张家口地区痕量氢观测实验

王莉森张彦清王曰凤王 江张晓刚

1）中国石家庄050021河北省地震局

2）中国河北075000 张家口地震中心台

张家口地区痕量氢观测实验

王莉森1）张彦清1）王曰凤2）王 江1）张晓刚1）

1）中国石家庄050021河北省地震局

2）中国河北075000 张家口地震中心台

在张家口地区进行痕量氢观测技术实验，深入分析站点选取、系统布设、背景噪声测定及堪选等对该技术应用的重要性，以痕量氢观测技术系统的标定与维护、装置系统设计的优越性、数据特征分析为基础，对张家口涿鹿MS4.3地震与痕量氢观测间的震兆关系进行初步分析，为探索痕量氢观测技术作为地震科学研究短临技术方法提供一种新途径，为地震短临跟踪分析手段的进一步发展提供一种新的实验方法。

痕量氢；氢浓度；观测技术；实验；地震；背景噪声

0 引言

近年来地震活动频繁，地震科学研究者通过总结各种震前现象来探索地震前兆与地震之间的关系，从而衍生出各类地震前兆观测方法。氢气是一种活动性较强的气体，是断层破裂处作为较早溢出的气体之一，是地震监测重要监测技术指标。氢在水、土壤中的背景值较低，出现异常时变化幅度较大，甚至高过背景量2—3个数量级，易于识别，且异常多出现在震前短临阶段，是值得推广的地震短临监测方法（车用太等，2002）。作为一种新型观测技术，痕量氢观测实现了氢浓度的在线观测，逐渐在山西、新疆等地区开展实验研究，初步得到一些研究成果，但缺少台网性质的研究。

选取张家口地区作为实验场地，重点解决2个问题：①通过观测点位的图上选址、实地堪选、背景噪声测定、观测数据试记录4个过程，分析总结选取合格观测点的基本要求，为深入开展该测项的研究提供站点选取依据；②通过观测数据质量分析总结张家口地区痕量氢背景噪声变化特征，并通过背景噪声测定分析测区内氢浓度的动态特征，为探索地震与氢浓度变化特征做好基础研究的准备。

实验期间（2014年7月后），张家口涿鹿于2014年9月6日发生MS4.3地震，震中距最近台站仅30 km，分析该地震与痕量氢观测间的震兆关系，为进一步研究提供依据。

1 观测点选址与系统布设

1.1 站点选取及勘查

地下流体监测站点主要集中于温泉区域，温泉区作为地下气体信息与外界交换的灵敏区域，是地震监测重点研究地带，通过温泉区热交换效应，可以间接获取地下气体信

息的变化特征，从而发掘与地震之间的关系，用于地震科学研究。但是，随着地下温泉的开采，地震流体观测点逐渐面临井水枯竭的现状，土壤气或断层气作为地震监测短临方法，是地震监测方式的一种尝试。

张家口地区作为河北省地震重点监视区，1994年以来共发生ML2.5浅源地震300余次（包含余震），主要集中于张北老震区、断裂带交汇区域，其中最大地震是1998年张北6.2级地震，地震活动分布见图1。张家口地区作为环“首都圈”、晋冀蒙3省交界区域，是华北地区地震活动的重点监视区。该地区地处环太平洋地震带，位于阴山东西向构造带与山西地震带北段、张渤地震带西北段的交汇部位，地质构造复杂，断裂颇多，是地震多发带。

综合考虑张家口地区地下流体观测点分布特征（位于温泉区居多）、近20年地震分布特征（张北老震区）、断裂带密集范围、站点分布均匀性等因素，以温泉区、地震多发区、断裂带密集区分类选点，选取张家口市（临近张家口断裂）、张北海流图（张北老震区）、赤城大海陀（临近怀涿盆地北缘断裂）、阳原三马坊（温泉区）、怀来后郝窑（温泉区）5个地区，作为站点布设区进行观测站点现场堪选。

