西秦岭北缘断裂带土壤气定点观测台站建设分析

赵洁 苏鹤军 高曙德 杨超 郭赟 孟维斌 王文熙 田洁

摘要：

介绍西秦岭北缘断裂带土壤气观测台站的设计思路、建设内容以及运行情况，并通过一年来观测数据的分析认为，各观测台站断层土壤气体背景值稳定，观测数据合理可靠，且3个观测站同一测项的变化形态具有相似性、同步性，并在榆中MS3.6、玛多MS7.4和门源MS6.9地震前出现同步异常响应，表明西秦岭北缘断裂带土壤气具有反映区域构造应力变化的潜力。同时断层土壤气定点观测台站的建设方案与技术指标为后期组建断层土壤气观测台网提供借鉴和参考，为进一步推广应用奠定良好基础。

关键词：

西秦岭北缘断裂带; 断层气; 连续观测; 台站建设

中图分类号： P315      文献标志码：A   文章编号： 1000-0844（2023）02-0447-10

DOI：10.20000/j.1000-0844.20220408001

Construction of fixed-point observation stations of the soil gas

along the northern margin fault of West Qinling

ZHAO Jie1，2， SU Hejun1，2， GAO Shude1，2， YANG Chao2， GUO Yun3，

MENG Weibin4， WANG Wenxi2， TIAN Jie2

（1. Gansu Earthquake Agency， Lanzhou 730000， Gansu， China;

2. Gansu Lanzhou Geophysics National Observation and Research Station， Lanzhou 730000， Gansu， China;

3. Kangding Seismic Monitoring Center Station， Sichuan Earthquake Agency， Kangding 626299，Sichuan， China;

4. Tianshui Earthquake Agency， Tianshui 741000， Gansu， China）

Abstract：

In this paper， the design idea， construction content， and operation of three soil gas observation stations along the northern margin fault of West Qinling are introduced. Through an analysis of observation data in the past year， the background values of soil gas observed by the stations are considered stable， and the observation data are considered reasonable and reliable. The change patterns of the same measurement item at the three observation stations are similar and synchronous， and synchronous abnormal responses occurred before the Yuzhong MS3.6， Maduo MS7.4， and Menyuan MS6.9 earthquakes. This finding shows that the soil gas along the northern margin of West Qinling potentially reflects the changes in regional tectonic stress. Furthermore， the construction scheme and technical indicators of fixed-point observation stations for fault soil gas provide a reference for establishing a fault soil gas observation network in the study area and lay a good foundation for further promotion and application.

Keywords：

the northern margin fault of West Qinling; fault gas; continuous observation; station construction

0 引言

地下氣体是地壳中最活跃的组分，也是能直接将地下深部信息携带至地表的载体。地壳气体的释放空间主要集中在洋脊、火山、温泉及活动性构造等地壳薄弱部位［1］。利用断层气氡、氢、二氧化碳及甲烷等作为研究活动构造的一种方法，目前已得到地震地质界的广泛重视［2］。通过多年研究发现，断层气（H2、CO2、Rn）浓度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［3］。氡是与岩石受力及裂隙开启最直接的物质，氢气是揭示岩石新鲜破裂程度最直接的气体，二氧化碳是表征深部物质运移的指示性气体［4］，均逐渐应用于地震前兆观测，并取得了一定的成果［5-7］。西秦岭北缘断裂带位于中国地震局多年划定的年度地震危险监视区，加强该断裂的前兆监测对提升该危险区震情跟踪能力具有重要的现实意义，近年来引起中国地震局和甘肃省地震局的高度重视，并基于本区域前人开展了断层气相关研究及构造地球化学流动测量试验研究［8-10］，2020年底在西秦岭北缘断裂带（天水段）选择适宜场地新建3个连续观测站（表1），拟探索适合本地区连续观测站建设的技术要求，而开展的断层土壤气等地球物理场的观测可为甘肃东南部震情跟踪提供可靠的数据支持。本文详细介绍了从设计思路、场地勘选以及产出数据的质量分析等整个建设和评价过程，总结了建设经验和观测技术方法，为技术推广应用打下坚实基础。

