黑龍江肇東痕量氫野外定點(diǎn)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)與分析

李繼業(yè) 張彥吉 高研 孫強(qiáng) 周晨 任建輝 馬龍辰

1)黑龍江省地震局,哈爾濱 150090 2)哈爾濱市防震減災(zāi)技術(shù)中心,哈爾濱 150021

0 引言

地球內(nèi)部氫氣來源與演化的研究,已成為國際地球化學(xué)前沿領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一(Whiticar,1999；Hernndez et al，2000)。粟啟初(1992)通過實(shí)驗(yàn)指出氫氣逸出對(duì)斷層的運(yùn)動(dòng)、地震的發(fā)生有直接的誘發(fā)作用。邵濟(jì)安等(2010)研究認(rèn)為,氫氣主要來源于地幔,少量來自于地殼，在地殼中，由于活動(dòng)斷層產(chǎn)生的局部高溫高壓驅(qū)使中、淺層地?zé)醿?chǔ)庫中的甲烷轉(zhuǎn)化為氫氣。Wakita等(1980)指出氫氣作為一種新的手段來指示斷層活動(dòng)性。汪成民等(1991)研究表明,在中國唐山、寧河、海城、大同等地,地震前后北京附近水井中溶解氫氣濃度均急劇增加,其異常特征表現(xiàn)為多次高值突跳,突發(fā)性強(qiáng)且變化幅度大,背景穩(wěn)定,異常時(shí)間短(一至幾個(gè)月)。氫氣也是斷層氣的主要成分,中國在利用氫氣研究隱伏斷層和地震前兆異常監(jiān)測(cè)方面取得了重要進(jìn)展,同時(shí)也獲得了多個(gè)氫前兆異常實(shí)例(汪成民等,1991)。

斷層氣觀測(cè)能夠在地震分析預(yù)測(cè)研究中發(fā)揮作用,必須有充分觀測(cè)依據(jù)和扎實(shí)的理論基礎(chǔ)。常溫常壓下,氫氣是一種極易燃燒,無色透明、無臭無味的氣體。斷裂氣體的主要成分中包含氫氣,氫氣濃度的變化在地震短臨預(yù)測(cè)中的映震能力明顯優(yōu)于其他檢測(cè)手段,屬于地震短臨預(yù)測(cè)的重要監(jiān)測(cè)手段(車用太等,2002、2015；張培仁等,1993；林元武等,1994,張煒等,1988；劉耀煒等,2006；李繼業(yè)等,2018)。筆者利用ATG-300H便攜式測(cè)氫儀于2016年11月～2017年4月在黑龍江肇東地區(qū)開展痕量氫野外定點(diǎn)觀測(cè)實(shí)驗(yàn),分析了2017年3月27日泰來3.3級(jí)地震與肇東痕量氫的震兆關(guān)系,為野外痕量氫觀測(cè)在地震預(yù)測(cè)中的應(yīng)用提供一定的觀測(cè)依據(jù)。

