淺析痕量氫觀測臺站建設要點
——以臨汾市痕量氫觀測臺站建設為例

張凱靖，張 梅，宋春陽

(臨汾市防震減災中心,山西 臨汾 041000)

0 引言

斷裂帶H2觀測及其與地震活動的關系研究已有40多年的歷史[1-3]，氫作為化學元素中的第一個元素，具有粒子半徑最小，質量最輕，遷移速度最快，穿透力很強等優越性，而且在地殼中分布廣泛，尤其是集中分布并釋放于斷裂帶中，與地震活動的關系十分密切[4-5]。近年來的研究表明，氫氣觀測具有異常幅度大、震前異常時間短、短臨特征顯著等特點，是斷層氣觀測的首選項[6],現已開始運用于地震前兆觀測，并取得一定的成果[7-9]。

臨汾市防震減災中心為監控盆地內斷層活動，捕捉有效地震前兆異常，2017年在洪洞縣建成1處痕量氫觀測臺站，2018年在有活斷層的侯馬市、曲沃縣各建成1處痕量氫觀測臺站，2019年在洪洞廣勝寺鎮、堯都區龍祠鎮和堯都區的南喬村各建成1處痕量氫觀測臺站。目前，臨汾市已擁有6個斷層氣觀測站(見表1)，形成規模觀測網，為捕捉臨汾盆地的地震異常信息提供有利的觀測數據，也為山西中南部震情跟蹤提供可靠的數據支持。該文旨在對選址和設備運行過程中存在的問題、取得的經驗和做法進行探討，為今后進行痕量氫觀測技術的大范圍推廣提供參考。

1 臨汾盆地概況

臨汾盆地位于靈石隆起南，峨嵋隆起北。東西與霍山、羅云山水平相接，為一南寬北窄，總體走向為北北東向的不規則梯形。主要由辛置凸起、洪洞凹陷、臨汾凹陷、浮山凸起、襄汾凸起和侯馬凹陷6個構造單元組成，地質構造復雜，境內包括霍山山前斷裂、羅云山山前斷裂、大陽斷裂和浮山斷裂等一系列活動斷裂(見第48頁圖1[10])。其中霍山斷裂為1303年洪洞8級地震的發震斷裂。臨汾盆地的地震活動在山西帶各斷陷盆地中居首位，曾發生M5以上地震15次，其中8級地震1次，7.0～7.9級地震1次，6.0～6.9級地震3次，5.0～5.9級地震10次。

表1 臨汾市痕量氫臺站基本信息Table 1 Basic information of trace hydrogen stations in Linfen city

2 痕量氫觀測原理簡介

在巖石形成及地殼運動過程中，由地殼深部上涌氣體的一部分被封存在與外界隔絕的巖石孔隙、裂隙中。在地震孕育、發展、發生的過程中，由于地殼應力的作用，可導致巖石產生微破裂或已經閉合的舊裂隙重新開啟，新舊裂隙可能相互溝通，封存于其間的氫氣由壓力大的深部向壓力小的地表迅速遷移，使地下水(可能還有土壤氣)中的氫氣含量出現異常升高變化[4-6]。

圖1 臨汾盆地構造及痕量氫臺站位置圖Fig.1 Structure and location of trace hydrogen stations in Linfen basin

杭州超距科技有限公司研制的ATG-6118H痕量氫在線自動分析儀采用鈀合金及多元傳感技術，利用微電子制造工藝研制成功的高靈敏薄膜氫傳感器進行痕量氫氣分析。該設備由傳感監測、中央控制、信息處理、網絡通訊、設備狀態檢測等模塊組成。其技術核心是傳感監測模塊，該模塊采用基于微化學的傳感器新技術，通過自行研發的數字流量控制器進行精密載氣流量控制，以空氣作為載氣，經凈化，送入定量控制裝置，后進入分離裝置，再到氫氣傳感器，實現響應速度快，檢測精度高，維護工作量小與高可靠性[4]。該設備具有較好的穩定性[11-13]，被地震系統廣泛使用。

3 臺站建設過程中存在的問題及解決措施

3.1 建臺相關依據

2017-2019年，臨汾市防震減災中心對7個縣(市、區)的9個臺站進行勘選。目前，因痕量氫觀測臺站的建設未有相關的標準可遵循，所以臺站的選址參照《地震前兆數字觀測技術規范》中氣氡、氣汞等斷層氣觀測技術的相關要求開展[14]。其中，斷層土壤氫氣測量采用杭州超距公司生產的ATG-300H便攜式測氫儀，采樣方式為野外現場采樣，使用鋼釬打孔約80～100 cm，抽出鋼釬，迅速將麻花鉆鉆入，將氣管置于麻花鉆內抽取氣體進行測量。鑒于不同地域內斷層土壤氫氣的逸出特征不同，考慮在不同區域選址時，將土壤氫相對測值最大的測點作為最終臺址。

