高精度氢实验台网观测数据浅析

梁 宏，陈学芬，刘雪梅，黄雪影，赵天霞，张永婕

(1.四川省地震局，四川 成都 610041；2.西昌地震中心站，四川 西昌 615000)

地壳中的H2因其独特的物理化学特性，主要分布在距地壳多震层(10～20 km深度)顶部较近的地方，而且主要沿现今活动断裂带出现，与地震活动关系密切(车用太等，2015；杉崎隆一等，1984；竹花康夫等，1983)。通过国内外大量地震监测资料分析认为，H2是对地震前兆响应灵敏的气体组分，特别是在短临阶段的映震能力，明显优于其他气体测项(Sugisaki et al.,1983，1987；车用太等，2002；张培仁等，1993)。地震前出现的氢气浓度异常时间短、异常特征显著，多具有明显的短临异常特征，通常表现为震前几天至几十天的突发性大幅上升(王基华等，1991；粟启初，1992；范树全等，1993)。一般情况下由于H2在土壤及地下水中的背景值较低，因此，其出现异常的幅度较高，通常表现为数量级的增幅，异常易于识别(范雪芳等，2014；黄春玲等，2014)。而连续观测痕量氢仪器的研发成功，为我们开始断层逸出气H2的连续观测提供了理论依据与实践基础。

为了探索地震监测预报新技术新方法，在川滇国家地震监测预报实验场地震潜在危险区川滇菱形块体东边界的安宁河断裂带和则木河断裂带，建设断层逸出气H2观测示范研究区。建设了由连续观测固定点和流动观测点组成的较高密度观测台阵，点位分布覆盖不同构造段，在示范研究区域内建设连续观测固定点5个，流动观测点12个，连续观测固定点与流动观测点采用统一标准化的施工和建设方案。连续观测固定点和流动观测点均使用同一厂家生产的高精度痕量氢观测仪器。

1 观测场地概况

图1 高精度氢实验观测场地分布图

前期专家组结合地质构造资料在川滇菱形块体东边界的安宁河和则木河断裂带进行勘选，预选实验观测区域。技术组在专家组预选区域野外实地开展构造地球化学剖面测量，最后综合区域构造、水文地质、人类活动和土壤气勘选结果，选择在土壤气浓度较高、地下水位埋深大，人为干扰小，利于施工且便于维护的区域建成大箐梁、小庙乡、羊福山3个断层气H2实验观测场地(如图1)。大箐梁场地布设在则木河断裂带西昌—普格段的大箐村丰家堡子，建设了1个连续观测固定点，1个流动观测点。羊福山场地布设在安宁河断裂冕宁—西昌段安宁河谷东侧的羊福山上，建设了1个连续观测固定点，4个流动观测点。在小庙乡场地布设在安宁河—则木河过渡带小庙乡李金堡村北，建设了3个连续观测固定点，7个定点流动观测点和1个对比观测固定点。

2 观测方法

在三个实验观测场地勘选出的观测点位采用统一标准化的施工和建设方案建设观测井孔。观测气孔位于断层破碎带上，井孔直径1 m，孔深8 m，集气仓回填砾石，上部用防水材料密封，在孔底预置电子温度传感器，预埋集气装置及四氟管，四氟管内输气管与地面观测仪器连接。三个观测场地共建5个固定观测井孔，12个流动观测井孔。连续观测固定点由井孔、基座和观测机柜、太阳能供电系统组成。观测机柜内安装高精度痕量氢观测仪、地温观测设备、电源及通信等辅助设备。在定点流动观测孔上修建正方形水泥基座，在基座上放置水泥套管，用于保护输气管和地温电缆。在输气管口安装了气体阀门，套管配置水泥井盖，流动观测时打开井盖进行观测。

连续观测固定点安装ATG-118H型痕量氢观测仪，仪器检出限为0.01×10-6(0.01 ppm)，测量范围0.01～5000 ppm，采样时间间隔设置为60 min，采样持续时间设置为30 s，抽气量为10 ml/min，仪器每次测量气体量为5 ml。同机测量土壤逸出气的氢气浓度、气温、气压。5个固定点与12个流动点井孔地下8米集气仓内预埋了WD-2000型阵列式地温观测仪传感器，进行同层地温的观测。WD-2000型阵列式地温观测仪测量范围-50～50 ℃，精度0.1 ℃，分辨率0.001 ℃，具有网页浏览、FTP服务、网络数据通讯等功能，数据采样率为分钟采样，从2016年7月1日起开始连续观测。流动观测时使用便携式仪器进行地温观测。氢流动观测使用便携式测氢仪ATG-300H进行野外流动观测，每次测量5个数据后取平均值，采样间隔5 min，采样时间为30 s，流动观测间隔3～4个月，截至2018年7月5日已进行了六期流动观测。

