对赤峰地区痕量氢观测点选址建设的思考

张延芹，郭延杰，桑 晨，于文学

（1.赤峰市防灾救灾中心，内蒙古 赤峰 024000；2.赤峰地震监测中心站，内蒙古 赤峰 024000）

0 引言

氢作为化学元素中的第一个元素，具有粒子半径小、质量轻、迁移速度快、穿透力强等特点，在地壳中分布较为广泛，尤其是集中分布并释放于断裂带中。由于断裂带是深部气体释放的通道，而且氢气还是断层活动的产物，因此断层氢气异常升高，很可能是断层活动重要而直接的标志，与地震活动性的关系十分密切[1-3]。

“辽蒙交界”地区多年来一直被列为地震重点危险区或值得关注地区。近年来，赤峰市南部地区小震活动明显增强，赤峰市防灾救灾中心为监控赤峰地区地震断层活动，捕捉有效的地震前兆异常信息，2018 年分别在赤峰市阿鲁科尔沁旗、敖汉旗、宁城县建成三个痕量氢观测点。这三个旗（县）处于嫩江—八里罕断裂带、赤峰—开原断裂带上或二者交汇部位，且均发生过破坏性地震。通过整理分析观测点运行以来的观测数据，发现观测环境及观测系统存在一些干扰因素，如痕量氢观测点距排洪沟太近，夏季受洪水影响数据变化较大、蓄电池供电不足，想改市（农）电但离村庄太远等。本文旨在对痕量氢观测点选址及设备运行时发现的问题进行探讨，为今后各地区建设痕量氢观测点选址提供参考。

1 赤峰地区地质构造概况

赤峰市位于内蒙古自治区东南部，地处燕山北麓、大兴安岭西南段，内蒙古高原向辽河平原的过渡地带。境内发育有北东向、北北东向、东西向和北西向断裂构造带，其中北东向嫩江—八里罕断裂构造带、东西向西拉沐伦断裂构造带和锦山—开原断裂构造带为三大主断裂构造带。锦山—开原纬向断裂构造带，其主体展布介于黑里河至辽宁朝阳-沈阳一线以北、赤峰-西丰一线以南之间的地带。由褶皱、冲断裂及某些花岗岩体和老岩块、基性、超基性岩体所组成。它的生成时期远在太古代就已经开始了，不但促使鞍山期发生沉积与褶皱，而且在东西向的坳槽中接受了长城系的沉积。乃至燕山期，该构造带的活动较前虽有所减弱，但表现仍较强烈。嫩江-八里罕新华夏系断裂构造带，所属构造形迹为众多的北北东走向的压性、压扭性断裂、褶皱和北西走向的张性、张扭性断裂组合成一个巨大的新华夏系多字型构造。在断裂之间还夹有呈北北东延长的古老地垒和若干中生代的坳陷盆地。据野外观测获得的大量信息证明，该断裂构造带在新生代时仍是一条异常活跃的构造。在赤峰运动之后，沿断裂有玄武岩岩浆喷发；在较近地质时期，该断裂的南端还发育有高温热水泉，即八里罕近旁的热水泉，水温高达九十九度，很显然它是以新华夏系中的北西向张性断裂为通道，在该断裂带上1290 年曾发生过6.8 级地震。因此确认了该构造带在较近时期有频繁的活动（图1）。

图1 赤峰地区地震地质构造图Fig.1 Seismic geological structure map of Chifeng area

2 痕量氢观测原理及仪器概况

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[1-3]。

赤峰市三个痕量氢观测点所使用的观测仪器均为杭州超钜科技有限公司研制的ATG-6118H 痕量氢在线自动分析仪，该仪器主要由传感监测、中央控制、信息处理、网络通讯、设备状态检测等模块组成。其核心是承担氢气浓度测定的传感监测模块，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，最后进入分离装置，再到氢气传感器。从而实现响应速度快，检测精度高，维护工作量小。被广泛用于大气、水和沉积物中的痕量氢的现场快速测定，可以在现场对相关样品进行全自动分析测定，体积小、灵敏度高，通过网络远程提取数据。该设备有较好的稳定性，被地震系统广泛应用。

