浅析痕量氢观测台站建设要点——以临汾市痕量氢观测台站建设为例

张凯靖，张 梅，宋春阳

(临汾市防震减灾中心,山西 临汾 041000)

0 引言

断裂带H2观测及其与地震活动的关系研究已有40多年的历史[1-3]，氢作为化学元素中的第一个元素，具有粒子半径最小，质量最轻，迁移速度最快，穿透力很强等优越性，而且在地壳中分布广泛，尤其是集中分布并释放于断裂带中，与地震活动的关系十分密切[4-5]。近年来的研究表明，氢气观测具有异常幅度大、震前异常时间短、短临特征显著等特点，是断层气观测的首选项[6],现已开始运用于地震前兆观测，并取得一定的成果[7-9]。

临汾市防震减灾中心为监控盆地内断层活动，捕捉有效地震前兆异常，2017年在洪洞县建成1处痕量氢观测台站，2018年在有活断层的侯马市、曲沃县各建成1处痕量氢观测台站，2019年在洪洞广胜寺镇、尧都区龙祠镇和尧都区的南乔村各建成1处痕量氢观测台站。目前，临汾市已拥有6个断层气观测站(见表1)，形成规模观测网，为捕捉临汾盆地的地震异常信息提供有利的观测数据，也为山西中南部震情跟踪提供可靠的数据支持。该文旨在对选址和设备运行过程中存在的问题、取得的经验和做法进行探讨，为今后进行痕量氢观测技术的大范围推广提供参考。

1 临汾盆地概况

临汾盆地位于灵石隆起南，峨嵋隆起北。东西与霍山、罗云山水平相接，为一南宽北窄，总体走向为北北东向的不规则梯形。主要由辛置凸起、洪洞凹陷、临汾凹陷、浮山凸起、襄汾凸起和侯马凹陷6个构造单元组成，地质构造复杂，境内包括霍山山前断裂、罗云山山前断裂、大阳断裂和浮山断裂等一系列活动断裂(见第48页图1[10])。其中霍山断裂为1303年洪洞8级地震的发震断裂。临汾盆地的地震活动在山西带各断陷盆地中居首位，曾发生M5以上地震15次，其中8级地震1次，7.0～7.9级地震1次，6.0～6.9级地震3次，5.0～5.9级地震10次。

表1 临汾市痕量氢台站基本信息Table 1 Basic information of trace hydrogen stations in Linfen city

2 痕量氢观测原理简介

在岩石形成及地壳运动过程中，由地壳深部上涌气体的一部分被封存在与外界隔绝的岩石孔隙、裂隙中。在地震孕育、发展、发生的过程中，由于地壳应力的作用，可导致岩石产生微破裂或已经闭合的旧裂隙重新开启，新旧裂隙可能相互沟通，封存于其间的氢气由压力大的深部向压力小的地表迅速迁移，使地下水(可能还有土壤气)中的氢气含量出现异常升高变化[4-6]。

图1 临汾盆地构造及痕量氢台站位置图Fig.1 Structure and location of trace hydrogen stations in Linfen basin

杭州超距科技有限公司研制的ATG-6118H痕量氢在线自动分析仪采用钯合金及多元传感技术，利用微电子制造工艺研制成功的高灵敏薄膜氢传感器进行痕量氢气分析。该设备由传感监测、中央控制、信息处理、网络通讯、设备状态检测等模块组成。其技术核心是传感监测模块，该模块采用基于微化学的传感器新技术，通过自行研发的数字流量控制器进行精密载气流量控制，以空气作为载气，经净化，送入定量控制装置，后进入分离装置，再到氢气传感器，实现响应速度快，检测精度高，维护工作量小与高可靠性[4]。该设备具有较好的稳定性[11-13]，被地震系统广泛使用。

3 台站建设过程中存在的问题及解决措施

3.1 建台相关依据

2017-2019年，临汾市防震减灾中心对7个县(市、区)的9个台站进行勘选。目前，因痕量氢观测台站的建设未有相关的标准可遵循，所以台站的选址参照《地震前兆数字观测技术规范》中气氡、气汞等断层气观测技术的相关要求开展[14]。其中，断层土壤氢气测量采用杭州超距公司生产的ATG-300H便携式测氢仪，采样方式为野外现场采样，使用钢钎打孔约80～100 cm，抽出钢钎，迅速将麻花钻钻入，将气管置于麻花钻内抽取气体进行测量。鉴于不同地域内断层土壤氢气的逸出特征不同，考虑在不同区域选址时，将土壤氢相对测值最大的测点作为最终台址。

