盤一井氫氣異常與地震對應(yīng)關(guān)系研究

郭紅霞，安容蒂，韓 艷，楊 昆，劉子哲

（1.盤錦地震臺，遼寧 盤錦 124010；2.遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

0 引言

氣相色譜觀測是盤錦地震臺地球物理觀測的重要手段之一，自1994年觀測以來已取得連續(xù)可靠的觀測資料，其中溶解氫氣資料映震效果較好。在井口周邊300km左右范圍發(fā)生中強(qiáng)地震時(shí)，溶解氫氣短臨異常明顯。在1999年11月29日岫巖5.4級地震前和2020年7月12日河北唐山市古冶區(qū)5.1級地震前均有明顯的異常反應(yīng)，能很好地反映地震前地下應(yīng)力的變化。本文通過整理總結(jié)盤一井氫氣異常與地震的對應(yīng)關(guān)系，將有利于氫氣異常的識別與分析，也有利于對未來地震的判別，更有利于盤錦臺日后的地震分析與預(yù)報(bào)工作。

1 臺站地質(zhì)背景

盤錦地區(qū)地處屬下遼河平原，為一斷陷盆地[1]。研究區(qū)東部為遼東隆起，西部為燕山褶皺帶，北依內(nèi)蒙地軸與松遼盆地相隔。郯廬斷裂帶北延段穿越該區(qū)，區(qū)內(nèi)構(gòu)造斷裂發(fā)育，按北東-南西軸向由東向西平行展布著燕溝斷裂、遼中斷裂、臺安斷裂、張家街?jǐn)嗔?、義縣—大凌河斷裂。遼河盆地是三面環(huán)山，一面臨海的匯水盆地。

盤錦地區(qū)出露地層主要為上第三系和第四系地層，第四系為平原組松散堆積物，巖性為砂巖、粘土等[1]。上第三系為明化鎮(zhèn)組及館陶組含水層，明化鎮(zhèn)組含水層上部為砂礫巖、砂巖和泥巖，中部含有豐富炭化植物莖，下部砂礫巖、砂巖和泥巖呈不等厚互層。館陶組含水層上部礫砂巖、礫巖及少量含沙礫巖，中部含礫長石砂巖夾泥巖，下部粉砂質(zhì)泥巖。含水層隔水層厚度30m，含水層厚度超過100m，不受大氣降水和地表水的干擾。遼河盆地地表水系發(fā)育，河流與地下水有密切關(guān)系。除河流補(bǔ)給外，還有大氣降水滲入補(bǔ)給，無論是大氣降水還是地表水都是能補(bǔ)給第四系的，而上第三系的兩套含水層補(bǔ)給的途徑，一是第四系含水層越流補(bǔ)給，二是周圍老地層裂系補(bǔ)給，因此這兩層地下水的力性質(zhì)表現(xiàn)為非穩(wěn)定流。遼河盆地水循環(huán)深，逕流長，匯水面積達(dá)59816平方公里。地下水受區(qū)域地形控制，從山區(qū)呈輻射狀流入平原，尾閭?cè)脒|東灣。

2 觀測井概況

盤一井原為盤錦遼河油田的勘探井，原有井深2892m，1972年10月完井[2]。后經(jīng)盤錦地震臺地震觀測需要，于1973年改為水化學(xué)觀測專用井，現(xiàn)有井深955.1m。觀測水層為新生界上第三系管陶組含水層，含水層厚度100m。巖性以砂巖為主，及少量沙礫巖和泥巖。井孔套管0～86.5m，篩管下置859～955m，射孔水層為909～920m，井深避開油田開采層，觀測井的觀測組分的物質(zhì)來源豐富，巖性化學(xué)組分布均一。水化學(xué)類型HCO3-Na水，現(xiàn)水溫為22.5℃，海拔標(biāo)高為4.08m。地下水類型為承壓水（圖2）。

