松原5.7级地震震中区土壤氢气变化特征

康健 肖宁 高小其 张思萌 王健宇 张磊

1）黑龙江省地震局，哈尔滨 150090

2）中国地震局地壳应力研究所地壳动力学重点实验室，北京 100085

0 引言

氢气作为断裂带释放的主要气体成分之一，具有迁移速度快和穿透力强的特点，能够对构造活动产生快速响应（张培仁等，1993；周晓成等，2017；Fang et al，2018；Wakita et al，1980），被认为是探索短临地震前兆异常的突破性手段之一（刘耀炜等，2006；车用太，2015；高小其等，2017）。近年来随着测氢技术的发展，我国在断层氢气研究领域取得了重要进展，已建立起断层氢气观测点的勘选、建设方法（柯云龙等，2018），并观测到了诸如汶川科学钻探2号孔和山西夏县、新疆阿克苏断层氢气在震前短期内的浓度突升异常变化现象（范雪芳等，2016；张涛等，2016；张彬等，2018；向阳等，2018）。断层氢气同时被广泛应用于跨断层土壤气测量中，以识别断层位置和判定断层活动状态（马兴全等，2017；李源等，2018；阚宝祥等，2018）。以上研究结果丰富了对于断层氢气与构造活动间关系的认识。

近几年吉林省松原地区中小地震频发，2013年以来该地区发生了6次5级以上地震，其中，2018年5月28日在松原宁江区发生5.7级地震。该地区是进行地震学研究的理想场地，运用地球化学探测方法对该地区氢气进行连续高精度观测，有助于了解地下流体变化与地震活动的机理，具有较高的地震分析预测与科学研究价值。本文作者在松原5.7级地震震后第一时间赶赴现场开展考察工作，对震中区进行氢气观测，获取了宝贵的震时第一时间资料以及震后加密观测资料。结合前人相关研究结果，尝试了解该地区是否存在与地震及断裂活动相伴的地球排气作用。本文拟通过对震中区乃至扶余-肇东断裂上土壤氢气浓度实地测量获取相关的地球化学参量，以分析震前、震后土壤氢气地球化学特征及其成因以及余震对氢浓度的影响。

1 区域概况

松原地区属中温带大陆性季风气候区，年平均气温4.5℃左右。春季干旱少雨，升温较快；夏季炎热，降水集中；秋季凉爽，少雨；冬季寒冷干燥。区域上属于松辽盆地松花江冲积平原，第四系覆盖层厚度为80～150m。

研究区域主要分布NE向的扶余-肇东断裂和NW向的第二松花江断裂（图1）。扶余-肇东断裂是松原地区的主要发震构造，断裂位于松辽盆地中部，北起肇东，经扶余至怀德杨大城子一带，为松辽断块沉降带内次一级构造单元的分界线。根据中石化地震勘探反射资料（尉洋等，2016），扶余-肇东断裂对基底埋深有明显的控制作用，断裂西侧为中央凹陷带，东侧为东南隆起区，断裂大致位于基底等深线的陡变带上。扶余-肇东断裂南段地震多发，该段在吉林省境内由3条断裂组成（邵博等，2016）：北段为大洼-薄荷台断裂，中段为扶余北断裂，南段为查干花断裂（图1）。据松原活断层探测结果（万永魁等，2016）、余震分布图、震源机制解和地震烈度调查综合分析，扶余北断裂是此次5.7级地震的发震构造。该地区地震活动非常频繁，2017年7月3日松原市宁江区发生4.9级地震；2018年3月5日宁江区发生4.2级地震；2018年5月28日宁江区发生5.7级地震，震中区最高烈度达Ⅶ度，之后数月余震不断，其中，震级较大的余震有8月12日3.2级、9月15日4.5级地震。

图1 2018年5月28日宁江5.7级地震烈度图

2 测试与方法

本次观测是在2018年5月28日宁江5.7级地震后针对烈度Ⅶ度区进行的。分别在震中区的高家窝堡、东渠（高家窝堡东）、姜家村和复兴村东等4个观测点进行土壤中氢气调查（图1）。每个观测点取5个样本，共测量4～5期。除了高家窝堡第1期是在震前几个月观测的以外，其余均是在震后观测的，观测日期见表1。

表1 氢气观测数据

观测仪器为便携式氢气分析仪（ATG-300H），标定后空气检测值一般为0.5×10-6。测量时在土壤中打1个观测孔，孔径约3cm，孔深80cm。先将取样器（麻花钻）吸气端插入孔中并封住气孔，然后用软管将取样器排气端与仪器相连，并启动仪器开始观测，读取最高值。为了减少非构造因素的影响，观测时选同一土质条件的场地进行多次观测。场地条件如下：高家窝堡测点，0～80cm，全新世冲积，中砂稍密，一期有冻土层；东渠测点，0～80cm，全新世冲积，粉砂土密实，局部有黏土夹层；姜家村测点，0～80cm，全新世冲积，黏土含砂稍松；复兴村东测点，0～80cm，全新世冲积，细砂，局部黏土含砂。

