淺析痕量氫觀測(cè)臺(tái)站建設(shè)要點(diǎn)
——以臨汾市痕量氫觀測(cè)臺(tái)站建設(shè)為例

張凱靖，張 梅，宋春陽

(臨汾市防震減災(zāi)中心,山西 臨汾 041000)

0 引言

斷裂帶H2觀測(cè)及其與地震活動(dòng)的關(guān)系研究已有40多年的歷史[1-3]，氫作為化學(xué)元素中的第一個(gè)元素，具有粒子半徑最小，質(zhì)量最輕，遷移速度最快，穿透力很強(qiáng)等優(yōu)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(dòng)的關(guān)系十分密切[4-5]。近年來的研究表明，氫氣觀測(cè)具有異常幅度大、震前異常時(shí)間短、短臨特征顯著等特點(diǎn)，是斷層氣觀測(cè)的首選項(xiàng)[6],現(xiàn)已開始運(yùn)用于地震前兆觀測(cè)，并取得一定的成果[7-9]。

臨汾市防震減災(zāi)中心為監(jiān)控盆地內(nèi)斷層活動(dòng)，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(cè)臺(tái)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(cè)臺(tái)站，2019年在洪洞廣勝寺鎮(zhèn)、堯都區(qū)龍祠鎮(zhèn)和堯都區(qū)的南喬村各建成1處痕量氫觀測(cè)臺(tái)站。目前，臨汾市已擁有6個(gè)斷層氣觀測(cè)站(見表1)，形成規(guī)模觀測(cè)網(wǎng)，為捕捉臨汾盆地的地震異常信息提供有利的觀測(cè)數(shù)據(jù)，也為山西中南部震情跟蹤提供可靠的數(shù)據(jù)支持。該文旨在對(duì)選址和設(shè)備運(yùn)行過程中存在的問題、取得的經(jīng)驗(yàn)和做法進(jìn)行探討，為今后進(jìn)行痕量氫觀測(cè)技術(shù)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?yàn)楸北睎|向的不規(guī)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(gè)構(gòu)造單元組成，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，境內(nèi)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(dòng)斷裂(見第48頁圖1[10])。其中霍山斷裂為1303年洪洞8級(jí)地震的發(fā)震斷裂。臨汾盆地的地震活動(dòng)在山西帶各斷陷盆地中居首位，曾發(fā)生M5以上地震15次，其中8級(jí)地震1次，7.0～7.9級(jí)地震1次，6.0～6.9級(jí)地震3次，5.0～5.9級(jí)地震10次。

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

2 痕量氫觀測(cè)原理簡(jiǎn)介

在巖石形成及地殼運(yùn)動(dòng)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(fā)展、發(fā)生的過程中，由于地殼應(yīng)力的作用，可導(dǎo)致巖石產(chǎn)生微破裂或已經(jīng)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(xiàn)異常升高變化[4-6]。

圖1 臨汾盆地構(gòu)造及痕量氫臺(tái)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(dòng)分析儀采用鈀合金及多元傳感技術(shù)，利用微電子制造工藝研制成功的高靈敏薄膜氫傳感器進(jìn)行痕量氫氣分析。該設(shè)備由傳感監(jiān)測(cè)、中央控制、信息處理、網(wǎng)絡(luò)通訊、設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)等模塊組成。其技術(shù)核心是傳感監(jiān)測(cè)模塊，該模塊采用基于微化學(xué)的傳感器新技術(shù)，通過自行研發(fā)的數(shù)字流量控制器進(jìn)行精密載氣流量控制，以空氣作為載氣，經(jīng)凈化，送入定量控制裝置，后進(jìn)入分離裝置，再到氫氣傳感器，實(shí)現(xiàn)響應(yīng)速度快，檢測(cè)精度高，維護(hù)工作量小與高可靠性[4]。該設(shè)備具有較好的穩(wěn)定性[11-13]，被地震系統(tǒng)廣泛使用。

3 臺(tái)站建設(shè)過程中存在的問題及解決措施

3.1 建臺(tái)相關(guān)依據(jù)

