劉國俊 胡玉良 姚林鵬 郭國祥 劉垚坤

(1.山西省地震局夏縣中心地震臺，夏縣 044400；2.太原大陸裂谷動力學野外科學觀測研究站，太原 030025；3.山西省地震局，太原 030021；4.山西省地震局臨汾地震臺，臨汾 041000；5.山西省地震局五臺科技中心，五臺 034099)

經(jīng)驗交流

夏縣地震臺痕量氫氣突升異常成因的調(diào)查與分析

劉國俊1,2胡玉良2,3姚林鵬1,2郭國祥2,4劉垚坤2,5

(1.山西省地震局夏縣中心地震臺，夏縣 044400；2.太原大陸裂谷動力學野外科學觀測研究站，太原 030025；3.山西省地震局，太原 030021；4.山西省地震局臨汾地震臺，臨汾 041000；5.山西省地震局五臺科技中心，五臺 034099)

針對2016 年9月～10月山西夏縣地震臺痕量氫氣出現(xiàn)的3 次大幅突升變化，按照異常核實的時間相關性、空間相關性、強度相關性和機理相關性原則，對異常進行調(diào)查分析、實驗，結(jié)果表明，山西夏縣臺痕量氫氣大幅度變化系交流電源受干擾導致，非震兆異常，提出觀測系統(tǒng)整改意見，以期為地震預測提供可靠的觀測資料。

痕量氫氣 突升 異常

地下流體廣泛地賦存于地下巖體及孔隙中，由于具有可自由流動性，能夠充分反映地下動力過程，因此，觀測地下流體的各種物理、化學動態(tài)，一直被人類作為探索地震預報科學的有希望的途徑[1，2]。國內(nèi)外大量研究資料表明，斷層氫深度對地殼介質(zhì)應力應變反映靈敏，在大量的中、強震前，斷層氣測項有較突出的異常表現(xiàn)，是地震短臨預測的重要地下流體測項之一[3]，夏縣地震臺斷層氣氫觀測有過比較好的前兆震例[4，5]。2016年9月～10月夏縣臺斷層氣氫氣(即痕量氫氣)出現(xiàn)3次短期的突升異常變化，每次持續(xù)時間5 ～ 6 d，氫觀測值的突出異常變化引起了分析預報部門的關注。這3次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 ，還是從異常成機理的研究來講，需要給出一個科學合理的分析結(jié)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，按照異常識別成因相關性、空間相關性、時間相關性和強度相關性的原則，對該異常變化進行了跟蹤研究，最終確定該異常的成因非地震前兆性質(zhì)。

1 井孔及觀測概況

1. 1 觀測點地質(zhì)概況

夏縣地震臺痕量氫氣觀測點海拔高程450 m，取氣孔設在中條山山前大斷裂與 N w 向隱伏斷裂交匯處的夏縣地震臺山洞硐口。山西南部的中條山斷裂是鄂爾多斯斷塊周邊活動斷裂系東南部的一條斷裂， 并且是運城斷陷盆地和中條山斷塊隆起的分界。中條山斷裂出露于中條山 山前的北麓和西麓， 長137 km，走向N E-N E E，傾 向N w，傾 角 58°～75°，屬高角度正斷層， 斷裂破碎帶寬100 余米，沿斷裂帶有溫泉出露，為一局部地熱異常區(qū)。經(jīng)野外實測， 斷裂帶上土壤氣富集，遠離斷裂帶兩邊則銳減，是理想的斷層氣觀測點[6]，地質(zhì)構(gòu)造和采樣裝置剖面圖見圖1。

圖1 夏縣地震臺地質(zhì)構(gòu)造和采樣裝置剖面圖

1.2 痕量氫采樣集氣裝置

夏縣地震臺痕量氫氣觀測孔深7.6 m，采樣集氣裝置剖面如圖1所示[6]，觀測孔底埋有1.2m深花管，由砂礫石回填，因氫氣具有極強的滲透性和遷移性及容易垂直向上擴散的特點，在孔底安裝集氣裝置。采樣量是300mL/minX10S=0.05L，儀器每間隔 20min 采集一次樣品。礫石層中的氣體很快擴散使氣體達到新的平衡，因此測定結(jié)果可以反映礫石層中斷層氣的真實情況 。

1.3 觀測概況

夏縣地震臺痕量氫斷層氣自2010年2月1日在夏縣臺觀測以來，痕量氫自動分析儀儀器穩(wěn)定[7]，儀器故障率低，運行正常，系統(tǒng)無故障發(fā)生，每兩年進行一次現(xiàn)場校準，記錄到連續(xù)可靠的觀測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析顯示，該測項采樣率為1次/20分鐘,日動態(tài)正常背景值均為1～3 ×10-6(圖2)。日變化平穩(wěn)，受氣溫波動較大，無明顯的年動態(tài)特征[8]。分析正常背景值下數(shù)據(jù)變化特征，顯示該測項與氣溫、氣壓存在一定相關性，對潮汐反應較靈敏，受降雨影響不明顯；不受周邊溫泉區(qū)抽水影響，無明顯的干擾源。

