靈武上橋痕量氫觀測(cè)臺(tái)站建設(shè)與地震預(yù)測(cè)前景

白曉川，常 明，李青梅，唐 浩

（寧夏回族自治區(qū)地震局，寧夏 銀川 750001）

0 引言

在地球內(nèi)部蘊(yùn)藏著大量高溫高壓狀態(tài)的氣體，由于這些氣體與地表大氣之間存在溫壓、濃度梯度差，導(dǎo)致地球內(nèi)部不停地往地表大氣中釋放氣體。我們把與斷層活動(dòng)有關(guān)的從斷層中逃逸出的氣體稱(chēng)為斷層氣。斷層H2就是其中的一種滲透系數(shù)大，易于擴(kuò)散的微量氣體。但空氣中H2含量很低，僅為0.5ppm。多年來(lái)國(guó)內(nèi)外地球化學(xué)工作者，對(duì)斷層H2進(jìn)行了大量研究工作。

在斷層H2與地震危險(xiǎn)性分析、預(yù)測(cè)研究方面：范樹(shù)全和李覓[1]針對(duì)氦氣和氫氣因物理化學(xué)性質(zhì)上的差異，提出將這兩種氣體的異常特征結(jié)合起來(lái)，可對(duì)觀測(cè)點(diǎn)所處構(gòu)造帶上及附近相關(guān)構(gòu)造帶上，約400km 范圍內(nèi)5.0 級(jí)以上地震的發(fā)震時(shí)間和震級(jí)，作出較準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)；張培仁和王基華[2]分析研究發(fā)現(xiàn)，首都圈地區(qū)每次中強(qiáng)地震和部分中小地震前后，北京地區(qū)水化監(jiān)測(cè)井網(wǎng)均能監(jiān)測(cè)到地下熱水中氫氣含量明顯的異常上升變化，其幅度達(dá)正常背景值的幾倍、十幾倍、幾十倍甚至更高，震后均逐漸恢復(fù)正常，系統(tǒng)總結(jié)了京棉二廠熱水深井溶解氣體中氦、氫氣體異常變化與地震的關(guān)系，提出了氦、氫氣體前兆異常特征與發(fā)震時(shí)間、震級(jí)關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式；從氫氣在地殼中的分布與地球化學(xué)特征的分析著眼，論證了氫氣的映震靈敏性。同時(shí)特別強(qiáng)調(diào)指出，作為深源氣體的氫氣動(dòng)態(tài)中同樣存在干擾異常；劉耀煒等[3]，指出氣體地球化學(xué)方法在地震科學(xué)研究中有著廣泛的應(yīng)用，被認(rèn)為是一項(xiàng)具有廣闊前景的地震監(jiān)測(cè)方法；邵濟(jì)安等[4]，將H2濃度的異常變化與斷層背景研究結(jié)合，并配合區(qū)域其他異常的監(jiān)測(cè)可以作為地震預(yù)報(bào)的一種手段；斷層H2對(duì)地震的響應(yīng)性十分敏感，其濃度異?？赡芎蛥^(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的變化和地震活動(dòng)有關(guān)。

從上述國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀可以總結(jié)出，在靈武上橋開(kāi)展斷層H2觀測(cè)，能夠解決以下問(wèn)題：（1） 解決寧夏中部前兆觀測(cè)手段少的問(wèn)題；（2） 能夠確定本區(qū)域斷層H2的構(gòu)造地球化學(xué)特征、影響因素、來(lái)源和成因機(jī)制等；（3） 可揭示斷層H2的構(gòu)造地球化學(xué)特征與地震活動(dòng)性的關(guān)系；（4） 為下一步進(jìn)行區(qū)域斷層氣（H2、Hg、Rn 和CO2等） 定點(diǎn)連續(xù)觀測(cè)和流動(dòng)觀測(cè)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，更好地為本區(qū)域地震危險(xiǎn)區(qū)震情跟蹤和判定提供服務(wù)；（5） 為地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)提供新技術(shù)和新方法，在地震異常甄別、震情跟蹤和判定中具有重要應(yīng)用價(jià)值。

1 臺(tái)站構(gòu)造背景及基本情況概述

根據(jù)前人研究，靈武地區(qū)的大地構(gòu)造位置和構(gòu)造單元?jiǎng)澐忠郧嚆~峽—固原深大斷裂為界，北東側(cè)為中朝準(zhǔn)地臺(tái)，南西側(cè)屬北祁連褶皺系。在中朝準(zhǔn)地臺(tái)內(nèi)又進(jìn)一步分為鄂爾多斯西緣拗陷帶和鄂爾多斯臺(tái)拗兩個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元。鄂爾多斯西緣拗陷帶由賀蘭山臺(tái)陷、銀川地塹和陶樂(lè)臺(tái)拱三個(gè)三級(jí)構(gòu)造單元組成，黃河斷裂帶（靈武斷裂為其南段） 是陶樂(lè)臺(tái)拱和銀川地塹的構(gòu)造邊界。