3.2 臺址的選取

(1) 選擇在斷層明顯的地質構造區。

在侯馬市選址時，重點是沿峨嵋臺地北緣進行篩選，主要有三條測線。第一條測線位于鳳城鄉河東村，峨嵋臺地北緣斷裂西段隱伏斷層上，該測線從山前開始測量，每10 m一個測點，共9個測點(見第49頁表2)。從表2的測值看出，測點5為該測線的最大測量值點，氫氣濃度為317.301 ppm，測量場地為剛灌溉過的農田，受土壤中水分的影響，實際氫氣濃度要比測量濃度低，考慮該地用地性質和農田灌溉水的影響，重新選擇第二條和第三條測線。

第二條測線位于侯馬市東陽村，該村有明顯斷層破碎帶，在破碎帶附近不同點位測5組數據。從 第49頁表3看出，第4個點位數據最大，測值為237.445 ppm。

沿第二條測線點位向西到東南張村，該點位于峨嵋臺地北緣斷裂中段西部斷層破碎帶附近，斷裂錯斷地表上更新世地層，選定的測線設于黃土臺地前緣，南高北低，向北略微傾斜，呈階梯狀下降。在該地測量了第三組數據，共測量9個點位的氫濃度數據，每個點位間距3.5 m，在每個點位分別讀取3～4次讀數，取最大值為該點的最終氫濃度結果(見第49頁表4)。最終結果表明，該點位氫濃度比較高，3號點氫濃度值為1 346 ppm，4號點高達1 638 ppm(見圖2)。其土壤氫氣濃度最高值是測點1最高值的5.2倍，是測點2最高值的6.7倍。

表2 侯馬市第一條測線氫濃度測值Table 2 Measured value of hydrogen concentration of the first measuring line in Houma city

表3 侯馬市第二條測線氫濃度測值Table 3 Measured value of hydrogen concentration of the second measuring line in Houma city

表4 侯馬市第三條測線氫濃度測值Table 4 Measured values of hydrogen concentration of the third measuring line in Houma city

由于該處是峨嵋臺地北緣斷裂中段(譚家莊子至南柳段)，斷裂錯達地表，斷層活動強烈，全新世晚期以來斷層有過活動，且在晚更新世中期至全新世晚期發生過3次古地震，該斷裂中段為全新世發震斷裂，因此將東南張村4號點確定為侯馬市痕量氫臺站觀測點。

上述三條測線的選擇及測量結果表明，臺站選址時，首先考慮在斷層破碎帶或斷層明顯的位置進行測量，其結果比隱伏斷層附近的更符合要求。

(2) 選擇在遠離河道的斷層區。

在洪洞縣廣勝寺鎮建臺的目的是監測霍山山前斷裂地震前兆，對霍山山前斷裂分布出露情況、斷裂活動性、場址地形地貌等場地地震地質條件等進行初步勘選后，確定曹生村為最佳臺址。曹生村處于霍山山前斷裂的蘇堡-廣勝寺段，山前黃土臺地前緣的沖洪積傾斜平原后緣，斷裂出露長度8.2 km，走向NNE轉為NE45°～50°，是臨汾盆地洪洞凹陷與盆地邊緣丘陵臺地間的地貌分界，性質為張性傾滑。該地處于河岸東一級階地，地形東部略高，向西部略微傾斜，場地地形平坦開闊，海拔高程526 m左右。

圖2 侯馬市三條測線氫濃度最高測值Fig.2 The highest measured value of hydrogen concentration in three measuring lines in Houma city

在該村垂直斷裂的四個場地布設四條土壤痕量氫觀測線，每條測線根據初始測量值的高低確定測點的數量。1～3號測線場地位于黃土臺地西部，4號測線場地布設于黃土臺地前緣與沖洪積傾斜平原接觸帶，該地處于洪安澗河岸東一級階地，地形東部略高，向西部略微傾斜，場地地形平坦開闊，海拔高程526 m左右。

第1～4號場地土壤氫氣測試最高值分別為195 ppm、155 ppm、10 ppm、414 ppm(見圖3)，場地4的測值最高，初步確定第4號場地為臺站建設點。

圖3 洪洞縣廣勝寺鎮布設測線的氫氣濃度測量值Fig.3 Measured values of hydrogen concentration in Guangshengsi Town, Hongdong county

在臺站開工建設時，遇到打鉆孔兩米左右就出水的情況，根據車用太等提出的斷層氣觀測孔的孔底不能積水建設原則[6]，臺站不能在此地建設，需更換場地。經過對比，選擇條件成熟的2號場地作為臺址。通過分析認為，在河流一級階地建設痕量氫觀測臺站無法保證觀測鉆孔的出水情況，臺站選址時應避免在此區域進行勘選。

