張家口地區(qū)痕量氫觀測實(shí)驗(yàn)

王莉森張彥清王曰鳳王 江張曉剛

1）中國石家莊050021河北省地震局

2）中國河北075000 張家口地震中心臺(tái)

張家口地區(qū)痕量氫觀測實(shí)驗(yàn)

王莉森1）張彥清1）王曰鳳2）王 江1）張曉剛1）

1）中國石家莊050021河北省地震局

2）中國河北075000 張家口地震中心臺(tái)

在張家口地區(qū)進(jìn)行痕量氫觀測技術(shù)實(shí)驗(yàn)，深入分析站點(diǎn)選取、系統(tǒng)布設(shè)、背景噪聲測定及堪選等對(duì)該技術(shù)應(yīng)用的重要性，以痕量氫觀測技術(shù)系統(tǒng)的標(biāo)定與維護(hù)、裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)越性、數(shù)據(jù)特征分析為基礎(chǔ)，對(duì)張家口涿鹿MS4.3地震與痕量氫觀測間的震兆關(guān)系進(jìn)行初步分析，為探索痕量氫觀測技術(shù)作為地震科學(xué)研究短臨技術(shù)方法提供一種新途徑，為地震短臨跟蹤分析手段的進(jìn)一步發(fā)展提供一種新的實(shí)驗(yàn)方法。

痕量氫；氫濃度；觀測技術(shù)；實(shí)驗(yàn)；地震；背景噪聲

0 引言

近年來地震活動(dòng)頻繁，地震科學(xué)研究者通過總結(jié)各種震前現(xiàn)象來探索地震前兆與地震之間的關(guān)系，從而衍生出各類地震前兆觀測方法。氫氣是一種活動(dòng)性較強(qiáng)的氣體，是斷層破裂處作為較早溢出的氣體之一，是地震監(jiān)測重要監(jiān)測技術(shù)指標(biāo)。氫在水、土壤中的背景值較低，出現(xiàn)異常時(shí)變化幅度較大，甚至高過背景量2—3個(gè)數(shù)量級(jí)，易于識(shí)別，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（車用太等，2002）。作為一種新型觀測技術(shù)，痕量氫觀測實(shí)現(xiàn)了氫濃度的在線觀測，逐漸在山西、新疆等地區(qū)開展實(shí)驗(yàn)研究，初步得到一些研究成果，但缺少臺(tái)網(wǎng)性質(zhì)的研究。

選取張家口地區(qū)作為實(shí)驗(yàn)場地，重點(diǎn)解決2個(gè)問題：①通過觀測點(diǎn)位的圖上選址、實(shí)地堪選、背景噪聲測定、觀測數(shù)據(jù)試記錄4個(gè)過程，分析總結(jié)選取合格觀測點(diǎn)的基本要求，為深入開展該測項(xiàng)的研究提供站點(diǎn)選取依據(jù)；②通過觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量分析總結(jié)張家口地區(qū)痕量氫背景噪聲變化特征，并通過背景噪聲測定分析測區(qū)內(nèi)氫濃度的動(dòng)態(tài)特征，為探索地震與氫濃度變化特征做好基礎(chǔ)研究的準(zhǔn)備。

實(shí)驗(yàn)期間（2014年7月后），張家口涿鹿于2014年9月6日發(fā)生MS4.3地震，震中距最近臺(tái)站僅30 km，分析該地震與痕量氫觀測間的震兆關(guān)系，為進(jìn)一步研究提供依據(jù)。

1 觀測點(diǎn)選址與系統(tǒng)布設(shè)

1.1 站點(diǎn)選取及勘查

地下流體監(jiān)測站點(diǎn)主要集中于溫泉區(qū)域，溫泉區(qū)作為地下氣體信息與外界交換的靈敏區(qū)域，是地震監(jiān)測重點(diǎn)研究地帶，通過溫泉區(qū)熱交換效應(yīng)，可以間接獲取地下氣體信

息的變化特征，從而發(fā)掘與地震之間的關(guān)系，用于地震科學(xué)研究。但是，隨著地下溫泉的開采，地震流體觀測點(diǎn)逐漸面臨井水枯竭的現(xiàn)狀，土壤氣或斷層氣作為地震監(jiān)測短臨方法，是地震監(jiān)測方式的一種嘗試。

