范雪芳，劉國俊，黃春玲，何 鑭，李孝楠

(1.山西省地震局，山西太原030021;2.山西省地震局夏縣中心地震臺，山西夏縣044000;3.杭州超距科技有限公司，浙江杭州310030)

0 引言

地震前兆異常的研究是突破地震預報難關的重要環(huán)節(jié)(車用太，魚金子，2004)。如何從各種變化中判斷出異常與地震孕育、發(fā)生過程有關還是由觀測環(huán)境變化等其他因素引起的，是地震分析預報工作的基礎(劉耀煒等，2006)。實際觀測中遇到的絕大多數(shù)異常都是非地震前兆異常(廖麗霞等，2013)，但這些非地震前兆異常有時很難辨別，因此觀測資料異常的現(xiàn)場核實與分析工作就顯得尤為重要。

氫具有遷移和擴散快速，滲透能力極強的特點，能靈敏地將地下深部變化的信息傳遞到地表，痕量氫自動分析儀記錄到了氫濃度的微動態(tài)變化過程，比正在使用的氣相色譜儀或質譜儀觀測周期短，可以實時監(jiān)控、網(wǎng)絡傳輸，實現(xiàn)了氣體地球化學數(shù)字化觀測監(jiān)測，為我國開展氣體地球化學監(jiān)測方法提供了新技術，是一項具有廣闊前景的地震觀測方法。

2013年4月東郭斷層氣觀測點氫濃度出現(xiàn)2次短期過程的突出變化，每次持續(xù)時間4～5 d。由于斷層氣氫觀測有過比較好的前兆震例(黃春玲，王向陽，2012)，因此氫觀測值的突出異常變化引起了分析預報部門的關注。這2次氫異常是地震前兆異常還是由干擾引起，無論從地震預報的現(xiàn)實工作需要，還是從異常成因機理的研究來講，都需要給出一個科學合理的分析結果。筆者依據(jù)地下流體學科觀測資料異常變化現(xiàn)場核實工作技術要求，收集了東郭斷層氣觀測點的基礎資料，針對觀測技術系統(tǒng)、集氣系統(tǒng)、儀器標定、對比觀測、周邊環(huán)境干擾情況等因素，從各個環(huán)節(jié)逐一進行了分析，給出了異常排查的依據(jù)，合理解釋了異常產生的可能機理。

1 東郭測區(qū)水文地質概況及氫濃度異常特征

1.1 測區(qū)水文地質概況

東郭斷層氣氫測點位于運城市東郭鎮(zhèn)東郭村(35.0°N，111.1°E)(圖1)，海拔高程400 m。測區(qū)南靠中條山，北依稷王山，中部為平原。該觀測點位于中條山山前地帶，在構造上處于NE向中條山山前大斷裂與NW向隱伏斷裂交匯部位(蘇宗正等，2001;李自紅等，2012)，水文地質上處于中條山大氣降水滲入補給與運城鹽湖排泄區(qū)之間的地下水徑流帶。中條山斷裂長137 km，走向NE—NEE，傾向NW，傾角58°～75°，為高角度正斷層，屬于鄂爾多斯斷塊周邊活動斷裂系的東南部分，并且是運城斷陷盆地和中條山斷塊隆起的分界(圖1)。根據(jù)構造不連續(xù)特征(程紹平，楊桂枝，2002)，中條山斷裂被分為3段，自東北向西南分別為夏縣段、解州段和韓陽段。觀測點所在區(qū)域分為兩個水文地質單元，東部山區(qū)基巖裂隙水及山前傾斜平原松散層孔隙水區(qū)，東部山區(qū)含水層為涑水群變質巖，風化裂隙十分發(fā)育，受大氣降水補給及東部鄰區(qū)側向徑流補給，由東向西徑流補給洪積山區(qū);西部平原區(qū)0～50 m以上含水層為礫卵石層，含水豐富;50～200 m含水層為粉細沙層，富水性較弱;200 m以下含水層為膠結粉細砂，相對含水性較差。

