汶川映秀地震臺(tái)井孔逸出氫觀測(cè)實(shí)驗(yàn)

陳學(xué)芬 吳微微 劉雪梅 趙晶 趙天霞 梁宏 黃雪影

摘要：為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)汶川余震區(qū)破碎斷裂帶逸出氫的動(dòng)態(tài)特征，選擇位于北川—映秀斷裂的映秀地震臺(tái)觀測(cè)井開(kāi)展井孔逸出氫觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：映秀臺(tái)井孔逸出氫濃度較高，日變幅較大且具有明顯的日變規(guī)律，呈現(xiàn)與氣壓變化同步及負(fù)相關(guān)的特征，日變形態(tài)與氣溫、水溫、靜水位相關(guān)性較小。通過(guò)不同儀器與采樣方式進(jìn)行觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：映秀地震臺(tái)井孔逸出氫濃度動(dòng)態(tài)清晰、測(cè)值平穩(wěn)，作為地震前兆觀測(cè)地下逸出氫項(xiàng)目是可行的。

關(guān)鍵詞：斷層氣;井孔逸出氫;氫濃度;實(shí)驗(yàn)觀測(cè);影響因素

中圖分類(lèi)號(hào)：P315.724文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000-0666（2020）04-0638-06

0引言

在地球演化過(guò)程中，地球內(nèi)部氣體及其揮發(fā)組分主要沿活動(dòng)板塊、塊體邊界、活動(dòng)斷裂及其他地殼薄弱地帶向地球表面遷移和釋放（陳萬(wàn)春，1996）。斷裂帶的裂隙發(fā)育是地?zé)崃黧w垂向運(yùn)移和氣體排放的良好通道（Tao et al，2005），構(gòu)造活動(dòng)和地震活動(dòng)強(qiáng)烈的斷裂帶及大地震的震中區(qū)是斷層氣釋放強(qiáng)度較高的區(qū)域。在地震孕育過(guò)程中，震中區(qū)的巖石力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，斷層氣在地球內(nèi)部壓力作用下向外釋放，引起震中區(qū)附近大氣組分（Rn，He，H2，Hg，CO2，CO等）改變，從而為地震預(yù)測(cè)提供依據(jù)，使斷層氣觀測(cè)成為地震前兆監(jiān)測(cè)的有效手段之一（汪成民等，1991;汪成民，李宣瑚，1991）。

氫（H2）具有粒子半徑最小、質(zhì)量最輕、遷移速度最快等優(yōu)越性（蔣鳳亮等，1989）?？諝庵袣涞暮恳话銥?.5 ppm，地殼中氫的含量是大氣中的幾千至幾十萬(wàn)倍，并且主要沿?cái)嗔褞Х植?，特別是沿現(xiàn)今活動(dòng)的斷裂帶和活動(dòng)板塊邊界帶集中分布和大量釋放，與地震活動(dòng)關(guān)系密切（車(chē)用太等，2015;Li et al，2018）。氫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，異常特征顯著，易于被識(shí)別（Satake et al，1984;Ito et al，1999;Hirose et al，2011;王基華，孫風(fēng)民，1991;范樹(shù)全等，1993;劉耀煒等，2012;范雪芳等，2012）。