張家口地區(qū)作為河北省地震重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)，1994年以來共發(fā)生ML2.5淺源地震300余次（包含余震），主要集中于張北老震區(qū)、斷裂帶交匯區(qū)域，其中最大地震是1998年張北6.2級(jí)地震，地震活動(dòng)分布見圖1。張家口地區(qū)作為環(huán)“首都圈”、晉冀蒙3省交界區(qū)域，是華北地區(qū)地震活動(dòng)的重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)。該地區(qū)地處環(huán)太平洋地震帶，位于陰山東西向構(gòu)造帶與山西地震帶北段、張渤地震帶西北段的交匯部位，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷裂頗多，是地震多發(fā)帶。

綜合考慮張家口地區(qū)地下流體觀測點(diǎn)分布特征（位于溫泉區(qū)居多）、近20年地震分布特征（張北老震區(qū)）、斷裂帶密集范圍、站點(diǎn)分布均勻性等因素，以溫泉區(qū)、地震多發(fā)區(qū)、斷裂帶密集區(qū)分類選點(diǎn)，選取張家口市（臨近張家口斷裂）、張北海流圖（張北老震區(qū)）、赤城大海陀（臨近懷涿盆地北緣斷裂）、陽原三馬坊（溫泉區(qū)）、懷來后郝窯（溫泉區(qū)）5個(gè)地區(qū)，作為站點(diǎn)布設(shè)區(qū)進(jìn)行觀測站點(diǎn)現(xiàn)場堪選。

為快速獲取堪選站點(diǎn)氫濃度含量，選用ATG-3000便攜式測氫儀堪選點(diǎn)位21個(gè)，根據(jù)測值結(jié)果、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及廠家技術(shù)支持，認(rèn)為：ATG-3000便攜式檢漏儀內(nèi)部缺少色譜柱，難以對(duì)氣體進(jìn)行有效分離，后改用ATG-6118H痕量氫氣在線自動(dòng)分析儀作為背景噪聲測定設(shè)備（王海燕，2010）。為獲得有效信息，根據(jù)觀測經(jīng)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的站間距最大不超過115 km，經(jīng)連續(xù)觀測并分析數(shù)據(jù)穩(wěn)定性，選取5個(gè)點(diǎn)位布設(shè)痕量氫觀測系統(tǒng)，形成氫濃度在線觀測分析系統(tǒng)網(wǎng)（如實(shí)驗(yàn)結(jié)果不穩(wěn)定，可考慮調(diào)整布點(diǎn)間距或增加流動(dòng)測量），堪選測定各站點(diǎn)氫濃度背景值，具體數(shù)值見表1。

圖1 1994年以來張家口地區(qū)ML≥2.5地震分布Fig.1 ML≥2.5 earthquake distribution in Zhangjiakou area since 1994

表1 張家口地區(qū)氫濃度背景值Table1 List of hydrogen concentration background values in Zhangjiakou area

1.2 觀測系統(tǒng)布設(shè)

依據(jù)堪選結(jié)果，在選定站點(diǎn)進(jìn)行觀測系統(tǒng)布設(shè)，連接采氣裝置與觀測系統(tǒng)，形成完整測量系統(tǒng)。張家口地區(qū)年溫差較大，地表至2—3 m深度隨季節(jié)變化氣溫變化幅度較大，年溫差近30℃，選擇3—7 m作為觀測井深度，可以避免溫差影響。

圖2 觀測井結(jié)構(gòu)剖面Fig.2 Schematic diagram of observation well structure

痕量氫觀測井均采用統(tǒng)一設(shè)計(jì)方式，井內(nèi)自底部向上鋪設(shè)1.5 m厚均勻礫石，緊貼礫石層使用2 mm厚塑料布，將礫石層與地面隔開，并將塑料布中間部分開孔（孔徑小于集氣裝置口徑），塑料布上下部分連接集氣裝置與通往地面部分的PVC通氣管，做好每個(gè)銜接部位的密封，形成一套完整的地下采氣裝置(范雪芳，2012)。

集氣裝置是影響觀測的重要環(huán)節(jié)，為減小回填土對(duì)集氣裝置的影響，采用家用陶瓷洗臉盆作為集氣裝置，一方面解決與通氣管路的密封連接，另一方面可以避免回填土對(duì)集氣裝置的擠壓破壞，且材料不宜老化，使用壽命較長。完整的集氣裝置剖面見圖2。

1.3 標(biāo)定與系統(tǒng)維護(hù)