1 觀測(cè)井及其地質(zhì)概況

1.1 觀測(cè)井地質(zhì)概況

黑龍江肇東痕量氫野外定點(diǎn)觀測(cè)井位于松遼盆地中央坳陷區(qū)濱州斷裂、扶余-肇東斷裂交匯部位,地理位置為肇東市民主鄉(xiāng)陶志屯(45.90°N、126.17°E)。松遼盆地基底為前古生界、古生界的變質(zhì)巖、火成巖等巖系,上部沉積蓋層從侏羅系開始,至新生界均有不同程度的發(fā)育,總厚度可達(dá)11000m以上,但以白堊系為主,白堊系厚達(dá)7000m以上。地表均為第四系未固結(jié)的松散黏土所覆蓋。松遼盆地自下而上為前古生界、下古生界、上古生界、侏羅系、白堊系、第三系、第四系。在盆地演化過程中,規(guī)模較大的區(qū)域性深大斷裂或基底斷裂控制了盆地的邊界、軸向、沉降沉積中心和構(gòu)造單元分區(qū),基底斷裂的多期活動(dòng)也直接影響了蓋層斷層發(fā)育、沉積建造和局部構(gòu)造的形成,最終形成了一近NE向、NNE向的菱形盆地(高妍,2008)。黑龍江省中西部地區(qū)新生代火山活動(dòng)強(qiáng)烈,斷裂發(fā)育,地震頻繁,是研究地球排氣作用與地震關(guān)系的天然實(shí)驗(yàn)室(邵繼安等,2010)。1119年吉林前郭 6級(jí)地震發(fā)生在扶余-肇東斷裂附近；2005年黑龍江林甸5.1級(jí)、2009年黑龍江安達(dá)4.6級(jí)地震發(fā)生在濱州斷裂附近；2006年吉林乾安5.0級(jí)地震、2013年吉林松原5.8級(jí)震群、2018年吉林松原寧江5.7級(jí)地震均發(fā)生在扶余-肇東斷裂附近。

濱州斷裂：NW走向,全長約320km,橫穿松嫩平原,是一條由物探資料得到的基底斷裂。根據(jù)斷裂結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性,將斷裂分成2段,即北西段和東南段。北西段自齊齊哈爾南部向SE經(jīng)過大慶北延伸到任民附近。東南段自安達(dá)經(jīng)肇東延到哈爾濱北部。2段以任民-海倫斷裂為界錯(cuò)開約20km。斷裂橫切濱東隆起帶,對(duì)松遼中斷(坳)陷帶內(nèi)部構(gòu)造分區(qū)具有控制作用,以張剪性活動(dòng)為主,為正斷層,傾向SW,傾角60°～85°(李繼業(yè),2006)。觀測(cè)井距濱州斷裂大約6km,位于濱州斷裂上盤。

扶余-肇東斷裂：整體呈NE走向,其東西兩側(cè)分別為盆地東南隆起區(qū)和中央坳陷區(qū),揭示該斷裂處于基底等深線的突變帶上,控制了區(qū)域第四季沉積,在構(gòu)造上易于積累能量以孕育地震。邵博等(2016)認(rèn)為扶余-肇東斷裂自新構(gòu)造活動(dòng)以來受持續(xù)的擠壓應(yīng)力作用,致使斷層下盤不斷坳陷,上盤逐漸隆起,最終造成斷層兩側(cè)沉積地層有一定差異。觀測(cè)井處于扶余-肇東斷裂上盤,距離大約為16km。

呼蘭河斷裂：盆地東部的一條規(guī)模最大的斷裂,南端抵達(dá)登婁庫附近,為正斷層,走向NE30°～40°,傾向SE,傾角65°～75°,沿?cái)嗔研纬闪艘欢ㄒ?guī)模的破碎帶和擠壓帶。觀測(cè)井距離呼蘭河斷裂相對(duì)較遠(yuǎn),大約44km。

觀測(cè)井位于扶余-肇東斷裂東南隆起區(qū),整體呈現(xiàn)隆起,而東南隆起區(qū)受濱州斷裂和扶余-肇東斷裂共同控制,但濱州斷裂為隱伏斷裂,具有不連續(xù)性,因此,斷層氣可能受NE向的扶余-肇東斷裂控制作用相對(duì)更強(qiáng)(圖1)。

圖 1 研究區(qū)地震構(gòu)造圖F1：濱州斷裂；F2：扶余-肇東斷裂；F3：呼蘭河斷裂；F4：任民-海倫斷裂；F5：第二松花江斷裂；F6：嫩江斷裂

1.2 觀測(cè)井施工工藝

氫氣具有極強(qiáng)的滲透性、遷移性及容易垂直向上擴(kuò)散的特點(diǎn),根據(jù)高寒地區(qū)氣候特點(diǎn),氫氣定點(diǎn)觀測(cè)井盡量選取凍土層薄的點(diǎn)位布設(shè),鉆探深度需穿透凍土層,肇東2016年凍土層厚度約為1.2m。