3 结果

3.1 数据

经过震后多期观测得到了震中区氢气浓度的最大值、平均值、背景值等（表1）。背景值一般可以体现研究区域客观氢气浓度值，文中采用各测点浓度值的几何平均值，这种方法能弱化极端数值对整个数据的影响，从而更为真实地反映1组数据的整体水平。计算公式为

式中，G为观测点所有样本几何平均值；x1为观测点第1个样本；n为观测点样本个数。

通过计算验证发现，几何平均值计算的结果与取对数均值的结果一致。整体数据见表1。

除了高家窝堡测点第1期数据以外，其余数据皆在2018年5月28日松原5.7级地震发生当天至震后2个月内测得。以高家窝堡测点为例数据如下：5月28日地震发生几个小时后测得氢气浓度背景值最低，仅为1.7×10-6，6月1日背景值为10.1×10-6，氢气浓度几乎为地震当天的6倍；1个月后，即7月3日测得氢气浓度背景值为7.8×10-6，数值稍有降低；2个月后，即8月7日测得氢气浓度背景值为23.9×10-6，氢气浓度在此阶段又迅速上升。随后8月12日震中区发生的3.2级地震震中距姜家村测点仅500m，而恰恰这次余震前姜家村测点的氢气浓度变化幅度最大。第4期时该测点背景值为85.6×10-6，到了第5期很快跃升至738.0×10-6，而其他3个观测点也都呈现出类似特征，具体见表1。

值得注意的是6月1日的观测，观测点检测到空气中氢气浓度高于正常背景值（0.5×10-6），其中，高家窝堡测点氢气浓度为1.0×10-6～2.0×10-6；东渠测点为1.0×10-6～2.0×10-6；姜家村测点为4.0×10-6～5.0×10-6；复兴村东测点为1.0×10-6～3.0×10-6。这种现象以姜家村测点为最，空气中一直可检测到氢气且其浓度稳定，而姜家村测点正是5月31日3.6级余震的震中（图1）。

3.2 土壤氢气变化特征

地震发生后氢气浓度并没有立即升高，而是在震后1～3天开始呈现升高现象，浓度迅速增加，甚至在空气中也监测到氢气浓度明显增加。随后1个月内变化较为平缓，震后第2个月浓度又迅速窜升，个别观测点浓度甚至呈指数式增长，几天后便发生了3.2级余震，震后第3个月又发生了4.5级地震。由图2可见，震后余震不断，地震活动一直在持续。氢气浓度大致经历“低值平稳（地震发生前）—升高（5.7级地震发生后1～3天）—高值平稳—再升高（3.2级余震发生前）”的过程（图3）。

图2 松原5.7级地震主震及余震M-t分布

图3 地震对震中区土壤氢气浓度的影响

2018年5月28日松原5.7级地震后，在同一条断裂的东北方向距震中50多km的肇源县薄荷台乡氢气浓度也出现类似变化，薄荷台测线主要用来跟踪监视扶余-肇东断裂南段。该测线共15个测点，从2016年开始定点定期观测，一直持续至今，共完成了11期观测（图4）。由图4可见，2018年氢气浓度背景值比2017年同期高出较多；地震发生前2天（5月26日）该测线氢气浓度背景值还处于相对较低的水平，无论同比还是环比都较低。震后，6月1日震中区氢气浓度开始升高，而薄荷台测线在6月2日浓度仍未有反映，直到7月4日氢气浓度开始增加，再到8月6日所测得背景值为最高，此时与震中区的趋势性变化基本一致。震后氢气浓度变化比震中区稍有延迟，氢气释放量也小于震中区，这可能与震中距和地震动强度有关。

图4 扶余-肇东断裂薄荷台乡测线不同期次氢气浓度背景值

4 土壤氢气异常机理分析

高家窝堡测点第1期氢气浓度非常高，经分析是由冻土层造成的。3月的黑龙江地区正处在由寒转暖的阶段，但冻土层并未开化，依然存在。在冬季有些地方土壤气浓度极高，这与冻土层有直接关系。多年观测发现在干旱地区，土壤湿度非常低，且不具备形成连续、完整、较厚冻层的地方，土壤气浓度并无明显变化；相反，在降水量较多地区，土壤湿度大、透水性差的黏性土中，易形成连续、完整、较厚的冻土层，土壤气浓度与其他季节相比显著增高。这一现象在冻土开化季节尤为明显，在山阳坡没有冻土层的地方土壤气浓度正常，在山阴处冻土层未开化的地方数值极高。分析认为冻土层会形成一个密闭的封盖，减缓了地下气体逸出的速度，不断积累滞留土壤气会使浓度极大的增高，这一现象在高寒地区普遍存在。

