中條山山前斷層氣孔梯度測(cè)試分析

薛 亮，劉國(guó)俊

(1.山西省地震局運(yùn)城地震監(jiān)測(cè)中心站，山西 夏縣 044400；2.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，山西 太原 030025)

0 引言

采用斷層土壤氣中氣體濃度的變化來監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)地震是國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的方法[1]。地震流體觀測(cè)因受水資源過度開采的影響，需開展斷層土壤氣觀測(cè)。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，夏縣地震臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱夏縣臺(tái))地下流體觀測(cè)受到周邊溫泉水開采的影響。為避免抽水干擾，先后在中條山山前開展過兩次斷層氣體項(xiàng)目研究，分別為“中條山前斷層釋放氣探索研究”[2]和“中條山斷裂斷層氫的初步實(shí)驗(yàn)”[3-4]。從2008年夏縣臺(tái)開展斷層土壤氣觀測(cè)(斷層氣汞、斷層氣氡、斷層氫氣)以來，在該觀測(cè)區(qū)發(fā)生過2010年1月24日運(yùn)城河津4.8級(jí)和2016年3月12日運(yùn)城鹽湖區(qū)4.4級(jí)2次有感地震，但斷層氣觀測(cè)無異常現(xiàn)象發(fā)生。為提升斷層氣觀測(cè)效能，有學(xué)者對(duì)斷層氣孔進(jìn)行探索性分析研究[5]，對(duì)土壤氫濃度隨深度的變化做理論研究[6]。該文通過對(duì)斷層氣孔梯度測(cè)試，了解斷層濃度與深度的關(guān)系，厘清斷層氣孔不同深度背景值，確定最佳觀測(cè)層位，提高觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量。

1 斷層氣孔測(cè)點(diǎn)概況

夏縣臺(tái)山洞斷層氣觀測(cè)點(diǎn)海拔高程450 m，取氣孔在夏縣臺(tái)背后的山洞洞口；赤峪斷層氣觀測(cè)點(diǎn)海拔高程480 m，取氣孔在夏縣赤峪村地電場(chǎng)地觀測(cè)室旁；東郭斷層氣觀測(cè)點(diǎn)海拔高程400 m，取氣孔在運(yùn)城市東郭村東郭井室內(nèi)。斷層氣觀測(cè)點(diǎn)地理位置同屬于中條山山前大斷裂與NW向隱伏斷裂交匯處。中條山斷裂出露在中條山山前北麓及西麓，全長(zhǎng)約137 km，走向NE-NEE，傾向NW，傾角58°～75°，構(gòu)造上屬高角度正斷層，斷裂破碎帶寬度約超過100 m。前人研究結(jié)果表明，斷裂破碎帶上的氡氣和氫氣較富集，遠(yuǎn)離斷裂帶兩邊的氡氣和氫氣濃度銳減[2]，由此找出斷層氣孔測(cè)試的理想觀測(cè)位置(見圖1)。為便于對(duì)比分析，斷層氣體試驗(yàn)觀測(cè)點(diǎn)分別選在斷層上、靠近及遠(yuǎn)離斷層。

圖1 斷層氣觀測(cè)點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution map of fault gas observation points

2 實(shí)驗(yàn)方法

氣氡測(cè)量采用美國(guó)DURRIDGE公司生產(chǎn)的RAD7便攜式測(cè)氡儀，檢出限為3.7 Bq/m3，設(shè)置為自動(dòng)測(cè)量，每2 min產(chǎn)出一個(gè)數(shù)；氫氣濃度測(cè)量采用杭州超距科技有限公司生產(chǎn)的ATG6118E痕量氫在線自動(dòng)分析儀，對(duì)氫氣的靈敏度較高，氣敏元件對(duì)氫氣的檢測(cè)限達(dá)到0.001 ppm；CO2測(cè)量采用RXW-1A型二氧化碳測(cè)量?jī)x，氫氣和CO2的測(cè)量方式皆為自動(dòng)測(cè)量，每分鐘產(chǎn)出一個(gè)數(shù)。為比較同一深度不同氣體的相關(guān)性，將三臺(tái)儀器的導(dǎo)氣管與探頭固定，置于同一高度。

最初實(shí)驗(yàn)時(shí)，將導(dǎo)氣管置于深度為距井口4 m處，為驗(yàn)證多組分氣體濃度與氣孔深度變化之間的關(guān)系，將導(dǎo)氣管自深度4 m處開始上提，每次提0.5 m，最終提至井口0 m處，待儀器穩(wěn)定5 min后讀數(shù)，同時(shí)記錄三臺(tái)儀器的觀測(cè)值，2 min為一組，共記錄5組，觀察其背景值濃度隨導(dǎo)氣管深度的變化情況。為探究空氣中氫氣對(duì)氫濃度試驗(yàn)結(jié)果的影響，在東郭斷層氣孔梯度測(cè)試完成后，增加?xùn)|郭斷層氣測(cè)點(diǎn)環(huán)境中氫濃度的連續(xù)觀測(cè)。

3 測(cè)量結(jié)果分析

3.1 氣氡

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，夏縣臺(tái)山洞觀測(cè)孔在深度2.5～3 m間，濃度均值相對(duì)變化較大，濃度梯度較大；在深度超過3 m以后，濃度均值相對(duì)變化較小，說明其濃度相對(duì)較高(見圖2a)。赤峪觀測(cè)孔在深度2～2.5 m間，濃度均值相對(duì)變化較大，濃度梯度較大；在深度超過3 m以后，濃度均值相對(duì)變化較小，表明其濃度相對(duì)較高(見圖2b)。東郭觀測(cè)孔在深度0～2 m之間，濃度均值相對(duì)變化較大，濃度梯度較大；在深度超過2 m以后，濃度均值相對(duì)變化較小，說明其濃度相對(duì)較高(見圖2c)。根據(jù)儀器實(shí)際觀測(cè)情況，導(dǎo)氣管投放深度應(yīng)位于濃度較高，且濃度梯度相對(duì)較小的層位。因此，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，氡氣最佳觀測(cè)層位為孔深3～4 m處，該層位濃度均值相對(duì)較高，且濃度梯度相對(duì)較小。