圖2 夏縣地震臺斷層氣氫氣濃度原始曲線圖

2 痕量氫突升異常概述

夏縣地震臺斷層氣氫觀測點氫濃度正常變化背景值在0.2～1.5×10-6左右變化。2016年9月～10月期間出現(xiàn)3次突升異常(圖3)，持續(xù)時間為5～6d，第一次變化是2016年9月13～17日，最大變化幅度達39.678 ×10-6，第二次變化是2016年10月5～10日，最大變化幅度達41.526 ×10-6，第三次變化是2016年10月20～25日，最大變化幅度達29.800 ×10-6。1個多月在同一測點連續(xù)出現(xiàn)3次突變，間隔時間比較短，其變化幅度達到正常背景值的30倍以上，可以作為成組異常對待。由于山西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。

圖3 夏縣地震臺斷層氣氫氣濃度原始曲線圖

3 異常核實與成因分析

3.1 異常調(diào)查與落實情況

上述3次異常發(fā)生后，工作人員現(xiàn)場對儀器工作狀態(tài)、供電、接地、周邊觀測環(huán)境進行了調(diào)查，儀器工作狀態(tài)正常，供電采用交流供電(電壓219V)無直流供電，機柜無接地，觀測室儀器布設圖4。調(diào)查周邊觀測環(huán)境無何改變，周邊溫泉井抽水量與平日相當。查看進出觀測室工作登記本，此突升異常出現(xiàn)時間與給電磁波觀測儀器電瓶充電時間相吻合。

圖4 夏縣地震臺痕量氫儀器室布設示意圖

3.2 異常特征與充電的時空對應分析

分析2016年9月至10月痕量氫異常突變時段數(shù)據(jù)變化特征，氫濃度最高值達41 ×10-6， 變化幅度較背景值呈40倍變化，且數(shù)據(jù)在17～20h內(nèi)升到最高值，然后呈下降趨勢，降幅度較明顯，并且回復至背景值時間較快，具體情況見表1 。

從圖3可以看出每次氫氣突升變化屬于典型的阻尼諧振蕩頻譜，與充電模式類似：第一階段為恒流充電階段；第二階段為恒壓充電階段；第三階段為涓流充電階段。根據(jù)進出觀測室工作登記本記錄情況，結(jié)合3次氫氣變化分析認為：第1次充電時充電器與痕量氫儀共用一個插座，充一塊電瓶；第2次充電時充電器改變充電方式，加入交流穩(wěn)壓電源，充電期間斷電測電瓶電壓；第3次充電時延用第二次充電方式，加載為兩塊電瓶。異常持續(xù)時間與電瓶電壓有關，異常幅度與電瓶電壓有關[9]。

表1

3.3 影響機理分析

首先對痕量氫觀測系統(tǒng)進行檢查，排除觀測系統(tǒng)是否存在干擾因素，3次高值異常期間供電環(huán)境有所改變，與電磁波電瓶充電有一定相關性。

充電電源為市場上較為便宜的開關電源，由于充電器本身是一個開關電源，工作時會產(chǎn)生較強的電磁干擾。其中，由基本整流電路產(chǎn)生的高次諧波干擾和電壓轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生的尖峰電壓干擾是主要因素。特別是高次諧波沿著輸電線路是會產(chǎn)生傳導干擾和輻射干擾。一方面會使接在其前端的電源線上的電路波形發(fā)生畸變，這些干擾信號占有比較寬的頻率范圍，又有一點的幅度所以會對周圍電子設備造成干擾。充電電瓶需加載的輸出電流由電瓶內(nèi)阻決定，而電瓶內(nèi)阻由其電動勢決定，電動勢越高，內(nèi)阻越小，因而隨著充電的過程，電瓶的電動勢越來越大，充電電源產(chǎn)生電流干擾的頻率越來越小[10，11]。

充電電源產(chǎn)生的高頻電流干擾超出痕量氫儀器中濾波電容的工作范圍(50Hz)，與儀器中數(shù)采模塊計數(shù)器發(fā)生諧振，致使數(shù)據(jù)發(fā)生變化。因為電流干擾的頻率有趨勢減小的過程，初始頻率并未與痕量氫儀器供電部分發(fā)生完全共振現(xiàn)象，而是在干擾頻率減小過程達到完全共振后逐漸偏離，故痕量氫干擾圖像呈現(xiàn)出趨勢上升-下降的特征。當停止充電，斷開充電設備，氫濃度恢復正常，因此氫濃度出現(xiàn)的短期突變異常系非構(gòu)造活動引起 。