1 西秦岭北缘断裂带东段构造背景

西秦岭北缘断裂带东段位于甘肃东南部，地处秦岭纬向构造带中段，渭河断裂的南缘，属地震频发区，其地质构造较复杂。区内深大断裂纵横，是多个深大断裂呈“X”形交汇的咽喉之地［11］。东南部的武都山字型构造体系前弧和东翼横跨本区，同时北西向陇西系内旋褶带末端由北偏西方向插入区内。各断裂相互交接复合，形成了极其复杂的构造图形（图1）。据统计，有文献记载以来沿西秦岭北缘断裂带就发生过6级以上地震9次之多［12-13］。断裂附近的天水地区曾发生过1654年8级大地震［14］。2020年底新建的3个连续断层土壤气观测站中，毛集点位于西秦岭北缘断裂秀峰山北缘段，为全新世活动断裂，活动性质兼具左旋走滑和逆断，最新一次活动距今约1 200年;马窑点位于西秦岭北缘断裂凤凰山段，为全新世活动断裂，活动性质以左旋走滑为主，有人认为734年天水71/2级地震就发生在该段;原家庄点位于西秦岭北缘断裂武山—天水段，为全新世活动断裂，活动性质以左旋走滑为主。

2 场地勘选

2.1 观测场地勘选

前期构造地球化学流动观测研究结果表明，在中国西部干旱少雨多震地区，断层气观测具有较好的地震短临跟踪监测前景［15］。通过2018、2019年不同季节跨断层土壤气测量及结果分析，并综合调查地震地质背景、气体观测基础及交通条件等因素，在西秦岭北缘断裂天水段初步确定了麦积区毛集村、秦州区马窑村及甘谷原家庄3个断层气观测场地，并进行了固定点位的堪选（图2）。

毛集场地位于西秦岭北缘断裂天水段东南端的秀峰山北缘断裂上，断层南侧基岩为震旦纪秦岭岩群，以斜长角闪岩、片麻岩、大理岩、白云岩、黑云石英片岩、石英片岩、角闪片岩及混合质片麻岩为主，北侧为新近系红色砂岩、黏土岩及灰绿色泥岩。马窑场地位于西秦岭北缘断裂天水段最西端的凤凰山分支断裂上，断层带附近出露地层为第三系甘肃群，发育黄、红、灰色为主的泥岩、砂质泥岩及砂砾岩夹泥灰岩。原家庄场地位于西秦岭北缘断裂武山—天水段的中西部，断裂带附近发育的地层岩性主要有两种：一是白垩系麦积山组，以紫红色含砾砂岩、砂砾岩夹细砂岩、粉砂质泥岩为主;二是少量发育震旦纪秦岭岩群，以斜长角闪岩、片麻岩、大理岩、白云岩、黑云石英片岩、石英片岩、角闪片岩及混合质片麻岩为主。毛集、马窑和原家庄观测孔深度均为4 m，所处的断裂带土壤层均属于第四纪更新世（Q）松散堆积物形成的地层。

2.2 观测点勘选

根据断层气观测技术特点及参考《痕量氢观测技术规范（试行）》要求范雪芳．痕量氢观测技术规范（试行稿）.2016.，在固定台勘选时注重以下几条基本原则：一是确保构造位置精确性，二是兼顾测量环境的抗干扰性，以确保测量新鲜气体［16］。为此需综合考虑构造地质、水文地质、覆盖层厚度和土壤类型以及人类活动等多种可能因素，并逐一拟定了应对方案。

（1） 确保构造位的精确性

根据现有构造地质研究的成果，重点考虑已有的探槽或详细剖面资料的位置，这为断裂精确位置的确定提供重要的基础资料。在此基础上，利用地球化学隐伏断层探测手段进行断面位置核实，在垂直断裂带上布置测线进行多组分气体测量，点距约为10 m，并对高值点进行加密或复测，加密点距从5 m到2 m最后再到1 m逐步细化。土壤气体采用直接采气方式，打孔采取地下某一深度的气体进行分析。测量过程中，首先在测点处打孔，孔径为3 cm、深度约为80 cm;然后将螺旋取样器（采样杆中空，内装有衬管）置于孔内，封住孔口;最后连接仪器开始取样、测量（图3）。为避免气象因素影响土壤气浓度测量结果，每条测线均在1天内完成［17］。土壤气中的CO2浓度使用GXH-3010型便携式红外线二氧化碳分析仪野外现场测定，其检出限为10×10-6，测量误差小于1％；Rn浓度使用GenitronAlphaGUARD P2000测氡仪现场测量，每个测点测量时间为10 min，检出限为10 Bq/m3，误差小于10%。H2浓度使用ATG-300H快速便携式测氢仪现场抽气测量，仪器测量的最大浓度值作为每个测点的测量值，检出限为0.05×10-6，測量误差小于1％。