圖2 氣氡濃度梯度測(cè)試圖Fig.2 Radon gas concentration gradient test chart

3.2 氫氣

實(shí)驗(yàn)結(jié)果第47頁圖3表明，赤峪觀測(cè)孔與東郭觀測(cè)孔在距孔口0～2.5 m處，氫氣濃度均呈上升趨勢(shì)，濃度變幅相對(duì)較大；在深度超過3 m以后，氫氣濃度均呈下降趨勢(shì)，濃度變幅相對(duì)較小。赤峪觀測(cè)孔在深度2～3 m處，濃度均值相對(duì)變化較小，濃度梯度較小，濃度較高；在深度超過3 m以后，濃度均值相對(duì)變化較大，說明其濃度較低(見圖3a)。東郭觀測(cè)孔在深度0.5～1 m間，濃度均值相對(duì)變化較小，濃度梯度較小，濃度較高；在深度超過2 m以后，濃度均值相對(duì)變化較小，表明其濃度相對(duì)較高(見圖3b)。因夏縣臺(tái)山洞觀測(cè)孔的痕量氫實(shí)驗(yàn)儀器參數(shù)誤設(shè)為每小時(shí)采樣，造成數(shù)據(jù)量不足未能進(jìn)行繪圖分析。

圖3 氫氣濃度梯度測(cè)試圖Fig.3 Hydrogen concentration gradient test chart

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出，不同的觀測(cè)孔，氫氣的最佳觀測(cè)層位不一致。山洞觀測(cè)點(diǎn)最佳觀測(cè)層位為孔深2～3 m處，該層位濃度均值相對(duì)較高，且濃度梯度相對(duì)較小；東郭觀測(cè)點(diǎn)最佳觀測(cè)層位為孔深0.5～1 m處，該層位濃度均值相對(duì)較高，且濃度梯度相對(duì)較小。從東郭斷層氣測(cè)點(diǎn)空氣中氫氣的濃度測(cè)試結(jié)果來看(見第47頁圖4)，在12 h的連續(xù)觀測(cè)中，氫濃度值一直穩(wěn)定在0.1～0.16 ppm之間，數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定。斷層氣孔中測(cè)得氫氣的濃度在0.45～0.68 ppm之間，因此，可排除環(huán)境中氫氣對(duì)斷層氣孔中氫濃度的影響。

圖4 東郭觀測(cè)點(diǎn)環(huán)境氫濃度值Fig.4 Environmental hydrogen concentration at Dongguo Observation Point

3.3 二氧化碳

實(shí)驗(yàn)結(jié)果第48頁圖5顯示，3個(gè)觀測(cè)孔二氧化碳濃度隨深度增加呈上升趨勢(shì)，在深度0～2 m處，濃度變幅相對(duì)較大；2.5～4 m處逐漸趨于穩(wěn)定，濃度變化相對(duì)較小。山洞觀測(cè)孔在深度0～3 m間，濃度均值相對(duì)變化較大，濃度梯度較大；在深度超過3 m以后，濃度均值相對(duì)變化較小，表明其濃度相對(duì)較高(見圖5a)。赤峪觀測(cè)孔在深度0～2 m間，濃度均值相對(duì)變化較大，濃度梯度較大；在深度超過2.5 m以后，濃度均值相對(duì)變化較小，表明其濃度相對(duì)較高(見圖5b)。東郭觀測(cè)孔在深度0～2 m之間濃度均值相對(duì)變化較大，濃度梯度較大；在深度超過2 m以后，濃度均值相對(duì)變化較小，說明其濃度相對(duì)較高(見圖5c)。因此得出，二氧化碳最佳觀測(cè)層位為孔深3～4 m處，該層位濃度均值相對(duì)較高，且濃度梯度相對(duì)較小。

圖5 二氧化碳濃度梯度測(cè)試圖Fig.5 Carbon dioxide concentration gradient test chart

4 結(jié)論與討論

綜上所述，得出如下結(jié)論：

(1)從對(duì)梯度測(cè)試數(shù)據(jù)分析可以看出，導(dǎo)氣管的下放深度對(duì)氣體濃度背景值變化有一定影響，由于最佳觀測(cè)層位的存在，在儀器安裝之前應(yīng)先給出逸出氣體觀測(cè)氣孔的梯度圖。

(2)不同深度的氣體濃度的背景值變化幅度不同，同一氣孔不同氣體的濃度背景值變化幅度也不相同。從梯度測(cè)試數(shù)據(jù)分析可以得出，隨著深度的增加，氫氣的背景濃度值逐漸升高，濃度變化幅度較??；當(dāng)?shù)竭_(dá)一定深度后，隨深度的增加，氫氣的背景濃度值逐漸下降，濃度變化幅度較大。二氧化碳與氡氣有相似的變化趨勢(shì)，背景值濃度均隨深度的增加而增加，濃度變化減小。

(3)從對(duì)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量方面分析可以得出，導(dǎo)氣管的放置深度應(yīng)處于背景值濃度較高、濃度變化幅度相對(duì)較小的層位。因此，可通過該觀測(cè)孔氣體背景值濃度的均值和梯度變化幅度的大小，來選擇最佳的觀測(cè)層位，該層位應(yīng)滿足背景值濃度均值相對(duì)較高，梯度變化幅度相對(duì)較低的條件。