2017-2019年，臨汾市防震減災(zāi)中心對(duì)7個(gè)縣(市、區(qū))的9個(gè)臺(tái)站進(jìn)行勘選。目前，因痕量氫觀測(cè)臺(tái)站的建設(shè)未有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)可遵循，所以臺(tái)站的選址參照《地震前兆數(shù)字觀測(cè)技術(shù)規(guī)范》中氣氡、氣汞等斷層氣觀測(cè)技術(shù)的相關(guān)要求開展[14]。其中，斷層土壤氫氣測(cè)量采用杭州超距公司生產(chǎn)的ATG-300H便攜式測(cè)氫儀，采樣方式為野外現(xiàn)場(chǎng)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(nèi)抽取氣體進(jìn)行測(cè)量。鑒于不同地域內(nèi)斷層土壤氫氣的逸出特征不同，考慮在不同區(qū)域選址時(shí)，將土壤氫相對(duì)測(cè)值最大的測(cè)點(diǎn)作為最終臺(tái)址。

3.2 臺(tái)址的選取

(1) 選擇在斷層明顯的地質(zhì)構(gòu)造區(qū)。

在侯馬市選址時(shí)，重點(diǎn)是沿峨嵋臺(tái)地北緣進(jìn)行篩選，主要有三條測(cè)線。第一條測(cè)線位于鳳城鄉(xiāng)河?xùn)|村，峨嵋臺(tái)地北緣斷裂西段隱伏斷層上，該測(cè)線從山前開始測(cè)量，每10 m一個(gè)測(cè)點(diǎn)，共9個(gè)測(cè)點(diǎn)(見第49頁表2)。從表2的測(cè)值看出，測(cè)點(diǎn)5為該測(cè)線的最大測(cè)量值點(diǎn)，氫氣濃度為317.301 ppm，測(cè)量場(chǎng)地為剛灌溉過的農(nóng)田，受土壤中水分的影響，實(shí)際氫氣濃度要比測(cè)量濃度低，考慮該地用地性質(zhì)和農(nóng)田灌溉水的影響，重新選擇第二條和第三條測(cè)線。

第二條測(cè)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(diǎn)位測(cè)5組數(shù)據(jù)。從 第49頁表3看出，第4個(gè)點(diǎn)位數(shù)據(jù)最大，測(cè)值為237.445 ppm。

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

表2 侯馬市第一條測(cè)線氫濃度測(cè)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(cè)線氫濃度測(cè)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(cè)線氫濃度測(cè)值Table 4 Measured values of hydrogen concentration of the third measuring line in Houma city

由于該處是峨嵋臺(tái)地北緣斷裂中段(譚家莊子至南柳段)，斷裂錯(cuò)達(dá)地表，斷層活動(dòng)強(qiáng)烈，全新世晚期以來斷層有過活動(dòng)，且在晚更新世中期至全新世晚期發(fā)生過3次古地震，該斷裂中段為全新世發(fā)震斷裂，因此將東南張村4號(hào)點(diǎn)確定為侯馬市痕量氫臺(tái)站觀測(cè)點(diǎn)。

上述三條測(cè)線的選擇及測(cè)量結(jié)果表明，臺(tái)站選址時(shí)，首先考慮在斷層破碎帶或斷層明顯的位置進(jìn)行測(cè)量，其結(jié)果比隱伏斷層附近的更符合要求。

(2) 選擇在遠(yuǎn)離河道的斷層區(qū)。

在洪洞縣廣勝寺鎮(zhèn)建臺(tái)的目的是監(jiān)測(cè)霍山山前斷裂地震前兆，對(duì)霍山山前斷裂分布出露情況、斷裂活動(dòng)性、場(chǎng)址地形地貌等場(chǎng)地地震地質(zhì)條件等進(jìn)行初步勘選后，確定曹生村為最佳臺(tái)址。曹生村處于霍山山前斷裂的蘇堡-廣勝寺段，山前黃土臺(tái)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(zhuǎn)為NE45°～50°，是臨汾盆地洪洞凹陷與盆地邊緣丘陵臺(tái)地間的地貌分界，性質(zhì)為張性傾滑。該地處于河岸東一級(jí)階地，地形東部略高，向西部略微傾斜，場(chǎng)地地形平坦開闊，海拔高程526 m左右。

