張家口地區痕量氫觀測實驗

王莉森張彥清王曰鳳王 江張曉剛

1）中國石家莊050021河北省地震局

2）中國河北075000 張家口地震中心臺

張家口地區痕量氫觀測實驗

王莉森1）張彥清1）王曰鳳2）王 江1）張曉剛1）

1）中國石家莊050021河北省地震局

2）中國河北075000 張家口地震中心臺

在張家口地區進行痕量氫觀測技術實驗，深入分析站點選取、系統布設、背景噪聲測定及堪選等對該技術應用的重要性，以痕量氫觀測技術系統的標定與維護、裝置系統設計的優越性、數據特征分析為基礎，對張家口涿鹿MS4.3地震與痕量氫觀測間的震兆關系進行初步分析，為探索痕量氫觀測技術作為地震科學研究短臨技術方法提供一種新途徑，為地震短臨跟蹤分析手段的進一步發展提供一種新的實驗方法。

痕量氫；氫濃度；觀測技術；實驗；地震；背景噪聲

0 引言

近年來地震活動頻繁，地震科學研究者通過總結各種震前現象來探索地震前兆與地震之間的關系，從而衍生出各類地震前兆觀測方法。氫氣是一種活動性較強的氣體，是斷層破裂處作為較早溢出的氣體之一，是地震監測重要監測技術指標。氫在水、土壤中的背景值較低，出現異常時變化幅度較大，甚至高過背景量2—3個數量級，易于識別，且異常多出現在震前短臨階段，是值得推廣的地震短臨監測方法（車用太等，2002）。作為一種新型觀測技術，痕量氫觀測實現了氫濃度的在線觀測，逐漸在山西、新疆等地區開展實驗研究，初步得到一些研究成果，但缺少臺網性質的研究。

選取張家口地區作為實驗場地，重點解決2個問題：①通過觀測點位的圖上選址、實地堪選、背景噪聲測定、觀測數據試記錄4個過程，分析總結選取合格觀測點的基本要求，為深入開展該測項的研究提供站點選取依據；②通過觀測數據質量分析總結張家口地區痕量氫背景噪聲變化特征，并通過背景噪聲測定分析測區內氫濃度的動態特征，為探索地震與氫濃度變化特征做好基礎研究的準備。

實驗期間（2014年7月后），張家口涿鹿于2014年9月6日發生MS4.3地震，震中距最近臺站僅30 km，分析該地震與痕量氫觀測間的震兆關系，為進一步研究提供依據。

1 觀測點選址與系統布設

1.1 站點選取及勘查

地下流體監測站點主要集中于溫泉區域，溫泉區作為地下氣體信息與外界交換的靈敏區域，是地震監測重點研究地帶，通過溫泉區熱交換效應，可以間接獲取地下氣體信

息的變化特征，從而發掘與地震之間的關系，用于地震科學研究。但是，隨著地下溫泉的開采，地震流體觀測點逐漸面臨井水枯竭的現狀，土壤氣或斷層氣作為地震監測短臨方法，是地震監測方式的一種嘗試。

張家口地區作為河北省地震重點監視區，1994年以來共發生ML2.5淺源地震300余次（包含余震），主要集中于張北老震區、斷裂帶交匯區域，其中最大地震是1998年張北6.2級地震，地震活動分布見圖1。張家口地區作為環“首都圈”、晉冀蒙3省交界區域，是華北地區地震活動的重點監視區。該地區地處環太平洋地震帶，位于陰山東西向構造帶與山西地震帶北段、張渤地震帶西北段的交匯部位，地質構造復雜，斷裂頗多，是地震多發帶。

綜合考慮張家口地區地下流體觀測點分布特征（位于溫泉區居多）、近20年地震分布特征（張北老震區）、斷裂帶密集范圍、站點分布均勻性等因素，以溫泉區、地震多發區、斷裂帶密集區分類選點，選取張家口市（臨近張家口斷裂）、張北海流圖（張北老震區）、赤城大海陀（臨近懷涿盆地北緣斷裂）、陽原三馬坊（溫泉區）、懷來后郝窯（溫泉區）5個地區，作為站點布設區進行觀測站點現場堪選。