圖 2 黑龍江肇東痕量氫野外定點(diǎn)觀測(cè)井柱狀圖

肇東痕量氫野外定點(diǎn)觀測(cè)井孔深3m,直徑1m,集氣裝置采用地下室深埋方式,地下室地面、墻面鋪一層保溫泡沫,在地下室墻體涂抹20mm厚的1：2防水砂漿,能有效防止地表水滲入,以免影響觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量。集氣管選取PVC管,3根捆綁,放置在凍土層下方,避免個(gè)別集氣管堵塞導(dǎo)致集氣不充分,同時(shí)也便于日后開展多種氣體觀測(cè)和采集；在凍土層下方放置集氣罩,考慮年度氣溫變化對(duì)觀測(cè)的影響,集氣罩外圍覆蓋雙層塑料隔層,集氣罩與PVC管之間做好密封,涂抹水泥層面,連接集氣管至地表,再回填蓋土,并將回填蓋土反復(fù)壓實(shí)。觀測(cè)井底部為1.8m礫石層,采用鵝卵石鋪墊,中間采用金屬管網(wǎng)隔離鵝卵石,設(shè)立集氣室,集氣室兩側(cè)都依次用大鵝卵石、小鵝卵石、細(xì)沙填充,井孔上方加蓋特制井蓋(圖2)。做好每一個(gè)觀測(cè)層位的密封防寒與防水隔離,形成一套完整的適用于高寒地區(qū)地下氫氣采集裝置,集氣裝置中的氣體通過擴(kuò)散使氣體達(dá)到新的平衡,測(cè)定的結(jié)果能更好地反映斷層氣體的真實(shí)變化。

1.3 野外觀測(cè)儀器

ATG-300H便攜式測(cè)氫儀廣泛應(yīng)用于大氣、水和沉積物中痕量氫的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定,可對(duì)相關(guān)樣品進(jìn)行快速準(zhǔn)確的全自動(dòng)分析測(cè)定。它擁有靈敏度高,穩(wěn)定性好,自動(dòng)穩(wěn)零,檢出限低(5×10-8L),線性好(y≥0.99)等特點(diǎn),內(nèi)置鋰電池,攜帶方便。適用溫度/濕度為-40 ℃～70℃/10%～90%RH,2016～2017年肇東地區(qū)最低氣溫達(dá)-37 ℃,為2001年以來最低溫度,其間測(cè)氫儀工作穩(wěn)定,數(shù)據(jù)產(chǎn)出合理,適用于高寒地區(qū)高寒時(shí)段野外觀測(cè)。

2 黑龍江肇東痕量氫觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

2.1 周邊地震活動(dòng)

2016年11月～2017年4月肇東痕量氫觀測(cè)井附近僅發(fā)生1次3級(jí)以上地震,為2017年3月27日黑龍江泰來3.3級(jí)地震,此次地震震中位于松遼盆地嫩江斷裂和第二松花江斷裂交匯處,距肇東痕量氫觀測(cè)井212km,發(fā)震斷裂為嫩江斷裂,與肇東痕量氫觀測(cè)井分別位于由嫩江斷裂、第二松花江斷裂、濱州斷裂和扶余-肇東斷裂所圍塊體的2個(gè)對(duì)頂角交匯地區(qū)(圖1)。

2.2 干擾分析

通過對(duì)痕量氫背景觀測(cè)數(shù)據(jù)與氣溫、氣壓的原始值進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn),高值異常圖像與正常背景動(dòng)態(tài)相差較明顯,較易判定與識(shí)別,肇東痕量氫野外定點(diǎn)觀測(cè)(2016年11～12月)屬于正常變化形態(tài),且有明顯的氣溫、氣壓效應(yīng),其表現(xiàn)形式為痕量氫與氣溫呈正相關(guān)變化,與氣壓呈負(fù)相關(guān)變化(圖3),與以往觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)相符。通過對(duì)肇東痕量氫觀測(cè)儀器運(yùn)行、觀測(cè)井周邊環(huán)境、區(qū)域天氣因素和附近人為干擾等進(jìn)行調(diào)查核實(shí),認(rèn)為肇東痕量氫濃度變化真實(shí)可靠,與氣溫、氣壓效應(yīng)無關(guān)。由于斷層活動(dòng)中伴隨的地殼放氣是造成斷層氫濃度增大的前提之一,可能反映了肇東痕量氫定點(diǎn)觀測(cè)井附近斷層活動(dòng)。