圖2 侯馬市三條測(cè)線氫濃度最高測(cè)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(gè)場(chǎng)地布設(shè)四條土壤痕量氫觀測(cè)線，每條測(cè)線根據(jù)初始測(cè)量值的高低確定測(cè)點(diǎn)的數(shù)量。1～3號(hào)測(cè)線場(chǎng)地位于黃土臺(tái)地西部，4號(hào)測(cè)線場(chǎng)地布設(shè)于黃土臺(tái)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(jí)階地，地形東部略高，向西部略微傾斜，場(chǎng)地地形平坦開闊，海拔高程526 m左右。

第1～4號(hào)場(chǎng)地土壤氫氣測(cè)試最高值分別為195 ppm、155 ppm、10 ppm、414 ppm(見圖3)，場(chǎng)地4的測(cè)值最高，初步確定第4號(hào)場(chǎng)地為臺(tái)站建設(shè)點(diǎn)。

圖3 洪洞縣廣勝寺鎮(zhèn)布設(shè)測(cè)線的氫氣濃度測(cè)量值Fig.3 Measured values of hydrogen concentration in Guangshengsi Town, Hongdong county

在臺(tái)站開工建設(shè)時(shí)，遇到打鉆孔兩米左右就出水的情況，根據(jù)車用太等提出的斷層氣觀測(cè)孔的孔底不能積水建設(shè)原則[6]，臺(tái)站不能在此地建設(shè)，需更換場(chǎng)地。經(jīng)過對(duì)比，選擇條件成熟的2號(hào)場(chǎng)地作為臺(tái)址。通過分析認(rèn)為，在河流一級(jí)階地建設(shè)痕量氫觀測(cè)臺(tái)站無法保證觀測(cè)鉆孔的出水情況，臺(tái)站選址時(shí)應(yīng)避免在此區(qū)域進(jìn)行勘選。

3.3 臺(tái)站周邊環(huán)境

臺(tái)站周邊環(huán)境，如大型施工等，也會(huì)對(duì)臺(tái)站的觀測(cè)結(jié)果造成影響。2017年，洪洞縣地震局在該縣氣象局附近建設(shè)了一處痕量氫觀測(cè)臺(tái)站，選址時(shí)的土壤氫氣觀測(cè)數(shù)據(jù)符合選臺(tái)要求，開始觀測(cè)初期，數(shù)據(jù)平穩(wěn)，固體潮清晰，觀測(cè)背景值在1.0～2.0 ppm/L之間變化。但近兩年的觀測(cè)數(shù)據(jù)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(xiàn)較大浮動(dòng)，變化幅度約4 ppm左右(見圖4)。

經(jīng)核實(shí)，在上述氫含量變化較大的時(shí)段，該臺(tái)站附近有推土機(jī)施工和天然氣管道施工。經(jīng)過與設(shè)備廠家和山西省地震局地下流體學(xué)科組專家交流溝通，分析認(rèn)為：周邊施工產(chǎn)生的振動(dòng)引起臺(tái)站地下土壤的松動(dòng)，使土壤裂隙加大，加速了地下土壤氫氣的逸出，導(dǎo)致該時(shí)段氫濃度加大，測(cè)值變大。因周邊施工的影響，臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)不能客觀反映該地地下氫氣的變化情況，無法及時(shí)捕捉地震前兆異常。之后，洪洞縣地震局考慮該臺(tái)站的搬遷問題。

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

3.4 臺(tái)站供電電源

痕量氫觀測(cè)設(shè)計(jì)運(yùn)行之初，主要實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地在南方城市，太陽能供電就能滿足觀測(cè)需求。臨汾地區(qū)在建設(shè)觀測(cè)臺(tái)站時(shí)，也只配備了太陽能供電。到冬季時(shí)，出現(xiàn)供電中斷，設(shè)備無法運(yùn)行，如侯馬市、曲沃縣痕量氫觀測(cè)站。