為快速獲取堪選站點氫濃度含量，選用ATG-3000便攜式測氫儀堪選點位21個，根據測值結果、實驗數據分析及廠家技術支持，認為：ATG-3000便攜式檢漏儀內部缺少色譜柱，難以對氣體進行有效分離，后改用ATG-6118H痕量氫氣在線自動分析儀作為背景噪聲測定設備（王海燕，2010）。為獲得有效信息，根據觀測經驗，實驗的站間距最大不超過115 km，經連續觀測并分析數據穩定性，選取5個點位布設痕量氫觀測系統，形成氫濃度在線觀測分析系統網（如實驗結果不穩定，可考慮調整布點間距或增加流動測量），堪選測定各站點氫濃度背景值，具體數值見表1。

圖1 1994年以來張家口地區ML≥2.5地震分布Fig.1 ML≥2.5 earthquake distribution in Zhangjiakou area since 1994

表1 張家口地區氫濃度背景值Table1 List of hydrogen concentration background values in Zhangjiakou area

1.2 觀測系統布設

依據堪選結果，在選定站點進行觀測系統布設，連接采氣裝置與觀測系統，形成完整測量系統。張家口地區年溫差較大，地表至2—3 m深度隨季節變化氣溫變化幅度較大，年溫差近30℃，選擇3—7 m作為觀測井深度，可以避免溫差影響。

圖2 觀測井結構剖面Fig.2 Schematic diagram of observation well structure

痕量氫觀測井均采用統一設計方式，井內自底部向上鋪設1.5 m厚均勻礫石，緊貼礫石層使用2 mm厚塑料布，將礫石層與地面隔開，并將塑料布中間部分開孔（孔徑小于集氣裝置口徑），塑料布上下部分連接集氣裝置與通往地面部分的PVC通氣管，做好每個銜接部位的密封，形成一套完整的地下采氣裝置(范雪芳，2012)。

集氣裝置是影響觀測的重要環節，為減小回填土對集氣裝置的影響，采用家用陶瓷洗臉盆作為集氣裝置，一方面解決與通氣管路的密封連接，另一方面可以避免回填土對集氣裝置的擠壓破壞，且材料不宜老化，使用壽命較長。完整的集氣裝置剖面見圖2。

1.3 標定與系統維護

為有效控制觀測數據質量、確保觀測數據的有效性，采用定期標定、定期巡檢的方式，保證觀測系統的正常運行。對張家口、三馬坊、后郝窯、海流圖的4套設備進行標定，采用1 000 ppm標準氣為標準源，對觀測設備每次注入1 mL標準氣，每套設備分別標定3次，得到有效的標定值k，3次結果平均值作為最新的k值，根據相對誤差公式

其中k1為前一次標定格值，k2為最新選定格值。5個觀測站k值誤差見表2。

表2 張家口地區5個氫濃度觀測站k值誤差Table2 Error of K value of 5 hydrogen concentration observation stations in Zhangjiakou area

根據標定周期的k值誤差結果，并將k值控制在3%的有效范圍內，張家口、三馬坊、后郝窯觀測站4個月標定1次即可，海流圖觀測站需3個月標定1次，以確保觀測數據的真實性。

為確保觀測系統的穩定運行，觀測數據的真實可靠，采用季度巡檢方式對5個觀測站的觀測系統進行現場維護，維護內容包括：觀測環境檢查、抽氣管路疏通、管路與觀測主機連接性檢查以及觀測設備對空氣背景噪聲的測值（檢驗主機的一個有效指標）。5個觀測站空氣背景噪聲測值見表2。

2 選址效果

2.1 溫泉區特征

溫泉區測點位于三馬坊溫泉區、后郝窯溫泉區內。三馬坊地處馬市口—松枝口大

斷裂和桑干河斷裂交匯處西北側。馬市口—松枝口大斷裂具有繼承性活動，斷層向北東傾，屬正斷層，其他部位被第四系沉積物覆蓋，厚度100—300 m，地表水埋深3.5 m。

溫泉區是地下信息與外界交換的敏感區域，為做好溫泉區氫濃度的連續觀測，實驗前對三馬坊、后郝窯觀測點進行背景噪聲測定，氫濃度含量分別為：4.352 ppm、3.743 ppm，布設觀測系統進行連續觀測。2014年8月三馬坊氫濃度測值基本在0.319 ppm以下，偶爾出現突跳，最高值達1.143 ppm；后郝窯觀測點氫濃度測值在0.498 ppm以下，偶爾為1.812 ppm。2個站點測值均高于檢測線，月觀測動態變化基本穩定，見圖3。

