盘一井氢气异常与地震对应关系研究

郭红霞，安容蒂，韩 艳，杨 昆，刘子哲

（1.盘锦地震台，辽宁 盘锦 124010；2.辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034）

0 引言

气相色谱观测是盘锦地震台地球物理观测的重要手段之一，自1994年观测以来已取得连续可靠的观测资料，其中溶解氢气资料映震效果较好。在井口周边300km左右范围发生中强地震时，溶解氢气短临异常明显。在1999年11月29日岫岩5.4级地震前和2020年7月12日河北唐山市古冶区5.1级地震前均有明显的异常反应，能很好地反映地震前地下应力的变化。本文通过整理总结盘一井氢气异常与地震的对应关系，将有利于氢气异常的识别与分析，也有利于对未来地震的判别，更有利于盘锦台日后的地震分析与预报工作。

1 台站地质背景

盘锦地区地处属下辽河平原，为一断陷盆地[1]。研究区东部为辽东隆起，西部为燕山褶皱带，北依内蒙地轴与松辽盆地相隔。郯庐断裂带北延段穿越该区，区内构造断裂发育，按北东-南西轴向由东向西平行展布着燕沟断裂、辽中断裂、台安断裂、张家街断裂、义县—大凌河断裂。辽河盆地是三面环山，一面临海的汇水盆地。

盘锦地区出露地层主要为上第三系和第四系地层，第四系为平原组松散堆积物，岩性为砂岩、粘土等[1]。上第三系为明化镇组及馆陶组含水层，明化镇组含水层上部为砂砾岩、砂岩和泥岩，中部含有丰富炭化植物茎，下部砂砾岩、砂岩和泥岩呈不等厚互层。馆陶组含水层上部砾砂岩、砾岩及少量含沙砾岩，中部含砾长石砂岩夹泥岩，下部粉砂质泥岩。含水层隔水层厚度30m，含水层厚度超过100m，不受大气降水和地表水的干扰。辽河盆地地表水系发育，河流与地下水有密切关系。除河流补给外，还有大气降水渗入补给，无论是大气降水还是地表水都是能补给第四系的，而上第三系的两套含水层补给的途径，一是第四系含水层越流补给，二是周围老地层裂系补给，因此这两层地下水的力性质表现为非稳定流。辽河盆地水循环深，迳流长，汇水面积达59816平方公里。地下水受区域地形控制，从山区呈辐射状流入平原，尾闾入辽东湾。

2 观测井概况

盘一井原为盘锦辽河油田的勘探井，原有井深2892m，1972年10月完井[2]。后经盘锦地震台地震观测需要，于1973年改为水化学观测专用井，现有井深955.1m。观测水层为新生界上第三系管陶组含水层，含水层厚度100m。岩性以砂岩为主，及少量沙砾岩和泥岩。井孔套管0～86.5m，筛管下置859～955m，射孔水层为909～920m，井深避开油田开采层，观测井的观测组分的物质来源丰富，岩性化学组分布均一。水化学类型HCO3-Na水，现水温为22.5℃，海拔标高为4.08m。地下水类型为承压水（图2）。

图2 盘一井井孔柱状图Fig.2 Borehole column chart of Panjin No.1 Well

3 气相色谱观测简介

盘锦台1985年1月采用气相色谱法进行定时取样观测，观测仪器为2305全型气相色谱仪，观测内容为地下水中N2、Ar、CH4和CO2等溶解气体，每日监测1次。用氧气作载气，5A分子筛作固定相，测定Ar、N2和CH4，用硅胶作固定相测定CO2。1994年1月起改为使用SQ-206型气相色谱仪进行地震观测,用氧气作载气，观测地下水中N2、Ar、H2、CH4和CO2等溶解气体。5A分子筛作固定相，测定Ar、N2和CH4，用硅胶作固定相测定CO2[3]。用电位差计记录谱图，人工量取谱图经计算得到观测数据。2018年1月10日SQ-206型气相色谱仪故障，因部件老化无法维修，故停用。2018年3月21日使用GC-8600型气相色谱仪观测，用氩气作为载气，5A分子筛作固定相，测定H2、He、O2、N2和CH4等溶解气，用GDX-502作固定相测定溶解气CO2。计算机记录谱图，自动量取并计算得到观测数据。2018年7月1日观测数据正式报送中国前兆台网数据库（图3-4）。