侯馬痕量氫觀測(cè)站于2018年10月建成，在當(dāng)年12月至次年1月時(shí)，出現(xiàn)數(shù)據(jù)多次中斷的情況(見圖5)，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、太陽能及電池的運(yùn)行情況進(jìn)行排查，未發(fā)現(xiàn)故障。經(jīng)多方面綜合分析發(fā)現(xiàn)，在供電中斷的時(shí)間為臨汾市霧霾較重的時(shí)段，太陽能無法正常工作，導(dǎo)致蓄電池?zé)o法蓄電，造成觀測(cè)設(shè)備關(guān)機(jī)。經(jīng)過與專家商討，采用增加蓄電池?cái)?shù)量和交直流雙重供電的方式解決此問題。目前，該臺(tái)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(shè)備的正常運(yùn)行，已在協(xié)調(diào)接通市電供電系統(tǒng)。

同樣的情況在曲沃痕量氫觀測(cè)站也存在。2018年11月-12月，出現(xiàn)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(shè)備正常運(yùn)行，目前因場(chǎng)地周邊條件限制，尚未接入交流供電。

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

4 認(rèn)識(shí)與建議

通過以上對(duì)臨汾市痕量氫臺(tái)站選址、建設(shè)及運(yùn)行過程的跟蹤分析，提出以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)及建議：

(1) 在一個(gè)同時(shí)具有隱伏斷層和斷層破碎帶明顯的區(qū)域選址時(shí)，破碎帶區(qū)域的氫氣濃度要遠(yuǎn)高于隱伏斷層區(qū)域，應(yīng)首先考慮斷層明顯的地質(zhì)構(gòu)造處或斷層破碎帶附近。

(2) 在有河流的斷層附近選址時(shí)，靠近河道的區(qū)域出現(xiàn)鉆孔出水，無法滿足臺(tái)站選址要求，應(yīng)避免在河流一級(jí)階地上進(jìn)行勘選，需將臺(tái)址選擇在遠(yuǎn)離河道的斷層區(qū)。

圖6 曲沃痕量氫觀測(cè)站整點(diǎn)值觀測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)受臺(tái)站周邊施工影響明顯，在施工時(shí)段，觀測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)明顯高于背景值的數(shù)據(jù)，對(duì)地震前兆觀測(cè)產(chǎn)生干擾，臺(tái)站應(yīng)盡量選擇在遠(yuǎn)離城市及道路的偏僻位置。

(4) 在北方冬季霧霾嚴(yán)重時(shí)，單一的太陽能供電方式無法滿足設(shè)備連續(xù)運(yùn)行所需電量，易導(dǎo)致設(shè)備斷電、數(shù)據(jù)中斷，應(yīng)配備太陽能、市電雙供電，且臺(tái)站位置要盡量選擇在市電供電方便的位置。

5 結(jié)語

侯馬痕量氫臺(tái)站在選址時(shí)氫含量為1 638 ppm，是臨汾市6個(gè)臺(tái)站中的最高值，但在臺(tái)站建成后，氫觀測(cè)背景值在0.5～3.5 ppm左右變化，與其他臺(tái)站的區(qū)別不大(如，洪洞痕量氫臺(tái)站觀測(cè)背景值為1.0～2.0 ppm)。經(jīng)過參考全國其他臺(tái)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)和與山西省地震局地下流體學(xué)科組專家溝通，認(rèn)為侯馬痕量氫臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)可能與集氣裝置的安裝和技術(shù)參數(shù)有關(guān)，為進(jìn)一步驗(yàn)證該臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)性，建議在該臺(tái)站另安裝一套集氣裝置進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)。

目前，痕量氫觀測(cè)臺(tái)站在山西省尚處于推廣階段，各市縣因地質(zhì)構(gòu)造和自然環(huán)境的不同，在臺(tái)站選址和建設(shè)方面不盡相同。通過總結(jié)分析臨汾市在臺(tái)站選址、建設(shè)等方面存在的問題和解決方法，為在省內(nèi)其他地區(qū)乃至全國的臺(tái)站建設(shè)提供一定的參考經(jīng)驗(yàn)。