為排查突跳及低于堪選背景噪聲的原因，在標定觀測設備、檢查外線路管路通氣、調查周圍觀測環境并實測空氣背景值均符合觀測要求前提下，檢查觀測井，發現三馬坊井有少量水位于井底，與集氣裝置形成一個閉合空間，觀測系統抽氣管路抽取的地下氣體均為密閉集氣裝置內的氣體，與地下氣體無法形成暢通的循環體，或抽氣裝置與觀測系統形成抽氣負壓，地下氣體交換失敗，因此測值較低或曲線出現突跳。后郝窯觀測站點在檢查觀測系統與環境無問題的前提下，認定該區域氫濃度含量低。

根據實驗結果，三馬坊、后郝窯溫泉觀測區，由于地表水位較淺和背景值較低，不適合進行土壤氫濃度觀測。

2.2 臨近斷裂帶（老震區）特征

張家口與赤城大海坨地區地震帶、地震活動性較頻繁，是研究華北地區地震活動前兆觀測的天然實驗場。海流圖是張北地震老震區，研究該地區地質構造活動性特征，有利于開展地震前兆監測。在山西斷陷北部斷裂帶、張家口—渤海斷裂帶和河北平原斷裂帶匯集的張家口、大海坨地區、海流圖3個地區開展痕量氫連續記錄觀測，實驗前進行背景噪聲測定，氫濃度含量分別為：30.325 ppm、2.153 ppm、3.865 ppm，其中張家口觀測站背景噪聲明顯高于其他站點。布設觀測系統前檢查觀測環境，并更換觀測儀器，再次連續觀測背景噪聲，分別為29.856 ppm、29.792 ppm、29.802 ppm，由實測值確定，在該測點背景噪聲較高。

圖3 5個觀測站2014年8月觀測曲線動態(a) 三馬坊；(b)后郝窯；（c）張家口；（d）海流圖；（e）大海坨Fig.3 Observation curves of the five stations in Aug.,2014

2014年7月開始布設痕量氫觀測系統。海流圖觀測站數據動態范圍穩定，有疑似日變化特征，最高值2.799 ppm，低于實驗前測定的背景噪聲；張家口觀測站氫濃度變化由初期上升、下降到逐步平穩，動態變化較大，特別是2014年8月12日19時數據出現逐漸增大趨勢，至13日8時達峰值，為106.976 ppm，之后突然下降恢復至11.768 ppm，后觀測數據平穩，有弱日變特征，檢查發現觀測環境與儀器工作狀態均正常；大海坨觀測站數據產出基本穩定，2014年8月20日16時觀測數據呈上升趨勢，至22日16時達2.581 ppm，之后數據曲線動態平穩，日變化特征相對明顯。根

據背景噪聲與數據動態變化趨勢，在觀測環境、設備工作狀態均正常的前提下，3個站點觀測數據可靠，數據變化曲線見圖3。

3 數據分析

3.1 氫濃度與溫度、氣壓關系

由于后郝窯、三馬坊氫濃度背景噪聲較低，因此對張家口、海流圖、大海坨3個站點進行溫度、氣壓一致性數據分析。選取3個站點2014年10月氫濃度、溫度、氣壓觀測數據做一元線性回歸，并做氫濃度變化與溫度、氣壓之間的相關性分析研究，變化相關系數見表3，其中張家口、海流圖、大海坨觀測點與溫度相關系數均在50%左右，溫度與氫濃度觀測存在一定關系；氫濃度觀測與氣壓相關性較低，與氣壓變化對氫濃度影響呈負相關不一致（黃春玲等，2012），可能與數據選取和分析時段有關，同時存在氣壓滯后影響（目前無氣壓對土壤溢出氫氣的研究），才會出現不同研究時間尺度造成結果不同的現象。

表3 氫濃度與氣溫、氣壓的相關系數Table 3 Correlation coeffi cient between hydrogen concentration and temperature and pressure

