地下氫氣微動(dòng)態(tài)與動(dòng)力響應(yīng)特征

劉耀煒張 磊范雪芳王海燕任宏微孫小龍楊朋濤中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所地殼動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085山西省地震局，太原 030002遼寧省地震局，沈陽(yáng) 110031

地下氫氣微動(dòng)態(tài)與動(dòng)力響應(yīng)特征

劉耀煒1）張 磊1）范雪芳2）王海燕3）任宏微1）孫小龍1）楊朋濤1）
1）中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所地殼動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085
2）山西省地震局，太原 030002
3）遼寧省地震局，沈陽(yáng) 110031

地球內(nèi)部氣體中與構(gòu)造活動(dòng)有直接關(guān)系的氫（H2），被廣泛認(rèn)為是最有可能在短臨地震前兆異常中獲得突破的測(cè)項(xiàng)。研究表明，地殼逸出的氫、特別是斷裂帶溢出氣中H2形成的機(jī)理歸納為3種類(lèi)型：①地殼下層的塑性巖石在斷層錯(cuò)動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生H2，如蛇紋巖或硅酸巖大新鮮裂隙和破裂面容易發(fā)生水巖反應(yīng)直接產(chǎn)生氫；②源于地殼深部巖石孔隙、裂隙中被封存的H2，隨著斷裂帶巖石中裂隙的連通和孔隙壓力的增大，會(huì)導(dǎo)致H2經(jīng)裂隙向上運(yùn)移，溢出地表，使地下水及土壤氣中的H2濃度升高；③地震孕育過(guò)程中，特別是臨震破裂階段，巖石膨脹產(chǎn)生超聲振動(dòng)，可釋放巖石孔隙、裂隙中封存的H2。斷裂帶內(nèi)的H2濃度可以反映斷裂帶的活動(dòng)程度。

盡管前人對(duì)氫氣與地球排氣以及地震活動(dòng)關(guān)系給予了高度關(guān)注，但人們對(duì)地下氫氣的微動(dòng)態(tài)特征以及氫濃度與介質(zhì)動(dòng)力響應(yīng)過(guò)程的關(guān)系了解甚少。以往氫的觀測(cè)技術(shù)未能達(dá)到在臺(tái)站連續(xù)觀測(cè)的程度，氣相色譜儀氫濃度檢出限較低，無(wú)法觀測(cè)到氣氫濃度微動(dòng)態(tài)特征和地下介質(zhì)動(dòng)力加載作用的響應(yīng)信息。“十二五”國(guó)家科技支撐項(xiàng)目支持研發(fā)出新型氫觀測(cè)儀，濃度觀測(cè)精度達(dá)到1×10-7，分辨率優(yōu)于1×10-8，連續(xù)觀測(cè)最小采樣率為2 min，采樣量50 ml。觀測(cè)儀器能夠觀測(cè)水中逸出（或溶解）氫濃度或斷層帶土壤中的H2濃度，滿足對(duì)地下氫高采樣率觀測(cè)的要求。觀測(cè)儀器配有環(huán)境氣溫傳感器和氣壓傳感器，與觀測(cè)值同步的氣溫、氣壓數(shù)據(jù)有利于對(duì)觀測(cè)資料的干擾因素分析和獲取可靠的氣體濃度變化觀測(cè)結(jié)果。

熱水井逸出氣氫濃度觀測(cè)在遼寧錦州沈家臺(tái)熱水井進(jìn)行。沈家臺(tái)熱水井位于遼西塊隆東北端，北東向和北西向斷裂構(gòu)造的交匯部位，觀測(cè)井深155 m，基巖裂隙水，水溫27 ℃。觀測(cè)時(shí)間2010年1月至2012 年2月，觀測(cè)結(jié)果表明，沈家臺(tái)熱水井逸出氣氫濃度變化幅度為（1.5～2.5）×10-6，觀測(cè)過(guò)程中獲得了2011 年3月11日日本9.0級(jí)地震氫濃度的同震響應(yīng)信息，與井水位震蕩同震效應(yīng)時(shí)間同步，同震響應(yīng)的氫濃度異常幅度達(dá)到2.87×10-6。對(duì)正常觀測(cè)資料時(shí)均值的譜分析結(jié)果表明，氫濃度出現(xiàn)明顯的半日波信號(hào)，調(diào)和分析得到氫濃度的M2波幅度達(dá)到0.92 ×10-6，這是國(guó)際上首次獲得氫濃度同震響應(yīng)與固體潮信息。

斷裂帶逸出氣氫濃度實(shí)驗(yàn)觀測(cè)在山西中條山斷裂夏縣山前斷裂段開(kāi)展。觀測(cè)從2010年2月起至今長(zhǎng)達(dá)6年多時(shí)間，未出現(xiàn)儀器故障斷數(shù)。斷層氣氫濃度正常動(dòng)態(tài)具有日變形態(tài)和年變形態(tài)，正常背景濃度為（2～3）×10-6，正常日變幅度約（0.2～0.6）×10-6，年變幅度為（5～10）×10-6。觀測(cè)期間距測(cè)點(diǎn)330 km周口發(fā)生4.7、4.3級(jí)地震，氫觀測(cè)值出現(xiàn)形態(tài)相似的異常變化，幅度達(dá)（25～48）×10-6，取得較好震例，在新疆、云南氫觀測(cè)點(diǎn)上也獲得類(lèi)似的異常震例。斷裂帶氣體氫濃度變化與環(huán)境溫度有一定相關(guān)性，氣壓影響不顯著，但長(zhǎng)時(shí)間降水直接滲入觀測(cè)孔，會(huì)對(duì)觀測(cè)值有一定影響；500 m范圍內(nèi)的地下水抽水會(huì)引起氫濃度的同步升高；氣路被冷凝水堵塞是造成氫測(cè)值低于背景值的主要原因。

研究表明，地殼氣體氫濃度對(duì)地下介質(zhì)動(dòng)力加載作用響應(yīng)靈敏，符合地震孕育發(fā)生及斷裂活動(dòng)引起地下介質(zhì)變化的前兆物理機(jī)理，是值得推廣的地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)新方法。當(dāng)然要提高推廣應(yīng)用效能，還需要開(kāi)展深入研究工作：①基于高密度觀測(cè)臺(tái)陣斷裂活動(dòng)段與閉鎖段氫變化特征分析；②氫連續(xù)觀測(cè)野外觀測(cè)環(huán)境與抗干擾實(shí)驗(yàn)；③溶解氣與斷層氣氫連續(xù)觀測(cè)臺(tái)站建設(shè)技術(shù)要求；④異常識(shí)別、干擾排除與機(jī)理分析方法。