延庆五里营井稀有气体地球化学特征①

高 玲，林元武，杨明波

（北京市地震局，北京 100038）

延庆五里营井稀有气体地球化学特征①

高 玲，林元武，杨明波

（北京市地震局，北京 100038）

延庆五里营井逸出气体中主要组分是N2，微量组分含有He，CH4，Rn，CO2，Ar等。N2／Ar值为46．3，3He／4He为2．4Ra，说明井热水中有深部幔源组分的加入；CH4含量为2．2%，CO2（TCD）为4．9mg／L，显示了强还原环境下的热水释放活动，这与延怀盆地微量气体以还原性气体释放为主的气体背景场相符。五里营井气体释放更倾向于是热储库型气体释放而非断裂型释放，这可通过氦气动态观测及2次大震前后流体前兆氦气浓度异常释放得到体现。热储库型气体释放中深部气体上升进入热储并改变整个热储组成的时间较断裂型晚，消失的时间也会晚得多，这与处于八宝山断裂带的大灰场井氦气释放特征存在明显差异。五里营井气体释放特征与该区域地质、地球物理特征相符。

五里营井；稀有气体；还原性气体释放；成因；热储库型

Abstract：The release gas in Wuliying well，Yanqing county of Beijing，is N2，with minor gases He，CH4，Rn，CO2，Ar．The ratio of N2／Ar is 46．3and ratio of3He／4He is 2．4Ra，which show that it mixted by deep mantle－origin conponents．The facts of CH4content is 2．2%，and CO2（TCD）is 4．9mg／L show the hot water release activity under strong reduction environment，which corresponds the gas－release background field characteristicsed by reduction－oriented gas release activity in Yanhuai basin where the well located in．It also shows that the gas release in Wuliying well tends to be a themal－reservoir type，rather than a fault type，reflected by Helium observation and the abnormal release of Helium density before and after two strong earthquakes．It suggests that the time of deep gas with themal－reservoir type entering themal－reservoir lags than the fault type，and disappears much later than fault type does also．This is different from the gas release characteristics in Dahuichang well which located near Babaoshan fault at Fengtai area of Beijing．

Key words：Wuliyng well；Minor gases；Reduction－oriented gas release；Origin；Thermal－reserivor type

0 前言

稀有气体氦及其同位素是反映深部流体活动的灵敏组分。由于观测条件限制，He气观测开展的较少。随着技术的进步，2007年在地质背景特殊的点陆续开展了He气观测。北京地区选在了延庆五里营井和丰台大灰厂井，分别于2008年2月正式投入观测。He气观测对于了解区域深部气体背景动态变化，开展气体地球化学“一井多测项”观测，实施多指标综合判定地震前兆有重要意义。本文对五里营井稀有气体及He同位素组成特征进行分析，通过与大灰厂氦气释放动态观测对比，对五里营井稀有气体释放机理进行初步分析。

1 五里营井背景概况

延怀盆地位于山西裂谷系北部晋冀北盆岭与张渤断裂带复合部位［1］。五里营井位于延怀盆地北缘的沉降过渡带上（图1）。井区周围压性断层发育，地势平缓。井深533m，属自流井，水温36℃，水头高出地面2m多。水化学类型为HCO3－Na型。多年观测资料显示，该井地下水动态几乎不受浅层水和大气降水的干扰。五里营井2007年10月新上数字化氦气观测仪，使用型号WGK－1，2008年2月正式观测。气体采用井口密封经脱气集气获得。

图1 延庆五里营井地质简图Fig．1 Ceological sketch map of area where the Wuliying well located．

2 五里营井气体地球化学特征

五里营井气体化学及同位素组成见表1。

表1 延庆五里营井气体化学及同位素组成

He气化学性质稳定，渗透性较好。如表1所示，五里营井主要气体组分是N2，游离CO2只有4．9 mg／L，显示井热水逸出气体主要来自壳内。同时井逸出气体中含有He、CH4、Ar、CO2等微量气体。其中N2／Ar体积比为46．3，明显有异于空气N2／Ar体积比（83．96），说明该井热水逸出气中有深部气体的加入。

大气氦、壳源氦、幔源氦的表征值分别为1．4× 10－6、2．0×10－8、1．1×10－5，并以R（样品值）与Ra（大气值）之比来表示氦同位素特征，R／Ra＞1即说明有幔源氦的加入。表1所示，五里营井He同位素组成为3．43×10－6［2］，相应的R／Ra为2．4Ra，显示有幔源组分加入。根据Sano壳幔端元公式［3］计算得到的五里营井逸出气体中幔源氦的贡献量为25%。说明逸出氦中大部分来自壳内。

