江蘇宿遷斷層氣站網建設及數(shù)據(jù)質量分析

單友磊，朱紅，王家杰，張榮杉

(1.宿遷市地震服務中心，江蘇 宿遷 223800；2.宿遷地震監(jiān)測中心站，江蘇 宿遷 223800)

0 引 言

地殼放氣現(xiàn)象是巖石圈與大氣圈進行物質、能量、信息交換的一種重要形式，地殼放氣的主要通道是斷層，特別是一些穿透能力強的氣體，例如Rn、Hg、H2、He等，會在斷層上方的土壤中富集[1]。長期受到觀測條件的限制，地震流體觀測主要以單手段或單測項為主，而無比測手段，觀測資料的客觀性和科學性無法驗證[2]。隨著近年來觀測技術的發(fā)展和新型觀測儀器的應用，氫、氦、二氧化碳等氣體測項已能夠在野外實現(xiàn)定點連續(xù)監(jiān)測，為探索地震監(jiān)測新方法提供可能的途徑[3]。地震前區(qū)域應力場不斷加強，周圍的地下氣體向斷層氣孔匯集，使得一些特征氣體含量增加，氣體組分會出現(xiàn)不同幅度的異常[4]。雖然在活動斷裂帶土壤氣體測量會受到地下水位、氣象條件、沉積物的差異和儀器測量誤差的影響，但是在活動斷裂帶附近，深部脫氣強弱是控制斷層氣強度主要因素[5]。我國一些專家學者先后在首都圈地區(qū)、川滇試驗場、天山帶等開展過斷層氣濃度觀測試驗研究，取得了較好的映震效果。宿遷市地理位置比較特殊，地質構造復雜，郯廬斷裂帶縱貫南北，據(jù)斷裂帶分段標志可分為北段、中段和南段，宿遷境內斷裂帶處于中段的南延部分，具備開展斷層氣觀測的必要條件。

1 斷層氣測項選取

斷層氣體的地震前兆異常資料表明,距斷裂帶距離越近,濃度值結果高的測點數(shù)目越集中,隨著距離斷裂帶越遠,濃度異常測點的數(shù)量逐漸降低,且濃度值也隨之下降[6]。宿遷市斷層氣觀測臺網建設主要將境內的早第四紀F2斷裂帶、晚更新世F3斷裂帶以及全新世F5斷裂帶作為目標斷層，詳細勘測Rn、CO2、H2逸出濃度。測量結果顯示，土壤Rn測量數(shù)據(jù)科學可靠，而CO2濃度測值偏高，較多測點達到最大量程，H2數(shù)據(jù)結果也不穩(wěn)定，異常值偏高，無法與Rn觀測結果相互映證。經多次空測、復測驗證，排除了儀器故障原因，判斷為地表環(huán)境干擾。由于場址勘測是在7、8月份，夏季宿遷地區(qū)高溫高濕，地表植被生長旺盛，根系呼吸作用、土壤化學反應等使地表淺層富集CO2和H2，在個別無植被點和泗洪臺的試驗中，H2的異常還是存在的。H2是具有特殊化學特性的氣體，在地殼中含量較大氣高得多，主要分布在距地殼多震層頂部較近的地方，沿現(xiàn)今活動斷裂帶大量釋放，有希望成為監(jiān)測地殼活動與地震前兆最有效的化學組分[7]，而Rn主要來源于地球內部，受地表土壤成分、生物作用、人為因素等影響不大。因此，斷層氣測項主要以Rn測量值為參考對象，同時布設CO2、H2測項。

2 臺網設計布局

宿遷市斷層氣觀測站網建設項目是《宿遷市防震減災“十三五”發(fā)展規(guī)劃》重點工程，由地方財政支撐項目建設，總投入達300萬元，沿郯廬斷裂帶宿遷段建設10個連續(xù)固定斷層氣觀測站。該項目于2017年12月啟動實施，先后經過項目初勘、詳勘、規(guī)劃選址論證、集氣坑、觀測房設計施工、儀器采購安裝等，于2021年6月全部建成投入觀測，形成覆蓋郯廬斷裂帶宿遷段的斷層氣連續(xù)觀測站網，也是首個覆蓋郯廬斷裂帶江蘇段的連續(xù)固定斷層氣觀測站網，為監(jiān)視郯廬斷裂帶江蘇段活動情況，獲取區(qū)域內構造地球化學場變化，捕捉地震前兆信息提供了重要監(jiān)測平臺。

