复审稿件山西夏县痕量氢气背景值突变分析

1、对山西夏县痕量氢气背景值突变的分析与认识黄春玲 1）2） 范雪芳 2 ）3）张文男 1）2）1）中国运城 044000 夏县中心地震台2）中国山西 030025 太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站3）中国山西 030025 山西省地震局摘要：应用ATG6118痕量氢分析仪在山西夏县台开展了试验测试，记录到比较翔实的观测数据。根据观测数据结果分析，地震前观测到断层氢气的异常特征是高值突跳，异常幅度大、 时间短。本文对 2012年3月至11月痕量氢观测的背景值变化进行了重点分析 ,对观测资料的进 一步使用奠定了基础 , 为新型仪器观测提供一些事实依据。关键词： 痕量氢观测 ;背景值 ;变化;

2、分析0 引言我国气体地球化学方法在地震科学中的应用研究已经广泛开展， 是一项有广 阔前景的地震观测方法。地下Rn Hg 、He等活跃组份对地震前兆映震效能已被国内外许多震例所证实， 探索用氢气预报地震是国内外地震地球化学研究的热点之一。在国际上，日本曾报道过位于中央构造线上的汤屋矿泉水（水温22C）氢气浓度变化与附近大野震群的对应关系。 我国地震工作者也对氢气异常与地震 的关系进行了大量研究（张培仁等， 1993；车用太等， 1998；鱼金子等， 1998；，认为氢气具有较强的映震灵敏性， 特别在短临阶段的映震能力明显优于其他测项范树全等， 1993） 。断层土壤气地震监测工作开始于上世纪八十

3、年代， 当时观测方法采取的主要 是在一些活动断裂带上布设测点， 定时采样分析， 观测技术上只能点测， 不能实 现实时监控及数据的传输，这期间 王基华、林元武等在断层上采用简便、可靠、经济易推广的快速测定管法分析co取得了许多明显的震例；“九五”期间国家大力发展对地震仪器的研制， 前兆仪器实现了实时自动记录， 增加了采样间隔， 使点测到连测” 成为可能， 通讯传输也得到了大大改善， 地震观测仪器实现了质 的飞跃； “十五”以来，地震观测仪器的精度得到了大大改善与提高，实现了“IP到仪器，IP到台站”的观测技术，方便了仪器的检修、维护、应用及管理，使观测者及资料使用者第一时间获取资料成为可能， 更

4、加大大的节约了人员与财 力的支出。夏县地震台（以下简称夏县台）痕量氢气观测属断层土壤气监测项目，是中 国局流体学科组在夏县台站安排实施的试验项目，观测使用仪器为“ ATG6118H 痕量氢在线自动分析仪” ，该仪器由杭州科技有限公司生产 ,仪器检出限为 0.1 ppm,该仪器具备数据实时传输、 远程浏览网页、远程调取数据及浏览观测曲线等功能，并且仪器操作、标定、维护较为简便。试记工作开始于2010年1月24日山西运城-河津MS4.8级地震之后，同年2月1日该仪器在夏县正式观测。自观测以来记录到了连续、可靠、翔实的科学数据。2010-2011年两年间，观测数据稳定，背景值清晰，经分析与周边地震有

5、很好的对应关系； 2012年3月至11月以来背景值突变，较以前背景值 3-4 倍变化，此种数据变化现象引起了台站工作人员 及山西省地震局分析预报人员的重视， 并陆续被列为周会商、 月会商及年度会商 的跟踪项目， 本文针对这一观测现象试图从仪器运行状况的排查、 观测环境的调查、气象因素的对比、周边地震的发生对比等方面进行背景值突变的分析与探讨， 研究影响观测数据背景值突变的可能因素。1 痕量氢观测概况1.1 氢气的性质氢气（Hydrogen）是目前已知的最轻的气体，在通常状况下，氢气是一种无色、 无味的气体，它比空气轻。据测定，在标准状况下（温度为0C，压强为101.325 kPa）, 1L氢气