3.4 實驗及結(jié)果分析

鑒于以上情況，我臺做了兩次實驗：(1)10月7日在氫濃度恢復過程中，14時對電磁波電瓶充電器進行開關機實驗，氫濃度14時20分就出現(xiàn)數(shù)據(jù)突變現(xiàn)象，轉(zhuǎn)折為數(shù)據(jù)上升，至19時40分上升幅度為8.775×10-6,然后呈下降恢復狀態(tài)； (2)10月23日9時關閉充電器，隨后氫濃度數(shù)據(jù)發(fā)生突跳，變幅為0.847×10-6，經(jīng)過26小時氫濃度逐漸恢復至背景值。10月27日停電對電磁波電瓶充電工作，氫濃度觀測數(shù)據(jù)正常如圖5。

圖5 夏縣地震臺斷層氣氫氣濃度原始曲線圖

4 思考與建議

前兆觀測的多樣性 、個體差異性造就其復雜性，影響資料產(chǎn)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 。此次異常調(diào)查，通過對觀測系統(tǒng)檢查，結(jié)合詳細的工作記錄，我們分析認為此次氫濃度突升是由供電環(huán)境改變導致，與構(gòu)造活動無關。鑒于此情況建議：(1)改善供電環(huán)境，采用供電電路隔離方式將充電器與儀器進行隔離。排除諧波源負荷的影響；(2)對觀測儀器做好接地，減少紋波和噪聲對數(shù)字電路干擾，確保觀測儀器設備安全、可靠、高效運行。

[1]國家地震局預測預防司．地震地下流體觀測技術[M]．北京：地震出版社，1994：20-38.

[2]車用太，王廣才，劉五洲，等．關于發(fā)展我國地下流體前兆流動觀測問題的建議[J]．國際地震動態(tài)，2002，11：1-7．

[3]國家地震局預測預防司．地下流體地震預報方法[M]．北京：地震出版社，1997：6-18.

[4]范雪芳，黃春玲，劉國俊，等.山西夏縣痕量氫觀測資料初步分析[J].山西地震，2012，151(3):7-12.

[5]范雪芳,張磊,李自紅,陶京岺.斷裂帶土壤氣高精度氫異常分析[J].地震地質(zhì), 2016, 38(2): 303-315.

[6]范雪芳，李自紅，劉國俊，等.斷層氣氫濃度觀測技術試驗研究[J].中國地震,2014， 30(1)：43-54.

[7]范雪芳，劉國俊.痕量氫連續(xù)觀測儀穩(wěn)定性分析[J].中國地震，2015， 31(1)：36-44.

[8]黃春玲，王向陽.夏縣地震臺痕量氫觀測技術與地震關系研究[J]． 地震地磁觀測與研究，2012，33(3)： 130-136．

[9]郝柯 ．電力系統(tǒng)諧波檢測與治理．中國測試技術． 2005，31(6)： 66- 67.

[10]陳家斌，高小飛．電氣設備防雷與接地實用技術[I].北京：水利水電 出版社，20 10：30-32.

[11]周志敏．高頻開關電源設計與應用實例 [M].北京:人民郵電出版社,2005：25-28.

Investigation and analysis on jump anomalies in monitoring of trace hydrogen at Xiaxian Seismological Station.

Liu Guojun1,2, Hu Yuliang2,3,Yao Linpeng1,2,Guo Guoxiang2,3,Liu Yaokun2,5

(1. Xiaxian Central Seismological Station of Earthquake Administration of Shanxi Province.Xiaxian,044400,China; 2.National Continental Rift Dynamics Observatory of Taiyuan,Taiyuan 030025,China; 3.Earthquake Administration of Shanxi Province, Taiyuan 030021；4. Linfen Central Seismological Station of Earthquake Administration of Shanxi Province,Linfen 041000,China;5. Wutai Science and Technology Center Earthquake Administration of Shanxi Province, Wutai 034099, China)

Three jump anomalies appeared from September to October 2016. They were investigated and analyzed according to the relativity principle of time, space, strength and mechanism. The results revealed that these phenomenas were not seismic precursor. The main reason was the power supply disturbance of the monitor.

trace hydrogen; jump; anomaly

中國地震局監(jiān)測、預報、科研三結(jié)合課題(CEA-JC/3JH-160401)

10.3969/j.issn.1001-232x.2017.04.027

2017-03-02

劉國俊，男，1972出生，1992年畢業(yè)于防災技術高等專科學校，高級工程師，主要從事地下流體監(jiān)測工作，E-mail:liuguojun926@163.com。