斷層氣站網觀測的目標是捕捉地震源兆，測點的密度必須考慮源兆顯現(xiàn)尺度。前人研究成果表明，源兆顯現(xiàn)尺度(R)與孕震斷層長度(L)有關，郭增建等給出了中國大陸地震震級M與R的關系(表1)[8]。站網測點的間距要小于表1給出的源兆顯現(xiàn)區(qū)的尺度。例如，未來要捕捉Ms6.0級地震的源兆，那么網中測點距離應小于47 km(大致可認為小于50 km)；要捕捉Ms5.0級地震的源兆，就要加密到至少13 km左右的觀測點距。測點可沿未來發(fā)震斷裂帶及其兩側呈三角形或正方形布局，這樣的布局方式可確保布網區(qū)內發(fā)生一定震級的地震時，可捕捉3～4個源兆信息。按照宿遷市防震減災工作任務需求，斷層氣觀測站網監(jiān)測目標地震震級為M5.5級左右，根據(jù)表1所列數(shù)據(jù)，站網內測點間距控制在26 km以下。綜合斷裂帶分布、行政區(qū)劃以及水文地質、供電、通訊、環(huán)境與安全等因素，確定選擇適宜場地建設10個斷層氣固定觀測站(分別為：F2斷裂帶上的古楚街道、F3斷裂帶上的蔡集鎮(zhèn)、上塘鎮(zhèn)、天崗湖鄉(xiāng)以及F5斷裂帶上的三臺山公園、埠子鎮(zhèn)、歸仁鎮(zhèn)、泗洪地震臺、車門鄉(xiāng)、峰山鄉(xiāng))，保證站點全部處在破碎帶內，對主要發(fā)震斷裂帶F2、F3和F5進行長期觀測(圖1)。

圖1 郯廬斷裂帶宿遷段斷層氣觀測臺網布設概況

表1 中國大陸不同震級(M)與該地震源兆顯現(xiàn)地區(qū)尺度(R)的關系

3 集氣裝置設計建設

集氣室是斷層氣觀測站網布點建設的重要內容，若要實現(xiàn)斷層氣連續(xù)固定觀測，就需要建設能長期穩(wěn)定運行的集氣裝置，源源不斷為測量儀器輸送新鮮的地下逸出氣體。在實際觀測中，不同場地環(huán)境、不同集氣裝置、不同取氣方式對觀測結果影響程度不同。位于斷層上方覆蓋層2～4 m的疏松層，氡氣濃度值在水平和垂直兩個方向變化梯度較致密層低一些，遷移強度大于致密層[9]。

根據(jù)站址勘選與工程建設經驗，結合集氣室建設試驗成果，我們設計了斷層氣專用取氣室，具體設計方案(圖2)為：①在植被茂盛等環(huán)境干擾較多場地，先開挖一正方形基坑，邊長2 m左右，深2 m左右(在基巖出露場地可從第3步開始)；②在坑壁四周先用厚塑料膜覆蓋，再澆筑一圈混凝土作為圍擋，以隔斷坑內坑外橫向氣體交換；③在中間位置埋設4根PVC集氣管(花管)，集氣管入地表以下0.5～0.8 m，高出地表大約2 m；④在地面繼續(xù)向上澆筑混凝土側壁，高度2 m；⑤坑內回填卵石至地表，然后再回填粉細砂或粉土至混凝土壁頂端；⑥集氣管高出黃砂表面，并通過軟管與儀器連接；⑦集氣室外部應建設觀測房。斷層氣觀測房建筑面積約26 m2，建筑高度3.2 m，為磚混結構，按照8度(0.3g)設防，集氣室和儀器機柜全部位于觀測房內。

圖2 集氣室建設方案設計(單位：mm)

4 數(shù)據(jù)質量及環(huán)境影響分析

監(jiān)測儀器分別選用貝谷科技BG2015R型測氡儀、杭州超矩ATG-C600二氧化碳在線分析儀和ATG-6118H痕量氫在線分析儀，采用機架式結構，適用于機柜安裝，能夠滿足無需人工干預、數(shù)字化、連續(xù)監(jiān)測的特點。由于斷層氣測項多、站點密度大，若地下應力變化或地震發(fā)生，臺站觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)同步趨勢變化，基本可排除個別臺站儀器故障或環(huán)境干擾影響，對捕捉臨震異常和地震前兆信息具有指示意義。然而江蘇境內震例較少，宿遷地區(qū)屬于少震弱震區(qū)，斷層氣觀測臺網映震效能還需要積累較多震例進行檢驗，下面就站網觀測數(shù)據(jù)質量進行分析。自投入觀測以來，Rn濃度數(shù)據(jù)連續(xù)、可靠，受外部環(huán)境干擾較小，CO2、H2濃度易受外部環(huán)境影響，需加以關注。

圖3 宿遷市斷層氣氡觀測站網Rn、CO2、H2濃度數(shù)據(jù)曲線(2022-02-01～2022-09-14)

4.1 數(shù)據(jù)質量分析

圖3為宿遷市斷層氣觀測站網2022年2月1日至2022年9月14日Rn、CO2、H2濃度數(shù)據(jù)，自2022年1月27日正式接入江蘇省地震行業(yè)專網以來，除個別站點儀器出現(xiàn)故障外，宿遷市斷層氣觀測站網Rn、CO2、H2濃度數(shù)據(jù)總體連續(xù)、可靠。泗洪“3·19”地震前，部分站點氡濃度曾出現(xiàn)同步下降變化趨勢，由于宿遷市斷層氣觀測站點覆蓋面廣、儀器多、數(shù)據(jù)量大，當?shù)叵聭Πl(fā)生變化或地震來臨前，若出現(xiàn)臺陣觀測數(shù)據(jù)同步變化現(xiàn)象，基本可排除個別站點儀器故障或環(huán)境干擾，對捕捉臨震異常和地震前兆信息，提升地震預報效能具有較強的指示意義。

