中条山山前断层气孔梯度测试分析

薛 亮，刘国俊

(1.山西省地震局运城地震监测中心站，山西 夏县 044400；2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西 太原 030025)

0 引言

采用断层土壤气中气体浓度的变化来监测预报地震是国内外广泛应用的方法[1]。地震流体观测因受水资源过度开采的影响，需开展断层土壤气观测。随着经济的发展，夏县地震台(以下简称夏县台)地下流体观测受到周边温泉水开采的影响。为避免抽水干扰，先后在中条山山前开展过两次断层气体项目研究，分别为“中条山前断层释放气探索研究”[2]和“中条山断裂断层氢的初步实验”[3-4]。从2008年夏县台开展断层土壤气观测(断层气汞、断层气氡、断层氢气)以来，在该观测区发生过2010年1月24日运城河津4.8级和2016年3月12日运城盐湖区4.4级2次有感地震，但断层气观测无异常现象发生。为提升断层气观测效能，有学者对断层气孔进行探索性分析研究[5]，对土壤氢浓度随深度的变化做理论研究[6]。该文通过对断层气孔梯度测试，了解断层浓度与深度的关系，厘清断层气孔不同深度背景值，确定最佳观测层位，提高观测数据质量。

1 断层气孔测点概况

夏县台山洞断层气观测点海拔高程450 m，取气孔在夏县台背后的山洞洞口；赤峪断层气观测点海拔高程480 m，取气孔在夏县赤峪村地电场地观测室旁；东郭断层气观测点海拔高程400 m，取气孔在运城市东郭村东郭井室内。断层气观测点地理位置同属于中条山山前大断裂与NW向隐伏断裂交汇处。中条山断裂出露在中条山山前北麓及西麓，全长约137 km，走向NE-NEE，倾向NW，倾角58°～75°，构造上属高角度正断层，断裂破碎带宽度约超过100 m。前人研究结果表明，断裂破碎带上的氡气和氢气较富集，远离断裂带两边的氡气和氢气浓度锐减[2]，由此找出断层气孔测试的理想观测位置(见图1)。为便于对比分析，断层气体试验观测点分别选在断层上、靠近及远离断层。

图1 断层气观测点分布图Fig.1 Distribution map of fault gas observation points

2 实验方法

气氡测量采用美国DURRIDGE公司生产的RAD7便携式测氡仪，检出限为3.7 Bq/m3，设置为自动测量，每2 min产出一个数；氢气浓度测量采用杭州超距科技有限公司生产的ATG6118E痕量氢在线自动分析仪，对氢气的灵敏度较高，气敏元件对氢气的检测限达到0.001 ppm；CO2测量采用RXW-1A型二氧化碳测量仪，氢气和CO2的测量方式皆为自动测量，每分钟产出一个数。为比较同一深度不同气体的相关性，将三台仪器的导气管与探头固定，置于同一高度。

最初实验时，将导气管置于深度为距井口4 m处，为验证多组分气体浓度与气孔深度变化之间的关系，将导气管自深度4 m处开始上提，每次提0.5 m，最终提至井口0 m处，待仪器稳定5 min后读数，同时记录三台仪器的观测值，2 min为一组，共记录5组，观察其背景值浓度随导气管深度的变化情况。为探究空气中氢气对氢浓度试验结果的影响，在东郭断层气孔梯度测试完成后，增加东郭断层气测点环境中氢浓度的连续观测。

3 测量结果分析

3.1 气氡

实验结果表明，夏县台山洞观测孔在深度2.5～3 m间，浓度均值相对变化较大，浓度梯度较大；在深度超过3 m以后，浓度均值相对变化较小，说明其浓度相对较高(见图2a)。赤峪观测孔在深度2～2.5 m间，浓度均值相对变化较大，浓度梯度较大；在深度超过3 m以后，浓度均值相对变化较小，表明其浓度相对较高(见图2b)。东郭观测孔在深度0～2 m之间，浓度均值相对变化较大，浓度梯度较大；在深度超过2 m以后，浓度均值相对变化较小，说明其浓度相对较高(见图2c)。根据仪器实际观测情况，导气管投放深度应位于浓度较高，且浓度梯度相对较小的层位。因此，从实验结果得出，氡气最佳观测层位为孔深3～4 m处，该层位浓度均值相对较高，且浓度梯度相对较小。