（2） 确保测量环境的抗干扰性

为避免环境的干扰，特别要注意避开降水的影响，并根据断层气孔的深度（设计为4 m）选择的观测站建设位置要高于周围自然水沟、低洼易积水的位置8 m以上的高坡和小的山脊位置，测点最好位于基岩地区，而且基岩上面的覆盖层最好大于观测孔的深度［18］。覆盖土壤层为透气较好的砂砾或者砂土层比较好，测点尽可能选在断层破碎带上［19］。

2.3 勘测结果与观测位置确定

断裂带土壤气多组分异常的一致性是构造地球化学方法进行隐伏断层探测的重要依据，同时考虑不同组分异常曲线形态、物理化学特征，结合地貌特征及探槽等地质资料进行详细鉴别确认。

2.3.1 天水市麦积区花牛镇毛集村

该剖面位于西秦岭次级断裂，测线方向近北向南。图4是该剖面断层气浓度曲线图。由图可知：各组分的两期测量数据曲线形态基本一致，其中CO2和H2的峰值特征同步［图4（a）～（c）］，并与地貌特征相吻合［图4（d）］，综合考虑建设环境等因素后拟定在测距60 m处修建固定观测室。图4（a）～（c）中实验测量数据有两组，其中红色曲线为2018年12月测量数据，黑色曲线为2019年5月测量数据，每个点均在地表打孔直接取气测量，测线长度为100 m，点距为10 m。

2.3.2 天水市秦州区中梁镇马窑村

该剖面位于凤凰山断裂，测线方向近北向南。图5是该剖面断层气浓度曲线图。由图［图5（a）～（c）］可知H2、Rn和CO2浓度曲线形态一致，均自第5点开始变大，与地貌特征相吻合［图5（d）］，综合考虑建设环境等因素后拟定在测距50 m处修建观测室。

2.3.3 天水市甘谷县磐安镇原家庄

该剖面位于西秦岭断裂，测线方向近南北向。图6是该剖面断层气浓度曲线图。由图可知：H2、Rn和CO2浓度曲线形态一致，均在点6之后变为高值［图6（a）～（c），图中点7为点6相距4 m的加密点］，其中测点4～5对应于断裂上盘位置，均可供参考选址，而测点6不能排除环境干扰因素（集水区域）。综合以上考虑，拟定在测距40 m处建固定观测室。

以上3个点的勘选结果表明，台站选址时，尽可能考虑在断层或断裂破碎带上进行测量，其高值与断裂上盘位置相吻合。为了避免环境因素的干扰，点位应选在土壤气浓度较高、地下水位埋深大、人为干扰小、易于施工且便于维护的位置，同时也要避开耕地和房屋等不适合观测的地方，还需要考虑钻孔施工条件、观测站管理与运行等因素。

3 观测台站建设

根据前面勘选工作过程可知，断层气固定观测台站分别位于西秦岭北缘断裂带的不同次级断裂上，其断层性质基本一致，区域地貌和水文地质条件相似，因此，选择相同结构观测孔有利于对比分析不同观测点对断层不同段活动的响应程度。每个断层气固定观测站由观测井孔、观测室和机柜等部分组成。

