关于建设断层气观测网的思考——再论探索地震短临预测的新途径*

车用太 鱼金子 陈其峰 邓 阳 李继业

1) 中国地震局地质研究所， 北京100029 2) 山东省地震局聊城水化站， 山东聊城252000 3) 黑龙江省地震局地震监测中心， 哈尔滨150090

学术论文

关于建设断层气观测网的思考
——再论探索地震短临预测的新途径*

车用太1)※鱼金子1)陈其峰2)邓 阳3)李继业3)

1) 中国地震局地质研究所， 北京100029 2) 山东省地震局聊城水化站， 山东聊城252000 3) 黑龙江省地震局地震监测中心， 哈尔滨150090

我国拥有世界上规模最大、 地震监测效能一流的地震地下流体观测网， 但几十年的地震监测实践表明， 其监测效能非常有限， 捕捉到的前兆信息多属于与地震孕育过程伴生的区域构造活动产生的场兆， 直接来自震源的源兆很少， 因此， 利用该网有效地实现地震三要素的科学预测是十分困难的。 由此， 笔者提出在继续调整、 完善与优化现有观测网的同时， 再建设新型的断层气观测网的思想， 并针对观测网的建设目标与布设方案、 观测点的选址与观测孔的建设、 测项与仪器的选择及观测模式等问题提出具体建议。

断层气； 观测网； 地震短临预测

引言

我国地震监测与预测科学探索已有50年历史。 在半个世纪的风风雨雨中， 我国地震地下流体监测与预测人员顶着“地震不可预测论”， 艰难地坚持探索， 取得了不可否认的成就。 我国不仅建成了拥有670多口观测井与1200多个测项的观测网[1]， 而且在1966—2003年间170多次MS≥5.0地震前捕捉到1162项次的异常[2]， 1975—2001年间成功实现预测(报)的24次地震中[3]， 16次地震前为成功预测(报)提供了重要的流体异常依据[4]。 然而， 地震预测(报)水平仍然很低。 据地下流体观测井(泉)密度≥1个/万平方千米的100°E以东地区1975—1999年间174个MS≥5.0地震短临预测情况的统计[4]，MS≥7.0地震可预测约百分之三十～四十，MS≥6.0～6.9地震只可预测约百分之十几， 而MS≥5.0～5.9地震只可预测百分之几。 即使从成功预测的几个典型震例看， 预测的依据多不充分， 预测的意见多不明确， 远没能达到科学预测的要求。 如何改变地下流体学科这种低水平不够科学的地震预测现状， 是笔者退休之后一直思考的主要问题。

1 现有台网地震前兆监测能力方面的不足

笔者剖析了1998年1月10日河北省张北MS6.2地震与2014年8月3日云南省鲁甸MS6.5地震的地下流体异常及其预测实践[5]。 这两次地震都发生在我国地下流体台网密度较大(2～3个观测井(泉)/万平方千米)的地区， 震前记录到20～30项地下流体异常， 并依此都提出了较好的短临预测意见。 然而， 反思这两次典型震例时发现， 无论是异常还是预测都有不少值得反思的问题。

问题之一是异常井或异常项的比例(占区内全部观测井或测项的百分比)很低， 异常井的比例小于百分之十～二十， 异常项的比例小于百分之几～十几， 说明多数井(项)震前记录不到异常信息。

问题之二是异常的形态多样， 没有显示出一致性与随发震时间的邻近而有规律性的变化； 异常的空间分布广而乱， 既没有显示出异常井数随震中距的增大而减少， 也没有显示出集中分布在未来发震构造上； 异常的时间分布， 多出现在中短期阶段， 没有显示出异常数量随发震时间的临近而显著增多， 特别是， 临震阶段异常的数量并不剧增等。 这些特征说明了异常并不是来自一个“源”， 而是来自力学过程与震源的过程并不相关的多个“源”， 即多属场兆。

鉴于上述两类问题， 笔者认为利用现有的观测网有可能做到“震前有所觉察”， 但实现有效的地震三要素预测是十分困难的。 因此， 必须对现有观测网的布局、 观测井的质量、 测项的优化与配套、 观测技术的完善与改进等方面进行大规模的调整与优化[1]， 确保该网在震前可捕捉到具有一定数量与质量的场兆信息， 为把握区域的震情态势提供依据。 然而， 从根本上改变地下流体学科地震监测与预测的低水平与被动局面， 单靠上述的努力还不够， 必须建立具有捕捉源兆能力的断层气观测网。