圖1 東郭測區(qū)地質構造略圖Fig.1 Geological structure sketch of Dongguo region

1.2 測區(qū)周圍地震活動情況

東郭斷層氣氫觀測點位于山西地震帶南端的運城盆地，歷史上，運城盆地地震活動強度較低，周邊最大震級為1815年山西平陸62級地震。近30 a來運城盆地常有4.0級左右中等地震及震群發(fā)生。1973年以來在夏縣及其周圍100 km范圍ML≥4.0地震目錄見表1，其震中分布和M－t圖如圖2所示。

1.3 氫濃度異常特征

東郭斷層氣氫觀測點氫濃度正常變化背景值在0.2～0.6 ppm左右波動，2013年4月共出現(xiàn)2次突變異常(圖3)，持續(xù)時間4～7 d。第一次變化是4月7～10日，最大變化幅度達14 ppm;第二次突升變化是4月24～29日，最大變化幅度為25 ppm，第二次變化比第一次變化幅度大、持續(xù)時間長。4月在同一測點連續(xù)出現(xiàn)2次突變，間隔時間比較短，其變化幅度達到正常背景值的20倍以上，可以作為一組異常對待。由于山西中南部多年來一直被列為值得注意地區(qū)，此異常對震情判斷非常重要。

表1 1979～2013年山西夏縣及其周圍100 km范圍ML≥4.0地震Tab.1 Distribution of ML≥4.0 earthquakes in and around Xiaxian，Shanxi Province from 1979 to 2013

圖2 1979～2013年山西夏縣及其周圍100 km范圍ML≥4.0地震分布(a)及M－t圖(b)Fig.2 Distribution of ML≥4.0 earthquakes in Xiaxian and its adjacent area of 100 km in Shanxi province from 1979 to 2013(a)，and M－t diagram(b)

圖3 東郭測點氫濃度異常變化曲線Fig.3 Hydrogen concentration abnormal variation recorded by Dongguo measuring point

2 氫測點概述

很多學者都發(fā)現(xiàn)氫在水、土壤中的背景值較低，出現(xiàn)異常時變化幅度較大，異常的相對變化甚至高過原背景量2～3個數(shù)量級，易于識別，并且異常多出現(xiàn)在震前短臨階段，是值得推廣的地震短臨監(jiān)測方法(張培仁等，1993;林元武等，1994)。由于以往氫氣觀測方法使用熱導檢測器氣相色譜儀，儀器靈敏度低，檢出限為1×10－5，而一般土壤中的氫濃度的背景值為0.5×10－6，甚至更低，用氣象色譜儀就檢測不到氫氣的背景動態(tài)。另外，人工取樣操作繁雜，每天只能產生一個數(shù)據(jù)，無法分析一些低氫含量觀測點的正常動態(tài)，不能有效判定異常觀測量的可靠性，滿足不了地震監(jiān)測提取地震前兆異常的需求。

2012年在山西夏縣的中條山山前斷裂上布設了4個斷層氣氫濃度連續(xù)觀測點，使用痕量氫在線自動分析儀，開展定點連續(xù)觀測。東郭斷層氣氫觀測點于2012年5月成孔，孔深6.5 m，氫濃度背景值1.4 ppm，取得了氫濃度連續(xù)可靠觀測數(shù)據(jù)。以下詳細論述實驗過程和實驗方式。

(1)集氣裝置制作:觀測孔由人工開挖，孔深6.5 m，裸孔直徑1.0 m，觀測孔底部放置一根打有若干透氣小孔、直徑110 mm，長0.6 m的PVC集氣管，并與直徑50mm、長度6.5 m的PVC導氣管相連接。導氣管出露地面約0.6 m，在頂部用橡皮塞密封。為防止因淺層地表水位上升導致潮濕氣體進入取樣管，且有利于氣體通過，在集氣孔底部鋪設一層透氣性好的礫石層。為防氣體逸出，礫石層上面鋪設塑料厚膜密封，用土回填。為了開展兩套儀器的對比試驗觀測，使用三通管連接導氣軟管，并與孔內PVC導氣管連接。觀測孔集氣裝置結構見圖4。氣體富集與采樣時間可在儀器上直接設定，設定采樣時間間隔為30 min。