靈武市所在地區(qū)處在兩個(gè)大構(gòu)造單元交接的特殊位置上，在地質(zhì)歷史上曾受其南鄰地槽區(qū)構(gòu)造活動(dòng)的影響，有過(guò)明顯的、階段性的活動(dòng)。靈武斷裂北段和中段開(kāi)始活動(dòng)的時(shí)間較早，根據(jù)其對(duì)沉積作用的控制，可追溯到中新世。北段活動(dòng)在東、西支斷裂上有過(guò)轉(zhuǎn)移，中段一直是一條穩(wěn)定的活動(dòng)邊界。南段形成較晚，到晚更新世中晚期才成為銀川地塹的東側(cè)構(gòu)造邊界。強(qiáng)烈的新構(gòu)造活動(dòng)，成為本區(qū)地震頻繁發(fā)生的根源。靈武地區(qū)新生代的地質(zhì)演化和現(xiàn)代地貌的形成受近南北向斷裂活動(dòng)的控制，邊界和內(nèi)部發(fā)育一組南北走向的斷裂。

石油地震勘探成果揭示，銀川地塹南段的構(gòu)造頗為復(fù)雜，內(nèi)部至少有5 條規(guī)模不等的隱伏斷裂，其傾向或東或西，均屬正斷層。根據(jù)專(zhuān)家推斷，靈武斷裂是本段斷裂中活動(dòng)性最強(qiáng)的一條斷裂。

圖1 大河子溝地震勘探剖面（據(jù)長(zhǎng)慶油田資料解釋?zhuān)?994）Fig.1 Seismic exploration profile of Dahezigou（according to Changqing oilfield data interpretation，1994）

圖1 表示了地震活動(dòng)與斷裂的空間關(guān)系。由圖可以清楚看到，弱震分布顯示為一條清晰的南北走向的條帶，此條帶內(nèi)最密集的部分位于靈武斷裂與葉盛（F4） 斷裂之間，集中了該區(qū)域弱震數(shù)量的82%。密集條帶以東和以西，弱震數(shù)量?jī)H為9.8%和7.8%。地震分布的這一特征在破壞性地震（M≥4 43 ） 分布上表現(xiàn)得更為清楚，銀川地塹南段的所有破壞性地震均分布在靈武斷裂至以西13km 的寬度范圍內(nèi)。地震活動(dòng)具有東側(cè)強(qiáng)、西側(cè)弱趨勢(shì)，這與上述南北向斷裂活動(dòng)的強(qiáng)度特征分布一致，地震活動(dòng)條帶和中強(qiáng)地震的極震區(qū)呈南北走向，說(shuō)明地震活動(dòng)與走向相同的斷裂活動(dòng)、尤其是靈武斷裂的活動(dòng)具有密切的關(guān)系。靈武斷裂是本區(qū)域內(nèi)活動(dòng)性最強(qiáng)的一條斷裂，目前記錄到的最大地震為5.5 級(jí)，但這一震級(jí)是否能夠代表本段可能發(fā)生最大地震，認(rèn)識(shí)靈武市近場(chǎng)地震危險(xiǎn)性具有重要意義。

2 觀測(cè)點(diǎn)建設(shè)情況

觀測(cè)孔于2014 年10 月由人工開(kāi)孔。觀測(cè)孔孔深7m，開(kāi)挖2 個(gè)裸孔，2 孔相距3m；裸孔直徑1.2m，每個(gè)孔底部放置兩根直徑為110mm，長(zhǎng)4m 的PVC 管，一共安裝4 根管子；每個(gè)管子都進(jìn)行了保溫處理，加了保溫層；為擴(kuò)大儲(chǔ)氣量，每個(gè)孔中有一個(gè)管子底部裝有高1000mm、直徑800mm 不銹鋼桶倒扣作為漏斗收集氣體；每根管子底部，1m 以下打有若干集氣小孔；1m 以下為了防止因淺層地表水位上升時(shí)潮濕氣體進(jìn)入取樣管，而本身又可利于氣體通過(guò)添加一些透氣性好的礫石層（約1m 厚）；為了防止孔底部氣體的溢出，在砂礫層上面加蓋了一層塑料布和水泥，在其上回填了1m 厚的細(xì)黃土，細(xì)黃土上又加了一層塑料布，最后回填了近2m 厚礫石土。4 根管子在4m 處進(jìn)行了變徑，變?yōu)?0mm 的熱縮管；并將管子轉(zhuǎn)向水平，向東延伸長(zhǎng)約5m 通入觀測(cè)室內(nèi)；管子全部整體用土層封住，埋入土層里面。

