断层气观测在夏县中心地震台的应用研究

黄春玲，王洪峰，李　民，林木金

(1.山西省地震局夏县中心地震台，山西　夏县　044400；2.福建省东山地震台，福建　东山　363400；

3.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西　太原　030025)

断层气观测在夏县中心地震台的应用研究

黄春玲1，3，王洪峰1，3，李民1，3，林木金2

(1.山西省地震局夏县中心地震台，山西夏县044400；2.福建省东山地震台，福建东山363400；

3.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西太原030025)

摘要：文章简要介绍夏县中心地震台断层气观测的基本概况，从断层观测气孔的设计、产出数据干扰的识别与分析、数据的映震效能三方面进行详细的研究。认为，痕量氢新测孔先进于旧测孔；痕量氢、气氡两测项产出数据的映震效能较好；断层气观测在夏县台取得了较为实用的震例，且干扰较容易识别，这种观测方法与技术应继续推广。

关键词：断层气观测；干扰识别；映震效能

0引言

我国气体地球化学方法在地震科学中的应用研究已经广泛开展，是一项具有广阔前景的地震观测方法。活动断裂带气体地球化学特征的研究已引起各国学者的重视，因此，这一研究对于探索活动断层的运动和地震发生之间的相互关系有着十分重要的意义。地下Rn、Hg、H2、He等活跃组分对地震前兆映震效能已被国内外许多震例所证实[1]。

山西省地震局“十五”项目实施组在夏县中心地震台(以下简称夏县台)开展了断层气氡、气汞测量，自2008年1月1日起正式观测运行。痕量氢气观测项目始测于2010年1月24日山西河津4.8级地震之后，是中国地震局流体学科组在夏县台站负责实施的试验项目，台站主要开展对土壤气中逸出氡气、汞气及氢气的检测。文章将展开对断层气孔的设计实施及产出数据质量进行详细的分析与研究，为未来断层气观测在夏县台能够更好地开展及推广断层气的布点建设，发挥断层气观测在捕捉地震前兆异常方面做基础性的研究与探讨。

1夏县台断层气观测基本概况

1.1　夏县台地质概况简介

夏县台地处山西南部的运城盆地中条山山前断裂的北麓，中条山山前断裂为控制本区的主断裂。断层气观测点海拔高程450 m，取气孔设在中条山山前大断裂与NW向隐伏断裂交汇处的夏县台背后山洞硐口。中条山断裂是鄂尔多斯断块周边活动断裂系东南部的一条断裂，并且是运城断陷盆地和中条山断块隆起的分界。中条山断裂出露于中条山山前的北麓和西麓，长137 km，走向NE—NEE，倾向NW，倾角58°～75°，属高角度正断层，断裂破碎带宽100余米，沿断裂带有温泉出露，为一局部地热异常区。经野外实测，断裂带上土壤气富集，远离断裂带两边则锐减，是一理想的断层气观测点[2](见第25页图1a)。

1.2　断层气观测测孔概况

夏县台断层气氡、断层气汞、痕量氢观测孔均建在台站测震院内的山硐口，测孔由人工开挖槽，已凿至破碎带上。气氡、气汞测孔开挖于2006年，痕量氢测孔开挖于2010年。3测孔直线距离分别为4 m、3 m、5 m，且3测孔均处于同一观测室内，呈直角三角形分布(见第25页图1b)。气氡与气汞测孔开挖深度及集气装置一致，痕量氢测孔属近年开挖，开挖深度、集气装置有别于气氡、气汞孔。

断层气氡、气汞测孔开挖深度8.6 m、Φ800 mm，底部使用砖块砌成漏斗状收集气体，导气管采用PVC变径连接。开挖槽内放置2根集气管，在管子2.5 m以下打有若干集气小孔，用于观测不同的气体组分。取气装置中，取气口1导气管由一根长8.0 m、Φ160 mm与长1.5 m、Φ40 mm的PVC管子连接；取气口2由一根长7.0 m、Φ40 mm与长2.5 m、Φ160 mm的PVC管子连接，集气孔总长度为2.5 m。为保障尽可能多的气体进入集气管，回填土前，孔底以上两米处全部使用干砖砌成，后用原土压实回填至孔口，并可集得7.0 m以下深处的气体(见第25页图2a)。