3 堪选过程及测量方法

3.1 堪选过程

三个台址的堪选工作均由杭州超钜科技有限公司完成。首先通过野外踏勘、查阅活断层资料及地质调查结果，初步选定所需要观测的断裂带及台站的备选位置，然后通过测量断层气确定候选台站的位置。本次勘选主要测量土壤CO2和H2含量，对断层进行有效控制，并结合断层土壤气浓度的高低变化特征进行观测点位置的选择。

3.2 测量方法

H2浓度的测定使用的是杭州超钜ATG-300H 型便携式测氢仪。CO2浓度测量使用的是杭州超钜ATG-C60 型便携式二氧化碳测量仪。土壤气测量过程是：首先将便携式测氢仪及便携式二氧化碳测量仪预热后测量新鲜空气；然后用直径约2.5 cm 的六角钢钎在土壤中垂直打一个深约1 m 的导气孔，拔出钢钎后，迅速插入麻花钻连续取样器（注意：橡皮导气管与仪器连接的底端处用止水夹夹住，防止跑气）；通过橡皮导管将便携式测氢仪与麻花钻连续取样器相连，开始测量H2，记录测量峰值作为测试结果；最后待H2测试完成后，再将便携式二氧化碳测量仪与麻花钻连接。

4 三个痕量氢观测点台址及建设情况

阿鲁科尔沁旗痕量氢观测点：位于阿鲁科尔沁旗天山口镇胜联村，处于东西向天山断裂与北北东向嫩江—八里罕断裂交汇地区，1988年曾发生过4.7级地震。经实地布线测量，断层土壤气H2浓度变化范围为1.822～182.7 ppm，CO2浓度变化范围为1 681.4～19 072.2 ppm，两种气体形态具有良好的一致性且总体均沿布线测点呈递减的趋势，表明断裂带两侧地下裂隙通道发育程度较好。该测点在农田附近，距村庄3公里，地势相对较低，西南5 m处为排洪沟。

观测孔直径为1.5 m，深度为3 m，底层铺设50 cm鹅卵石透气层，鹅卵石上方为高度40 cm、边长80 cm 的不锈钢集气罩，集气罩上方为直径110 mm 的PVC 引气管，引气管内固定2 个采气花管，分别位于地下室地面下方100 cm 和50 cm 处，引气管顶端密封，密封盖上有两个导气管口，可连接测量仪器。此观测孔上方地面整体平铺水泥，建造地下室及观测房。供电系统由太阳能板、太阳能控制器和蓄电池三部分组成。太阳能板使用支架安装在屋顶上，两块太阳能板输出端并联接入室内。

敖汉旗痕量氢观测点：位于敖汉旗贝子府镇，通过野外现场勘查，未发现断层出露位置。据活断层探查及地质调查资料显示：该处位于赤峰—开原断裂与朱录科—刀尔登断裂交汇处，断层复杂，与断裂带相关的温泉、冷泉等广泛发育，存在一定厚度的第四系覆盖。该地区1996年7月17日曾发生过4.7级地震。经实地布线测量，断层土壤气CO2浓度变化范围为760.7～8 545.1 ppm，H2浓度变化范围为2.959～478.7 ppm，其中H2及CO2表现出良好的一致性特征，均表现为单峰式的特征。该测点在农田里，与村庄住户相邻。

观测孔直径为1 m，深度为1.8 m，其他建设与阿鲁科尔沁旗观测点一致。

宁城痕量氢观测站：位于赤峰市南部，宁城县存金沟乡李麻子沟村，处于嫩江—八里罕断裂构造带上，断层出露清晰，存在一定厚度的第四系覆盖。1290 年宁城6.8 级地震曾发生在此断裂带上，距该地区30 公里。经实地布线测量，土壤气CO2浓度变化范围为1367.4～2 279.4 ppm，H2浓度变化范围为2.168～27.71 ppm。该测点地势相对较高，在半山腰处，距村庄2 km。

观测孔直径1.5 m，深度为1 m，其他建设与阿鲁科尔沁旗观测点一致。

5 存在的主要问题

5.1 选址时环境影响因素考虑不够充分

阿鲁科尔沁旗痕量氢观测点建在了排洪沟边上，2018 年12 月正式投入观测。2019 年7 月5 日到6 日，连降大雨，洪水从井房周围漫过，致使该井房周围土层坍陷，部分地基下沉，导致氢浓度数值大幅度波动（图2-4）。之后在井房四周用石头、砂子、水泥等做了拦坝，尽管保护了井房不被洪水冲刷，但痕量氢观测数据还是受到了一定的干扰。