圖2 盤一井井孔柱狀圖Fig.2 Borehole column chart of Panjin No.1 Well

3 氣相色譜觀測簡介

盤錦臺1985年1月采用氣相色譜法進(jìn)行定時(shí)取樣觀測，觀測儀器為2305全型氣相色譜儀，觀測內(nèi)容為地下水中N2、Ar、CH4和CO2等溶解氣體，每日監(jiān)測1次。用氧氣作載氣，5A分子篩作固定相，測定Ar、N2和CH4，用硅膠作固定相測定CO2。1994年1月起改為使用SQ-206型氣相色譜儀進(jìn)行地震觀測,用氧氣作載氣，觀測地下水中N2、Ar、H2、CH4和CO2等溶解氣體。5A分子篩作固定相，測定Ar、N2和CH4，用硅膠作固定相測定CO2[3]。用電位差計(jì)記錄譜圖，人工量取譜圖經(jīng)計(jì)算得到觀測數(shù)據(jù)。2018年1月10日SQ-206型氣相色譜儀故障，因部件老化無法維修，故停用。2018年3月21日使用GC-8600型氣相色譜儀觀測，用氬氣作為載氣，5A分子篩作固定相，測定H2、He、O2、N2和CH4等溶解氣，用GDX-502作固定相測定溶解氣CO2。計(jì)算機(jī)記錄譜圖，自動量取并計(jì)算得到觀測數(shù)據(jù)。2018年7月1日觀測數(shù)據(jù)正式報(bào)送中國前兆臺網(wǎng)數(shù)據(jù)庫（圖3-4）。

圖3 SQ-206型氣相色譜儀Fig.3 SQ-206 type gas chromatograph

圖4 GC-8600型氣相色譜儀Fig.4 GC-8600 type gas chromatograph

盤一井氫氣自1994年觀測以來，平時(shí)水樣中氫氣含量很少，儀器的分析精度低，很難觀測到氫氣。因此日常觀測中無法實(shí)時(shí)觀測。但在1999年11月29日遼寧省岫巖5.4級地震（震中距盤一井105km）前成功地記錄到氫氣，震前溶解氫氣出現(xiàn)明顯的短臨異常，異常形態(tài)完整，異常幅度大。

2018年GC-8600型氣相色譜儀觀測以來，氫氣斷斷續(xù)續(xù)出現(xiàn)，變化幅度不大。2020年4月至7月，氫氣頻繁出現(xiàn)高值，且變化幅度明顯高于以往測值，2020年7月12日河北省唐山市古冶區(qū)發(fā)生5.1級地震，震前氫氣較好地反應(yīng)了地下應(yīng)力集聚變化，震后氫氣快速消失。

4 異常概述與分析

4.1 1999年11月29日岫巖5.4級地震前氫氣異常

1999年11月29日岫巖5.4級地震前，SQ-206氣相色譜儀在震前清晰地觀測到氫氣，氫氣含量從1999年11月4日到11月15日開始間斷性出現(xiàn)，且含量在0.027%左右平穩(wěn)變化。11月16日開始連續(xù)出現(xiàn)氫氣，而且含量趨于逐漸增大，至11月27日氫氣突升到0.18%，高出正常均值近十倍，相對變化率約為12%[4]，高值異常2天后，于11月29日岫巖發(fā)生5.4級地震。震后氫氣含量快速降低到突升前的狀態(tài)，12月末氫氣消失（圖5）。