为快速获取堪选站点氢浓度含量，选用ATG-3000便携式测氢仪堪选点位21个，根据测值结果、实验数据分析及厂家技术支持，认为：ATG-3000便携式检漏仪内部缺少色谱柱，难以对气体进行有效分离，后改用ATG-6118H痕量氢气在线自动分析仪作为背景噪声测定设备（王海燕，2010）。为获得有效信息，根据观测经验，实验的站间距最大不超过115 km，经连续观测并分析数据稳定性，选取5个点位布设痕量氢观测系统，形成氢浓度在线观测分析系统网（如实验结果不稳定，可考虑调整布点间距或增加流动测量），堪选测定各站点氢浓度背景值，具体数值见表1。

图1 1994年以来张家口地区ML≥2.5地震分布Fig.1 ML≥2.5 earthquake distribution in Zhangjiakou area since 1994

表1 张家口地区氢浓度背景值Table1 List of hydrogen concentration background values in Zhangjiakou area

1.2 观测系统布设

依据堪选结果，在选定站点进行观测系统布设，连接采气装置与观测系统，形成完整测量系统。张家口地区年温差较大，地表至2—3 m深度随季节变化气温变化幅度较大，年温差近30℃，选择3—7 m作为观测井深度，可以避免温差影响。

图2 观测井结构剖面Fig.2 Schematic diagram of observation well structure

痕量氢观测井均采用统一设计方式，井内自底部向上铺设1.5 m厚均匀砾石，紧贴砾石层使用2 mm厚塑料布，将砾石层与地面隔开，并将塑料布中间部分开孔（孔径小于集气装置口径），塑料布上下部分连接集气装置与通往地面部分的PVC通气管，做好每个衔接部位的密封，形成一套完整的地下采气装置(范雪芳，2012)。

集气装置是影响观测的重要环节，为减小回填土对集气装置的影响，采用家用陶瓷洗脸盆作为集气装置，一方面解决与通气管路的密封连接，另一方面可以避免回填土对集气装置的挤压破坏，且材料不宜老化，使用寿命较长。完整的集气装置剖面见图2。

1.3 标定与系统维护

为有效控制观测数据质量、确保观测数据的有效性，采用定期标定、定期巡检的方式，保证观测系统的正常运行。对张家口、三马坊、后郝窑、海流图的4套设备进行标定，采用1 000 ppm标准气为标准源，对观测设备每次注入1 mL标准气，每套设备分别标定3次，得到有效的标定值k，3次结果平均值作为最新的k值，根据相对误差公式

其中k1为前一次标定格值，k2为最新选定格值。5个观测站k值误差见表2。

表2 张家口地区5个氢浓度观测站k值误差Table2 Error of K value of 5 hydrogen concentration observation stations in Zhangjiakou area

根据标定周期的k值误差结果，并将k值控制在3%的有效范围内，张家口、三马坊、后郝窑观测站4个月标定1次即可，海流图观测站需3个月标定1次，以确保观测数据的真实性。

为确保观测系统的稳定运行，观测数据的真实可靠，采用季度巡检方式对5个观测站的观测系统进行现场维护，维护内容包括：观测环境检查、抽气管路疏通、管路与观测主机连接性检查以及观测设备对空气背景噪声的测值（检验主机的一个有效指标）。5个观测站空气背景噪声测值见表2。

2 选址效果

2.1 温泉区特征

温泉区测点位于三马坊温泉区、后郝窑温泉区内。三马坊地处马市口—松枝口大

断裂和桑干河断裂交汇处西北侧。马市口—松枝口大断裂具有继承性活动，断层向北东倾，属正断层，其他部位被第四系沉积物覆盖，厚度100—300 m，地表水埋深3.5 m。