6、的质量是0.089g。它难溶于水，也难液化。陈丰研究员根据高温低压实验结果， 认为氢是地球深部流体的重要源泉， 论述了在地核、 地幔边界和地 幔中有氢化物， 他们受局部升温、 减压或其它物理化学条件的变化， 甚至被宇宙 变化所触发，会使氢逸出。氢的密度最小，逸出后将迅速上升；氢的粘度极低，是很容易流动的流体； 氢也是气体中比热最高的 , 它的导热率比空气大 7倍，是容易携热上升、热损耗很小的物质。1.2 观测点概况夏县台痕量氢气观测点海拔高程450m取气孔设在中条山山前大断裂与NW 向隐伏断裂交汇处的夏县地震台背后山洞硐口。 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，

7、 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N1NEE倾向NVy倾角5875，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，是一理想的断层气观测点 （ 图1）。痕量氢断层气孔选择在中条山大断裂与 NW向隐伏断裂交汇处的夏县温泉区内，该处由于岩体破碎，孔隙和裂隙比较发育，易富集和贮存气体，是地下气体2009）。较易逸出的灵敏地段(范雪芳等，1.3采样集气装置痕量氢气观测孔深8 m采样集气装置剖面如图1,下面埋有1.2m深花管，有砂砾石回填。根据氢

8、气的特点，具有极强的渗透性和迁移性，容易垂直向上扩散, 孔底安装有集气装置，采样量是300mL/minx10s =0.05L，仪器每间隔20min采集一次样品，砾石层中的气体会很快通过扩散使气体达到新的平衡，因此测定的结 果可以反映砾石层中断层气的真实情况。111* W河图例09威-酗腳cn n吨欣觸也 K a F =- = *!3 代*八W JI fi*1 7冷县 断 层 气 来9 剖 面 图ft hl4町ZKCt *11 茁 I 杠（11 耳中 DEPhiTEUHXflE粒g 口1I.X/ HlERi111 lUlMIT_ILmtn(a)(b)图1夏县台地质构造及痕量氢气采样观测剖面(a)

9、夏县台地质构造及热水井平面图(b)痕量氢气采样集气剖面图2痕量氢观测数据背景值突变分析自2010年2月痕量氢断层气正式观测以来，观测结果显示，三年多来仪器运 行正常，无任何故障发生。痕量氢气及其辅助观测气温、气压测项观测数据较连 续，观测曲线较同步。通过分析数据显示，该测项与气温呈正相关变化关系、与 气压呈负相关的变化关系，受降雨的影响不明显；对潮汐的反应较灵敏；通过对2010-2011年本区3级以上及周边4级以上地震发生样本统计与痕量氢曲线变化形态进行对比，结果显示痕量氢与周边地震对应关系较好，2010-2011年度观测期间痕量氢有异常突变5个时段，结果发生地震3组（5次），对应地震发生率为

10、83%（据黄春玲等2012）。 2012年3月-11月痕量氢浓度数据再次发生突升,且异常持续时间长达9个月，此次异常幅度较2010-2011年度变化小,2010-2011年度氢浓度最 高变化52ppm/L,此次痕量氢浓度最高变化只有13ppm/L,但也较背景值高出近3-4 倍，并且此次数据突变持续周期较长，因该测项有前期对应地震的较好形态， 故 被台站周会商、月会商及省局年度会商列为重点监控对象，进行异常跟踪（图 2痕量氢浓度20分钟值曲线），因此分析氢浓度背景值突变，而后趋势又恢复至正常背景成为观测工作的重点，本文试图从以下方面进行分析论述。时间/年02夏县台痕量S浓度观捌曲线图2.1仪器运

11、行状况分析ATG6118H痕量氢观测仪属高灵敏度氢气地震监测仪，该系统主要由高灵敏度气敏元件、气体分离装置、液体或固体样品制样装置、在线和离线色谱工作站等四大部件组成，其核心部件是基于化学传感器原理研制的。2010年2月1日在夏县台山洞正式观测以来，仪器厂家对仪器进行过严格的标定， 标定参数符合仪器工作要求，按照仪器相关运行要求，正常运行期间仪器如若没有更换测点， 且无相关维修记录，均不需再进行相关标定工作；加之如若标定后更换参数，只 可能给数据造成短时突变台阶，不会造成数据长趋势突跳的变化形态， 故排除了 标定有可能给观测仪器造成的数据长趋势突变可能，图 3（ a）中2013年5月6 日18