觀測(cè)室與觀測(cè)孔都于2014 年10 月開(kāi)建。在觀測(cè)空東面5m 處的地方建觀測(cè)室；由地平深挖成寬5m，長(zhǎng)7m，深4m 的觀測(cè)室；采用混凝土澆筑，建成的觀測(cè)室尺寸為寬2m，長(zhǎng)4m。觀測(cè)室外墻做了SBS 防水層，也做了保溫處理（用100mm 的保溫板，比重22kg）。觀測(cè)室頂部與地平一致，頂部覆蓋了2m 厚的沙土，用磚砌筑了2m 高，24cm 寬的女兒墻。

觀測(cè)室門(mén)朝南開(kāi)，西兩側(cè)做護(hù)坡，護(hù)坡為直角三角形。門(mén)前做了排水處理，排水管直徑200mm，長(zhǎng)20m。管道順坡引到西面蓄水坑內(nèi)；該蓄水坑在觀測(cè)室西面約5、6m 處的位置；大小為長(zhǎng)6m、寬8m、深2m。

3 H2 與氣象因素的關(guān)系

自2014 年10 月29 日架設(shè)儀器以來(lái)，測(cè)值比較低且波動(dòng)比較大，后經(jīng)過(guò)改造，數(shù)值趨向平穩(wěn)。2017 年3 月28 日，預(yù)報(bào)中心和監(jiān)測(cè)中心人員攜帶便攜式測(cè)氫儀來(lái)到上橋測(cè)點(diǎn)觀測(cè)氫氣，發(fā)現(xiàn)測(cè)值與儀器的測(cè)值不同，隨后與廠家聯(lián)系，廠家確定了現(xiàn)有的ATG-6118H 測(cè)氫儀存在故障，需要返廠維修。4 月6 日，更換了新的ATG-6118H 測(cè)氫儀，自此測(cè)氫開(kāi)始了正常觀測(cè)。

3.1 溫度對(duì)H2 濃度變化的影響

斷層氣是地球內(nèi)部氣體與其揮發(fā)組分不斷沿著活動(dòng)版塊，板內(nèi)塊體邊界以及活動(dòng)斷裂帶等地殼薄弱地帶向地球表層遷移和釋放的氣體。通常情況下，地球深部的氫氣，通過(guò)斷層的運(yùn)動(dòng)，對(duì)流、擴(kuò)散、孔隙、地應(yīng)力應(yīng)變等逸出地表，淺層土壤氫氣的主要遷移方式為對(duì)流和擴(kuò)散，因此溫度越高，對(duì)流和擴(kuò)散活動(dòng)越強(qiáng)，而冬季土壤孔隙度和透氣性相對(duì)比較差，氫氣濃度測(cè)值低一些。靈武上橋H2自2017 年4 月至2019 年12 月觀測(cè)以來(lái)，結(jié)果表明，斷層氣氫濃度正常動(dòng)態(tài)具有日變形態(tài)和年變形態(tài)，溫度對(duì)靈武上橋H2濃度的變化有影響，表現(xiàn)為溫度與斷層H2濃度呈正相關(guān)（圖2）。

圖2 上橋氫氣與氣象要素的相關(guān)分析Fig.2 Correlation analysis of hydrogen and meteorological elements in Shangqiao Village

3.2 氣壓對(duì)H2 濃度變化的影響

斷層是孔隙和裂隙大量發(fā)育的部位，當(dāng)大氣壓力發(fā)生改變時(shí)，上下壓力的差異可以在地下形成壓力梯度，大氣壓力的縱深效益可以改變斷層中氣體的遷移，進(jìn)而造成氫濃度的變化，氣壓升高反而降低了氫氣的濃度，通過(guò)對(duì)靈武上橋H2濃度的變化與氣壓的對(duì)比分析，氣壓與斷層H2濃度呈負(fù)相關(guān)（圖2）。