温泉区是地下信息与外界交换的敏感区域，为做好温泉区氢浓度的连续观测，实验前对三马坊、后郝窑观测点进行背景噪声测定，氢浓度含量分别为：4.352 ppm、3.743 ppm，布设观测系统进行连续观测。2014年8月三马坊氢浓度测值基本在0.319 ppm以下，偶尔出现突跳，最高值达1.143 ppm；后郝窑观测点氢浓度测值在0.498 ppm以下，偶尔为1.812 ppm。2个站点测值均高于检测线，月观测动态变化基本稳定，见图3。

为排查突跳及低于堪选背景噪声的原因，在标定观测设备、检查外线路管路通气、调查周围观测环境并实测空气背景值均符合观测要求前提下，检查观测井，发现三马坊井有少量水位于井底，与集气装置形成一个闭合空间，观测系统抽气管路抽取的地下气体均为密闭集气装置内的气体，与地下气体无法形成畅通的循环体，或抽气装置与观测系统形成抽气负压，地下气体交换失败，因此测值较低或曲线出现突跳。后郝窑观测站点在检查观测系统与环境无问题的前提下，认定该区域氢浓度含量低。

根据实验结果，三马坊、后郝窑温泉观测区，由于地表水位较浅和背景值较低，不适合进行土壤氢浓度观测。

2.2 临近断裂带（老震区）特征

张家口与赤城大海坨地区地震带、地震活动性较频繁，是研究华北地区地震活动前兆观测的天然实验场。海流图是张北地震老震区，研究该地区地质构造活动性特征，有利于开展地震前兆监测。在山西断陷北部断裂带、张家口—渤海断裂带和河北平原断裂带汇集的张家口、大海坨地区、海流图3个地区开展痕量氢连续记录观测，实验前进行背景噪声测定，氢浓度含量分别为：30.325 ppm、2.153 ppm、3.865 ppm，其中张家口观测站背景噪声明显高于其他站点。布设观测系统前检查观测环境，并更换观测仪器，再次连续观测背景噪声，分别为29.856 ppm、29.792 ppm、29.802 ppm，由实测值确定，在该测点背景噪声较高。

图3 5个观测站2014年8月观测曲线动态(a) 三马坊；(b)后郝窑；（c）张家口；（d）海流图；（e）大海坨Fig.3 Observation curves of the five stations in Aug.,2014

2014年7月开始布设痕量氢观测系统。海流图观测站数据动态范围稳定，有疑似日变化特征，最高值2.799 ppm，低于实验前测定的背景噪声；张家口观测站氢浓度变化由初期上升、下降到逐步平稳，动态变化较大，特别是2014年8月12日19时数据出现逐渐增大趋势，至13日8时达峰值，为106.976 ppm，之后突然下降恢复至11.768 ppm，后观测数据平稳，有弱日变特征，检查发现观测环境与仪器工作状态均正常；大海坨观测站数据产出基本稳定，2014年8月20日16时观测数据呈上升趋势，至22日16时达2.581 ppm，之后数据曲线动态平稳，日变化特征相对明显。根

据背景噪声与数据动态变化趋势，在观测环境、设备工作状态均正常的前提下，3个站点观测数据可靠，数据变化曲线见图3。

3 数据分析

3.1 氢浓度与温度、气压关系

由于后郝窑、三马坊氢浓度背景噪声较低，因此对张家口、海流图、大海坨3个站点进行温度、气压一致性数据分析。选取3个站点2014年10月氢浓度、温度、气压观测数据做一元线性回归，并做氢浓度变化与温度、气压之间的相关性分析研究，变化相关系数见表3，其中张家口、海流图、大海坨观测点与温度相关系数均在50%左右，温度与氢浓度观测存在一定关系；氢浓度观测与气压相关性较低，与气压变化对氢浓度影响呈负相关不一致（黄春玲等，2012），可能与数据选取和分析时段有关，同时存在气压滞后影响（目前无气压对土壤溢出氢气的研究），才会出现不同研究时间尺度造成结果不同的现象。