12、:50仪器厂家工作人员对痕量氢观测仪进行了现场标定 ，标定前后k值由0.027644变为0.01854,更换k值后,仪器工作稳定,造成痕量氢观测数据瞬间突降台阶变化；仪器运行期间台站给仪器配备有外接 ups电源，保证仪器的数据连续完整,这样可大大避免了市电供电不正常带来的数据干扰，同时排除了电源 不稳定造成的数据背景值趋势改变的可能； 该仪器运行期间，曾经进行过两套仪 器的对比运行观测，对比观测结果显示，所测量氢浓度趋势一致，排除了该类仪器系统不稳定可能造成的背景值突变可能。图3（b）； ATG6118H痕量氢观测仪所测气温、气压测项在氢浓度突变时段，气温、气压数据变化特征符合年变规律,I I

13、数据稳定，更加进一步确定了仪器各部件的系统正常运行。图3（c）导P 丄1.0J. N图3 （ a）2013年5月7日标定前后氢浓度曲线（b）2011年1月-4月主、备仪器观E3CSVSH-r jnCiVfcd13寸 rrrrz-九 m _测氢浓度曲线（c）2012年1月-12月气压、气温对比曲线2.2周边环境分析沿山前断裂下盘周边开发痕量氢测点位置上处于夏县南山底温泉开发区内,有5眼热水井，水井分别自北向南展布为 1井（温泉1井）、2井（鑫海井）、3井（地震台井）、4井（南山底井）、5井（温泉2井），其中鑫海井与南山底井直线距离较氢测点最近，大约为260m左右，其余3眼井距氢测点直线距离均超过

14、500m.,据调查各热水井凿井深度均为160m左右（图1）。其中温泉1井、鑫海井、地震台井均成井于上世纪八十年代，温泉 2井成井于上世纪九十年代,南山底井成井于2011年1月。除地震台井用于地震观测专业井外，其余温泉1井、鑫海井、温泉2井，3眼井均用于宾馆开发，且日抽水量均相对固定。南山底井于2012年冬季启用,每周二、六集中抽水5-6小时，供当地村民洗浴。经过调查与落实统计各热水井开采时间及开采量如下（表1）。表1温泉热水井开采基本情况表水井启用年份开采井名称-yk卄卄予口卄、B水井开采量水井用途/年-月水井开采时间/m31井（温泉1井）1998-03周1、3、5抽水12h约250游泳池蓄水

15、2井（鑫海井）2009-01日不定时抽水约3h约50宾馆开发3井（地震台井）1984-06每日30min约8地震化验4井（南山底井）2012-10周2、6抽水6h约120村民洗浴5井（温泉2井）2005-10日不定时抽水约3h约50宾馆开发在痕量氢浓度背景值突变阶段，经过调查周边环境，周边温泉井抽水量与平日相当，温泉开发区内内无新的热水井钻探。进一步对夏县台水位日值图与痕量氢曲线图（图4）进行对比分析，夏县台水位由于受周围农田季节性浇灌及温泉开发区热水开采影响，呈现夏季水位下降，冬季水位回升的年变形态，这种变化特征基本能反应当地水井水位开采与补给情况。 近4年来水位日均值曲线显示除2010-2

16、011年水位突变较明显外，2012-2013年水位变化较平缓，分析痕量氢日均值曲线与水位日均值曲线不存在明显的因果关系， 即断层痕量氢浓度不受周围开采的影响，从而进一步排除了因周边温泉水开发导致水位下降，从而引起痕量氢浓度背景值突变的可能。逍现4/隣咅11 曲, iJjpMq 也7曇曲謁SCL 1点垃丑濟HE曰g医IQiZKZM甘耶便 Fig值吕ET2.3气象因素分析据（黄春玲等，2012）认为在痕量氢数据正常变化时段，（即无地震与相关 干扰存在的前提下）痕量氢浓度呈现出明显的气温、 气压效应，其表现形式为气 温上升，痕量氢上升，气压上升，痕量氢下降，与气温呈正相关变化，与气压呈 负相关变化关