3.1 观测孔建设

观测孔选用花管集气方式进行固定观测。集气装置采用四氟乙烯材质，目的是减少对氢气的吸附［图7（a）］。观测孔由人工开挖。开挖3个裸孔，2孔相距30 cm;裸孔直径80 cm，每个孔底部放置一根直径为11 cm、长1 m的集气花管，在花管中央植入两个多孔原位采气模块，在其顶连接耐腐蚀无损耗专用导气管，花管变径后在上面连接直径为5 cm、长1.5 mPPR保护管，每根花管上面打有若干集气小孔［图7（b）］。在建设时预留2个导气管可作为今后增加观测项目或者对比观测等工作使用［图7（b）］。同时，为避免观测点受外界温度的影响，宜在保护管上套长度不小于150 cm的隔热保温棉套，防止冷热空气对导气管内气体浓度的干扰。

因流动测量受到的干扰因素较多，特别是采气量较难满足不同组分观测仪器的气量需求、采气深度较浅且容易受大气干扰。为了尽可能减少干扰因素，提高监测质量，根据天水地区气温及环境情况资料分析，该地区冻土层一般0.7～1 m，年气温在-20～35 ℃，年平均降雨量为500 mm，地下水位较浅，所以土壤气观测孔深度应在4 m左右［图8（a）］。孔内地温相对恒定，土壤气不受温度影响。在距离地面3 m的地方用三层不降解塑料隔离膜与下部的集气管和鹅卵石分离，使集气管完全處在一个密闭空间内，更利于收集气体。增加隔离膜还能防止地表水往下渗漏，避免了气体受降雨等影响的问题。另外，集气装置只与直径为5 cm PPR导气管接通，起到封堵下部气体与地表大气交换的作用。在地下3 m埋设直径为11 cm的集气装置，周围用3～7 cm的鹅卵石填充，使深部断层气体畅通交换，并敷设地温探头。井孔结构与建设材料等如图7（c）所示。由于新建测点固定，气量可以满足各仪器的测量需求。

3.2 观测室建设

观测室尽量选在村庄附近，便于架设通讯和接入农电，还要方便看护。建筑面积6.25 m2，为框架结构，室内乳胶漆粉刷，外墙真石漆喷涂，观测室综合布线及外观亮化，设置仪器标识标牌，达到标准化建设要求［图8（b）］。室内架设32U机柜一台，机柜内安装郑州晶微电子科技有限公司DDL-1气氡仪、杭州超距ATG-C600二氧化碳在线分析仪、ATG-6118H痕量氢在线自动分析仪、ATG-CH4甲烷在线分析仪和北京中科光大研发生产的地温计观测仪器［图8（c）］。市电主要依靠农村用电供电，配备UPS不间断电源，可靠性有所保障。通讯主要用于远程监控，为便观测资料的收取，采用MSTP光纤传输方式（6 M，该方式可保证数据传输安全可靠），能够完全满足连续观测数据传输的要求。安装一个专用避雷配电箱，可通过仪器与外线路相连接，防止仪器遭受雷击。台站实行无人值守，有人看护模式。

3.3 观测仪器

断层气固定点台站使用的仪器设备都是国内公司研制生产，包括郑州晶微DDL-1气氡仪、杭州超距ATG-6118H衡量氢在线分析仪、ATG-C600二氧化碳在线分析仪、ATG-CH4甲烷在线分析仪和北京中科光大高精度ZKGD3000-T地温仪（表2）。以上仪器设备的技术指标满足台站建设的设计要求。

4 运行情况

西秦岭北缘断裂带断层土壤气定点台站于2020年12月底进行仪器现场安装调试，并于2021年1月开始运行。每个台站共安装埋设18套花管集气装置［图7（a）］，架设14台仪器。通过一年的连续观测状态评估及数据分析表明：各仪器运行正常，观测数据基本稳定、连续、可靠，未出现因仪器故障引起的观测异常情况，满足地震前兆数据观测要求。