為有效控制觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量、確保觀測數(shù)據(jù)的有效性，采用定期標(biāo)定、定期巡檢的方式，保證觀測系統(tǒng)的正常運(yùn)行。對(duì)張家口、三馬坊、后郝窯、海流圖的4套設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定，采用1 000 ppm標(biāo)準(zhǔn)氣為標(biāo)準(zhǔn)源，對(duì)觀測設(shè)備每次注入1 mL標(biāo)準(zhǔn)氣，每套設(shè)備分別標(biāo)定3次，得到有效的標(biāo)定值k，3次結(jié)果平均值作為最新的k值，根據(jù)相對(duì)誤差公式

其中k1為前一次標(biāo)定格值，k2為最新選定格值。5個(gè)觀測站k值誤差見表2。

表2 張家口地區(qū)5個(gè)氫濃度觀測站k值誤差Table2 Error of K value of 5 hydrogen concentration observation stations in Zhangjiakou area

根據(jù)標(biāo)定周期的k值誤差結(jié)果，并將k值控制在3%的有效范圍內(nèi)，張家口、三馬坊、后郝窯觀測站4個(gè)月標(biāo)定1次即可，海流圖觀測站需3個(gè)月標(biāo)定1次，以確保觀測數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

為確保觀測系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，觀測數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠，采用季度巡檢方式對(duì)5個(gè)觀測站的觀測系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場維護(hù)，維護(hù)內(nèi)容包括：觀測環(huán)境檢查、抽氣管路疏通、管路與觀測主機(jī)連接性檢查以及觀測設(shè)備對(duì)空氣背景噪聲的測值（檢驗(yàn)主機(jī)的一個(gè)有效指標(biāo)）。5個(gè)觀測站空氣背景噪聲測值見表2。

2 選址效果

2.1 溫泉區(qū)特征

溫泉區(qū)測點(diǎn)位于三馬坊溫泉區(qū)、后郝窯溫泉區(qū)內(nèi)。三馬坊地處馬市口—松枝口大

斷裂和桑干河斷裂交匯處西北側(cè)。馬市口—松枝口大斷裂具有繼承性活動(dòng)，斷層向北東傾，屬正斷層，其他部位被第四系沉積物覆蓋，厚度100—300 m，地表水埋深3.5 m。

溫泉區(qū)是地下信息與外界交換的敏感區(qū)域，為做好溫泉區(qū)氫濃度的連續(xù)觀測，實(shí)驗(yàn)前對(duì)三馬坊、后郝窯觀測點(diǎn)進(jìn)行背景噪聲測定，氫濃度含量分別為：4.352 ppm、3.743 ppm，布設(shè)觀測系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)觀測。2014年8月三馬坊氫濃度測值基本在0.319 ppm以下，偶爾出現(xiàn)突跳，最高值達(dá)1.143 ppm；后郝窯觀測點(diǎn)氫濃度測值在0.498 ppm以下，偶爾為1.812 ppm。2個(gè)站點(diǎn)測值均高于檢測線，月觀測動(dòng)態(tài)變化基本穩(wěn)定，見圖3。

為排查突跳及低于堪選背景噪聲的原因，在標(biāo)定觀測設(shè)備、檢查外線路管路通氣、調(diào)查周圍觀測環(huán)境并實(shí)測空氣背景值均符合觀測要求前提下，檢查觀測井，發(fā)現(xiàn)三馬坊井有少量水位于井底，與集氣裝置形成一個(gè)閉合空間，觀測系統(tǒng)抽氣管路抽取的地下氣體均為密閉集氣裝置內(nèi)的氣體，與地下氣體無法形成暢通的循環(huán)體，或抽氣裝置與觀測系統(tǒng)形成抽氣負(fù)壓，地下氣體交換失敗，因此測值較低或曲線出現(xiàn)突跳。后郝窯觀測站點(diǎn)在檢查觀測系統(tǒng)與環(huán)境無問題的前提下，認(rèn)定該區(qū)域氫濃度含量低。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，三馬坊、后郝窯溫泉觀測區(qū)，由于地表水位較淺和背景值較低，不適合進(jìn)行土壤氫濃度觀測。