3.2 台址的选取

(1) 选择在断层明显的地质构造区。

在侯马市选址时，重点是沿峨嵋台地北缘进行筛选，主要有三条测线。第一条测线位于凤城乡河东村，峨嵋台地北缘断裂西段隐伏断层上，该测线从山前开始测量，每10 m一个测点，共9个测点(见第49页表2)。从表2的测值看出，测点5为该测线的最大测量值点，氢气浓度为317.301 ppm，测量场地为刚灌溉过的农田，受土壤中水分的影响，实际氢气浓度要比测量浓度低，考虑该地用地性质和农田灌溉水的影响，重新选择第二条和第三条测线。

第二条测线位于侯马市东阳村，该村有明显断层破碎带，在破碎带附近不同点位测5组数据。从 第49页表3看出，第4个点位数据最大，测值为237.445 ppm。

沿第二条测线点位向西到东南张村，该点位于峨嵋台地北缘断裂中段西部断层破碎带附近，断裂错断地表上更新世地层，选定的测线设于黄土台地前缘，南高北低，向北略微倾斜，呈阶梯状下降。在该地测量了第三组数据，共测量9个点位的氢浓度数据，每个点位间距3.5 m，在每个点位分别读取3～4次读数，取最大值为该点的最终氢浓度结果(见第49页表4)。最终结果表明，该点位氢浓度比较高，3号点氢浓度值为1 346 ppm，4号点高达1 638 ppm(见图2)。其土壤氢气浓度最高值是测点1最高值的5.2倍，是测点2最高值的6.7倍。

表2 侯马市第一条测线氢浓度测值Table 2 Measured value of hydrogen concentration of the first measuring line in Houma city

表3 侯马市第二条测线氢浓度测值Table 3 Measured value of hydrogen concentration of the second measuring line in Houma city

表4 侯马市第三条测线氢浓度测值Table 4 Measured values of hydrogen concentration of the third measuring line in Houma city

由于该处是峨嵋台地北缘断裂中段(谭家庄子至南柳段)，断裂错达地表，断层活动强烈，全新世晚期以来断层有过活动，且在晚更新世中期至全新世晚期发生过3次古地震，该断裂中段为全新世发震断裂，因此将东南张村4号点确定为侯马市痕量氢台站观测点。

上述三条测线的选择及测量结果表明，台站选址时，首先考虑在断层破碎带或断层明显的位置进行测量，其结果比隐伏断层附近的更符合要求。

(2) 选择在远离河道的断层区。

在洪洞县广胜寺镇建台的目的是监测霍山山前断裂地震前兆，对霍山山前断裂分布出露情况、断裂活动性、场址地形地貌等场地地震地质条件等进行初步勘选后，确定曹生村为最佳台址。曹生村处于霍山山前断裂的苏堡-广胜寺段，山前黄土台地前缘的冲洪积倾斜平原后缘，断裂出露长度8.2 km，走向NNE转为NE45°～50°，是临汾盆地洪洞凹陷与盆地边缘丘陵台地间的地貌分界，性质为张性倾滑。该地处于河岸东一级阶地，地形东部略高，向西部略微倾斜，场地地形平坦开阔，海拔高程526 m左右。

图2 侯马市三条测线氢浓度最高测值Fig.2 The highest measured value of hydrogen concentration in three measuring lines in Houma city

在该村垂直断裂的四个场地布设四条土壤痕量氢观测线，每条测线根据初始测量值的高低确定测点的数量。1～3号测线场地位于黄土台地西部，4号测线场地布设于黄土台地前缘与冲洪积倾斜平原接触带，该地处于洪安涧河岸东一级阶地，地形东部略高，向西部略微倾斜，场地地形平坦开阔，海拔高程526 m左右。

第1～4号场地土壤氢气测试最高值分别为195 ppm、155 ppm、10 ppm、414 ppm(见图3)，场地4的测值最高，初步确定第4号场地为台站建设点。

图3 洪洞县广胜寺镇布设测线的氢气浓度测量值Fig.3 Measured values of hydrogen concentration in Guangshengsi Town, Hongdong county

在台站开工建设时，遇到打钻孔两米左右就出水的情况，根据车用太等提出的断层气观测孔的孔底不能积水建设原则[6]，台站不能在此地建设，需更换场地。经过对比，选择条件成熟的2号场地作为台址。通过分析认为，在河流一级阶地建设痕量氢观测台站无法保证观测钻孔的出水情况，台站选址时应避免在此区域进行勘选。