本文选取2021年1月—2022年3月3个测站所有测项较为稳定的数据进行对比分析，可以看出观测数据动态变化清晰，如图9所示，3个观测站CO2浓度变化曲线变化趋势基本相似，呈“夏高冬低”的正常年变规律［图9（a）～（c）］。3个观测站Rn浓度变化曲线均呈现显著的周期性波动变化［图9（d）～（f）］，自11月1日开始出现同步大幅度升高现象，并于11月7日分别达到最高值28.0 Bg/L、28.9 Bg/L和19.9 Bg/L，其变化幅度分别为180%、189%和121%，之后略有下降，61天后发生门源MS6.9地震，震后测值逐渐恢复正常，其异常特征基本表现为“低值―加速上升―下降”规律［图9（d）～（f）］;3个观测站H2浓度变化曲线均呈脉冲式变化［图9（g）～（i）］，且变化幅度十分稳定，约为0.05×10-6。但在2021年1月13日14时，毛集观测站H2测值出现异常，变化量达0.2×10-6，变化率较背景值（0.15×10-6）高出146%［图9（h）、（l）］;同一时段1月14日6时原家庄H2测值变化0.05×10-6，变化率较背景值（0.15×10-6）高出33%［图9（i）、（m）］;经调查已排除人为活动、建筑施工、环境干扰及降雨等气象因素影响，同时发现毛集和袁家庄观测站的H2浓度异常与1月14日17时甘肃榆中MS3.6地震具有良好的时间响应关系，突跳持续时间分别为11 h和22 h。由于观测时间较短，积累资料有限，暂且不能确定这次变化与榆中3.6级地震有关，但这两个测点的变化以及地震事件是客观存在的，这对我们后续分析观测资料提供了更多的思考，即当有两个及以上观测站的观测资料发生同步变化时，应当考虑是否为地震前兆信息，这对短临预测具有重要意义;马窑观测站与毛集观测站CH4浓度变化曲线形态基本相似［图9（j）、（k）］，1—5月处于缓慢上升趋势，4月25日至5月10日数据缺测是交流农电停电造成，后续数据变化较为平稳，同时观察到CH4浓度变化存在0.01%的随机突跳台阶，但并不影响CH4浓度的趋势变化［图9（j）］。但在2021年5月11日12时，毛集CH4浓度开始加速上升，17时达到最高值0.17%，与背景值（0.07%）相比变幅达142%［图9（k）］。测值在下降过程中于5月22日发生了青海玛多MS7.4地震，震后测值变化基本恢复，异常时间11天。由于观测时间较短，积累资料有限，暂且不能确定这次变化与玛多7.4级地震有关，同时也不能排除这次变化是受交流供电影响的可能性，但这个测点的变化以及地震事件是客观存在的，这对我们后续分析观测资料提供了更多的思考。

综上所述，虽然3个观测站分布在西秦岭北缘断裂带的不同次级断层上，最远相距约70 km，且各测项背景值也存在差异，但同一测项浓度变化形态较为相似，且异常出现的同步性良好，一方面表明观测数据稳定、合理、可靠，另一方面表明位于该断裂带上的不同观测站，其观测到的断层气体化学组分变化可能受控于同一构造应力应变［20］，其中具体的物理机制将在后续数据分析中进一步研究。

5 结论与建议

通过以上对西秦岭北缘断裂带断层土壤气定点观测台站选址、建设及运行过程的跟踪分析，得出以下几点结论：

（1） 断层土壤气固定台连续观测是一个新的前兆监测手段，在全国多地正进行试验性建设研究，但目前还没有一个完整的建设标准和操作规范，西秦岭北缘断裂带土壤气固定台的建设经验为今后该手段建设规范的形成及其推广应用提供了宝贵的基础资料。

（2） 通过3个观测站一年的连续运行数据对比分析，各测项背景值较为稳定，同一测项浓度变化形态具有相似性、同步性，表明观测数据稳定、可靠、合理。

（3） 通过相关震例分析，3个测站的衡量氢、氡和甲烷在榆中MS3.6、玛多MS7.4和门源MS6.9地震前出现同步异常现象，表明西秦岭北缘断裂带土壤气固定台具有监测区域应力变化的潜力，可作为综合分析和研判震情趋势的重要手段，为加强我省震情监视跟踪和防震减灾能力提供技术支撑。

致谢：应急管理部国家自然灾害防治研究院刘耀炜研究员和高小其研究员在建设初期给予中肯的建议和意见，高小其研究员无偿捐助甲烷仪器，山西省地震局范雪芳高级工程师、兰州岩土地震研究所王爱国研究员、张波副研究员在建设时给予指导和帮助，甘肃地震台王小娟高级工程师等参加了前期的勘选工作，在此一并表示衷心感谢。

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