2.2 臨近斷裂帶（老震區(qū)）特征

張家口與赤城大海坨地區(qū)地震帶、地震活動(dòng)性較頻繁，是研究華北地區(qū)地震活動(dòng)前兆觀測的天然實(shí)驗(yàn)場。海流圖是張北地震老震區(qū)，研究該地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)性特征，有利于開展地震前兆監(jiān)測。在山西斷陷北部斷裂帶、張家口—渤海斷裂帶和河北平原斷裂帶匯集的張家口、大海坨地區(qū)、海流圖3個(gè)地區(qū)開展痕量氫連續(xù)記錄觀測，實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行背景噪聲測定，氫濃度含量分別為：30.325 ppm、2.153 ppm、3.865 ppm，其中張家口觀測站背景噪聲明顯高于其他站點(diǎn)。布設(shè)觀測系統(tǒng)前檢查觀測環(huán)境，并更換觀測儀器，再次連續(xù)觀測背景噪聲，分別為29.856 ppm、29.792 ppm、29.802 ppm，由實(shí)測值確定，在該測點(diǎn)背景噪聲較高。

圖3 5個(gè)觀測站2014年8月觀測曲線動(dòng)態(tài)(a) 三馬坊；(b)后郝窯；（c）張家口；（d）海流圖；（e）大海坨Fig.3 Observation curves of the five stations in Aug.,2014

2014年7月開始布設(shè)痕量氫觀測系統(tǒng)。海流圖觀測站數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)范圍穩(wěn)定，有疑似日變化特征，最高值2.799 ppm，低于實(shí)驗(yàn)前測定的背景噪聲；張家口觀測站氫濃度變化由初期上升、下降到逐步平穩(wěn)，動(dòng)態(tài)變化較大，特別是2014年8月12日19時(shí)數(shù)據(jù)出現(xiàn)逐漸增大趨勢，至13日8時(shí)達(dá)峰值，為106.976 ppm，之后突然下降恢復(fù)至11.768 ppm，后觀測數(shù)據(jù)平穩(wěn)，有弱日變特征，檢查發(fā)現(xiàn)觀測環(huán)境與儀器工作狀態(tài)均正常；大海坨觀測站數(shù)據(jù)產(chǎn)出基本穩(wěn)定，2014年8月20日16時(shí)觀測數(shù)據(jù)呈上升趨勢，至22日16時(shí)達(dá)2.581 ppm，之后數(shù)據(jù)曲線動(dòng)態(tài)平穩(wěn)，日變化特征相對(duì)明顯。根

據(jù)背景噪聲與數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)變化趨勢，在觀測環(huán)境、設(shè)備工作狀態(tài)均正常的前提下，3個(gè)站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)可靠，數(shù)據(jù)變化曲線見圖3。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 氫濃度與溫度、氣壓關(guān)系

由于后郝窯、三馬坊氫濃度背景噪聲較低，因此對(duì)張家口、海流圖、大海坨3個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行溫度、氣壓一致性數(shù)據(jù)分析。選取3個(gè)站點(diǎn)2014年10月氫濃度、溫度、氣壓觀測數(shù)據(jù)做一元線性回歸，并做氫濃度變化與溫度、氣壓之間的相關(guān)性分析研究，變化相關(guān)系數(shù)見表3，其中張家口、海流圖、大海坨觀測點(diǎn)與溫度相關(guān)系數(shù)均在50%左右，溫度與氫濃度觀測存在一定關(guān)系；氫濃度觀測與氣壓相關(guān)性較低，與氣壓變化對(duì)氫濃度影響呈負(fù)相關(guān)不一致（黃春玲等，2012），可能與數(shù)據(jù)選取和分析時(shí)段有關(guān)，同時(shí)存在氣壓滯后影響（目前無氣壓對(duì)土壤溢出氫氣的研究），才會(huì)出現(xiàn)不同研究時(shí)間尺度造成結(jié)果不同的現(xiàn)象。

表3 氫濃度與氣溫、氣壓的相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coeffi cient between hydrogen concentration and temperature and pressure

3.2 涿鹿4.3級(jí)地震分析

2014年9月6日張家口市涿鹿縣發(fā)生MS4.3地震，距震中分別60 km、80 km的大海坨、張家口觀測站在震前16天、28天均出現(xiàn)上升、下降、趨于穩(wěn)定的變化趨勢特征。其中，大海坨觀測站在震前16天數(shù)據(jù)突然上升，變化幅度達(dá)1.428 ppm，是正常變化態(tài)勢的3倍，震后變化趨于下降，21天后曲線趨于穩(wěn)定，且基本恢復(fù)到觀測背景值；張家口觀測站震前28天出現(xiàn)趨勢性上升，上升幅度達(dá)45 ppm，是正常變化態(tài)勢的2.3倍，8月18日出現(xiàn)轉(zhuǎn)折下降，后觀測值趨于穩(wěn)定變化。

