夏县地震台痕量氢气突升异常成因的调查与分析

刘国俊 胡玉良 姚林鹏 郭国祥 刘垚坤

(1.山西省地震局夏县中心地震台，夏县 044400；2.太原大陆裂谷动力学野外科学观测研究站，太原 030025；3.山西省地震局，太原 030021；4.山西省地震局临汾地震台，临汾 041000；5.山西省地震局五台科技中心，五台 034099)

经验交流

夏县地震台痕量氢气突升异常成因的调查与分析

刘国俊1,2胡玉良2,3姚林鹏1,2郭国祥2,4刘垚坤2,5

(1.山西省地震局夏县中心地震台，夏县 044400；2.太原大陆裂谷动力学野外科学观测研究站，太原 030025；3.山西省地震局，太原 030021；4.山西省地震局临汾地震台，临汾 041000；5.山西省地震局五台科技中心，五台 034099)

针对2016 年9月～10月山西夏县地震台痕量氢气出现的3 次大幅突升变化，按照异常核实的时间相关性、空间相关性、强度相关性和机理相关性原则，对异常进行调查分析、实验，结果表明，山西夏县台痕量氢气大幅度变化系交流电源受干扰导致，非震兆异常，提出观测系统整改意见，以期为地震预测提供可靠的观测资料。

痕量氢气 突升 异常

地下流体广泛地赋存于地下岩体及孔隙中，由于具有可自由流动性，能够充分反映地下动力过程，因此，观测地下流体的各种物理、化学动态，一直被人类作为探索地震预报科学的有希望的途径[1，2]。国内外大量研究资料表明，断层氢深度对地壳介质应力应变反映灵敏，在大量的中、强震前，断层气测项有较突出的异常表现，是地震短临预测的重要地下流体测项之一[3]，夏县地震台断层气氢观测有过比较好的前兆震例[4，5]。2016年9月～10月夏县台断层气氢气(即痕量氢气)出现3次短期的突升异常变化，每次持续时间5 ～ 6 d，氢观测值的突出异常变化引起了分析预报部门的关注。这3次是地震前兆异常还是由干扰引起 ，无论从地震预报的现实工作需要 ，还是从异常成机理的研究来讲，需要给出一个科学合理的分析结果。笔者依据地下流体学科观测资料异常变化现场核实工作技术要求，按照异常识别成因相关性、空间相关性、时间相关性和强度相关性的原则，对该异常变化进行了跟踪研究，最终确定该异常的成因非地震前兆性质。

1 井孔及观测概况

1. 1 观测点地质概况

夏县地震台痕量氢气观测点海拔高程450 m，取气孔设在中条山山前大断裂与 N w 向隐伏断裂交汇处的夏县地震台山洞硐口。山西南部的中条山断裂是鄂尔多斯断块周边活动断裂系东南部的一条断裂， 并且是运城断陷盆地和中条山断块隆起的分界。中条山断裂出露于中条山 山前的北麓和西麓， 长137 km，走向N E-N E E，倾 向N w，倾 角 58°～75°，属高角度正断层， 断裂破碎带宽100 余米，沿断裂带有温泉出露，为一局部地热异常区。经野外实测， 断裂带上土壤气富集，远离断裂带两边则锐减，是理想的断层气观测点[6]，地质构造和采样装置剖面图见图1。

图1 夏县地震台地质构造和采样装置剖面图

1.2 痕量氢采样集气装置

夏县地震台痕量氢气观测孔深7.6 m，采样集气装置剖面如图1所示[6]，观测孔底埋有1.2m深花管，由砂砾石回填，因氢气具有极强的渗透性和迁移性及容易垂直向上扩散的特点，在孔底安装集气装置。采样量是300mL/minX10S=0.05L，仪器每间隔 20min 采集一次样品。砾石层中的气体很快扩散使气体达到新的平衡，因此测定结果可以反映砾石层中断层气的真实情况 。

