斷層帶土壤H2濃度變化特征及影響因素研究*

范雪芳，楊芷萌，李宏偉，吳桂娥，韓曉飛

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.中國輻射防護研究院，山西 太原 030006)

0 引言

利用地表自由逸出氣體以及溶解于水、吸附于土壤中的氣體濃度變化來監(jiān)測預(yù)報地震是當(dāng)前國內(nèi)外廣泛采用的地震預(yù)報方法之一(Whiticaretal，1999；Hernándezetal，2000)。斷層帶是深部氣體逸出的良好通道，氣體在應(yīng)力或熱動力作用下，能沿上下貫通的活斷層通道自深部上涌(王永才等，1992；Wakitaetal，1980)。粟啟初(1992)通過實驗指出H2逸出對斷層的運動、地震的發(fā)生有直接的誘發(fā)作用；邵濟安等(2010)研究認(rèn)為，H2主要來源于地幔，少量地殼來源是由于活動斷層產(chǎn)生的局部高溫高壓趨使中-淺層地?zé)醿熘械腃H4轉(zhuǎn)化為H2。

在20世紀(jì)，有學(xué)者對斷層氣進行了一些研究，但受限于當(dāng)時的觀測儀器精度不夠，該研究斷斷續(xù)續(xù)。隨著國內(nèi)高精度氫連續(xù)觀測儀器的研制，斷層氣研究進一步深入。分析地震監(jiān)測資料表明，H2濃度是對地震前兆響應(yīng)的靈敏氣體組分，特別是在短臨階段的映震能力方面具有明顯的反映(車用太等，2015；劉耀煒等，2006；張煒等，1988；耿杰等，2019)。地震前出現(xiàn)的H2濃度異常特征顯著，通常表現(xiàn)為震前幾天至幾十天的突發(fā)性大幅上升。由于H2在土壤及地下水中的背景值較低，因此，在斷層帶H2濃度觀測中，其出現(xiàn)異常的幅度較高，通常表現(xiàn)為數(shù)量級的增幅，且H2濃度會隨著地震釋放能量的增大而增加。車用太等(2015)認(rèn)為斷層帶H2濃度觀測有可能提高短臨預(yù)測水平。大量的觀測資料表明，斷層土壤氣觀測的影響因素較為單一，主要是氣象因素，即氣溫、氣壓等，年變動態(tài)規(guī)律清楚，由此可知，土壤H2濃度的異常變化突出，有較高的映震效能。

斷層帶土壤H2濃度觀測的首次實驗研究是在山西開展，后逐步向全國推廣。目前，利用痕量氫自動分析儀開展斷層帶土壤H2濃度觀測時間不長，尚處于實踐探索階段，對觀測條件和各種干擾因素等研究尚未開始。對于一個新開展的觀測項目，必須研究它的動態(tài)特征及其影響因素，其研究結(jié)果對異常變化的識別，甚至是異常機理解釋和預(yù)測效能評價都有重要作用。為此，本文收集了全國目前處于運行階段的痕量H2濃度觀測資料，同時，同步觀測環(huán)境溫度(氣溫)和氣壓，采用相關(guān)分析、回歸分析的定量分析方法，研究了氣溫、氣壓及觀測孔深度對斷層帶土壤H2濃度的影響。

1 土壤H2濃度觀測概況

關(guān)于H2濃度觀測及其與地震活動的關(guān)系研究，已有近40年的歷史。國際上普遍認(rèn)為斷層帶逸出氣中的H2是效果較好的地震前兆觀測項目之一，H2的濃度與地震活動有密切關(guān)系，異常幅度大，震前異常時間短，短臨特征顯著，是有可能量化的。車用太等(2015)的研究結(jié)果表明，震中距、震級、震源深度不同，H2濃度的異常都有顯著差別。從已有的震例來看，在震前10～40 d，H2濃度變化最大。