圖4 東郭觀測孔集氣裝置示意圖Fig.4 The schematic diagram of gas collection equipment at Dongguo measuring point

(2)數(shù)據(jù)采集:根據(jù)痕量氫在線自動分析儀的功能，設定觀測時抽氣時間10 s，抽氣流量0.3 L/min，抽氣總氣量為0.05 L。儀器每次測量氣體用量為0.001 L，根據(jù)測量值的絕對量，自動換算成氫濃度(ppm)存入儀器內存。

(3)數(shù)據(jù)提取:可在儀器上直接設定IP地址，通過網(wǎng)絡遠程實時接收數(shù)據(jù)，也可以從儀器上直接導出所需時段的數(shù)據(jù)曲線與數(shù)據(jù)顯示，并通過網(wǎng)頁直接繪制、瀏覽設定時段的曲線或數(shù)據(jù)，網(wǎng)頁界面見圖5。

圖5 氫濃度觀測實時監(jiān)控網(wǎng)頁界面Fig.5 Real-time monitor web interface of hydrogenconcentration observing system

東郭斷層氣氫觀測點自2012年11月開始正常觀測，儀器產出溫度和氣壓輔助觀測數(shù)據(jù)，氫濃度與溫度、氣壓的變化關系曲線見圖6，日變形態(tài)穩(wěn)定，觀測值受氣溫、氣壓的影響較小。

圖6 東郭氫濃度與溫度、氣壓的變化關系曲線Fig.6 Hydrogen concentration variation curve versus temperature and atmospheric pressure

3 異常調查及成因分析

3.1 觀測技術系統(tǒng)工作狀態(tài)檢查

通過對東郭斷層氣氫觀測點的儀器運行狀況、電源線路、電壓等觀測系統(tǒng)進行排查，確認觀測儀器工作正常，電源線路、電壓均沒有變化，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)沒有問題，觀測系統(tǒng)工作正常，測點觀測孔結構沒有變化，氫濃度變化是真實的。

3.2 儀器標定

為了確定觀測值的可靠性，異常核實中對儀器進行了現(xiàn)場標定。通過標定，可以發(fā)現(xiàn)儀器傳感器性能是否發(fā)生變化。標定過程按照有關規(guī)范要求，使用的標準氣符合相關標準，同時邀請儀器生產廠家到現(xiàn)場進行操作，避免操作中引起的誤差。標定過程按以下程序完成。

(1)k值計算:

式中:k為標定的儀器系數(shù)(μl/mV);C為標準氣體濃度(μl/L);V標為標準氣體體積(L);U為傳感器顯示的電壓值(mV)。

(2)氫濃度計算:根據(jù)儀器性能，傳感器在一定氣體濃度范圍內，氣體濃度變化產生的電壓變化是線性的。即:

已知，當注入的氣體中沒有氫氣，那么傳感器的電壓輸出為0，即b=0;式(2)簡化為:y=k×x。

儀器在自動測量過程中，采樣的體積一定為1 ml，所以測量時，氫濃度值y=標定系數(shù)×毫伏數(shù)/1 ml:

式中:y為樣品氫氣濃度值(10－6×μl/L，即ppm)，k為標定的儀器系數(shù)(μl/mV)，U為傳感器顯示的電壓值(mV)，V樣為進樣體積(L)。

2013年5月7日14時35分，由儀器廠家對正在運行的東郭1儀器進行標定，用針筒抽取1 000 ppm濃度的標準氣體0.02 ml，標定得到的k值為0.041 83。2012年5月出廠時標定的 k老為0.045 898 5，這次新標定的k新為0.041 83，新老k值誤差為:

根據(jù)儀器性能指標，儀器穩(wěn)定性指標k值，在12個月內相對誤差應小于10%。標定結果在儀器性能誤差范圍內，說明儀器工作正常。

3.3 對比試驗

除了開展上述儀器標定外，為了解測量值的一致性狀態(tài)，本實驗在同一工作環(huán)境和集氣裝置條件下，同時架設了兩臺相同型號的儀器東郭1和東郭2，采用三通管引入同一個測量孔的斷層氣，采樣率為每30 min 1個值，兩套儀器采樣間隔時間為15 min。圖7給出兩套儀器對比觀測的曲線，數(shù)據(jù)趨勢變化形態(tài)一致，通過對比結果分析，說明儀器工作正常，排除儀器干擾的可能。

圖7 兩套儀器對比觀測實驗結果(a)兩套儀器對比曲線;(b)兩套儀器同軸對比曲線Fig.7 Comparative observation test results of two suits of equipments(a)comparative observation curve of two suits of equipments;(b)coaxial comparative curve of two suits of equipments

3.4 環(huán)境干擾調查分析

環(huán)境干擾因素的調查分析，主要是查清觀測點周圍有無直接影響觀測值的環(huán)境因素。該觀測點位于運城市東郭村北邊約150 m處，四周均為農田。測點南距中條山山前斷裂約2.5 km，北距鹽湖東部約2 km。整個地形呈南高北低，中條山山根至鹽湖東部高差約50 m，屬中條山山前洪積扇。本次工作調查了周圍3 km范圍內用、抽水情況及新鉆井孔情況。據(jù)調查，2013年東郭鎮(zhèn)白莊村新打了兩口井，對新打的兩口井的施工情況進行了以下詳細調查與分析。

(1)周圍用水情況調查:在東郭測點周圍有東郭村、下月村、上月村和白莊村，調查周圍3 km范圍內有10口抽水澆地、飲用井，有些淺井用于季節(jié)性抽水，有的在調查季節(jié)停測。調查井孔基本情況見表2，空間分布見圖8。淺水抽水井的用水情況沒有改變，停用的淺井也沒有變化，所以周圍用水井不會引起氫濃度的改變。

(2)運城市東郭鎮(zhèn)白莊村新鉆1#井于2013年3月29日開鉆，工期13天。1號井位于白莊村(35.024 4°N，111.145 0°E)(圖8)，高程386 m，此井距東郭測點2.12 km，井深130 m。據(jù)鉆井人員介紹，此井工期13 d，8 d后基本打成，4月7日下井管破壁，9日洗井，10日開始抽水，5月7日到現(xiàn)場時1#新井正在抽水。而氫濃度出現(xiàn)大幅度變化時間是7日開始上升，8日達最大值，9日下降，10日觀測數(shù)據(jù)恢復背景值(圖3)。數(shù)據(jù)出現(xiàn)大幅度變化與施工時間相吻合。

表2 東郭測點周邊井孔基本情況Tab.2 Basic situation of boreholes around Dongguo measuring point

(3)運城市東郭鎮(zhèn)白莊村2#井于2013年4月22日動工，23日休息，24日開鉆，工期7 d，4月29日結束。2號井也位于白莊村(35.026 4°N，111.142 2°E)，高程 386 m，此井距東郭測點1.8 km，井深140 m。據(jù)鉆井人員介紹，在27～28日洗井、下井管，30日鉆孔完工。5月7日到現(xiàn)場時，2#新井鉆井架子沒有拆除，尚未投入使用。而氫濃度24日出現(xiàn)上升，大幅度變化時間是27～28日，28日達最大值，29日下降，30日恢復正常，觀測數(shù)據(jù)恢復背景值(圖3)。數(shù)據(jù)出現(xiàn)大幅度變化與施工時間相吻合。