連續(xù)觀測(cè)痕量氫儀器能夠記錄氫濃度的微動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，使連續(xù)觀測(cè)氫濃度成為可能。目前，在山西、新疆、云南、四川等地均進(jìn)行了斷層氣氫的示范性實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，取得了較好效果（范雪芳等，2016，2020）。氫的逸出濃度與斷層活動(dòng)、地震活動(dòng)關(guān)系密切，具有強(qiáng)烈的時(shí)空不均性，漲落現(xiàn)象突出，在非地震活動(dòng)時(shí)期氫濃度表現(xiàn)出微弱中有差異、平穩(wěn)中有起伏的動(dòng)態(tài)特征（汪成民等，1991）。川滇國(guó)家地震預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)高精度氫觀測(cè)臺(tái)陣的資料顯示，在安寧河斷裂和則木河斷裂上的5個(gè)野外斷層土壤逸出氣觀測(cè)點(diǎn)的氫濃度背景值為0.1～0.8 ppm，背景值較低且穩(wěn)定（柯云龍等，2018;梁宏等，2018）。中強(qiáng)地震后在震區(qū)能探測(cè)到高濃度氫的分布（王先彬等，1992;劉耀煒等，2012）。2018年汶川地震后，龍門(mén)山斷裂帶一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者們重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域，地震形成的斷裂破碎帶利于開(kāi)展斷層氣觀測(cè)。為了進(jìn)一步獲取汶川余震區(qū)斷裂帶逸出氫的動(dòng)態(tài)特征，筆者選擇位于汶川映秀地震臺(tái)的觀測(cè)井開(kāi)展斷層井孔逸出氫的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，并驗(yàn)證在斷裂帶上的井孔中開(kāi)展地下逸出氫觀測(cè)的可行性。

1映秀地震臺(tái)概況

映秀地震臺(tái)位于四川省阿壩藏族羌族自治州汶川縣映秀鎮(zhèn)（103.48°E，31.06°N），距離2008年汶川8.0級(jí)地震微觀震中9 km，地處龍門(mén)山斷裂帶中段的北川—映秀斷裂。北川—映秀斷裂總長(zhǎng)約300 km，總體走向N35°-45°E，傾向NW，由數(shù)條次級(jí)逆斷裂組成疊瓦狀構(gòu)造，是龍門(mén)山構(gòu)造帶幾條主干斷裂活動(dòng)構(gòu)造地貌中保存最為完好、活動(dòng)性較強(qiáng)的斷裂，也是2008年汶川8.0級(jí)大地震的主要發(fā)震斷裂。汶川8.0級(jí)地震發(fā)生后，破裂自映秀SW開(kāi)始，沿龍門(mén)山構(gòu)造帶的北川—映秀斷裂向NE方向擴(kuò)展，形成長(zhǎng)約220～240 km的地表破裂帶，其中北川—映秀斷裂的北中段全部破裂貫通（徐錫偉等，2008）。

2017年7月，映秀地震臺(tái)建成觀測(cè)井，井深400 m，開(kāi)孔直徑219 mm，終孔直徑146 mm，凈空直徑≮150 mm，垂直度90°（偏差度≯3°）。井孔巖性主要為花崗巖，整個(gè)井孔穿過(guò)龍門(mén)山斷裂帶，巖石比較破碎，觀測(cè)井內(nèi)全井安裝鋼管護(hù)壁，0～100 m采用217×7鋼管，100～400 m采用168×7濾水鋼管護(hù)壁。觀測(cè)井目前有靜水位和水溫觀測(cè)項(xiàng)目，靜水位埋深68 m左右，水位傳感器安裝在水面以下約8 m處（探頭距井口約為76 m），水溫傳感器安裝在水面以下100 m處。

2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.1儀器設(shè)置

映秀地震臺(tái)使用ATG-6118H型痕量氫在線分析儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，儀器檢出限為0.01×10-6（0.01 ppm），測(cè)量范圍0.01～5 000 ppm，平均相對(duì)誤差δ≤5%、線性回歸直線相關(guān)系數(shù)γ2≥0.996。每次采樣前，抽氣泵先將氣路中的殘余氣體抽排到空氣中，再將新氣體樣品采集到檢測(cè)單元測(cè)試氫濃度。檢測(cè)工作流程為：抽氣排空→采樣→檢測(cè)。該儀器配置環(huán)境氣溫傳感器和氣壓傳感器，同步給出氫濃度、氣溫和氣壓觀測(cè)值。