圖 3 黑龍江肇東定點(diǎn)斷層氫氣與氣溫、氣壓日均值對(duì)比

2.3 異常分析

斷層帶上的土壤氫氣濃度受構(gòu)造作用、斷層閉鎖程度、滑動(dòng)速率、裂隙發(fā)育程度、開啟或閉合狀態(tài)等因素影響較大,它們主要影響深部氫氣的向上遷移通道和在地表的富集程度(孫小龍等,2017)。

2016年11月～2017年4月為黑龍江地區(qū)高寒時(shí)段,觀測(cè)井周邊環(huán)境變化和人為活動(dòng)為一年中最少時(shí)段,該時(shí)段肇東痕量氫背景觀測(cè)值非常穩(wěn)定,主要集中在0.45ppm以下,分析原因主要有兩方面：第一,高寒地區(qū)高寒時(shí)段,周邊環(huán)境和人為干擾較少；第二,痕量氫野外定點(diǎn)觀測(cè)井工藝可靠,能真實(shí)地反映地下氫氣背景變化特征。這種背景下,出現(xiàn)的痕量氫高值異常就更具研究價(jià)值。按照高值異常出現(xiàn)時(shí)間可將數(shù)據(jù)分為4組：氫氣濃度第1組(震前60天)為0.992ppm,為正常背景值的2.2倍；第2組(震前37天)為1.01 ppm和1.838ppm,為正常背景值的4.1倍；第3組(震前12天)為4.653 ppm、2.481 ppm、1.115 ppm,為正常背景值的10.3倍；第4組(震前2天)為2.1 ppm、1.497ppm,為正常背景值的4.7倍。肇東定點(diǎn)氫氣4組高值異常量級(jí)呈現(xiàn)“先上升、后下降”的趨勢(shì),震后恢復(fù)正常(圖4、表1)。泰來M3.3地震前其異常幅度超出背景值幾倍甚至十幾倍變化,且異常具有重復(fù)性(連續(xù)多日出現(xiàn)高值異常),持續(xù)時(shí)間短,震前表現(xiàn)為臨震狀態(tài),震后數(shù)據(jù)恢復(fù)至背景值。

圖 4 黑龍江泰來3.3級(jí)地震前肇東痕量氫高值突跳異常

表1 黑龍江省肇東痕量氫高值異常表

分組異常起始時(shí)間(年-月-日)異常持續(xù)時(shí)間/天痕量氫最高值/ppm12017-01-2710.99222017-02-19～2021.83832017-03-14～1634.65342017-03-25～2622.100

將高值異常數(shù)據(jù)以2min的采樣間隔,每次高值異常時(shí)間共計(jì)10min來進(jìn)行分析(圖5)。由圖5 可見,斷層氫氣定點(diǎn)觀測(cè)高值異常具有持續(xù)性(同一次觀測(cè)連續(xù)多個(gè)采樣點(diǎn)出現(xiàn)高值異常)特征,尤其是第3組高值異常連續(xù)多日出現(xiàn),且最高值呈現(xiàn)逐日下降趨勢(shì)。