痕量氢观测孔开挖深度7.6 m、Φ800 mm，已钻至破碎带上，底部加有塑料储气罐收集土壤逸出氢气，集气量80 L，导气管采用PVC变径连接，采样口用Φ3 mm的聚四氯乙管连接仪器进气口。开挖中，槽内只放置1根集气管子，导气管由长5.8 m、Φ50 mm与长1.8 m、Φ110 mm的PVC管子连接，其中花管长度1.6 m，测孔底部埋有1.2 m厚的砾石层，集气桶与黏土之间采用两层塑料薄膜隔离层，避免浅部土层的干扰(见图2b)。

图1　夏县台断层气观测基本概况图Fig.1　Basic situation of fault gas observation at Xiaxian Staion

图2　夏县台断层气观测孔剖面图Fig.2　Profile of observation hole of fault gas at Xiaxian Staion

1.3　断层气观测仪器简介

气氡、气汞观测仪器分别采用中国地震局陆洋科技开发公司研制的SD-3A型自动测氡仪及RG-BQZ型智能数字测汞仪，采样间隔均为整点值，气氡工作方式采用方式2抽气状态，抽气量为0.37 L，气汞抽气量为1 L。痕量氢观测采用杭州超距科技有限公司生产的“ATG6118H痕量氢在线自动分析仪”，采样间隔为20分钟值，仪器检出限为0.1 ppm，其中仪器设定每20 min测定1次，观测时抽气时间为10 s，抽气流量为0.3 (L/min)，抽气总气量需0.05 L，仪器每次测定实际使用气体为1×10-3L。三测项仪器均可以通过RJ45接口实现与微机双向通信并实现远程传输、远程浏览网页、远程调取数据及浏览观测曲线等功能，仪器操作、标定、维护较为简便。三类测项仪器在夏县台运行期间，仪器运行率及产出数据完整率均合乎规范要求，年完整率均达到98%以上。

2断层气观测的应用研究

通过对气氡、气汞及痕量氢观测以来产出的数据进行系统分析与研究，查询相关工作日志，总结出导致数据突变的干扰类型特征；结合本区及周边地震发生情况，做映震相关性分析与对比，确定可能的映震特征。

2.1　两类观测孔对痕量氢观测数据的影响分析

两类观测孔在实际开挖过程中存在以下3点不同之处：(1) 测孔底部回填物不同。气氡(汞)孔底部回填物为砂、碎石，而痕量氢测孔为砾石层，这样更有利于气路的适时流通；(2) 集气装置布设不同。气氡(汞)孔集气采用底部用方砖砌成梯形状收集气体，痕量氢集气采用大容量的塑料储气罐倒置于孔内，并且采用塑料薄膜隔离，保证气源的充足供给，避免浅部土层可能的干扰源；(3) 集气管子不同。痕量氢采用1根管子集气，同时采样口用Φ3 mm的聚四氯乙管连接仪器进气口，保证气源的集中收集与连接仪器的无缝隙。在两类测孔放置痕量氢主、备仪器观测，且主、备仪器经过校正，测值差异不大，观测结果显示，两测孔痕量氢变化趋势同步，但二者背景数据差值较大，相差近10倍(见图3)。因此，说明由于测孔建设的不同，会导致断层氢气量值差别亦较大的问题。

图3　不同观测孔测试痕量氢对比曲线图Fig.3　Contrast of trace hydrogen in different observation holes

2.2　断层气观测干扰因素分析

对观测数据存在的异常图像进行干扰类型的划分与研究发现，异常干扰图像大多与正常动态相差较明显，较易判定与识别。存在较多的干扰有人为、观测环境、气象因素、观测系统运行。

人为干扰出现在观测人员每次对仪器检查标定后，因人为改变了仪器的工作状态，导致短时间内仪器状态有一个恢复过程，会给测值带来一定的影响。气氡仪在正常季度检查后，会有几个小时的高值突跳变化；气汞仪标定后，不论更换K值与否，都会有1个月左右的背景值恢复过程(见第27页图4a)。