2 断层气及其地震前兆监测能力方面的优势

断层气指由断层带释放的地壳深部气体， 主要是H2、 He、 CO2、 Rn、 Hg等。 这些气体质量轻， 粘滞性小， 迁移速度快， 对地壳动力作用的响应能力应比地下水灵敏。

气体在地壳中的分布相对地下水更广泛， 不仅存在于含水层中， 也存在于非含水层中。 但地壳中气体的分布并不均一。 在地壳表层主要集中分布在地壳活动相对活跃的部位， 如火山口、 断层带等。 在地壳中， 主要分布在多震层(埋深几～十几千米)的上部。 据前苏联Kola-3深钻揭露的结果， 地面以下0～800 m深度主要组分是N2、 O2等大气； 800～4200 m为大气与深源气体的混合气体， 主要组分为N2、 O2、 H2等； 4500～5850 m深度则以深源气体H2与He为主； 5850～6900 m以深源气体H2、 He、 CO2为主； 6900～9200 m以CO2、 H2、 He为主， 由此可见， 约5000～10000 m深度则以深源气体为主[6]。

地壳中深源气体一是平面上集中分布在断层带中， 二是剖面上集中分布在5000～9000 m的多震层顶部， 因此， 把这种气体作为地震前兆观测是理想的。

断层气的另一特点是地壳中的浓度与大气中的浓度差异很大[7]。 以H2为例， 大气中浓度一般小于1 ppm(×10-4%)， 而地壳断层带中则可高达几十～上百个ppm， 甚至可达上千个ppm； 再以CO2为例， 大气中的浓度一般为300～400 ppm， 但地壳断层带中可高达几千～几万， 乃至几十万个ppm。 这种浓度上的显著差异， 保证断层气受地表环境下的气象水文等干扰少而弱， 作为地震前兆异常时其信噪比一般都较高。 断层气的这种特征， 为作为地震前兆观测对象提供了特别的优势。

断层气的又一个特点是与断层的现今活动性关系密切。 现有的资料表明， 活动断层中释放的气体浓度较不活动断层中明显高， 断层活动时段释放的气体浓度较不活动时段明显高， 断层活动强烈的地段与时段上释放的气体浓度更高[8]。 据日本学者胁田宏、 杉崎隆一等的研究[9]， 断层带不仅是深部气体释放的通道， 而且H2还可以是断层活动的产物， 当断层活动压碎了岩石时， 其中硅酸盐矿物中的Si-O-Si键遭破坏并产生Si与Si-O自由基， 此时有水(H2O)作用时将发生Si+2H2O→SiO2+2H2↑化学反应， 从而释放出H2。

由此可见， 断层气H2异常升高， 很可能是断层活动的重要而直接的标志。 地震的发生与断层活动密切相关， 那么断层气观测有可能能有效地捕捉到地震活动的前兆异常。

由于断层气观测的上述优势， 国内外有些学者们一直关注断层气观测在地震前兆监测中的应用[9-14]。 初步的探索结果， 不仅取得了一些震例， 而且取得一致认识， 即断层气异常不仅映震灵敏性高而且其短临前兆性明显， 信噪比很高。 这些优点， 其他前兆异常是难以媲美的。

依林元武等[12]1991—1998年间在河北怀来后郝窑断层气CO2观测结果， 7年间获得了10次MS4.5～6.4震例， 映震距为20～500 km， 异常出现的时间为震前为十几～几十天， 异常的幅度较正常起伏度高几～十几倍。 显然， 利用这样的异常， 实现地震的短临预测是有希望的。

然而， 断层气观测一直处于试验研究阶段， 未能在全国得到有效的推广与应用， 其主要原因是我国未能发展出适合于台站连续观测的仪器。 近年来断层气观测技术有了显著的进步， 已研发出一批适用于台站连续观测的仪器， 而且正在实现实用化与工程化， 有望一二年内多数测项的仪器将成熟， 可批量生产并大规模推广应用。 断层气成网观测， 已具备了技术条件。

3 断层气成网观测的初步设想

3.1 断层气成网观测的科学目标

断层气成网观测的目标是在未来发生破坏性地震的地区内有效地捕捉到源兆， 为实现地震短临预测提供有效的科学依据。

源兆， 指来自正在孕育地震的震源体中的异常信息。 这类前兆异常应集中出现在未来震中区， 且随震中距的增大而减弱； 异常形态及其变化要符合一定的理论模式， 如DD模式[15]、 IPE模式[16]。 这类前兆异常是实现科学的地震预测所必需的。 例如， 在1974年2月海城MS7.2地震前， 在震中外围几十千米范围内的多口水位观测井中， 看到了井水位“缓慢下降—加速下降—转折回升”的异常过程， 为成功的短临预测决策提供了重要依据。 在1976年7月唐山MS7.8地震震中外围150 km范围内的十多口水位观测井中， 也曾记录到了类似的异常及其过程， 使个别学者震前意识到了发震的危险性。 理论与实践都表明， 在未来震中外围一定范围内出现一批空间分布上有集中性， 形态与时间变化过程有一定一致性的源兆异常， 是地震的“必需”信息。