3.3 臺站周邊環境

臺站周邊環境，如大型施工等，也會對臺站的觀測結果造成影響。2017年，洪洞縣地震局在該縣氣象局附近建設了一處痕量氫觀測臺站，選址時的土壤氫氣觀測數據符合選臺要求，開始觀測初期，數據平穩，固體潮清晰，觀測背景值在1.0～2.0 ppm/L之間變化。但近兩年的觀測數據變化較大，如，2018年8月11日-14日、8月24日-31日、10月7日-15日，都出現較大浮動，變化幅度約4 ppm左右(見圖4)。

經核實，在上述氫含量變化較大的時段，該臺站附近有推土機施工和天然氣管道施工。經過與設備廠家和山西省地震局地下流體學科組專家交流溝通，分析認為：周邊施工產生的振動引起臺站地下土壤的松動，使土壤裂隙加大，加速了地下土壤氫氣的逸出，導致該時段氫濃度加大，測值變大。因周邊施工的影響，臺站觀測數據不能客觀反映該地地下氫氣的變化情況，無法及時捕捉地震前兆異常。之后，洪洞縣地震局考慮該臺站的搬遷問題。

圖4 洪洞痕量氫觀測站整點值觀測曲線Fig.4 Observation curve of the whole point value of trace hydrogen observation station in Hongdong county

3.4 臺站供電電源

痕量氫觀測設計運行之初，主要實驗場地在南方城市，太陽能供電就能滿足觀測需求。臨汾地區在建設觀測臺站時，也只配備了太陽能供電。到冬季時，出現供電中斷，設備無法運行，如侯馬市、曲沃縣痕量氫觀測站。

侯馬痕量氫觀測站于2018年10月建成，在當年12月至次年1月時，出現數據多次中斷的情況(見圖5)，通過對現場設備、太陽能及電池的運行情況進行排查，未發現故障。經多方面綜合分析發現，在供電中斷的時間為臨汾市霧霾較重的時段，太陽能無法正常工作，導致蓄電池無法蓄電，造成觀測設備關機。經過與專家商討，采用增加蓄電池數量和交直流雙重供電的方式解決此問題。目前，該臺站增加了兩塊大容量蓄電電池，尚未接通市電供電。為保障今后設備的正常運行，已在協調接通市電供電系統。

同樣的情況在曲沃痕量氫觀測站也存在。2018年11月-12月，出現了在冬季斷電情況(見第51頁圖6)，同樣，只采用增加蓄電池的方式來保障設備正常運行，目前因場地周邊條件限制，尚未接入交流供電。

圖5 侯馬痕量氫觀測站整點值觀測曲線圖Fig.5 Observation curve of the whole point value of trace hydrogen observation station in Houma city

4 認識與建議

通過以上對臨汾市痕量氫臺站選址、建設及運行過程的跟蹤分析，提出以下幾點認識及建議：

(1) 在一個同時具有隱伏斷層和斷層破碎帶明顯的區域選址時，破碎帶區域的氫氣濃度要遠高于隱伏斷層區域，應首先考慮斷層明顯的地質構造處或斷層破碎帶附近。

(2) 在有河流的斷層附近選址時，靠近河道的區域出現鉆孔出水，無法滿足臺站選址要求，應避免在河流一級階地上進行勘選，需將臺址選擇在遠離河道的斷層區。

圖6 曲沃痕量氫觀測站整點值觀測曲線圖Fig.6 Observation curve of the whole point value of trace hydrogen observation station in QuWo county

(3) 痕量氫觀測數據受臺站周邊施工影響明顯，在施工時段，觀測數據會出現明顯高于背景值的數據，對地震前兆觀測產生干擾，臺站應盡量選擇在遠離城市及道路的偏僻位置。

(4) 在北方冬季霧霾嚴重時，單一的太陽能供電方式無法滿足設備連續運行所需電量，易導致設備斷電、數據中斷，應配備太陽能、市電雙供電，且臺站位置要盡量選擇在市電供電方便的位置。

5 結語

侯馬痕量氫臺站在選址時氫含量為1 638 ppm，是臨汾市6個臺站中的最高值，但在臺站建成后，氫觀測背景值在0.5～3.5 ppm左右變化，與其他臺站的區別不大(如，洪洞痕量氫臺站觀測背景值為1.0～2.0 ppm)。經過參考全國其他臺站的觀測數據和與山西省地震局地下流體學科組專家溝通，認為侯馬痕量氫臺站觀測數據可能與集氣裝置的安裝和技術參數有關，為進一步驗證該臺站觀測數據的真實性，建議在該臺站另安裝一套集氣裝置進行對比觀測。

目前，痕量氫觀測臺站在山西省尚處于推廣階段，各市縣因地質構造和自然環境的不同，在臺站選址和建設方面不盡相同。通過總結分析臨汾市在臺站選址、建設等方面存在的問題和解決方法，為在省內其他地區乃至全國的臺站建設提供一定的參考經驗。