环境干扰表现为温泉区热水井抽水，会造成痕量氢背景值改变。如，2012年3月至11月，痕量氢发生了长达9个月的背景值突变过程，通过排除仪器干扰、气象干扰、地震的影响，调取周边环境区抽水井的抽水量与抽水时间的规律，结合数据变化特征，确定干扰系周边新开采热水井启用所致(见第27页图4b)。

气象干扰表现为：气氡、痕量氢测项受气温的影响导致数据同向趋势变化特征明显。反应在气温大幅度升降时段，二测项与气温同向变化，待气温恢复正常变化后，断层气数据亦恢复正常变化(见第27页图4c)。

雷电干扰表现为：雷雨时节，由于雷电入侵仪器电源，会造成仪器观测系统干扰，影响数据曲线短时间内呈密集状高频脉冲变化，雷电结束后的几个小时，仪器恢复正常，数据恢复正常变化趋势。气汞仪观测受此影响较明显，一般雷电干扰属季节性干扰，变化容易识别(见第27页图4d)。

2.3　断层气观测映震效能分析

选取自断层气观测以来，发生在本区的(运城盆地100 km范围内)ML≥3.5地震，省内(包括周边400 km范围内)ML≥4.5地震为研究对象(见第27页表1)，绘制各测项观测曲线进行映震分析。由表1可知，痕量氢反应地震较灵敏，在观测期间发生的7次地震中，因为陕西高陵与山西河津地震发生时，该测项尚未启动观测，即正式观测期间发生的5次地震中，对应了4次，其中1次无反应，原因可能是调试仪器造成干扰；气氡测项在7次地震中，有前兆异常的有3次，其余4次均未反应；气汞观测以来，数据不稳定，年变规律不好，观测稳定时段仪器测值低于检出限，且更换仪器、标定仪器后数据变化较大，因此，分析该资料的映震能力依据不充分，不做气汞映震性讨论。

研究中，根据痕量氢观测背景值较低，动态明显，干扰较易识别，地震异常较明显，采用原始曲线分析；气氡年动态较明显，与气温呈明显的正相关特征，采用气氡与气温月均值曲线对比，结合小波变换方法，对比分析地震异常。

图4　断层气观测干扰曲线异常类型Fig.4　Anomaly types of interference in fault gas observation

2.3.1痕量氢映震分析

2010年7月至2013年10月，痕量氢数据出现4次大幅度突升变化(见图5a)，每次大幅升降变化在排除人为、环境及仪器的因素后，统计与周边发生地震的关系，特别是河南周口2次地震前的异常重复性表现特征。因在4次地震前痕量氢异常特征较相似，仅列出较有影响的2010年10月24日发生在河南周口的5.0级地震做研究分析。

表1　断层气观测映震效能表

2010年10月24日河南周口5.0级地震，震中距离夏县台340 km，该地震是河南省30年来最大的一次地震。夏县台痕量氢气自8月23日以来，数据持续在背景值0.5 ppm/L附近波动，10月16日17时起数据缓慢上升，18日突升台阶，变化幅度是背景值的8倍，19—21日在8倍背景值附近变化；22日00时起加速上升至10时的测值为13.6 ppm/L，至23日23时数据持续在14.0 ppm/L左右波动；24日00时起数据大幅度上升变化，由14.0 ppm/L变化至13时的26 ppm/L，变化幅度超背景值的50多倍(见图5b)，此后，数据小幅下降，24日16:58发生周口5.0级地震。分析本次地震前痕量氢变化特征，数据由缓升—平稳—突升—平稳—突升—下降—地震—慢慢恢复的变化过程，发震时间距离异常出现时间为8天，应属临震异常。

图5　断层痕量氢观测曲线图Fig.5　Observed fault trace hydrogen

2.3.2气氡映震分析

绘制断层气氡自2008观测以来原始月均值、气温月均值曲线(见图6a)。观测曲线显示，气氡年动态明显，表现为夏高冬低，统计近5年来气氡变化规律，月均值基本在9.2~19.4 Bq/L之间变化，且呈现逐年升高的变化态势。气氡最低值基本在每年的1月至2月出现，最高值在7月至8月。多年观测资料表明，气氡与气温呈正相关变化关系，与气压呈负相关变化关系[3]。采用mapsis软件回归计算得出，气氡与气温月相关系数为0.94，与气压月相关系数为-0.76。