CH4是还原性碳物质，五里营井热水溶解气CH4含量为2．2%体积分数，井CO2（TCD）只有4．9 mg／L，显示了五里营井封闭良好的强还原环境。延怀盆地土壤气CH4平均含量为12．7×10－6，高值在空间上呈孤立分布，盆地内CO2含量平均为396× 10－6，远低于活动断裂带的CO2含量（几千至几万量级以上）［4］，显示延怀盆地微量气体以还原性气体为主的气体背景场特征。因此，五里营井更倾向于热储库型气体释放而非断裂型释放。这可通过氦气动态观测和2次大震流体前兆氦气观测响应得到体现（图2、图3）。

五里营井自观测以来，氦气测值呈冬低夏高变化趋势（图2）。2008年汶川M8．0地震、2010年玉树M7．1地震前，氦气最先出现不同幅度异常释放，其中汶川8．0地震表现最为明显，氦气异常释放达2个月。玉树M7．1地震氦气释放出现小幅度异常，异常释放达1个月；强震发生后异常释放反而增加。汶川地震持续5个月，玉树地震持续4个月后，都在当年9月底回至背景值。这与大灰厂井氦气释放特征存在明显差异。大灰场井位于八宝山断裂带中段，该井处于断层下盘，距离断层20m。其氦气动态曲线呈冬高夏低变化趋势，大致呈U形（图3），具有类似固体潮效应［5］。2008年汶川8．0地震、2010年玉树7．1地震前后氦气异常释放明显增加，异常幅度、释放强度都较正常背景值有明显增强，但由于深部气体上升通道相对顺畅，气体逃逸速度快，异常消失速度快，总体上与动态曲线变化趋势一致（图3）。上述显示，五里营井和大灰厂井不同的气体释放特征与二者之间地质背景差异和不同类型水位观测井密切相关。五里营井地处延怀盆地，周围为压性断层覆盖，气体释放表现出强还原性特征，该井为动水位观测井，逸出气流量相对较大，氦气释放异常幅度也较大。就热储型气体释放而言，深部流体沿断裂通道上升至流体热储库中，改变整个热储的组分较断裂型热储气体释放在时间上要晚，同理，消失的时间也会较断裂型气体释放晚得多。这一过程也可能与五里营井7－9月可能是年变特征有关。不论是年变过程中氦气释放，还是由于地震活动、地应力调整有关的异常氦释放都表现为脉冲式正异常释放之后缓慢回至背景值。

图2 汶川M8．0和玉树M7．1地震前后五里营井氦气观测动态曲线Fig．2 The dynamic curves of digital Helium observation in Wuliying well before and after the M8．0Wenchuan earthquake and M7．1Yushu earthquake．

地球物理研究显示延怀盆地壳幔附近存在低速度多层结构，与邢台地震区壳幔过渡带结构相似，说明壳幔过渡带存在深断裂带［61］。地震波研究显示，上地壳10km存在明显的低速层，类似于熔融体，并延伸到地壳6～20km深度范围，并认为延庆盆地及其邻近区的地震活动与区域地壳内的热状态有密切关系［7］。此外，延怀盆地底下温度和压力梯度变化明显［8］，盆地内热流值较周围山区高［9］。与断裂型井气体释放比较，热储库型五里营井深部气体迁移过程中，受到了上覆岩层阻挡，迁移速度慢，释放入热水中速度也较慢，并且重新恢复平衡的时间也较长［10］。五里营井所表现出来的热储型释放特征与该区域地质地球物理、地球化学结果是相符的。

图3 汶川M8．0和玉树M7．1地震前后大灰厂井氦气观测动态曲线Fig．3 The dynamic curves of digital Helium observation in Dahuichang well at Fengtai before and after the M8．0Wenchuan earthquake and M7．1Yushu earthquake．

3 结论

延庆五里营井逸出气体中主要组分是N2，微量组分含有He，CH4，Rn，CO2，Ar等。N2／Ar值为46．3，3He／4He为2．4Ra，说明井热水中有深部幔源组分的加入。CH4含量为2．2%，CO2（TCD）为4．9mg／L，显示了五里营井强还原环境下的热水释放活动，这与延怀盆地微量气体以还原性气体释放为主的气体背景场相符。

五里营井气体地球化学背景场，氦气动态变化及2次大震异常释放显示，该井气体释放更倾向于是热储库型气体释放而非断裂型释放，异常释放持续时间较断裂型晚，消失时间也较断裂型晚得多。其与处于八宝山断裂带的大灰场井氦气异常释放存在明显不同。

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Geochemistry Characteristics of the Minor Gases in Wuliying Well at Yanqing County，Beijing

GAO Ling，LIN Yuan－wu，YANG Ming－bo
（Earthquake Administration of Beijing，Beijing 100038，China）

P592

A

1000－0844（2012）03－0274－03

10．3969／j．issn．1000－0844．2012．03．0274

2011－04－26

高 玲（1973－），女，硕士研究生，助理研究员，主要研究方向为地下流体地震前兆．