3.3 大氣降水對(duì)H2 濃度變化的影響

降雨量能夠直接改變土壤的含水量，從而影響氫氣濃度，在土壤含水量不大的情況下，氫氣的濃度會(huì)隨含水量的增加而變化，氫氣在土壤干燥時(shí)，易于向大氣中擴(kuò)散，隨土壤表層形成的上升氣流釋放出來(lái)。由于靈武上橋H2觀測(cè)，臺(tái)站勘選到建設(shè)，嚴(yán)格考慮到了大氣降雨對(duì)土壤的干擾因素，所以從觀測(cè)數(shù)據(jù)變化上，可以看出降雨量對(duì)靈武上橋H2濃度的變化沒(méi)有影響（圖2）。

綜上所述：靈武上橋H2濃度的變化與氣溫氣壓多元回歸間存在明顯的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.742，也就是溫度、氣壓是影響H2的主要因素，溫度與斷層H2濃度呈正相關(guān),氣壓與斷層H2濃度呈負(fù)相關(guān),溫度對(duì)斷層H2濃度變化影響較大，氣壓影響較小，大氣降水對(duì)H2濃度變化沒(méi)有影響。具體數(shù)據(jù)分析處理結(jié)果如表1 所示。

表1 H2 相關(guān)數(shù)據(jù)分析處理結(jié)果

3.4 痕量氫濃度變化與地震的關(guān)系

在地震斷裂帶上開(kāi)展土壤痕量氫氣的連續(xù)觀測(cè)，能夠有效捕捉區(qū)域應(yīng)力應(yīng)變的變化，獲得氫氣濃度變化的地震前兆特征，發(fā)揮其在地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中的重要作用。靈武上橋H2自產(chǎn)出數(shù)據(jù)以來(lái)，2017 年8 月2 日凌晨3 時(shí)30 分在寧夏回族自治區(qū)固原市原州區(qū)，北緯36.28 度，東經(jīng)106.01 度，發(fā)生了4.6 級(jí)地震，震源深度10 千米。震前10 天左右，靈武上橋H2濃度異常幅度達(dá)到正常背景值的5 倍多，且異常時(shí)間短，屬于短臨異常。根據(jù)這一特點(diǎn)，在寧夏地震重點(diǎn)危險(xiǎn)區(qū)選擇氫濃度作為地震預(yù)報(bào)的一項(xiàng)短臨前兆指標(biāo)，對(duì)于日常異常跟蹤分析提供有利的判別異常依據(jù)，對(duì)識(shí)別其它地下微量稀有氣體的地震前兆異常具有參考價(jià)值。在斷裂帶上開(kāi)展H2連續(xù)觀測(cè)，能過(guò)進(jìn)一步獲得氫氣的地震前兆特征，進(jìn)一步提升其在地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中的重要作用。

4 結(jié)論

地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)多伴隨著地下氣體的逸出，觀測(cè)和研究地下氣體的逸出，可能會(huì)抓住一些地下構(gòu)造活動(dòng)的信息，而氫氣作為一種靈敏的指標(biāo)能夠指示斷裂活動(dòng)的過(guò)程。通過(guò)靈武上橋氫氣的觀測(cè)，嘗試找出靈武斷層氫氣背景動(dòng)態(tài)變化特征，為地震孕育過(guò)程中氫氣異常演化的判定提供依據(jù)，為建立地震短期預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)方法提供一些思路。本文通過(guò)對(duì)環(huán)境觀測(cè)資料的分析認(rèn)為：靈武上橋痕量氫H2觀測(cè)數(shù)據(jù)能過(guò)真實(shí)的反應(yīng)地下構(gòu)造活動(dòng)特征，為寧夏今后臺(tái)站建設(shè)和地震前兆資料應(yīng)用，具有關(guān)鍵性推廣實(shí)用價(jià)值。

5 討論與結(jié)論

本文著重從臺(tái)站建設(shè)方面進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析，沒(méi)有綜合深層次考慮臺(tái)站附近的區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)及斷層覆蓋層厚度、植被、淺層地表水位對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響；沒(méi)有對(duì)H2的構(gòu)造地球化學(xué)變化與斷裂活動(dòng)性、地震活動(dòng)性的關(guān)系，及斷層H2的機(jī)理和成因進(jìn)行分析。為了更好的開(kāi)展H2觀測(cè)數(shù)據(jù)在地震預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)中發(fā)揮作用，建議開(kāi)展如下探索研究：開(kāi)展斷層H2的地球化學(xué)特征及其影響因素分析；斷層H2的成因機(jī)制分析；斷層H2構(gòu)造地球化學(xué)變化與斷裂活動(dòng)性以及地震活動(dòng)性的關(guān)系；進(jìn)行斷層H2觀測(cè)的技術(shù)方法和滿(mǎn)足地震觀測(cè)的實(shí)用化指標(biāo)研究等。