1.1 觀測點布設(shè)和觀測儀器

斷層帶土壤H2濃度觀測點或觀測井(泉)的布設(shè)地點主要是選擇已被確定為未來10年內(nèi)有可能發(fā)生MS≥6.0地震的地區(qū)，或近幾年來MS≥5.0地震活動頻繁的地區(qū)，其次還需要參考活動斷塊與地震活動關(guān)系?？傮w上，斷層帶土壤H2濃度觀測點的布設(shè)要求如下：①在斷層破碎帶上，隱伏斷裂帶區(qū)測點選在斷裂帶的正上方；②斷層的上盤；③巖漿巖發(fā)育區(qū)；④作為試驗觀測研究，測點可考慮選在不同性質(zhì)的斷層帶和斷裂的不同部位，進行對比觀測研究；⑤在有條件的地區(qū)，也可打穿斷裂帶的自流井進行地下水中逸出氣H2濃度觀測。

國內(nèi)一般采用氣相色譜儀和質(zhì)譜儀進行H2濃度觀測，檢出限一般為1×10-6。如紀(jì)振紅等(2010)系統(tǒng)總結(jié)了不同純度H2濃度的分析方法，主要有氣相色譜法和熱導(dǎo)池氣相色譜法等。但一般水中溶解或土壤中H2濃度的背景值為0.5×10-6，甚至更低，用氣相色譜儀等很難檢測到H2濃度的背景動態(tài)。而杭州電子科技大學(xué)和杭州超鉅科技有限公司研制的ATG-6118H痕量氫自動分析儀的靈敏度高，檢出限為0.05×10-6，穩(wěn)定性好，可準(zhǔn)確連續(xù)記錄到H2濃度的變化；該儀器還具有網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)控和溫度、氣壓輔助觀測功能，這將有效解決采用氣相色譜儀等進行觀測時儀器靈敏度較低等問題。范雪芳等(2015，2016)對ATG-6118H痕量氫自動分析儀的穩(wěn)定性及其記錄的連續(xù)觀測數(shù)據(jù)進行了評估，評估結(jié)果表明，分析儀產(chǎn)出的測值穩(wěn)定，2臺儀器平行觀測動態(tài)一致性很好，能夠?qū)崿F(xiàn)斷層帶土壤H2濃度的連續(xù)觀測。因此本文使用ATG-6118H痕量氫自動分析儀進行研究。

1.2 觀測資料篩選

2010年山西省首先開始痕量H2濃度觀測，目前在全國已布設(shè)了30多個測點，數(shù)據(jù)類型以整點值為主，其次有10 min，20 min和30min值。目前的觀測多為斷層帶土壤氣觀測，部分為熱水井或溫泉水逸出氣觀測，本文僅對斷層帶土壤H2濃度進行研究。

通過篩選和資料分析處理，剔除無效數(shù)據(jù)，本文共篩選了15個測點、不同時段連續(xù)穩(wěn)定的H2濃度觀測數(shù)據(jù)，對缺數(shù)情況通過內(nèi)插法進行處理。

2 土壤H2濃度的正常動態(tài)特征

為了研究斷層帶土壤H2濃度的正常動態(tài)變化特征，需要按照動態(tài)曲線所反映的時間長度，將研究區(qū)間劃分為多年動態(tài)、年動態(tài)、月動態(tài)、日動態(tài)等。這類動態(tài)所反映的是在一定時段內(nèi)某測項的周期變化特征。

常秋君等(1993)對斷層氣(Rn，CO2)的觀測資料進行研究，發(fā)現(xiàn)H2測值具有明顯的周期性變化，依據(jù)H2變化周期的尺度長短，可將其分為若干類型。由于目前H2濃度觀測時間比較短，故僅提取H2濃度日、月動態(tài)變化進行分析研究(圖1，2)。

由圖1可看出，H2濃度日動態(tài)變化特征清晰，可分為3種類型，即雙峰雙谷型(類似于正弦型圖1a、余弦型圖1b)、單峰型(圖1c，1d)和高低型(前半天高值、后半天低值的圖1e或前半天低值、后半天高值的圖1f)。日變幅度為(0.2～2)×10-6，不同測點日變幅度不同。