圖4為2022年3月宿遷市斷層氣站點Rn觀測數(shù)據(jù)曲線。從圖中可以看出，3月1日、3月17日、3月19日蔡集站、上塘站、天崗湖站、歸仁站、泗洪地震臺、峰山站6個臺站Rn濃度出現(xiàn)同步下降，其中3月17日降幅最大、持續(xù)時間最長，3月19日下降接近谷底時發(fā)生地震，最大震中距為38 km,最小震中距為2.3 km。上述6個臺站中，上塘站3次降幅最大，天崗湖站、蔡集站降幅比例同樣趨于高位，泗洪站、歸仁站、峰山站降幅比例稍小，但由于峰山站高背景值，所以下降的絕對值最大。其余4個臺站Rn數(shù)據(jù)均呈現(xiàn)出不同的規(guī)律，但沒有表現(xiàn)出同步趨勢，此外，CO2、H2數(shù)據(jù)也未能表現(xiàn)出明顯變化特征。總體而言，Rn數(shù)據(jù)同步變化特征可能反映出斷層應力發(fā)生了變化，以后在站網數(shù)據(jù)日常處理分析時，拓寬時空維度比對，提升數(shù)據(jù)分析質量和站網觀測效能。

圖4 2022年3月斷層氣Rn觀測數(shù)據(jù)曲線

圖5 天崗湖站3月CO2、H2觀測數(shù)據(jù)及降雨量

4.2 環(huán)境影響分析

2022年3月25日，斷層氣站網天崗湖站CO2、H2數(shù)據(jù)出現(xiàn)同步陡升，據(jù)以往觀測數(shù)據(jù)，該站測得H2濃度穩(wěn)定在0.15 ppm左右，二氧化碳濃度約穩(wěn)定在0.1%，25日上午9時開始突然快速同步上升，H2濃度達到0.307 ppm，上升幅度達100%，CO2濃度達到0.15%，上升幅度約50%，之后在高值附近波動5天左右才恢復正常值(圖5)。經核實，儀器運行狀態(tài)良好，輔助測項氣溫、氣壓、地溫數(shù)據(jù)正常，但3月25日凌晨開始天崗湖站經歷一次強降雨，超過今年以來降雨量3倍以上。由于天崗湖站集氣室周圍存在農田，田中施有動物糞便及植物秸稈漚制的農家肥，3月份以來，農作物生長迅猛，根系呼吸作用旺盛。分析認為，受短時強降雨影響，雨水裹挾地表動植物生命活動產生的各類物質以及微生物、農家肥等滲入集氣坑內，產生物理化學反應造成CO2、H2濃度上升(圖6)，由于Rn來自地球內部，受地表環(huán)境影響較小，所以數(shù)據(jù)測值較為穩(wěn)定。其余站點周邊沒有農田且降雨量少，CO2、H2數(shù)據(jù)沒有出現(xiàn)陡升或陡降現(xiàn)象。

圖6 強降雨對天崗湖站CO2、H2觀測影響示意圖

5 結 論

通過對宿遷斷層氣站網場址勘選、集氣裝置設計建設、儀器安裝運行以及數(shù)據(jù)質量分析，得出如下結論。

(1)依據(jù)單個站點或單個測項數(shù)據(jù)判斷異常往往存在諸多不可控因素，無法進行比測研究，如儀器故障、環(huán)境影響等均不能夠直接排除，而沿同一性質斷裂帶采取點狀方式布設連續(xù)固定觀測站網，尋找數(shù)據(jù)同步變化特征，能夠直接排除儀器故障和外部干擾，數(shù)據(jù)可信度大大提升。

(2)由于Rn屬于放射性元素，主要來源于地球內部，受地表土壤成分、生物作用、人為因素、周圍環(huán)境等影響較小，當?shù)叵聰鄬影l(fā)生錯動時，Rn逸出濃度變化可通過地面站網監(jiān)測到，為捕捉地震前兆異常提供數(shù)據(jù)支撐。

(3)宿遷市地處中國大陸東南部，地下水埋深較淺，強降雨使得地下水快速得到補充，導致潛水面迅速抬升，影響儀器日常運維，此外，地表植被發(fā)育旺盛、根系呼吸作用、土壤化學反應、農耕生產活動等使地表淺層富集CO2和H2，降低了觀測數(shù)據(jù)質量，在日常數(shù)據(jù)分析處理和異常提取過程中需加以排除。

(4)以上結果表明，在我國東南部地區(qū)采取簡單圍擋和人為抬升地面標高等方法，無法完全解決外界干擾因素對斷層氣觀測的影響，在以后觀測實踐中應對集氣裝置進行改進，例如采取鉆孔套管方式從斷裂破碎帶深部取氣，將透氣性差的地下淤泥層影響和地表環(huán)境干擾降到最低。