(xiàn)象，馬勝利等（2004）認(rèn)為大地震前斷層的“蠕滑-勻阻化”過程是造成震前活動平靜的可能機(jī)制。很多地震在震前地殼形變活動并不明顯，2008年汶川8.0級地震、2011年日本“3·11”大地震等震前形變都比較平穩(wěn)（陸明勇等，2014）。隨著地應(yīng)力不斷積累，地下介質(zhì)將逐漸由彈性變?yōu)樗苄裕瑧?yīng)力逐漸變大，應(yīng)變在逐漸變小，直至介質(zhì)破裂臨界點(diǎn)。在這個過程中氫氣的釋放量也由多變少（杜建國，2000），甚至有可能在臨震前氫氣濃度是下降的，而這一現(xiàn)象在薄荷臺測線即有所體現(xiàn)（圖4）。1981年日本大野地震群及1976年寧河6.9級、1991年忻州5.1級、1991年大同5.8級等地震也都出現(xiàn)了氫氣濃度臨震前下降、震后升高的特點(diǎn)（Sugisaki，1984；高清武，1992；車用太等，2015）。此次地震呈現(xiàn)“震前升高—臨震下降—震后驟升”現(xiàn)象，這不是每次地震都如此，或許與地震發(fā)生機(jī)制的不同有關(guān)。

此次地震在相隔50km且同在扶余-肇東斷裂帶上的2個觀測點(diǎn)在地震時出現(xiàn)了共同特征，即主震發(fā)生時土壤氫氣并未立刻上升，余震發(fā)生時卻有迅速上升之勢。濃度高不一定就對應(yīng)震級大，也可能與氫氣在地下的遷移距離和遷移速率不同引起的，遷移速率與地下介質(zhì)有關(guān)（Sugisaki，1984）。地震剛發(fā)生時，地下深部氣體開始向上運(yùn)移是需要有個時間過程，造成的影響還沒有立刻體現(xiàn)出來。主震對氫氣濃度上升起到主要貢獻(xiàn)，而余震起到誘發(fā)作用，將滯留在地下巖石裂隙的氣體更快的釋放出去。主震發(fā)生時地下斷層氣濃度驟增，一部分氣體上逸，仍有大量氣體滯留在巖石和裂隙中，而這種狀態(tài)并不穩(wěn)定且非常敏感，稍有震動便會大量上逸，也可以理解為余震是將主震積累的氣體加速釋放了，變化特征見模型圖（圖5）。這也解釋了為什么主震前氫氣濃度未見變化甚至降低，而主震后的余震卻使?jié)舛蕊@著升高。

5 結(jié)論與討論

2018年5月28日松原5.7級地震后在震中區(qū)經(jīng)過多期定點(diǎn)觀測，并結(jié)合黑龍江省地震局震情跟蹤項(xiàng)目（2016～2018年）針對扶余-肇東斷裂完成的地震前后觀測數(shù)據(jù)，得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識：

（1）土壤氫氣濃度一年四季皆有變化，在冬季較厚凍土層有封閉作用，致使氫氣濃度升高。

（2）土壤氫氣濃度有“震前1～3個月緩慢升高—臨震下降—震后迅速升高—強(qiáng)余震前再次驟升”現(xiàn)象；震后第5天，伴隨強(qiáng)余震的發(fā)生，在震中區(qū)空氣中檢測到氫氣濃度有升高現(xiàn)象，這可能與斷層中氫氣逸散到大氣有一定關(guān)系。

（3）氫氣映震效果明顯，震后氫氣濃度整體偏高，且隨余震變化波動明顯，可見斷層氣濃度變化與地震活動間存在著密切聯(lián)系；余震對氫濃度變化更為靈敏，大的余震發(fā)生前存在氫氣濃度大幅驟升現(xiàn)象。

特別要強(qiáng)調(diào)的是，震前由于觀測時間較短，測點(diǎn)較少，氫氣濃度的變化情況可能不全面，不能表明震前沒有異常。結(jié)論中關(guān)于震前異常特征分析是借助于震中附近1個觀測點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析的。本次工作屬于流動觀測的加密測量，數(shù)據(jù)量尚可但仍缺乏連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，對地球化學(xué)特征變化的精度控制是有限的，因此需對該地區(qū)進(jìn)行連續(xù)觀測長期研究才能更好了解土壤氫氣濃度與地震構(gòu)造活動間的關(guān)系。

致謝：本文得到劉耀煒研究員的悉心指導(dǎo)，審稿專家提出了寶貴意見，中國地震局工程力學(xué)研究所李兆炎副研究員、張浩宇副研究員和肇東地震局宋朝陽工程師在樣品采集過程中給予大力協(xié)助，在此表示衷心的感謝。