图3 SQ-206型气相色谱仪Fig.3 SQ-206 type gas chromatograph

图4 GC-8600型气相色谱仪Fig.4 GC-8600 type gas chromatograph

盘一井氢气自1994年观测以来，平时水样中氢气含量很少，仪器的分析精度低，很难观测到氢气。因此日常观测中无法实时观测。但在1999年11月29日辽宁省岫岩5.4级地震（震中距盘一井105km）前成功地记录到氢气，震前溶解氢气出现明显的短临异常，异常形态完整，异常幅度大。

2018年GC-8600型气相色谱仪观测以来，氢气断断续续出现，变化幅度不大。2020年4月至7月，氢气频繁出现高值，且变化幅度明显高于以往测值，2020年7月12日河北省唐山市古冶区发生5.1级地震，震前氢气较好地反应了地下应力集聚变化，震后氢气快速消失。

4 异常概述与分析

4.1 1999年11月29日岫岩5.4级地震前氢气异常

1999年11月29日岫岩5.4级地震前，SQ-206气相色谱仪在震前清晰地观测到氢气，氢气含量从1999年11月4日到11月15日开始间断性出现，且含量在0.027%左右平稳变化。11月16日开始连续出现氢气，而且含量趋于逐渐增大，至11月27日氢气突升到0.18%，高出正常均值近十倍，相对变化率约为12%[4]，高值异常2天后，于11月29日岫岩发生5.4级地震。震后氢气含量快速降低到突升前的状态，12月末氢气消失（图5）。

图5 盘一井氢气日均值Fig.5 The daily mean value of Hydrogen in Panjin No.1 Well

从盘一井氢气日值与小震M-t图可看到，氢气异常时期正是辽宁地区小震活动活跃时期，小震从震前20天出现（其中最大震级为ML4.4），氢气连续高值从震前12天开始。由小震活动态势看，从11月9日的ML4.1和ML4.2级双震到11月25日ML4.0级和ML4.4级双震、再到26日ML4.4地震，可以看出11月份小震活动强烈，多次成对发生4级以上地震，说明震群活动较集中，且小震活动的频次增高、强度增大了，此时区域构造应力调整引起氢气异常，随着地震的临近，应力调整作用力增大，氢气含量增高，即11月27日达到最大值0.18%，氢气高值突跳有力地指示着辽宁地区地震应力场应力集聚增强；说明地震已到临震态势，预示着即将有大地震发生。随着11月29日岫岩5.4级地震发生，氢气异常有利地对辽南地区地震危险性作了很好的指示。

回顾岫岩5.4级地震前盘一井氢气的异常特征，从11月4日偏岭小震群出现前的临震特征，到11月27日高值突跳，进一步说明氢气对应力调整的响应达到临震阶段，显著的异常说明地震危险性进一步增大。此震例足以说明盘一井氢气异常与小震活动对辽宁地区的震情发展能起到一定的指示意义（图6）。

图6 盘一井氢气日值与小震M-t图（1999.11.1—1999.12.31）Fig.6 Diurnal value of hydrogen gas and M-t diagram of small earthquakes in Panjin No.1 Well

4.2 2020年7月12日河北唐山市古冶区5.1级地震前氢气异常

2020年4月24日起盘一井氢气连续出现，且变化态势呈上升趋势，7月2日后持续高值，7月8日测值达到最大值，幅度达0.0068%（日常测值均值为0.0019%），与正常背景值相从辽宁地区的地震活动情况看，地震活动强度并不明显，2020年4级以上地震未出现过，3级以上地震发生7次，相比1999年岫岩地震前地震震级及频次，3级以上的地震42次，4级以上地震8次，2020年地震活跃程度远不及岫岩5.4级地震前地震活动程度强烈（图10）。仅从辽宁地区小震活动强度看不出此次氢气异常与地震活动的直接关系。但从图7可看到，盘一井氢气的确存在一个短期的趋势。2020年6月至7月间氢气高值异常，虽然没有1999年11月至12间氢气变化幅度大，但从异常形成时间看，已体现出临震状态，应力的积累与集中达到一定的程度。根据以往氢气临震异常特征，即在出现临震异常后的几天到一周内有可能发生中强震。综合上述分析，认为此次氢气异常反映的应该不仅仅是本地区及辽宁地区的应力活动，那么根据以往氢气异常应震比，相对变化率约为3%，4天后于7月12日市古冶区发生5.1级地震。异常持续时间为79天，地震震中距观测井约343km。震后氢气于7月23日消失（图7-8）。