17、系，为了定量地描述痕量氢浓度与气温、气压的相关程度，利用map sis软件分别对痕量氢与气温、气压做一元线性回归处理，计算与气温相关系数为0.500、与气压相关系数为-0.498。因夏县台痕量氢浓度观测孔属山前断 裂带开挖，且在断层上盘，统计氢浓度变化与降雨关系不明显，即不受降雨干扰。分析痕量氢浓度突变时段的气温、气压相关资料曲线图如图3（ c），2012年3 -11月气温、气压属正常的年变形态，无气温、气压的大幅突升与突降，即气温与气 压成负相关变化关系，二者曲线形态符合气象变化规律，因此可以排除由气象因 素导致的痕量氢浓度突变的可能。Ir 035 o eos O- Pi TFT3d QO2

18、S. SC 22- 70并-7 Lg e. 1 rat2010-O9R伺/毎一冃图5夏县台痕量氢浓度、气温、气压、降雨量曲线2.4周边地震发生分析通过图2所示痕量氢浓度曲线与期间周边发生地震情况进行对比分析， 2011年4月-2012年度台站周边400Km范围内，无4级以上的地震发生。周边仅仅发 生了 2011年12月28日临汾3.4、2012年3月19日洪洞3.1、2012年9月2日山西夏县3.0级地震。经分析图2中所示痕量氢变化曲线与地震的对应关系， 氢对应地震一般异常幅度较大，超出背景值几十倍变化、震前表现为临震的状态、震后数据快速下降，即数据快速恢复至背景值，或稍高出背景值。假设201

19、2年 3月-2012年11月期间，痕量氢浓度突变是对上述3次地震的反应，但其表现形 态却有悖于先前震例总结的规律，由于该测项在河南周口地震前有较好的地震重 现性，再加之2个3级地震的发生，其所孕育的气体能量，不会导致长达9个月 时间的恢复过程。因此本文讨论时间段内，痕量氢浓度突变与洪洞3.1、夏县3.0 级地震的因果关系不太符合。3 讨论从三年多的痕量氢观测数据分析， 该仪器工作稳定性较好， 观测以来未发生 仪器故障， 也未发生因仪器本身原因引起的观测不正常和不稳定的情况； 除人为对仪器进行实验性参数设定性的改动外，正常条件下观测数据的连续率达到100 ，且日常会商中通过网络自动传输数据，仪器

20、同时配有气温、 气压辅助观测，方便了做各种相关性的分析。通过分析自 2010年2月至2013年产出的数据，特别是对 2012年3月至 2012年11月的背景值突变分析，得到以下认识。1）该仪器灵敏度较高。 长期以来，国内外观测氢气浓度主要采用热导检测器 气相色谱仪，但是灵敏度较低，检出限一般为10X10-6，而土壤中氢气的背景值为0. 5X 10-6。该仪器灵敏度比较高，达10X 10-12，比夏县台目前运行的sp-2304A 型气相色谱仪的灵敏度提高 106倍。2）记录地震较好。根据痕量氢观测以来的数据和周边地震活动关系分析分析,痕量氢气异常重现性比较好，河南周口 2010年 10月24日4

21、.7级地震和2011年3月8日 4.3级2次地震前4 6 d氢出现突升变化，形态比较相似。3）地震前兆异常形态发育较完整。根据 2010-2011年连续观测资料结果，痕量氢背景值稳定， 地震前断层气氢的异常变化幅度大， 是背景值的 1020倍，异常明显易识别，且震前出现时间较短 （ 几天至半个月 ），震后痕量氢快速下降 , 恢 复至背景值或稍高出背景值。 痕量氢浓度能够记录到比较完整的异常信息， 即震 前突升，高值发震、震后快速恢复至背景值。4）分析2012年度3月份-11月份的痕量氢浓度突变特征，通过对仪器运行状况的结果分析、 周边环境调查结果分析、 气象因素分析结果及周边地震发生情况 分析。综合分析认为此时段内ATG6118痕量氢观测仪器工作正常，系统稳定性较 好，周围无相关环境干扰因素， 此时段内痕量氢数据不受气象因素干扰， 观测人员通过与空气中痕量氢浓度为0.5ppm的对比分析认为，此时间段内痕量氢浓度变 化应属仪器的真实记录值， 是中条山断裂断层氢气的真实反应。 虽然在此时段内 周边发生了 2次3级地震，但痕量氢气持续长达 9个月的趋势变化，特别是结合以 往震例总结，认为此次