表3 氢浓度与气温、气压的相关系数Table 3 Correlation coeffi cient between hydrogen concentration and temperature and pressure

3.2 涿鹿4.3级地震分析

2014年9月6日张家口市涿鹿县发生MS4.3地震，距震中分别60 km、80 km的大海坨、张家口观测站在震前16天、28天均出现上升、下降、趋于稳定的变化趋势特征。其中，大海坨观测站在震前16天数据突然上升，变化幅度达1.428 ppm，是正常变化态势的3倍，震后变化趋于下降，21天后曲线趋于稳定，且基本恢复到观测背景值；张家口观测站震前28天出现趋势性上升，上升幅度达45 ppm，是正常变化态势的2.3倍，8月18日出现转折下降，后观测值趋于稳定变化。

两个站点出现变化后对观测系统、观测环境进行检查，均未发现异常，距震中140 km处的极低频观测电场于2014年8月16日出现震前变化，变化时间与痕量氢观测基本一致。因此，初步认定大海坨、张家口观测站的趋势性上升、下降、趋于稳定是震兆信息。大海坨、张家口观测站地震前后时间序列见图4。截至2015年4月，张家口观测站观测数据出现2次类似异常变化，幅度较小，均未达到2014年8月16日的态势；大海坨观测站未出现类似异常特征，但有线条变粗迹象。

图4 大海坨、张家口观测站MS4.3地震前后时间序列曲线(a)大海坨观测站； (b)张家口观测站Fig.4 Time series curve diagram before and after the earthquake at Dahaituo and Zhangjiakou stations

4 结论

地震前兆观测信息量丰富，不同实验是为了搞清楚观测特征与地震之间是否存在关系，为今后地震前兆分析研究积累经验。痕量氢观测技术在张家口地区的实验仍在进行中，通过实验结果可知：集气装置的材料需要选用材质硬度较强的材料作为集气模块，否则在观测井回填过程极易损坏集气装置，造成气体扩散，测量值偏小，观测结果失真；测点地质构造、地下水位埋深是重要参考指标，老震区或地震多发区域作为重点实验研究区域，观测站勘选直接影响观测数据的可靠性。根据实验结果，张家口地区温泉区氢浓度背景值较低，在选择温泉区作为测点时需慎重考虑；观测仪器需定期标定，及时修正k值，并通过实验选择标定周期，确保观测数据避免漂移现象；氢浓度观测与地震之间是否存在映震关系，是否可以作为地震短临观测测项需要更多震例研究，特别是震前信息变化关系需要积累大量观测资料。

氢浓度观测是断层气观测与地震特征关系研究的一种新兴观测方式，可以作为常规连续测项。通过在张家口地区开展的连续痕量氢观测实验，在选点、仪器观测效果、观测异常等方面取得一些结果，为地震科学研究积累一定经验。

杭州超距有限公司王维熙、何镧为本次实验提供技术支持与指导，并在断层气观测与研究方面进行有益讨论，在此表示感谢。

车用太，鱼金子，张培仁，等.H2与He的映震灵敏性及其干扰初析[J].地震，2002，22（2）：94-103.

范雪芳，黄春玲，刘国俊，王向阳.山西夏县痕量氢观测资料的初步分析[J].山西地震，2012，4（3）：7-12.

黄春玲，王向阳.夏县地震台痕量氢观测技术与地震关系研究[J].地震地磁观测与研究，2012，33（3/4）：130-136.

王海燕，孙小龙，贾晓东.ATG6118H痕量氢在线自动分析仪用于地震监测的适用性研究 [J].国际地震动态，2012，19（6）：271.

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，河北张家口人，理学学士，工程师，主要从事地震监测工作。

E-mail： wls@eq-he.ac.cn

河北省地震局星火项目（痕量氢观测技术在张家口地区实验研究，项目编号：20130001）

本文收到日期：2015-09-10