图6a显示，2008年至2012年，气氡月均值共出现4次曲线畸变时段，分别为2009年9月、2010年12月、2011年4月及2012年6月，在每次突变时段，气温表现不明显，即排除了由于气温影响导致的气氡变化。经过对比及小波分析认为，2009年及2010年的气氡畸变与发生在本区内的地震关系较明显，属地震前兆异常的可能性较大。

2010年1月24日河津5.2级地震前，从气氡原始月均值曲线图可看出，在震前的3~4个月，气氡数据呈反年变形态变化，表现为畸变特征。期间，仪器正常工作，周围无环境影响，气温变化稳定，气压无大的气伏，认为该变化属河津地震前兆的可能性较大。震前异常数据表现形式为月均值数据下降—转折—恢复—发震。2010年12月14日闻喜3.8级及2011年1月15日河津4.1级地震的震前1个月，曲线发生畸变，也表现为数据转折—恢复—发震。

图6　断层气氡观测曲线图Fig.6　Observed fault gas radon

小波变换具有多分辨率分析的特点，在时频两域都具有表征信号局部特征的能力，是一种窗口大小固定不变，但形状可改变，或时间窗和频率窗都可以改变的时频局部化分析方法。即在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率，被誉为分析信号的“显微镜”[4-5]。图6b对气氡整点观测数据做小波分析后，在2010年1月24日河津5.2级地震前3~4个月，即在细节6阶，周期64~128小时，中低频率上异常较明显。2010年12月14日闻喜3.8级及2011年1月15日河津4.1级地震前的1个月开始，在细节6阶，中低频率异常反映亦较为突出。

总结气氡数据对本区3次地震的映震特征表明，分析数据时，首先做月均值曲线分析，研究其动态是否正常，若有异常数据畸变与偏离，应检查仪器及外界干扰情况，进行排除，并及时对异常曲线做动态跟踪，同时，做整点值小波分析，确定异常优势周期，即数据是否存在中低频的异常形态，从而研究异常与地震的关系。

3断层气观测机理讨论

通常，地下岩体或松散层中都存有He、H2、Hg、Rn、CO2等气体，含量一般较低，大多呈自由状态存在于岩石和土层的孔隙中，或吸附在岩土的颗粒表面。外界条件不变时，这些气体处于平衡状态；当环境条件改变时，特别是地下应力状态变化时，由于构造应力的作用，原来地壳岩石中随机分布的微裂隙不断发展，随着数量、规模不断增大，从而互相联通，使这些气体随之变化。地震前区域应力场不断加强，地下气体从高压区流向低压区，假设断层气孔处在相对低压区，随着地壳间歇放气，周围的地下气体在应力场作用下，向断层气孔汇集，使得一些特征气体含量增加，气体组分便会出现不同幅度的异常。

4断层气观测的力学基础

断层气观测能够在地震研究中发挥作用，有充分的实践依据和扎实的理论基础。据有关文献报道，中小型地震时，在震中几十乃至上百公里距离的观测井(孔)上很难观测到岩石的破裂，也很难设想震源体微破裂产生的各种信息传播到观测井(孔)上来。因此，有理由推测这些地下气体浓度的变化受控于流体动力学机制，当地壳介质应力状态变化时，观测层岩体的孔隙率发生微小变化(不是岩石的破裂，而是岩体内裂隙的变形)，引起气体成分重新运动和再分配、再富集的结果，导致井—含水层系统或液体—固体系统中气体流量的微动态变化[6]。

地震的孕育发生过程是地下岩体受力的破裂过程，在这些过程中，最为显著的特点不外乎是应力、应变和裂隙的演变，这就不可避免地使充满于岩体中的液体压力和通道发生变化，造成地下流体迁移运动和物理、化学的变异现象。气体比液体迁移速度更快，穿透能力更强，因此对地震反映更明显。唐山地震前后，八宝山断层附近气体喷发、水位变动与断层蠕动对比图中，三者变化明显同步，但气体反映更明显、更快捷[7]。