3 观测数据分析

从地壳中扩散出的气体是一个受气象因素影响的复杂过程(Klusman RW et al.，1987)，氢气浓度的变化与地温、气温、气压有一定的关系(范雪芳等，2012；黄春玲等，2011)，以连续观测固定点2017年的观测数据为样本，结合流动观测数据进行实验台网观测数据的分析研究，主要分析总结氢气浓度、地温、气温、气压观测数据变化的日动态、月动态和年动态，浅析氢气浓度数据变化与地温、气温、气压之间的关系，着重考察氢气浓度与同层地温、气温的关系。

3.1 大箐梁观测点观测数据动态分析

图2 大箐梁气温与地温对比曲线图(2017.08.17～2017.08.22)

根据流动观测点数据统计分析，测点附近土壤中氢气浓度的背景值为0.17 ppm，连续观测固定点氢气浓度背景基值为0.05～0.15 ppm。在连续观测固定点观测到的地温与气温日变形态良好，地温与气温同步反向变化(如图2)，地温日变幅度在1 ℃以内，年变化幅度3 ℃以内，呈现与气温相反的夏低冬高的年动态变化特征。氢气浓度日动态无明显规律，测值与地温、气温、气压无明显相关性，日动态为脉冲式变化，高值前后测值在背景基值附近变化，走势较为平稳，年内最大日变幅度为4.0 ppm。氢气浓度无明显年动态变化特征，观测数据变化的日动态、月动态和年动态分别如图3～5所示。

此测点由于测值低，在观测过程中进行过不同采样时间、不同采样间隔、不同仪器的实验。同一仪器进行不同采样时间、 不同采样间隔实验时，测值变化不大，通常是低值—不规律脉冲值—低值走势，仪器用标准浓度氢气校准前后测值无大变化。2017年11月进行了仪器更换，更换仪器后脉冲值明显减少，测值在0.1 ppm上下波动，脉冲值不定期出现。综合大箐梁连续观测与流动观测数据，大箐梁测区氢气浓度测值处于低值。目前正在进行不同井孔深度和不同集气方式的实验，后期将进一步分析研究。

图3 大箐梁数据日动态曲线图(2017.08.17)

图4 大箐梁数据月动态曲线图(2017.08)

图5 大箐梁2017年数据年动态曲线图(2017.01.01～2017.12.31)

3.2 羊福山观测点观测数据动态分析

图6 羊福山地温与气温对比曲线图(2017.08.15～2017.08.20)

根据流动观测点数据统计分析，羊福山测点附近土壤中氢气浓度的背景值为0.45 ppm，连续观测固定点氢气浓度背景值为 0.6～0.8 ppm。此连续观测固定点同层地温与气温日变形态良好，地温与气温同步反向变化(如图6)，同层地温日变幅度在1 ℃以内，年变化幅度为2 ℃以内，呈现与气温相反的夏低冬高的年动态变化特征。氢气浓度日动态规律明显，呈现与气温同向变化，与同层地温气压反向变化的规律。在气温高值或稍滞后出现每日高值，高值以急速上升，快速下降形态出现，年内最大日变幅度为15.0 ppm。高值前后测值在背景值0.7 ppm附近波动，走势较为平稳。氢气浓度年动态较为平稳，无明显年动态变化特征，观测数据变化的日动态、月动态和年动态如图7～9所示。

3.3 小庙乡1号观测点观测数据动态分析

根据流动观测点数据统计分析，小庙乡1号观测点(简称小庙1)附近土壤中氢气浓度的背景值为0.5 ppm左右。此连续观测点同层地温与气温日变形态良好，地温与气温同步反向变化(如图10)，同层地温日变幅度在1 ℃以内，年变化幅度为2 ℃以内，呈现与气温相反的夏低冬高的年动态变化特征。氢气浓度日动态规律明显，呈现与气温反向同步变化，与同层地温同向同步变化且形态相似的日变规律， 年内最大日变幅度为4.0 ppm。氢气浓度年动态较为平稳，未随地温出现夏低冬高变化特征，观测数据变化的日动态、月动态和年动态如图11～图13所示。