断层气成网观测的科学目标， 无疑是要捕捉到这类源兆异常。 要捕捉到这类异常， 则对布网区的选择、 网点的布设、 观测点的建设与观测仪器的选型等方面， 要做到有理有据， 要科学化。

3.2 成网观测区的选择

断层气观测网的布设区， 应与全国地下流体观测网的布设区有所不同， 后者可考虑在全国各省、 市、 自治区布网， 而前者应布设在我国主要地震区(带)内[17]。

我国共划分出5个地震区24个地震带77个地震构造区[17]。 显然， 每个地震带或地震构造区的空间尺度很大， 因此尚不能作为布设断层气观测网的依据， 因而还需要在区域上进一步细化。 细化的原则是区、 带内进一步划分出潜在震源区， 即未来可能发生破坏性地震的震源所在地区。 然而， 目前已细分出的潜在震源区多达1000多个， 其规模大小不一， 大者长达几百千米， 乃至上千千米， 宽则可达上百千米[17]， 断层气观测网也不可能建设这么多这么大， 显然仍需要进一步细化。 这个层次上的细化， 则要依据各地防震减灾任务而定， 把断层气观测网布设在一二十个不仅发生破坏性地震的概率大， 而且人口相对密度大、 社会经济相对发达的地区。 在这样的地区， 应选择第四纪活动断层上布网[18]， 尤其是在其闭锁段上布网。 每个布网区的规模， 宜控制在长100～300 km， 宽100 km的范围内。

3.3 网内的测点密度与布局

因为断层气观测网的建设目标是捕捉源兆， 因此， 测点的密度必须考虑源兆的显现尺度。

源兆的显现尺度， 前人已做过一些研究[19]。 其基本结果是源兆的显现尺度(R)， 首先是与孕育地震的断层长度(L)有关， 其次是与未来发生的地震强度(M)有关， 一般的关系式为R=(2～3)L， logL=aM-b， 其中a与b为统计系数，a多为0.5～1.0，b多为 0.3～3.0。 郭增建等[20]根据中国大陆地震的研究给出了M与R的关系(表1)。

表1 中国大陆不同震级(MS)与该地震源兆显现区尺度(R)的关系

MS5．05．56．06．57．07．5R/km13264785151273

断层气观测网中测点间的间距要小于表1中给出的源兆显现区的尺度。 例如， 未来要捕捉MS6.0地震的源兆， 那么网中测点距应小于47 km(大体上可认为小于50 km)， 要捕捉MS5.0地震的源兆就要加密到至少13 km要设一个测点等等。

测点可沿未来发震断裂带及其两侧呈三角形或正方形布局。 即， 测点可沿主干断裂呈一条线， 主干断裂两侧再布两条线， 每条线上的点， 可按表1点间距布设， 这样若干点构成正方形或三角形图形， 可确保布网区内发生一定震级的地震时可捕捉3～4个源兆异常信息。

按着这样的思想， 在100 km×300 km范围内捕捉到6.0级强震的源兆为目标布网时， 需建约20个测点。 显然， 测点的数量随监测区的大小与震级的大小而不同， 同样大小监测区内若以捕捉5.0级地震的源兆为目标时， 测点数要达到150个， 若以捕捉7.0级地震的源兆为目标时， 测点数仅需6个等等。

3.4 测点建设

测点建设是确保断层气观测网有效地捕捉到源兆的重要条件之一。 测点建设的关键环节有两个， 一个是正确地选点， 另一个是合理建观测孔。

3.4.1 断层气观测点的选定

断层气观测点必须选在活动断裂带及其两侧。 测点首先应位于断层破碎带上， 在第四系覆盖层发育区难以准确布设在破碎带上时， 也必须使测点尽可能靠近断层破碎带， 倾角较大时测点距主断层面的水平距离应小于50 m， 倾角较小时要小于100 m。 但必须注意， 不宜把测点选在断层泥等不透气物质发育的挤压断层面上。