图2 气氡浓度梯度测试图Fig.2 Radon gas concentration gradient test chart

3.2 氢气

实验结果第47页图3表明，赤峪观测孔与东郭观测孔在距孔口0～2.5 m处，氢气浓度均呈上升趋势，浓度变幅相对较大；在深度超过3 m以后，氢气浓度均呈下降趋势，浓度变幅相对较小。赤峪观测孔在深度2～3 m处，浓度均值相对变化较小，浓度梯度较小，浓度较高；在深度超过3 m以后，浓度均值相对变化较大，说明其浓度较低(见图3a)。东郭观测孔在深度0.5～1 m间，浓度均值相对变化较小，浓度梯度较小，浓度较高；在深度超过2 m以后，浓度均值相对变化较小，表明其浓度相对较高(见图3b)。因夏县台山洞观测孔的痕量氢实验仪器参数误设为每小时采样，造成数据量不足未能进行绘图分析。

图3 氢气浓度梯度测试图Fig.3 Hydrogen concentration gradient test chart

从实验结果看出，不同的观测孔，氢气的最佳观测层位不一致。山洞观测点最佳观测层位为孔深2～3 m处，该层位浓度均值相对较高，且浓度梯度相对较小；东郭观测点最佳观测层位为孔深0.5～1 m处，该层位浓度均值相对较高，且浓度梯度相对较小。从东郭断层气测点空气中氢气的浓度测试结果来看(见第47页图4)，在12 h的连续观测中，氢浓度值一直稳定在0.1～0.16 ppm之间，数据较为稳定。断层气孔中测得氢气的浓度在0.45～0.68 ppm之间，因此，可排除环境中氢气对断层气孔中氢浓度的影响。

图4 东郭观测点环境氢浓度值Fig.4 Environmental hydrogen concentration at Dongguo Observation Point

3.3 二氧化碳

实验结果第48页图5显示，3个观测孔二氧化碳浓度随深度增加呈上升趋势，在深度0～2 m处，浓度变幅相对较大；2.5～4 m处逐渐趋于稳定，浓度变化相对较小。山洞观测孔在深度0～3 m间，浓度均值相对变化较大，浓度梯度较大；在深度超过3 m以后，浓度均值相对变化较小，表明其浓度相对较高(见图5a)。赤峪观测孔在深度0～2 m间，浓度均值相对变化较大，浓度梯度较大；在深度超过2.5 m以后，浓度均值相对变化较小，表明其浓度相对较高(见图5b)。东郭观测孔在深度0～2 m之间浓度均值相对变化较大，浓度梯度较大；在深度超过2 m以后，浓度均值相对变化较小，说明其浓度相对较高(见图5c)。因此得出，二氧化碳最佳观测层位为孔深3～4 m处，该层位浓度均值相对较高，且浓度梯度相对较小。

图5 二氧化碳浓度梯度测试图Fig.5 Carbon dioxide concentration gradient test chart

4 结论与讨论

综上所述，得出如下结论：

(1)从对梯度测试数据分析可以看出，导气管的下放深度对气体浓度背景值变化有一定影响，由于最佳观测层位的存在，在仪器安装之前应先给出逸出气体观测气孔的梯度图。

(2)不同深度的气体浓度的背景值变化幅度不同，同一气孔不同气体的浓度背景值变化幅度也不相同。从梯度测试数据分析可以得出，随着深度的增加，氢气的背景浓度值逐渐升高，浓度变化幅度较小；当到达一定深度后，随深度的增加，氢气的背景浓度值逐渐下降，浓度变化幅度较大。二氧化碳与氡气有相似的变化趋势，背景值浓度均随深度的增加而增加，浓度变化减小。

(3)从对实验观测数据的质量方面分析可以得出，导气管的放置深度应处于背景值浓度较高、浓度变化幅度相对较小的层位。因此，可通过该观测孔气体背景值浓度的均值和梯度变化幅度的大小，来选择最佳的观测层位，该层位应满足背景值浓度均值相对较高，梯度变化幅度相对较低的条件。