图7 羊福山数据日动态曲线图(2017.08.16)

图8 羊福山数据月动态曲线图(2017.08)

图9 羊福山2017年数据年动态曲线图(2017.01.01～2017.12.31)

图10 小庙1地温与气温对比曲线图(2017.08.15～2017.08.20)

图11 小庙1数据日动态曲线图(2017.08.27)

图12 小庙1数据月动态曲线图(2017.08)

图13 小庙1数据2017年动态曲线图(2017.01.01～2017.12.31)

3.4 小庙乡2号观测点观测数据动态分析

根据流动观测数据统计分析，小庙乡2号观测点(简称小庙2)附近土壤中氢气浓度的背景值为0.3 ppm左右，连续观测固定点氢气浓度背景值为 0.6～0.7 ppm。此连续观测点观测到的同层地温与气温日变形态良好，地温与气温同步反向变化(如图14)，同层地温日变幅度在1 ℃以内，年变化幅度2 ℃以内，呈现与气温相反的夏低冬高的年动态变化特征。氢气浓度

图14 小庙2地温度与气温对比曲线图(2017.08.15～2017.08.20)

日变规律明显，呈现与气温同步变化，与同层地温气压反向变化的日变规律，年内最大变化幅度为2.0 ppm。氢气浓度年动态随气温出现夏高冬低变化特征，观测数据变化的日动态、月动态和年动态如图15～图17所示。

图15 小庙2数据日动态曲线图(2017.08.12)

图16 小庙2数据月动态曲线图(2017.08)

图17 小庙2数据2017年动态曲线图(2017.01.01～2017.12.31)

3.5 小庙乡3号观测点观测数据动态分析

根据流动观测点数据统计分析，小庙乡3号观测点(简称小庙3)附近土壤中氢气浓度的背景值为0.3 ppm左右，连续观测固定点氢气浓度背景值为 0.5～0.7 ppm。此连续观测固定点同层地温传感器工作不正常，不能记录到较好的日变形态，气温与气压日变形态良好。测点氢气浓度数据2017年6月24日以前没有随地温气温变化的变化形态，2017年6月25日至2017年10月10日出现高值与气温高值同向变化的日变规律，2017年10月10日后日变规律消失，高值以脉冲方式出现，高值前后数据在背景基值附近波动，年内最大日变幅度为26.0 ppm。氢气浓度无明显年动态变化特征，观测数据变化的日动态、月动态和年动态如图18～20所示。

图18 小庙3数据日动态曲线图(2017.08.19)

图19 小庙3数据月动态曲线图(2017.08)

图20 小庙3数据2017年动态曲线图(2017.01.01～2017.12.31)

4 结论

通过对观测点数据进行分析，有以下几点初步认识：(1)实验台网现有井孔孔深8 m，集气仓回填砾石，上部用防水材料密封的建设方式使得保温隔热较好，同层地温日变幅度在1 ℃以内，年变化幅度在2～3 ℃以内，日动态上地温与气温正好呈反向变化，地温年动态呈现与气温动态相反的夏低冬高的年动态变化特征。(2)实验台网五个连续观测固定点中三个测点氢气浓度日变化与气温同步同向变化，一个测点氢气浓度出现无规律脉冲值，只有一个测点氢气浓度与地温同步同向变化，且形态相似。说明实验台网在现有建设模式下氢气浓度主要受气温影响，观测曲线中未出现到与气压相似的曲线形态，说明受气压影响不大。(3)实验台网中四个测点氢气浓度无年周期动态变化特征，只有一个测点氢气浓度年动态随气温出现夏高冬低变化特征，这可能与测点建设或地区差异性有关。(4)高精度氢实验台网观测数据变化的物理机制有待更长观测时间，更深入细致的分析研究。

致谢：刘耀炜研究员对本文给予了指导和帮助，张磊博士、包创博士、柯云龙硕士在资料方面提供协助，在此表示衷心感谢。