地下氢气微动态与动力响应特征

刘耀炜张 磊范雪芳王海燕任宏微孙小龙杨朋涛中国地震局地壳应力研究所地壳动力学重点实验室，北京 100085山西省地震局，太原 030002辽宁省地震局，沈阳 110031

地下氢气微动态与动力响应特征

刘耀炜1）张 磊1）范雪芳2）王海燕3）任宏微1）孙小龙1）杨朋涛1）
1）中国地震局地壳应力研究所地壳动力学重点实验室，北京 100085
2）山西省地震局，太原 030002
3）辽宁省地震局，沈阳 110031

地球内部气体中与构造活动有直接关系的氢（H2），被广泛认为是最有可能在短临地震前兆异常中获得突破的测项。研究表明，地壳逸出的氢、特别是断裂带溢出气中H2形成的机理归纳为3种类型：①地壳下层的塑性岩石在断层错动过程中会产生H2，如蛇纹岩或硅酸岩大新鲜裂隙和破裂面容易发生水岩反应直接产生氢；②源于地壳深部岩石孔隙、裂隙中被封存的H2，随着断裂带岩石中裂隙的连通和孔隙压力的增大，会导致H2经裂隙向上运移，溢出地表，使地下水及土壤气中的H2浓度升高；③地震孕育过程中，特别是临震破裂阶段，岩石膨胀产生超声振动，可释放岩石孔隙、裂隙中封存的H2。断裂带内的H2浓度可以反映断裂带的活动程度。

尽管前人对氢气与地球排气以及地震活动关系给予了高度关注，但人们对地下氢气的微动态特征以及氢浓度与介质动力响应过程的关系了解甚少。以往氢的观测技术未能达到在台站连续观测的程度，气相色谱仪氢浓度检出限较低，无法观测到气氢浓度微动态特征和地下介质动力加载作用的响应信息。“十二五”国家科技支撑项目支持研发出新型氢观测仪，浓度观测精度达到1×10-7，分辨率优于1×10-8，连续观测最小采样率为2 min，采样量50 ml。观测仪器能够观测水中逸出（或溶解）氢浓度或断层带土壤中的H2浓度，满足对地下氢高采样率观测的要求。观测仪器配有环境气温传感器和气压传感器，与观测值同步的气温、气压数据有利于对观测资料的干扰因素分析和获取可靠的气体浓度变化观测结果。

热水井逸出气氢浓度观测在辽宁锦州沈家台热水井进行。沈家台热水井位于辽西块隆东北端，北东向和北西向断裂构造的交汇部位，观测井深155 m，基岩裂隙水，水温27 ℃。观测时间2010年1月至2012 年2月，观测结果表明，沈家台热水井逸出气氢浓度变化幅度为（1.5～2.5）×10-6，观测过程中获得了2011 年3月11日日本9.0级地震氢浓度的同震响应信息，与井水位震荡同震效应时间同步，同震响应的氢浓度异常幅度达到2.87×10-6。对正常观测资料时均值的谱分析结果表明，氢浓度出现明显的半日波信号，调和分析得到氢浓度的M2波幅度达到0.92 ×10-6，这是国际上首次获得氢浓度同震响应与固体潮信息。

断裂带逸出气氢浓度实验观测在山西中条山断裂夏县山前断裂段开展。观测从2010年2月起至今长达6年多时间，未出现仪器故障断数。断层气氢浓度正常动态具有日变形态和年变形态，正常背景浓度为（2～3）×10-6，正常日变幅度约（0.2～0.6）×10-6，年变幅度为（5～10）×10-6。观测期间距测点330 km周口发生4.7、4.3级地震，氢观测值出现形态相似的异常变化，幅度达（25～48）×10-6，取得较好震例，在新疆、云南氢观测点上也获得类似的异常震例。断裂带气体氢浓度变化与环境温度有一定相关性，气压影响不显著，但长时间降水直接渗入观测孔，会对观测值有一定影响；500 m范围内的地下水抽水会引起氢浓度的同步升高；气路被冷凝水堵塞是造成氢测值低于背景值的主要原因。

研究表明，地壳气体氢浓度对地下介质动力加载作用响应灵敏，符合地震孕育发生及断裂活动引起地下介质变化的前兆物理机理，是值得推广的地震监测预报新方法。当然要提高推广应用效能，还需要开展深入研究工作：①基于高密度观测台阵断裂活动段与闭锁段氢变化特征分析；②氢连续观测野外观测环境与抗干扰实验；③溶解气与断层气氢连续观测台站建设技术要求；④异常识别、干扰排除与机理分析方法。