3.3 台站周边环境

台站周边环境，如大型施工等，也会对台站的观测结果造成影响。2017年，洪洞县地震局在该县气象局附近建设了一处痕量氢观测台站，选址时的土壤氢气观测数据符合选台要求，开始观测初期，数据平稳，固体潮清晰，观测背景值在1.0～2.0 ppm/L之间变化。但近两年的观测数据变化较大，如，2018年8月11日-14日、8月24日-31日、10月7日-15日，都出现较大浮动，变化幅度约4 ppm左右(见图4)。

经核实，在上述氢含量变化较大的时段，该台站附近有推土机施工和天然气管道施工。经过与设备厂家和山西省地震局地下流体学科组专家交流沟通，分析认为：周边施工产生的振动引起台站地下土壤的松动，使土壤裂隙加大，加速了地下土壤氢气的逸出，导致该时段氢浓度加大，测值变大。因周边施工的影响，台站观测数据不能客观反映该地地下氢气的变化情况，无法及时捕捉地震前兆异常。之后，洪洞县地震局考虑该台站的搬迁问题。

图4 洪洞痕量氢观测站整点值观测曲线Fig.4 Observation curve of the whole point value of trace hydrogen observation station in Hongdong county

3.4 台站供电电源

痕量氢观测设计运行之初，主要实验场地在南方城市，太阳能供电就能满足观测需求。临汾地区在建设观测台站时，也只配备了太阳能供电。到冬季时，出现供电中断，设备无法运行，如侯马市、曲沃县痕量氢观测站。

侯马痕量氢观测站于2018年10月建成，在当年12月至次年1月时，出现数据多次中断的情况(见图5)，通过对现场设备、太阳能及电池的运行情况进行排查，未发现故障。经多方面综合分析发现，在供电中断的时间为临汾市雾霾较重的时段，太阳能无法正常工作，导致蓄电池无法蓄电，造成观测设备关机。经过与专家商讨，采用增加蓄电池数量和交直流双重供电的方式解决此问题。目前，该台站增加了两块大容量蓄电电池，尚未接通市电供电。为保障今后设备的正常运行，已在协调接通市电供电系统。

同样的情况在曲沃痕量氢观测站也存在。2018年11月-12月，出现了在冬季断电情况(见第51页图6)，同样，只采用增加蓄电池的方式来保障设备正常运行，目前因场地周边条件限制，尚未接入交流供电。

图5 侯马痕量氢观测站整点值观测曲线图Fig.5 Observation curve of the whole point value of trace hydrogen observation station in Houma city

4 认识与建议

通过以上对临汾市痕量氢台站选址、建设及运行过程的跟踪分析，提出以下几点认识及建议：

(1) 在一个同时具有隐伏断层和断层破碎带明显的区域选址时，破碎带区域的氢气浓度要远高于隐伏断层区域，应首先考虑断层明显的地质构造处或断层破碎带附近。

(2) 在有河流的断层附近选址时，靠近河道的区域出现钻孔出水，无法满足台站选址要求，应避免在河流一级阶地上进行勘选，需将台址选择在远离河道的断层区。

图6 曲沃痕量氢观测站整点值观测曲线图Fig.6 Observation curve of the whole point value of trace hydrogen observation station in QuWo county

(3) 痕量氢观测数据受台站周边施工影响明显，在施工时段，观测数据会出现明显高于背景值的数据，对地震前兆观测产生干扰，台站应尽量选择在远离城市及道路的偏僻位置。

(4) 在北方冬季雾霾严重时，单一的太阳能供电方式无法满足设备连续运行所需电量，易导致设备断电、数据中断，应配备太阳能、市电双供电，且台站位置要尽量选择在市电供电方便的位置。

5 结语

侯马痕量氢台站在选址时氢含量为1 638 ppm，是临汾市6个台站中的最高值，但在台站建成后，氢观测背景值在0.5～3.5 ppm左右变化，与其他台站的区别不大(如，洪洞痕量氢台站观测背景值为1.0～2.0 ppm)。经过参考全国其他台站的观测数据和与山西省地震局地下流体学科组专家沟通，认为侯马痕量氢台站观测数据可能与集气装置的安装和技术参数有关，为进一步验证该台站观测数据的真实性，建议在该台站另安装一套集气装置进行对比观测。

目前，痕量氢观测台站在山西省尚处于推广阶段，各市县因地质构造和自然环境的不同，在台站选址和建设方面不尽相同。通过总结分析临汾市在台站选址、建设等方面存在的问题和解决方法，为在省内其他地区乃至全国的台站建设提供一定的参考经验。