3.2 涿鹿4.3級地震分析

2014年9月6日張家口市涿鹿縣發生MS4.3地震，距震中分別60 km、80 km的大海坨、張家口觀測站在震前16天、28天均出現上升、下降、趨于穩定的變化趨勢特征。其中，大海坨觀測站在震前16天數據突然上升，變化幅度達1.428 ppm，是正常變化態勢的3倍，震后變化趨于下降，21天后曲線趨于穩定，且基本恢復到觀測背景值；張家口觀測站震前28天出現趨勢性上升，上升幅度達45 ppm，是正常變化態勢的2.3倍，8月18日出現轉折下降，后觀測值趨于穩定變化。

兩個站點出現變化后對觀測系統、觀測環境進行檢查，均未發現異常，距震中140 km處的極低頻觀測電場于2014年8月16日出現震前變化，變化時間與痕量氫觀測基本一致。因此，初步認定大海坨、張家口觀測站的趨勢性上升、下降、趨于穩定是震兆信息。大海坨、張家口觀測站地震前后時間序列見圖4。截至2015年4月，張家口觀測站觀測數據出現2次類似異常變化，幅度較小，均未達到2014年8月16日的態勢；大海坨觀測站未出現類似異常特征，但有線條變粗跡象。

圖4 大海坨、張家口觀測站MS4.3地震前后時間序列曲線(a)大海坨觀測站； (b)張家口觀測站Fig.4 Time series curve diagram before and after the earthquake at Dahaituo and Zhangjiakou stations

4 結論

地震前兆觀測信息量豐富，不同實驗是為了搞清楚觀測特征與地震之間是否存在關系，為今后地震前兆分析研究積累經驗。痕量氫觀測技術在張家口地區的實驗仍在進行中，通過實驗結果可知：集氣裝置的材料需要選用材質硬度較強的材料作為集氣模塊，否則在觀測井回填過程極易損壞集氣裝置，造成氣體擴散，測量值偏小，觀測結果失真；測點地質構造、地下水位埋深是重要參考指標，老震區或地震多發區域作為重點實驗研究區域，觀測站勘選直接影響觀測數據的可靠性。根據實驗結果，張家口地區溫泉區氫濃度背景值較低，在選擇溫泉區作為測點時需慎重考慮；觀測儀器需定期標定，及時修正k值，并通過實驗選擇標定周期，確保觀測數據避免漂移現象；氫濃度觀測與地震之間是否存在映震關系，是否可以作為地震短臨觀測測項需要更多震例研究，特別是震前信息變化關系需要積累大量觀測資料。

氫濃度觀測是斷層氣觀測與地震特征關系研究的一種新興觀測方式，可以作為常規連續測項。通過在張家口地區開展的連續痕量氫觀測實驗，在選點、儀器觀測效果、觀測異常等方面取得一些結果，為地震科學研究積累一定經驗。

杭州超距有限公司王維熙、何鑭為本次實驗提供技術支持與指導，并在斷層氣觀測與研究方面進行有益討論，在此表示感謝。

車用太，魚金子，張培仁，等.H2與He的映震靈敏性及其干擾初析[J].地震，2002，22（2）：94-103.

范雪芳，黃春玲，劉國俊，王向陽.山西夏縣痕量氫觀測資料的初步分析[J].山西地震，2012，4（3）：7-12.

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Experimental study on the trace hydrogen observation technology in Zhangjiakou area

Wang Lisen1)，Zhang Yanqing1)，Wang Yuefeng2)，Wang Jiang1)and Zhang Xiaogang1)
1) Earthquake Administration of Hebei Province,Shijiazhuang 050021,China
2) Zhangjiakou Seismic Station,Hebei Province 075000,China

Trace hydrogen observation technique experiment was carried out in Zhangjiakou region.The importance of site selection,system layout,background noise,etc for the application of the technique is analyzed in-depth.Based on the calibration and maintenance of the trace hydrogen observation system,the superiority of the design and data analysis,the precursor relationship of the observation of trace hydrogen with Zhuolu MS4.3 earthquake in Zhangjiakou is analyzed preliminarily.This experiment is a new exploration for the trace hydrogen observation technique as the short impending earthquake scientifi c research method,and provides a new way to develop new short impending earthquake tracking analysis method.

trace hydrogen，hydrogen concentration，observation technique，experiment，earthquake，background noise

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.05.019

王莉森（1982— ），男，河北張家口人，理學學士，工程師，主要從事地震監測工作。

E-mail： wls@eq-he.ac.cn

河北省地震局星火項目（痕量氫觀測技術在張家口地區實驗研究，項目編號：20130001）

本文收到日期：2015-09-10