1.3 观测概况

夏县地震台痕量氢断层气自2010年2月1日在夏县台观测以来，痕量氢自动分析仪仪器稳定[7]，仪器故障率低，运行正常，系统无故障发生，每两年进行一次现场校准，记录到连续可靠的观测数据。数据分析显示，该测项采样率为1次/20分钟,日动态正常背景值均为1～3 ×10-6(图2)。日变化平稳，受气温波动较大，无明显的年动态特征[8]。分析正常背景值下数据变化特征，显示该测项与气温、气压存在一定相关性，对潮汐反应较灵敏，受降雨影响不明显；不受周边温泉区抽水影响，无明显的干扰源。

图2 夏县地震台断层气氢气浓度原始曲线图

2 痕量氢突升异常概述

夏县地震台断层气氢观测点氢浓度正常变化背景值在0.2～1.5×10-6左右变化。2016年9月～10月期间出现3次突升异常(图3)，持续时间为5～6d，第一次变化是2016年9月13～17日，最大变化幅度达39.678 ×10-6，第二次变化是2016年10月5～10日，最大变化幅度达41.526 ×10-6，第三次变化是2016年10月20～25日，最大变化幅度达29.800 ×10-6。1个多月在同一测点连续出现3次突变，间隔时间比较短，其变化幅度达到正常背景值的30倍以上，可以作为成组异常对待。由于山西南部多年来一直被列为值得注意地区，此异常对震情判断非常重要。

图3 夏县地震台断层气氢气浓度原始曲线图

3 异常核实与成因分析

3.1 异常调查与落实情况

上述3次异常发生后，工作人员现场对仪器工作状态、供电、接地、周边观测环境进行了调查，仪器工作状态正常，供电采用交流供电(电压219V)无直流供电，机柜无接地，观测室仪器布设图4。调查周边观测环境无何改变，周边温泉井抽水量与平日相当。查看进出观测室工作登记本，此突升异常出现时间与给电磁波观测仪器电瓶充电时间相吻合。

图4 夏县地震台痕量氢仪器室布设示意图

3.2 异常特征与充电的时空对应分析

分析2016年9月至10月痕量氢异常突变时段数据变化特征，氢浓度最高值达41 ×10-6， 变化幅度较背景值呈40倍变化，且数据在17～20h内升到最高值，然后呈下降趋势，降幅度较明显，并且回复至背景值时间较快，具体情况见表1 。

从图3可以看出每次氢气突升变化属于典型的阻尼谐振荡频谱，与充电模式类似：第一阶段为恒流充电阶段；第二阶段为恒压充电阶段；第三阶段为涓流充电阶段。根据进出观测室工作登记本记录情况，结合3次氢气变化分析认为：第1次充电时充电器与痕量氢仪共用一个插座，充一块电瓶；第2次充电时充电器改变充电方式，加入交流稳压电源，充电期间断电测电瓶电压；第3次充电时延用第二次充电方式，加载为两块电瓶。异常持续时间与电瓶电压有关，异常幅度与电瓶电压有关[9]。

表1

3.3 影响机理分析

首先对痕量氢观测系统进行检查，排除观测系统是否存在干扰因素，3次高值异常期间供电环境有所改变，与电磁波电瓶充电有一定相关性。

充电电源为市场上较为便宜的开关电源，由于充电器本身是一个开关电源，工作时会产生较强的电磁干扰。其中，由基本整流电路产生的高次谐波干扰和电压转换电路产生的尖峰电压干扰是主要因素。特别是高次谐波沿着输电线路是会产生传导干扰和辐射干扰。一方面会使接在其前端的电源线上的电路波形发生畸变，这些干扰信号占有比较宽的频率范围，又有一点的幅度所以会对周围电子设备造成干扰。充电电瓶需加载的输出电流由电瓶内阻决定，而电瓶内阻由其电动势决定，电动势越高，内阻越小，因而随着充电的过程，电瓶的电动势越来越大，充电电源产生电流干扰的频率越来越小[10，11]。

充电电源产生的高频电流干扰超出痕量氢仪器中滤波电容的工作范围(50Hz)，与仪器中数采模块计数器发生谐振，致使数据发生变化。因为电流干扰的频率有趋势减小的过程，初始频率并未与痕量氢仪器供电部分发生完全共振现象，而是在干扰频率减小过程达到完全共振后逐渐偏离，故痕量氢干扰图像呈现出趋势上升-下降的特征。当停止充电，断开充电设备，氢浓度恢复正常，因此氢浓度出现的短期突变异常系非构造活动引起 。