测点重点选在断层的上盘或断层活动的主动盘上。

测点最好位于基岩地区， 特别是结晶岩发育地区。 当然， 岩石出露条件不好的地区也可开展断层气观测， 非结晶岩裸露地区， 甚至没有基岩裸露的第四系覆盖区(断裂隐伏区)也可设点， 自然观测的效果可能受到一定影响。

测点的选择， 最好先做流动测线探测， 找到释放气体浓度最高的部位， 作为优选的测点。

3.4.2 断层气观测孔的选择

断层气观测孔的建设， 必须遵守两条基本原则： 一是孔底不积水， 二是孔内聚集最多的新鲜气体。

孔底不积水， 则要求孔深要设计得合理， 孔底一定要高于当地最高潜水面， 即全孔处在包气带内。 在寒冷地区， 集气管段宜设在冻土层之下。

孔内要聚集最多的新鲜气体， 则要求观测孔的结构设计要合理。 一般的观测孔分上、 下两部分： 下部分为集气管段(可称集气腔)， 即断层带释放出的气体聚集在其中； 上部分为引气管段， 把集气腔中聚集的新鲜气体及时送到仪器中去的管段。

引气管段中， 一般孔内设引气管， 引气管的下端设利于聚气并引气用的倒三角形的漏斗。 把漏斗的上端接引气管， 其开大口的下端接集气腔。 引气段(外管)的直径一般可为100～200 mm， 引气管(内管)直径一般为10～30 mm， 材质多为PVC工程塑料管。 引气管段的直径， 可根据测项多少选择合理的大小。 引气段管外与围岩之间的环状间隙， 一定要用弱透气材料如黏土、 水泥等填死。

集气管段， 一般用直径与引气管段相同的PVC管， 不过管上要打一定数量的直径10～20 mm的透气孔， 孔可等边三角形分布， 确保断层带上释放出的气体尽可能多地聚集到集气腔中。 集气段管与外围岩土间的环状间隙中充填透气性良好的碎石、 砾石等， 确保断层带释放出的气体全部顺利地进入集气腔内。

引气管段的上端(出露于地面以上)， 要设孔盖， 防止大气进入观测孔中。

3.5 测项与观测仪器

从理论上来讲， 任何由断层带释放出来的气体都可作为断层气观测的项目， 但从现有震例与观测技术考虑， 目前可选的测项有H2、 CO2、 Rn、 Hg， 尤其是可把H2作为首选的测项。

氢(H2)是化学周期表中原子序数为第一的化学元素， 其原子质量最轻(1.0079)， 半径最小(0.046 nm)， 粘滞性很小(83.5×10-6Pa)， 分子运动速度最快(0℃下可达1.09 km/s)， 大气中浓度(0.5～1.0 ppm)与地壳中浓度差异显著， 特别是断裂错动的直接产物。 这样的特点决定了其映震性能可能最强， 自然可作为断层气观测的首选测项[21]。

从以往的观测技术来看， H2浓度观测， 主要依赖于质谱仪， 这种观测技术复杂， 不宜在台站广泛推广应用； 后来研发的自动测氢仪， 不仅其检出限低(浓度大)， 观测精度与长期稳定性等技术指标不满足连续高精度氢气观测的需求； 近几年， 杭州超距科技有限公司(Addtech)研发的ATG-6118H型痕量氢在线自动分析仪(简称测氢仪)不仅检出限高(5×10-9L)， 观测精度高， 而且长期稳定性好， 测量范围大(0.05～1000 μL/L)， 适合于在台站作为地震前兆观测仪器推广应用。

二氧化碳(CO2)也是映震较灵敏的气体， 其大气中的浓度相对稳定(300～400 ppm)， 且断层带释放出的气体浓度值明显偏大， 加上断层带CO2的夏高冬低的年变规律清楚等特点， 利于异常的识别。 CO2的观测， 以往主要依赖质谱计与CO2测定管。 前者技术复杂， 不宜台站推广应用， 后者只能定时测定每日的累计释放量， 且受人工操作的影响较大。 近几年， 多家厂商都在研发适用于台站连续自动观测用的仪器， 目前趋于成熟的仪器有河北科技大学研发的RZW-3A型二氧化碳测量仪， 此外， 杭州超距科技有限公司与吉林大学等单位也正在研发新型高精度大量程二氧化碳测量仪。 这些仪器都有望一二年内得到实用化。