映秀地震臺(tái)觀測(cè)井上蓋有觀測(cè)房，ATG-6118H型痕量氫在線分析儀放置于觀測(cè)房?jī)?nèi)的井孔旁邊，采樣氣路由外直徑3 mm、內(nèi)直徑2 mm、長(zhǎng)0.2 m的聚四氟乙烯管轉(zhuǎn)接外直徑6 mm、內(nèi)直徑為4 mm、長(zhǎng)0.6 m的聚四氟乙烯管組成，采樣端伸至井下0.3 m。通信采用無(wú)線通信方式，可遠(yuǎn)程完成數(shù)據(jù)采集與儀器控制。

地震研究43卷第4期陳學(xué)芬等：汶川映秀地震臺(tái)井孔逸出氫觀測(cè)實(shí)驗(yàn)ATG-6118H型痕量氫在線分析儀的測(cè)量時(shí)間間隔可設(shè)置為10，20，30，60，120 min，設(shè)置采樣間隔為60 min，即整點(diǎn)采樣，采樣時(shí)間設(shè)置為30 s。由于觀測(cè)井孔安裝有靜水位與水溫觀測(cè)設(shè)備，因此井孔未做密封處理，采樣端直接安放至井孔內(nèi)并固定，直接抽取井孔內(nèi)逸出氣進(jìn)行氫濃度測(cè)定。

2.2數(shù)據(jù)分析

儀器安裝后工作狀態(tài)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)記錄連續(xù)、完整。氫濃度日均值為1.5～2.8 ppm，每日最高值可達(dá)2～9 ppm，高于空氣值幾倍至十幾倍，最低值為0.3～0.5 ppm，最低值與空氣背景值相當(dāng)。與范雪芳等（2014a，b）在山西中條山山前斷裂5個(gè)土壤逸出氫觀測(cè)點(diǎn)和川滇國(guó)家地震預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)項(xiàng)目在安寧河斷裂帶與則木河斷裂帶上的5個(gè)野外斷層土壤逸出氫觀測(cè)示范點(diǎn)觀測(cè)到的氫濃度背景值數(shù)據(jù)（柯云龍等，2018）進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，映秀地震臺(tái)井孔逸出氫濃度的背景值明顯偏高（表1），且日變幅較大。

以2018年9月12—16日的數(shù)據(jù)為例，用ATG-6118H型痕量氫在線分析儀產(chǎn)出的氫氣濃度、氣溫、氣壓數(shù)據(jù)，與珠海泰德水位水溫觀測(cè)儀產(chǎn)出的水溫、靜水位數(shù)據(jù)，繪制氫氣濃度與氣壓、水溫、靜水位、氣溫的整點(diǎn)值對(duì)比曲線圖（圖1）。同時(shí)，以2018年12月的數(shù)據(jù)為例，繪制氫氣濃度、氣壓、靜水位和氣溫的整點(diǎn)值月觀測(cè)曲線如圖2所示，綜合分析觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：

（1）映秀地震臺(tái)井孔逸出氫濃度動(dòng)態(tài)平穩(wěn)，有明顯的日變規(guī)律，日變形態(tài)為光滑的雙波曲線形態(tài)。由圖1可見(jiàn)，每日上午5時(shí)左右氫濃度達(dá)到第一高值后開(kāi)始逐步下降，上午11時(shí)左右降至第一低值后逐漸增加，下午17時(shí)左右達(dá)到第二高值后下降，至23時(shí)左右為最低值，如此循環(huán)。每日最低值為0.3～0.5 ppm，接近于空氣值，最高值高于空氣值幾倍至十幾倍，在2～9 ppm浮動(dòng)，日變幅較大。

（2）實(shí)驗(yàn)觀測(cè)相同時(shí)間段內(nèi)氫濃度與氣壓測(cè)值出現(xiàn)準(zhǔn)同步現(xiàn)象，曲線變化形態(tài)基本一致，但方向相反，即在氣壓最高值附近，氫濃度最低，氣壓最低值附近，氫濃度最高（圖1a）。