图2 阿鲁科尔沁旗痕量氢观测点洪水来临前Fig.2 Trace hydrogen observation site in Alukeerqin before flood

图3 阿鲁科尔沁旗痕量氢观测点洪水冲刷后Fig.3 Trace hydrogen observation site in Alukeerqin after flood

图4 2019年阿鲁科尔沁旗痕量氢浓度受洪水影响大幅波动Fig.4 Trace hydrogen concentration in Alukeerqin fluctuated greatly under the influence of floods in 2019

5.2 所选位置可能偏离断层

2021 年10 月15 日阿鲁科尔沁旗曾发生4.7级地震，震中距离阿鲁科尔沁旗痕量氢观测点约50 km，震前痕量氢浓度值无明显异常；敖汉旗痕量氢观测点距离4.7级地震震中约200 km，震前痕量氢浓度值也没有明显异常；而距离4.7级地震震中约280 km 的宁城痕量氢观测点，正常氢气浓度背景值0.15 ppm，2021年7月3日氢气浓度值却大幅升高，最高值为6.78 ppm，高出正常背景值40 多倍，7 月11 日逐渐回落，但仍在高出背景值波动，11 月4 日之后基本恢复正常（图5）。分析认为：宁城痕量氢浓度高值异常可能是4.7级地震的前兆反映，而距离较近的阿鲁科尔沁旗、敖汉旗两观测点可能由于所选位置偏离断层，震前无明显异常。

图5 阿鲁科尔沁旗4.7级地震前痕量氢浓度变化情况Fig.5 Variation of Trace hydrogen concentration before the Alukeerqin 4.7 earthquake

5.3 太阳能和蓄电池供电不适合北方地区

三个痕量氢观测点投入使用后的两年，由于冬季日照时间短、温度低，蓄电池储存电量不足、放电量快，造成了冬季夜间不能正常供电，数据中断的现象，直到第二天上午8点到9点仪器才恢复启动。以阿鲁科尔沁旗痕量氢观测点为例，2018年12月开始投入使用，从2020年12 月5 日开始，出现夜间数据中断白天数据正常的现象，而且经过断电、来电仪器重新启动后，数据产生较大波动（图6）。

图6 阿鲁科尔沁旗痕量氢浓度冬季日照时间短蓄电池供电不足影响Fig.6 Influence of short sunshine time in winter on battery power supply of Trace hydrogen concentration in Alukeerqin

5.4 所选位置离村庄较远

由于蓄电池供电不能满足冬季连续观测，敖汉旗痕量氢观测点与村庄农户相邻，2019 年已将太阳能和蓄电池供电改为农电；阿鲁科尔沁旗、宁城观测点距村庄3 公里左右，中间隔着耕地，想改农电，不但成本高，而且还需要解决与村民协商等问题。

6 认识及建议

（1）痕量氢观测点选址时应考虑周边自然环境和人为环境的影响，避开且尽量远离大型厂矿、河道、排洪沟等，避免日常观测受到干扰，影响观测质量。

（2）痕量氢观测站选址时，尽量选择有断层出露的地方，如果选择隐伏断层，要在大比例尺地质构造图上确定所选位置，不能与断层位置相差太远，否则监测到氢气的浓度不能较好地反映断层活动。

（3）由于北方冬季日照时间短、气温低，会出现蓄电池供电不足现象，如果每1～2 年更换一次蓄电池，成本偏高。所以选址建台时应考虑使用市（农）电的问题，如果远离村庄，实在无法接用，可考虑冬季蓄电池保暖，延长其使用寿命。

本文主要从痕量氢观测点选址方面进行了简单分析，没有更深层次的综合分析区域地质、水文地质、第四纪覆盖层厚度等条件，没有实践探究井的深度对观测数据是否有影响，下一步计划选取阿鲁科尔沁旗痕量氢观测点作为试点，在地下室内井孔旁钻一深孔，进行氢气浓度对比观测，选取适合断层氢气观测的井孔深度，可能更有利于反映地震活动信息。