圖1 痕量H2濃度日動態(tài)變化類型

由于H2濃度的日動態(tài)變化可能與氣溫、氣壓、固體潮效應(yīng)有關(guān)，但有些觀測點的日動態(tài)變化，可能是受地溫的影響，這需要分析氣溫與H2濃度的相位是否一致來判別。如果H2濃度日變相位滯后于氣溫若干小時，根據(jù)地溫滯后于氣溫這一判據(jù)，就可以推斷出H2濃度的變化與地溫相關(guān)，所以今后的斷層氣H2觀測點應(yīng)該同步觀測集氣層位的地溫。

使用整點值提取連續(xù)一個月的數(shù)據(jù)資料進行分析，發(fā)現(xiàn)H2濃度月動態(tài)變化以平穩(wěn)型為主(圖2)。H2濃度日變規(guī)律清晰，因此月動態(tài)變化表現(xiàn)出高頻變化特征，其月變幅度和日變幅度接近。

圖2 痕量H2濃度月動態(tài)變化曲線

3 土壤H2濃度觀測的影響因素

土壤H2觀測點多位于地表淺層(1.25～16 m)，觀測結(jié)果受氣溫、氣壓的影響，隨著季節(jié)變化，H2觀測值也可能發(fā)生變化；觀測孔深度不同，其受氣溫、氣壓影響程度也不同。要使新的測項在短臨跟蹤和分析預(yù)報中發(fā)揮作用，必須對該測項的正常動態(tài)特征及其影響因素進行研究分析。本文選取了各種類型、不同時段、不同觀測孔深觀測數(shù)據(jù)，定量分析氣溫和氣壓對H2濃度影響。

3.1 氣溫影響

計算H2濃度與氣溫之間的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果如表1、圖3所示。參與計算的樣本數(shù)最少為538個，最多為26 268個。從15個測點不同時段、不同數(shù)據(jù)類型的處理結(jié)果可見，在河北張北海流圖的H2濃度與氣溫的相關(guān)關(guān)系最大，r=0.945 7；新疆阿克蘇相關(guān)系數(shù)r=0.656，也比較顯著；在15個測點中，有8個測點呈負(fù)相關(guān)，占53.3%；7個測點呈正相關(guān)，占46.7%；相關(guān)系數(shù)≤-0.200或≥0.200的測點有11個。

圖3 不同觀測點H2濃度與氣溫相關(guān)關(guān)系

表1 H2濃度與氣溫、氣壓相關(guān)關(guān)系統(tǒng)計結(jié)果

在某一顯著水平前提下，若相關(guān)能夠成立，所要求的相關(guān)系數(shù)大小與樣本數(shù)有關(guān)。當(dāng)顯著水平為0.01，樣本數(shù)為200時，若相關(guān)系數(shù)為0.181，則表明相關(guān)顯著(林記曾，1981)。因此認(rèn)為氣溫對H2濃度的影響是明顯的。

3.2 氣壓影響

采取一元線性回歸方法，計算H2濃度與氣壓的相關(guān)關(guān)系，計算結(jié)果見表1和圖4。從表1可見，張北海流圖土壤H2濃度與氣壓之間的相關(guān)關(guān)系最大，r=0.557 9；在15個測點中，有11個測點呈負(fù)相關(guān)，占73.3%；相關(guān)系數(shù)≤-0.200或≥0.200的測點有9個。這表明氣壓對H2濃度的影響也是比較明顯的，但其影響的程度小于氣溫。

圖4 不同觀測點H2濃度與氣壓相關(guān)關(guān)系Fig.4 The correlation of hydrogen levels and air pressure at different observation points

3.3 氣溫、氣壓的綜合影響

河北張北海流圖和山西夏縣的H2濃度與氣溫、氣壓的綜合變化曲線如圖5所示。從圖中可見，在1年內(nèi)，H2濃度和氣溫呈正弓型變化，與氣壓則呈反弓型變化且其變化，趨向都是可對比的。