（3）從圖1b可看出，在測(cè)試期間水溫一直保持17.168 ℃左右的穩(wěn)定變化，但氫濃度有明顯起伏變化，兩者之間的關(guān)聯(lián)性不大。圖1c，d顯示，氫濃度與靜水位、氣溫有一定的相關(guān)性，但相關(guān)性較小。

（4）從圖2可以看出，在地震平靜期月尺度及更長(zhǎng)時(shí)間尺度上，氫濃度在0.3～9 ppm起伏波動(dòng)，沒(méi)有出現(xiàn)隨氣溫、氣壓、靜水位的趨勢(shì)性變化。3逸出氫井孔觀測(cè)可行性分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證水位觀測(cè)井開(kāi)展井孔逸出氫觀測(cè)的可行性，筆者在實(shí)驗(yàn)觀測(cè)期間分別進(jìn)行了測(cè)點(diǎn)空氣背景值觀測(cè)實(shí)驗(yàn)、井口與井下5 m不同采樣深度逸出氫觀測(cè)實(shí)驗(yàn)、不同儀器對(duì)比觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。由于映秀地震臺(tái)氣溫、水溫、靜水位對(duì)氫氣濃度影響不顯著（圖1b～d），因此，主要通過(guò)氫濃度與氣壓關(guān)系分析氫觀測(cè)結(jié)果的可靠性。

3.1測(cè)點(diǎn)空氣背景值觀測(cè)實(shí)驗(yàn)

在測(cè)點(diǎn)儀器安裝調(diào)試階段，首先進(jìn)行空氣背景值的測(cè)試。儀器開(kāi)機(jī)預(yù)熱穩(wěn)定后不連接井下氣路，直接抽取觀測(cè)室空氣進(jìn)行測(cè)定，采樣間隔設(shè)置為30 min，采樣時(shí)間設(shè)置為30 s，觀測(cè)5組測(cè)值，測(cè)得氫濃度平均值為0.503 ppm。連接井下氣路正常觀測(cè)一段時(shí)間后，再次斷開(kāi)井下氣路，觀測(cè)24 h，對(duì)室空氣值進(jìn)行觀測(cè)，測(cè)得氫濃度平均值為0.537 ppm，空氣測(cè)值變化平穩(wěn)，未表現(xiàn)出與氣壓的相關(guān)關(guān)系（圖3）。測(cè)點(diǎn)空氣背景值實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明儀器工作正常，不受氣壓影響。

3.2井下不同采樣深度觀測(cè)實(shí)驗(yàn)

儀器首次調(diào)試安裝設(shè)置如下：氣路總長(zhǎng)度為0.8 m，井下深度為0.3 m，采樣間隔60 min，采樣時(shí)間30 s。安裝完成后，氫濃度曲線顯示氫濃度出現(xiàn)規(guī)律的日變特征，其形態(tài)為光滑的雙波曲線，與氣壓數(shù)據(jù)曲線形態(tài)相似、方向相反。2018年9月17日，更改氣路長(zhǎng)度，氣路總長(zhǎng)5.5 m，井下深度5.0 m，采樣間隔60 min，采樣時(shí)間30 s。觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，井下深度為0.3 m和5.0 m，氫濃度變化不大，觀測(cè)曲線形態(tài)相似，呈現(xiàn)與氣壓反向變化的日動(dòng)態(tài)特征（圖4）。

此實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明測(cè)點(diǎn)在井口與井下5.0 m觀測(cè)到的氫濃度相當(dāng)（表2），觀測(cè)井中的氫濃度與氣壓有較明顯的相關(guān)關(guān)系。

3.3不同儀器對(duì)比觀測(cè)實(shí)驗(yàn)