湿度对土壤气体的浓度有一定影响，尤其在雨季。从2018年5月末以来包括震中区在内的黑龙江、吉林地区降水量异常多，6、7、8月为当地雨季，降雨量最为集中。观测时土壤湿度相差不大，6、7、8月的平均温度为20～22℃，其对土壤氢气浓度的影响微乎其微，在此期间观测可以排除湿度和温度因素，故震后土壤气浓度的迅速升高可以确定是由地震构造因素所致。

地震发生前后震中区氢浓度变化很大，形成了阶梯式上升曲线（图3）。震后氢浓度没有随时间呈线性上升，而是与余震有较好的对应关系。此次松原5.7级地震氢浓度在主震前反映小，余震前反映大，探究其原因如下：此次地震属于“主震-余震”型，这种地震是突发式的，地震前异常有时并不明显。许多地震震前存在平静现象，马胜利等（2004）认为大地震前断层的“蠕滑-匀阻化”过程是造成震前活动平静的可能机制。很多地震在震前地壳形变活动并不明显，2008年汶川8.0级地震、2011年日本“3·11”大地震等震前形变都比较平稳（陆明勇等，2014）。随着地应力不断积累，地下介质将逐渐由弹性变为塑性，应力逐渐变大，应变在逐渐变小，直至介质破裂临界点。在这个过程中氢气的释放量也由多变少（杜建国，2000），甚至有可能在临震前氢气浓度是下降的，而这一现象在薄荷台测线即有所体现（图4）。1981年日本大野地震群及1976年宁河6.9级、1991年忻州5.1级、1991年大同5.8级等地震也都出现了氢气浓度临震前下降、震后升高的特点（Sugisaki，1984；高清武，1992；车用太等，2015）。此次地震呈现“震前升高—临震下降—震后骤升”现象，这不是每次地震都如此，或许与地震发生机制的不同有关。

此次地震在相隔50km且同在扶余-肇东断裂带上的2个观测点在地震时出现了共同特征，即主震发生时土壤氢气并未立刻上升，余震发生时却有迅速上升之势。浓度高不一定就对应震级大，也可能与氢气在地下的迁移距离和迁移速率不同引起的，迁移速率与地下介质有关（Sugisaki，1984）。地震刚发生时，地下深部气体开始向上运移是需要有个时间过程，造成的影响还没有立刻体现出来。主震对氢气浓度上升起到主要贡献，而余震起到诱发作用，将滞留在地下岩石裂隙的气体更快的释放出去。主震发生时地下断层气浓度骤增，一部分气体上逸，仍有大量气体滞留在岩石和裂隙中，而这种状态并不稳定且非常敏感，稍有震动便会大量上逸，也可以理解为余震是将主震积累的气体加速释放了，变化特征见模型图（图5）。这也解释了为什么主震前氢气浓度未见变化甚至降低，而主震后的余震却使浓度显著升高。

5 结论与讨论

2018年5月28日松原5.7级地震后在震中区经过多期定点观测，并结合黑龙江省地震局震情跟踪项目（2016～2018年）针对扶余-肇东断裂完成的地震前后观测数据，得到以下几点认识：

（1）土壤氢气浓度一年四季皆有变化，在冬季较厚冻土层有封闭作用，致使氢气浓度升高。

（2）土壤氢气浓度有“震前1～3个月缓慢升高—临震下降—震后迅速升高—强余震前再次骤升”现象；震后第5天，伴随强余震的发生，在震中区空气中检测到氢气浓度有升高现象，这可能与断层中氢气逸散到大气有一定关系。

（3）氢气映震效果明显，震后氢气浓度整体偏高，且随余震变化波动明显，可见断层气浓度变化与地震活动间存在着密切联系；余震对氢浓度变化更为灵敏，大的余震发生前存在氢气浓度大幅骤升现象。

特别要强调的是，震前由于观测时间较短，测点较少，氢气浓度的变化情况可能不全面，不能表明震前没有异常。结论中关于震前异常特征分析是借助于震中附近1个观测点的数据进行综合分析的。本次工作属于流动观测的加密测量，数据量尚可但仍缺乏连续观测数据，对地球化学特征变化的精度控制是有限的，因此需对该地区进行连续观测长期研究才能更好了解土壤氢气浓度与地震构造活动间的关系。

致谢：本文得到刘耀炜研究员的悉心指导，审稿专家提出了宝贵意见，中国地震局工程力学研究所李兆炎副研究员、张浩宇副研究员和肇东地震局宋朝阳工程师在样品采集过程中给予大力协助，在此表示衷心的感谢。