兩個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)變化后對(duì)觀測系統(tǒng)、觀測環(huán)境進(jìn)行檢查，均未發(fā)現(xiàn)異常，距震中140 km處的極低頻觀測電場于2014年8月16日出現(xiàn)震前變化，變化時(shí)間與痕量氫觀測基本一致。因此，初步認(rèn)定大海坨、張家口觀測站的趨勢性上升、下降、趨于穩(wěn)定是震兆信息。大海坨、張家口觀測站地震前后時(shí)間序列見圖4。截至2015年4月，張家口觀測站觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)2次類似異常變化，幅度較小，均未達(dá)到2014年8月16日的態(tài)勢；大海坨觀測站未出現(xiàn)類似異常特征，但有線條變粗跡象。

圖4 大海坨、張家口觀測站MS4.3地震前后時(shí)間序列曲線(a)大海坨觀測站； (b)張家口觀測站Fig.4 Time series curve diagram before and after the earthquake at Dahaituo and Zhangjiakou stations

4 結(jié)論

地震前兆觀測信息量豐富，不同實(shí)驗(yàn)是為了搞清楚觀測特征與地震之間是否存在關(guān)系，為今后地震前兆分析研究積累經(jīng)驗(yàn)。痕量氫觀測技術(shù)在張家口地區(qū)的實(shí)驗(yàn)仍在進(jìn)行中，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：集氣裝置的材料需要選用材質(zhì)硬度較強(qiáng)的材料作為集氣模塊，否則在觀測井回填過程極易損壞集氣裝置，造成氣體擴(kuò)散，測量值偏小，觀測結(jié)果失真；測點(diǎn)地質(zhì)構(gòu)造、地下水位埋深是重要參考指標(biāo)，老震區(qū)或地震多發(fā)區(qū)域作為重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)研究區(qū)域，觀測站勘選直接影響觀測數(shù)據(jù)的可靠性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，張家口地區(qū)溫泉區(qū)氫濃度背景值較低，在選擇溫泉區(qū)作為測點(diǎn)時(shí)需慎重考慮；觀測儀器需定期標(biāo)定，及時(shí)修正k值，并通過實(shí)驗(yàn)選擇標(biāo)定周期，確保觀測數(shù)據(jù)避免漂移現(xiàn)象；氫濃度觀測與地震之間是否存在映震關(guān)系，是否可以作為地震短臨觀測測項(xiàng)需要更多震例研究，特別是震前信息變化關(guān)系需要積累大量觀測資料。

氫濃度觀測是斷層氣觀測與地震特征關(guān)系研究的一種新興觀測方式，可以作為常規(guī)連續(xù)測項(xiàng)。通過在張家口地區(qū)開展的連續(xù)痕量氫觀測實(shí)驗(yàn)，在選點(diǎn)、儀器觀測效果、觀測異常等方面取得一些結(jié)果，為地震科學(xué)研究積累一定經(jīng)驗(yàn)。

杭州超距有限公司王維熙、何鑭為本次實(shí)驗(yàn)提供技術(shù)支持與指導(dǎo)，并在斷層氣觀測與研究方面進(jìn)行有益討論，在此表示感謝。

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Experimental study on the trace hydrogen observation technology in Zhangjiakou area

Wang Lisen1)，Zhang Yanqing1)，Wang Yuefeng2)，Wang Jiang1)and Zhang Xiaogang1)
1) Earthquake Administration of Hebei Province,Shijiazhuang 050021,China
2) Zhangjiakou Seismic Station,Hebei Province 075000,China

Trace hydrogen observation technique experiment was carried out in Zhangjiakou region.The importance of site selection,system layout,background noise,etc for the application of the technique is analyzed in-depth.Based on the calibration and maintenance of the trace hydrogen observation system,the superiority of the design and data analysis,the precursor relationship of the observation of trace hydrogen with Zhuolu MS4.3 earthquake in Zhangjiakou is analyzed preliminarily.This experiment is a new exploration for the trace hydrogen observation technique as the short impending earthquake scientifi c research method,and provides a new way to develop new short impending earthquake tracking analysis method.

trace hydrogen，hydrogen concentration，observation technique，experiment，earthquake，background noise

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.05.019

王莉森（1982— ），男，河北張家口人，理學(xué)學(xué)士，工程師，主要從事地震監(jiān)測工作。

E-mail： wls@eq-he.ac.cn

河北省地震局星火項(xiàng)目（痕量氫觀測技術(shù)在張家口地區(qū)實(shí)驗(yàn)研究，項(xiàng)目編號(hào)：20130001）

本文收到日期：2015-09-10