5结论与建议

通过对夏县台断层气观测测孔设计实施、仪器运行及产出数据的应用分析，得出以下结论。

(1) 夏县台目前存在的两类断层气孔设计实施中，日常监测结果都比较理想，表现为观测数据连续、完整，符合地震前兆观测的相关要求。但两类测孔在设计实施中存在观测测孔底部回填物、测孔内置集气装置、测孔集气管道的不同。因此，从理论上讲，痕量氢测孔优于气氡、气汞观测孔。通过与使用痕量氢备用仪器观测的对比，新测孔氢气浓度大10倍于旧测孔，证明新测孔先进于旧测孔，适合推广观测。

(2) 对痕量氢、气氡及气汞产出数据的干扰异常曲线分析表明，存在较多的干扰类型有人为、观测环境、气象因素及观测系统运行干扰。分析结果表明，不同干扰的曲线类型容易识别，特征明显，影响周期较为固定，不会对数据的日常分析造成影响。

(3) 痕量氢、气氡两测项产出数据的映震效能表明：痕量氢观测对外围及本区映震性较好，且异常具有重复性，地震异常特征明显，表现在震前为短临异常，且异常幅度大，震后恢复背景值较快的特点；气氡对本区映震性较好，异常特征为年动态曲线发生畸变明显。小波分析显示，地震前兆异常大多出现在小波细节6阶，周期64~128小时，即中低频率上异常特征较明显。

(4) 断层气观测在夏县台取得了较为实用的震例，且干扰较容易识别，这种观测方法与技术应继续推广，建议在有条件的地方(有断层即可)应加大断层气的布网观测，发挥断层气观测在地震监测中的作用。由于资料有限，对断层氢、断层氡及汞特征、机理的研究有待进一步加强。

中国地震局地质研究所杨竹转博士在本文的完成过程中给予了悉心指导，在此深表感谢！

参考文献：

[1]国家地震局科技监测司.地震地下水手册[M].北京：地震出版社，1995：150-165.

[2]范雪芳，张文男，杨海祥，等.夏县疗1井逸出He异常探讨[J].东北地震研究，2006,22(3)：52-58.

[3]黄春玲，范雪芳，刘国俊，等.山西夏县中心地震台断层土壤气观测分析与研究[J].山西地震,2011(4):5-8.

[4]李世雄.小波变换及其应用[J].高等数学研究，2002，5(1)：43-45.

[5]李建平.小波分析与信号处理一理论、应用及软件实现[M].重庆：重庆出版社，1997.

[6]车用太，鱼金子，刘五洲.地壳放气动态监测与张北一尚义Ms6.2级地震预报[J].地质评论，1999，45(1)：63-65.

[7]汪成民，李宣湖，魏柏林.断层气测量在地震科学中的应用[N].北京：地震出版社，1991.

Application Research of Fault Gas Observation in Xiaxian Central Seismological Station

HUANG Chun-ling1,3, WANG Hong-feng1,3, LI Min1,3, LIN Mu-jin2

(1.Xiaxian Central Seismological Station of Earthquake Administration of Shanxi Province, Xiaxian, Shanxi 044400, China;2.Dongshan Seismological Station of Fujian Province, Dongshan, Fujian 363400;3.State Key Observatory of Shanxi Rift System, Taiyuan, Shanxi 030025)

Abstract:Basic situation of fault gas observation in Xiaxian Central Seismological Station is briefly introduced. The design of fault observation hole, identification and analysis of interference on output data, earthquake reflecting efficiency of data are studied in detail. Trace hydrogen Results show that trace hydrogen and gas radon data from the new hole is better than the old one on earthquake reflecting efficiency. Fault gas observation in Xiaxian Station has had some applications in earthquake predictions and its interference is easy to identify. This observation method and technology should be promoted further.

Key words:Fault gas observation; Interference identification; Earthquake reflecting efficiency

作者简介：第一黄春玲(1973—)，女，山西省临汾人。2008年毕业于太原理工大学，高级工程师。

基金项目：中国地震局地震科技星火计划项目(XH12006)

收稿日期：2014-11-10

中图分类号：P315.72+4

文献标志码：A

文章编号：1000-6265(2015)02-0024-06