3.4 实验及结果分析

鉴于以上情况，我台做了两次实验：(1)10月7日在氢浓度恢复过程中，14时对电磁波电瓶充电器进行开关机实验，氢浓度14时20分就出现数据突变现象，转折为数据上升，至19时40分上升幅度为8.775×10-6,然后呈下降恢复状态； (2)10月23日9时关闭充电器，随后氢浓度数据发生突跳，变幅为0.847×10-6，经过26小时氢浓度逐渐恢复至背景值。10月27日停电对电磁波电瓶充电工作，氢浓度观测数据正常如图5。

图5 夏县地震台断层气氢气浓度原始曲线图

4 思考与建议

前兆观测的多样性 、个体差异性造就其复杂性，影响资料产出的因素很多，既有外部环境、观测系统、随机 (人为 ) 干扰等 。此次异常调查，通过对观测系统检查，结合详细的工作记录，我们分析认为此次氢浓度突升是由供电环境改变导致，与构造活动无关。鉴于此情况建议：(1)改善供电环境，采用供电电路隔离方式将充电器与仪器进行隔离。排除谐波源负荷的影响；(2)对观测仪器做好接地，减少纹波和噪声对数字电路干扰，确保观测仪器设备安全、可靠、高效运行。

[1]国家地震局预测预防司．地震地下流体观测技术[M]．北京：地震出版社，1994：20-38.

[2]车用太，王广才，刘五洲，等．关于发展我国地下流体前兆流动观测问题的建议[J]．国际地震动态，2002，11：1-7．

[3]国家地震局预测预防司．地下流体地震预报方法[M]．北京：地震出版社，1997：6-18.

[4]范雪芳，黄春玲，刘国俊，等.山西夏县痕量氢观测资料初步分析[J].山西地震，2012，151(3):7-12.

[5]范雪芳,张磊,李自红,陶京岺.断裂带土壤气高精度氢异常分析[J].地震地质, 2016, 38(2): 303-315.

[6]范雪芳，李自红，刘国俊，等.断层气氢浓度观测技术试验研究[J].中国地震,2014， 30(1)：43-54.

[7]范雪芳，刘国俊.痕量氢连续观测仪稳定性分析[J].中国地震，2015， 31(1)：36-44.

[8]黄春玲，王向阳.夏县地震台痕量氢观测技术与地震关系研究[J]． 地震地磁观测与研究，2012，33(3)： 130-136．

[9]郝柯 ．电力系统谐波检测与治理．中国测试技术． 2005，31(6)： 66- 67.

[10]陈家斌，高小飞．电气设备防雷与接地实用技术[I].北京：水利水电 出版社，20 10：30-32.

[11]周志敏．高频开关电源设计与应用实例 [M].北京:人民邮电出版社,2005：25-28.

Investigation and analysis on jump anomalies in monitoring of trace hydrogen at Xiaxian Seismological Station.

Liu Guojun1,2, Hu Yuliang2,3,Yao Linpeng1,2,Guo Guoxiang2,3,Liu Yaokun2,5

(1. Xiaxian Central Seismological Station of Earthquake Administration of Shanxi Province.Xiaxian,044400,China; 2.National Continental Rift Dynamics Observatory of Taiyuan,Taiyuan 030025,China; 3.Earthquake Administration of Shanxi Province, Taiyuan 030021；4. Linfen Central Seismological Station of Earthquake Administration of Shanxi Province,Linfen 041000,China;5. Wutai Science and Technology Center Earthquake Administration of Shanxi Province, Wutai 034099, China)

Three jump anomalies appeared from September to October 2016. They were investigated and analyzed according to the relativity principle of time, space, strength and mechanism. The results revealed that these phenomenas were not seismic precursor. The main reason was the power supply disturbance of the monitor.

trace hydrogen; jump; anomaly

中国地震局监测、预报、科研三结合课题(CEA-JC/3JH-160401)

10.3969/j.issn.1001-232x.2017.04.027

2017-03-02

刘国俊，男，1972出生，1992年毕业于防灾技术高等专科学校，高级工程师，主要从事地下流体监测工作，E-mail:liuguojun926@163.com。