图1 下辽河平原地质构造图Fig.1 Geological structure map of the lower Liaohe Plain

图7 盘一井氢气日值、差分值、差分异常频次序列Fig.7 Daily value，difference value，differential anomaly frequency sequence of hydrogen in Panjin No.1 Well

图10 辽宁地区小震M-t图和频度图（1999、2020年）Fig.10 M-t and frequency map of small earthquakes in Liaoning area

2020年4月至7月，盘一井氢气变化幅度和变化速率都体现一个短期的趋势，氢气差分值4月24日起逐渐高出3倍方差，且随着时间推移，差分异常频次越来越多。从数据变化速率看，氢气异常时速率是日常变化速率的2倍。且随着时间推移，速率值逐渐增大，即从2020年7月2日起氢气变化速率增大，逐渐达到日常变化速率的3倍。7月12日河北唐山市古冶区5.1级地震后变化幅度和速率逐渐恢复到日常值（图7-8）。指标，氢气应震地区多为辽宁的营口、海城、岫岩地区和京津唐地区。综合辽宁地区相对较弱的小震活动情况，可以判定氢气异常预示辽宁地区中强地震的可能性减小，此次氢气异常就有可能是京津唐地区地震的应力效应了。2020年7月12日唐山市古冶区5.1级地震的发生进一步印证了盘一井氢气异常为此次地震的应力调整效应（图7-9）。

图8 盘一井氢气日值、斜率值、斜率序列Fig.8 Daily value，slope value and slope sequence of hydrogen in Panjin No.1 Well

图9 盘一井氢气日值与小震M-t图（2018-2020）Fig.9 Diurnal value of hydrogen gas and M-t diagram of small earthquakes in Panjin No.1 Well

4.3 盘一井氢气与中强地震的对应关系

总结以上两次5级地震前氢气异常特征，地震前氢气异常具有短临性，从异常形成时间看，异常持续时间在3个月内，从异常幅度看，异常幅度为正常值的几倍至十倍以上。从临震异常时间看，高值突跳异常后短短的几天内就发生5级以上地震。从地震发生地点看，突跳异常体现了井口周边100km左右的地震活动；持续高值波动异常体现了井口周边略远的地震活动，即震中距在300 km左右的地震活动。

震中距小，异常持续时间短，异常幅度大，震级略大；震中距大，异常持续时间长，异常幅度略小些，震级也相应小些。异常幅度与震级正相关，与震中距负相关。异常幅度达十倍时，一般发震地点在井口周边100km左右范围内营口、海城、岫岩地区；异常幅度达几倍时，一般发震地点在井口周边300km左右范围内的河北唐山地区（表1）。

表1 盘一井氢气异常与地震对应情况统计表

图11 盘一井与中强震震中位置图Fig.11 Map of the Panjin No.1 Well and strong earthquake epicenter location

5 认识与讨论

（1）结合盘一井氢气异常前后井口周边地震活动情况分析，盘一井氢气异常与井口周边应力调整及增强关系紧密，氢气异常出现对地震发生具有较好指示意义，氢气异常呈现短临态势，异常持续3个月左右，发生中强地震的可能性大。

（2）氢气异常幅度≥10%，观测井附近地区有可能发生（震中距在100 km左右）5级以上地震；氢气异常幅度＜10%，观测井周边较远区域有可能发生（震中距在300 km左右）5级以上地震。

（3）氢气异常持续时间一个月左右，观测井附近地区发生5级以上地震的可能性大，异常持续在三个月左右，观测井周边较远区域发生5级以上地震的可能性增大。

（4）氢气异常不仅仅对辽宁地区中强震有一定指示意义，它对辽宁周边地区中强震也有预示意义。若是对辽宁地区的响应，它对发生在辽南地区的中强震响应会更显著些，特别是对营口、海城和岫岩地区地震的映震能力较强，此地区是氢气标志性异常的首要映震地区。若是对辽宁周边地区的响应，考虑到氢气异常的标志性，那么河北唐山地区是重点关注地区。

6 结语

通过两次典型震例的验证，盘一井氢气具有典型的标志性异常，说明其有良好的映震效能，是地震分析与预报不可缺少的依据。地震发生的区域不同，类型也会不同，异常特征表现也有所不同，因此本文仅从两次5级震例对氢气异常的分析做了总结，样本数量还是单薄的，在对氢气异常与地震活动关系的认识上还是初步的，不严谨的。还应该结合更多的震例，对氢气的异常进行全面的分析。本文在震例归纳分析上存在的不足之处，还需进一步学习钻研，以达到科学严谨。