圖 5 黑龍江肇東痕量氫觀測(cè)數(shù)據(jù)高值突跳異常持續(xù)性采樣間隔2min

3 肇東痕量氫異常機(jī)理分析

研究表明(黃春玲等,2015；范雪芳等,2016),斷層活動(dòng)過程中能夠引起氫氣的釋放,斷裂活動(dòng)可以促使氫氣的逸出。通常,地下巖體或松散層中都存有He、H2、Hg、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。外界條件不變時(shí),這些氣體處于平衡狀態(tài)；當(dāng)環(huán)境條件改變時(shí),特別是地下應(yīng)力狀態(tài)變化時(shí),由于構(gòu)造應(yīng)力的作用,原來地殼巖石中隨機(jī)分布的微裂隙不斷發(fā)展,隨著數(shù)量、規(guī)模不斷增大,從而互相聯(lián)通,地球深部的氫氣極易隨之變化,擴(kuò)散到地表。地震前區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)不斷加強(qiáng),地下氣體從高壓區(qū)流向低壓區(qū),假設(shè)斷層氣孔處在相對(duì)低壓區(qū),隨著地殼間歇放氣,周圍的地下氣體在應(yīng)力場(chǎng)作用下,向斷層氣孔匯集,使得一些特征氣體含量增加,氣體組分便會(huì)出現(xiàn)不同幅度的異常,形成斷層土壤氣中氫氣的含量高值異?，F(xiàn)象。

圖 6 肇東痕量氫定點(diǎn)觀測(cè)異常機(jī)理分析

嫩江斷裂為正斷層兼走滑性質(zhì),其主要受到張力作用,濱州斷裂和第二松花江斷裂均為正斷層兼走滑性質(zhì),且它們均受嫩江斷裂控制。扶余-肇東斷裂為逆斷層兼走滑性質(zhì),其主要受到嫩江斷裂、濱州斷裂和第二松花江斷裂共同影響。肇東氫氣定點(diǎn)觀測(cè)井處于嫩江斷裂、濱州斷裂、第二松花江斷裂和扶余-肇東斷裂所形成的菱形塊體對(duì)頂角交匯地區(qū),因此,肇東痕量氫可能由4條斷裂共同控制,當(dāng)其中1條斷裂出現(xiàn)應(yīng)力積累或釋放時(shí),會(huì)導(dǎo)致痕量氫觀測(cè)值出現(xiàn)異?，F(xiàn)象(圖6)。

4 總結(jié)與討論

利用ATG-300H便攜式測(cè)氫儀,對(duì)黑龍江省高寒地區(qū)肇東痕量氫進(jìn)行野外定點(diǎn)連續(xù)觀測(cè),分析了觀測(cè)井氫氣濃度異常及探討了異常機(jī)理,主要得到如下初步認(rèn)識(shí)：

(1)黑龍江肇東痕量氫野外定點(diǎn)觀測(cè)井工藝設(shè)計(jì)符合高寒地區(qū)特點(diǎn),具有抗環(huán)境干擾、防水防寒等特點(diǎn),井下設(shè)計(jì)能有效避免溫差變化、地表水滲入、人為環(huán)境影響等,更易于捕捉和匯聚斷層逸出氣體,在高寒地區(qū)適合推廣應(yīng)用。

(2)肇東痕量氫觀測(cè)背景穩(wěn)定,泰來M3.3地震前高值異常具有持續(xù)性和重復(fù)性的特征,整體表現(xiàn)為“先上升、后下降”趨勢(shì),其分別出現(xiàn)在地震前60、37、12、2天,震前表現(xiàn)出短臨異常。異常幅度超出背景值幾倍甚至十幾倍。

(3)黑龍江肇東痕量氫野外定點(diǎn)觀測(cè)井位于扶余-肇東斷裂東南隆起區(qū),受濱州斷裂和扶余-肇東斷裂共同控制,但濱州斷裂為隱伏斷裂,具有不連續(xù)性,因此,斷層氣可能受NE向的扶余-肇東斷裂控制作用相對(duì)更強(qiáng)。

目前,斷層帶氫氣定點(diǎn)觀測(cè)資料積累有限,對(duì)地震分析預(yù)測(cè)的效能仍有待于檢驗(yàn)和研究。在有條件的地區(qū)開展斷層氣觀測(cè),并形成觀測(cè)網(wǎng),或許對(duì)捕捉地震前兆信息有一定的意義。