氡(Rn)与汞(Hg)是地震地下流体观测的传统测项， 经数字化之后已在全国台网的地下水逸出气观测中得到一定规模的推广应用。 现有的SD-3A型数字测氡仪与RG-BQZ型数字测汞仪， 也可用于断层气观测， 但这些仪器多已老化， 缺乏后期技术服务。 针对这种情况， 南昌贝谷科技有限公司(Begood)成功研发出BG-2015R型测氡仪， 杭州超距科技有限公司已成功研发并开始推广应用ATG-6138M型测汞仪， 这类新研发出的仪器为把测氡测汞技术应用到断层气观测提供了技术保障。

综上所述， 断层气成网观测的技术已趋于成熟， 有望在未来的断层气观测网中开展有规模的H2、 CO2、 Rn、 Hg等测项的观测。

3.6 观测模式

断层气观测网中可选用定点连续观测与定点定时流动观测相结合的观测模式， 以定点连续观测为主。 定点连续观测， 根据各地的实际情况， 尤其是根据经费投入， 可采用由少到多的发展模式， 统一规划下选若干个固定连续观测点， 然后根据震情变化与经费投入逐年增加观测点数量， 最终实现完全满足捕捉一定震级源兆的观测需求。 定点定时流动观测， 指在建好的固定观测点上定期流动观测， 其数量随定点连续观测点数量的增多可逐年减少。 然而， 当震情紧急时也可在原规划的网内可加建临时观测点， 提高观测网密度， 把拟监测的地震震级降低。 当然， 在一个观测网中， 无论是定点连续观测点还是定点定时流动观测点的数量， 依需求与能力及观测效果等可随时做调整， 不仅可增加， 也可以减少。

一个观测孔中的观测项目可多可少， 一般以2～3项为宜。 当然， 必要时进行辅助测项的观测， 如集气腔内温度与湿度观测等。

4 认识与讨论

通过上述思考， 提出如下几点认识：

(1) 我国现有的地震地下流体观测台网， 虽在地震监测与预测实践中发挥着重要作用， 但其地震前兆捕捉能力低， 且捕捉到的异常多属于场兆， 很难为地震三要素预测提供有效的依据。

(2) 断层气具有质量轻， 迁移能力强， 映震灵敏， 特别是其异常多属短临异常， 因此， 可作为突破地震短临预测科学难关的测项， 有必要进行成网观测。

(3) 断层气成网观测的科学目标是捕捉源兆， 探索地震短临预测的新途径， 提升我国地震预测与防震减灾的能力。

(4) 断层气观测网布设在未来地震危险区内， 观测点应布设在孕震断裂带上， 观测点的密度要依监测的地震强度而定， 如6级地震的源兆监测区观测点间距可控制在50 km左右。

(5) 观测孔的设计与施工， 应结合观测区的地质与水文地质条件， 要合理、 科学。

(6) 观测项目可选H2、 CO2、 Rn、 Hg， 以H2为首选测项。

(7) 观测模式可遵循一孔多项观测及定点连续观测与定点定时流动观测相结合的方式。

断层气观测， 尚处于试验观测与研究阶段， 上述认识仅依现有理论与实践而提出， 难免具有一定的局限性， 尚需进一步检验、 修正与完善。

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A thought on the establishment of the fault gas monitoring network——Further discussion on searching new approaches to the short/imminent earthquake prediction

Che Yongtai1)， Yu Jinzi1)， Chen Qifeng2)， Deng Yang3)， Li Jiye3)

1) Institute of Geology， China Earthquake Administration， Beijing 100029 ， China 2) Liaocheng Water Chemistry Station， Earthquake Administration of Shandong Province，Shandong Liaocheng 252000， China 3) Seismic Monitoring Centre， Earthquake Administration of Heilongjiang Province，Harbin 150090， China

China has the largest and first class seismic subsurface fluid monitoring network in terms of the monitoring effectiveness in the world. However， the results of the seismic monitoring in the past decades indicated that its monitoring effectiveness is very limited. Majority of the precursors recorded belong to field precursors which were caused by the regional tectonic activities during the seismogeny of the earthquake. Very few of them are source precursors which come directly from the epicenter of the earthquake. Therefore， it is very difficult to use this monitoring network to make an accurate and meaningful prediction of the three key elements of the earthquake. In light of the current situation， the author proposes to continue to adjust， improve and optimize the existing monitoring network， at the meantime， to establish a new fault gas monitoring network. The paper further discusses the objective， layout， locations， test hole constructions， parameter and equipment selections and monitoring models of the monitoring network， and provides some specific suggestions.

fault gas; monitoring network; short/imminent earthquake rediction

2016-07-18； 采用日期： 2016-08-09。

P315.7；

A；

10.3969/j.issn.0235-4975.2016.12.004

※通讯作者： 车用太， e-mail: che@ies.ac.cn。