圖5 河北張北海流圖(a)和山西夏縣(b)H2濃度與氣溫、氣壓綜合變化曲線圖

對不同測點H2濃度與氣溫、氣壓進行二元回歸擬合，擬合曲線如圖6所示，相關(guān)系數(shù)見表1。從圖6和表1可見，所有觀測點的H2濃度與氣溫、氣壓之間一律呈正相關(guān)；有13個測點的相關(guān)系數(shù)大于0.2；張北海流圖測點相關(guān)系數(shù)最大，為0.947 32，這表明該測點受氣溫、氣壓共同作用，而其他干擾因素很小。由此可知，H2濃度與氣溫、氣壓之間的相關(guān)關(guān)系是顯著的。因此，在異常分析時，排除了氣溫、氣壓影響，就可以識別異常。

圖6 不同測點H2濃度與氣溫、氣壓擬合曲線

3.4 H2濃度與觀測孔深度關(guān)系

通過一元回歸、二元相關(guān)分析方法，定量分析不同深度的觀測孔氣溫、氣壓對H2濃度的影響，觀測孔深度見表1，觀測孔深度與氣溫、氣壓之間關(guān)系如圖7所示，由圖可見：

圖7 觀測孔深度與氣溫(a)、氣壓(b)以及氣溫和氣壓(c)相關(guān)系數(shù)之間關(guān)系

(1)如果H2濃度與氣溫為正相關(guān)，則兩者間呈反變關(guān)系，即觀測孔深度越大，H2濃度與氣溫的相關(guān)系數(shù)越??；如果H2濃度與氣溫為負(fù)相關(guān)，則兩者呈正變關(guān)系，即觀測孔深度越大，H2濃度與氣溫的相關(guān)系數(shù)也越大。

(2)如果H2濃度與氣壓為正相關(guān)，則兩者呈正變關(guān)系，即觀測孔深度越大，H2濃度與氣壓的相關(guān)系數(shù)越大；如果H2濃度與氣壓為負(fù)相關(guān)，則兩者呈反變關(guān)系，即觀測孔深度越大，H2濃度與氣壓的相關(guān)系數(shù)越小。

(3)無論觀測孔為任何深度，H2濃度與氣溫、氣壓的復(fù)相關(guān)系數(shù)均為正值。

(4)當(dāng)觀測孔深為4～11 m時，H2濃度與氣溫、氣壓之間相關(guān)系數(shù)的分布較為集中；若孔深小于4 m，則比較分散。

4 結(jié)論與討論

為了分析斷層帶土壤H2濃度變化及其影響因素，本文選取不同時段、不同數(shù)據(jù)類型、不同觀測深度、不同觀測環(huán)境的15個觀測點，通過定性和定量分析研究，得出以下結(jié)論：

(1)斷層帶土壤H2濃度具有明顯的日變化，漲落現(xiàn)象十分突出，變化規(guī)律清晰；月動態(tài)變化則不明顯。

(2)氣溫和氣壓是土壤H2濃度觀測的主要氣象影響因素；就其影響程度而言，氣溫的影響大于氣壓。

(3)土壤H2濃度與氣溫、氣壓之間的相關(guān)關(guān)系是比較復(fù)雜的。土壤H2濃度與氣溫或與氣壓之間，均可呈現(xiàn)正相關(guān)或負(fù)相關(guān)2種情況。但土壤H2濃度與氣溫、氣壓之間的復(fù)相關(guān)系數(shù)卻為正值。

(4)土壤H2濃度與觀測孔深度間的關(guān)系比較明顯，也比較復(fù)雜，4～11 m可視為觀測孔的優(yōu)選深度。

斷層帶土壤H2觀測濃度技術(shù)目前處于試驗性探索階段，還有一些問題有待深入研究。但氣象因素中對斷層氣組分最主要的影響是氣溫，其次是氣壓，而且氣溫、氣壓對土壤H2濃度的影響程度會受到不同測點的地質(zhì)環(huán)境(主要指觀測層的土壤、巖石的成分和結(jié)構(gòu)等)、土壤H2測點與斷裂帶距離等因素的影響。因此，在分析異常與地震的關(guān)系時，應(yīng)將氣象因素引起的變化予以識別或排除。目前痕量氫數(shù)字化連續(xù)觀測處于實驗階段，研究成果存在一定的誤差，也需做進一步深入分析。