筆者于2019年1月14—15日進(jìn)行了ATG-3000型便攜式測(cè)氫儀與ATG-6118H型痕量氫在線分析儀對(duì)比觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。這兩種儀器為同一廠家生產(chǎn)，便攜式測(cè)氫儀主要用于大氣、水和沉積物中痕量氫的野外流動(dòng)觀測(cè)或現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，特點(diǎn)是體積小、靈敏度高、功耗低、數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)、操作簡(jiǎn)單。儀器檢出限為0.005 ppm，測(cè)量范圍0～1 000 ppm，平均相對(duì)誤差δ≤10%、相關(guān)系數(shù)γ2≥0.996。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中斷開(kāi)ATG-6118H分析儀井下氣路，原氣路連接至ATG-3000測(cè)氫儀進(jìn)行觀測(cè)。ATG-3000測(cè)氫儀采樣間隔設(shè)置為60 min，采樣時(shí)間設(shè)置為30 s，觀測(cè)持續(xù)24 h。圖5b顯示氫濃度曲線依然清晰地記錄到了氣壓的影響，測(cè)值與氣壓測(cè)值出現(xiàn)準(zhǔn)同步反向變化，與ATG-6118H分析儀觀測(cè)到的動(dòng)態(tài)相似（圖5a）。

不同型號(hào)的氫觀測(cè)儀器對(duì)比觀測(cè)實(shí)驗(yàn)證明，水位觀測(cè)井可以觀測(cè)到氫濃度變化的動(dòng)態(tài)特征，這對(duì)于獲取地下巖石介質(zhì)在構(gòu)造活動(dòng)中氫氣釋放特征具有重要意義。

4結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)汶川映秀地震臺(tái)井孔逸出氫進(jìn)行觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

（1）映秀地震臺(tái)井孔逸出氫實(shí)驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)清晰、氫濃度較高、日變幅較大，測(cè)值明顯高于山西中條山山前斷裂、四川安寧河斷裂和則木河斷裂等的觀測(cè)結(jié)果。氫氣以汶川地震形成的斷裂破碎帶為通道向地表運(yùn)移擴(kuò)散而產(chǎn)生高值，斷裂帶內(nèi)逸出氫的濃度與斷裂的破裂程度、斷層活動(dòng)性和地震活動(dòng)性密切相關(guān)，不同構(gòu)造環(huán)境下氫濃度的背景與其動(dòng)態(tài)特征各不相同。

（2）實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果表明，在非地震活動(dòng)時(shí)期穩(wěn)定的觀測(cè)條件下，映秀臺(tái)井孔逸出氫濃度具有規(guī)律的日動(dòng)態(tài)，呈現(xiàn)出與氣壓變化相似但反向的典型日變特征，且氫濃度日動(dòng)態(tài)與氣壓相關(guān)性顯著，與氣溫、水溫、靜水位相關(guān)性不明顯。在月尺度及更長(zhǎng)時(shí)間尺度上，氫濃度不隨氣溫、氣壓、靜水位的趨勢(shì)變化而變化，這一特征值得進(jìn)一步研究分析。

（3）不同型號(hào)的氫觀測(cè)儀器均能有效觀測(cè)到氫濃度變化的動(dòng)態(tài)特征，表明活動(dòng)斷裂帶上的鉆孔揭示的巖層中氫濃度較斷裂帶淺層土壤氣中的氫濃度背景值高，這也為獲取巖石受構(gòu)造活動(dòng)及其應(yīng)力應(yīng)變作用過(guò)程中氫濃度的變化提供了良好的觀測(cè)場(chǎng)地，為拓展氫觀測(cè)站點(diǎn)選擇提供了重要依據(jù)。

本文獲得了映秀實(shí)驗(yàn)點(diǎn)井孔逸出氫濃度的動(dòng)態(tài)特征，證明了在斷裂帶上的井孔中開(kāi)展地下逸出氫氣觀測(cè)是可行的，但是否可以有效反映和揭示龍門(mén)山斷裂帶氣體運(yùn)移過(guò)程及其機(jī)理，還需使用更長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證與分析。

本文在撰寫(xiě)過(guò)程中得到劉耀煒研究員和李大虎博士的幫助，在此向他們表示衷心感謝。

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Observational Experiment for Escaped Hydrogen from Wellbore