圖8 東郭氫觀測點周圍用水井分布圖Fig.8 Distribution of water wells around Dongguo measuring point

4 異常性質判定及成因分析

4.1 氣象因素分析

根據(jù)前人的研究成果，氣體濃度的變化受氣象因素的影響，隨著溫度的升高，氣體溶解度增大，濃度升高，但氫濃度短期突變與溫度因素無關(陳華靜等，1999;范雪芳等，2012;黃春玲，王向陽，2012)。另外，分析了氫濃度與降雨關系，東郭測點孔深6.5 m，受地表降雨補給影響比較小，且異常出現(xiàn)的4月為干旱季節(jié)，測點附近無降雨，所以降雨對氫濃度的變化沒有影響。

4.2 周圍新開采井施工關系

通過調查分析，東郭鎮(zhèn)白莊村新打兩口井井深分別為130 m、140 m，在施工過程中，井孔下套管需要2～3 d，氫濃度出現(xiàn)大幅度變化的時間與下井管時間吻合，井管放好后，新打井開始抽水或停工，氫濃度觀測數(shù)據(jù)恢復背景值。2次氫濃度突變時間鉆井時間吻合，可以初步判斷氫濃度的大幅度突變是新打井施工造成。

4.3 成因分析

氫(H2)是無色無味的氣體，其特點是質量輕，粘度小，極易遷移，并具有很強的滲透與擴散能力。H2主要來自地殼深部的化學作用、生物作用、放射性衰變與火山活動。地下巖體或松散層中都存在有He、H2、Rn、CO2等氣體，含量一般較低，大多呈自由狀態(tài)存在于巖石和土層的孔隙中，或吸附在巖土的顆粒表面。在外界條件不變時，這些氣體處于平衡狀態(tài);當環(huán)境條件改變時，地殼表層中的次生氫氣，包括生物成因和化學成因的一些表層次生氫氣平時以分子狀態(tài)聚積在土層孔隙中，或吸附在巖土顆粒表面(高清武，范樹全，1992)，當?shù)叵聴l件改變時，它們會改變原來狀態(tài)，按一定方向運移和再分配。由于斷裂附近應力容易集中，當?shù)叵聭訌姇r，地下不同深處的次生氫氣便向斷裂帶匯集，使斷層氣氫增高。因此鉆孔施工過程中，下套管會引起巨大的震動，在周圍環(huán)境條件發(fā)生變化，強大力的作用下造成地層松動，由于氫具有極強的穿透和擴散能力，氫快速遷移，氫濃度短期出現(xiàn)大幅度突跳異常變化，且氫濃度出現(xiàn)突變的時間與井管下套管時間一致，當新井處于抽水或停用狀態(tài)，沒有大的沖擊力，氫濃度恢復正常，因此氫濃出現(xiàn)的短期突變異常系非構造活動引起。

5 結論及討論

前兆觀測的多樣性、個體差異性造就其復雜性，影響資料產出的因素很多，既有外部環(huán)境、觀測系統(tǒng)、隨機(人為)干擾等，又有類似斷層氣氫濃度短期變化由施工過程引起等個別性因素，在異常核實的過程中須逐一排查，盡可能剔除非震兆性異常。

2013年4月氫濃度出現(xiàn)2次的突變異常，通過觀測系統(tǒng)檢查、儀器標定、同一測點兩套儀器對比分析、氣象因素和環(huán)境調查等因素綜合分析，結果表明，氫濃度4月出現(xiàn)的2次突變與相距2 km左右兩口新打井施工過程有關，并非地震前兆。本文提供的異常核實過程及分析依據(jù)，可作為異常核實工作的一個實例，對今后異?，F(xiàn)場核實、異常性質判別提供借鑒和參考。

本項工作在完成過程中得到劉耀煒教授的指導，在此表示衷心的感謝!

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