圖5 盤一井氫氣日均值Fig.5 The daily mean value of Hydrogen in Panjin No.1 Well

從盤一井氫氣日值與小震M-t圖可看到，氫氣異常時(shí)期正是遼寧地區(qū)小震活動活躍時(shí)期，小震從震前20天出現(xiàn)（其中最大震級為ML4.4），氫氣連續(xù)高值從震前12天開始。由小震活動態(tài)勢看，從11月9日的ML4.1和ML4.2級雙震到11月25日ML4.0級和ML4.4級雙震、再到26日ML4.4地震，可以看出11月份小震活動強(qiáng)烈，多次成對發(fā)生4級以上地震，說明震群活動較集中，且小震活動的頻次增高、強(qiáng)度增大了，此時(shí)區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力調(diào)整引起氫氣異常，隨著地震的臨近，應(yīng)力調(diào)整作用力增大，氫氣含量增高，即11月27日達(dá)到最大值0.18%，氫氣高值突跳有力地指示著遼寧地區(qū)地震應(yīng)力場應(yīng)力集聚增強(qiáng)；說明地震已到臨震態(tài)勢，預(yù)示著即將有大地震發(fā)生。隨著11月29日岫巖5.4級地震發(fā)生，氫氣異常有利地對遼南地區(qū)地震危險(xiǎn)性作了很好的指示。

回顧岫巖5.4級地震前盤一井氫氣的異常特征，從11月4日偏嶺小震群出現(xiàn)前的臨震特征，到11月27日高值突跳，進(jìn)一步說明氫氣對應(yīng)力調(diào)整的響應(yīng)達(dá)到臨震階段，顯著的異常說明地震危險(xiǎn)性進(jìn)一步增大。此震例足以說明盤一井氫氣異常與小震活動對遼寧地區(qū)的震情發(fā)展能起到一定的指示意義（圖6）。

圖6 盤一井氫氣日值與小震M-t圖（1999.11.1—1999.12.31）Fig.6 Diurnal value of hydrogen gas and M-t diagram of small earthquakes in Panjin No.1 Well

4.2 2020年7月12日河北唐山市古冶區(qū)5.1級地震前氫氣異常

2020年4月24日起盤一井氫氣連續(xù)出現(xiàn)，且變化態(tài)勢呈上升趨勢，7月2日后持續(xù)高值，7月8日測值達(dá)到最大值，幅度達(dá)0.0068%（日常測值均值為0.0019%），與正常背景值相從遼寧地區(qū)的地震活動情況看，地震活動強(qiáng)度并不明顯，2020年4級以上地震未出現(xiàn)過，3級以上地震發(fā)生7次，相比1999年岫巖地震前地震震級及頻次，3級以上的地震42次，4級以上地震8次，2020年地震活躍程度遠(yuǎn)不及岫巖5.4級地震前地震活動程度強(qiáng)烈（圖10）。僅從遼寧地區(qū)小震活動強(qiáng)度看不出此次氫氣異常與地震活動的直接關(guān)系。但從圖7可看到，盤一井氫氣的確存在一個(gè)短期的趨勢。2020年6月至7月間氫氣高值異常，雖然沒有1999年11月至12間氫氣變化幅度大，但從異常形成時(shí)間看，已體現(xiàn)出臨震狀態(tài)，應(yīng)力的積累與集中達(dá)到一定的程度。根據(jù)以往氫氣臨震異常特征，即在出現(xiàn)臨震異常后的幾天到一周內(nèi)有可能發(fā)生中強(qiáng)震。綜合上述分析，認(rèn)為此次氫氣異常反映的應(yīng)該不僅僅是本地區(qū)及遼寧地區(qū)的應(yīng)力活動，那么根據(jù)以往氫氣異常應(yīng)震比，相對變化率約為3%，4天后于7月12日市古冶區(qū)發(fā)生5.1級地震。異常持續(xù)時(shí)間為79天，地震震中距觀測井約343km。震后氫氣于7月23日消失（圖7-8）。

圖1 下遼河平原地質(zhì)構(gòu)造圖Fig.1 Geological structure map of the lower Liaohe Plain

圖7 盤一井氫氣日值、差分值、差分異常頻次序列Fig.7 Daily value，difference value，differential anomaly frequency sequence of hydrogen in Panjin No.1 Well

圖10 遼寧地區(qū)小震M-t圖和頻度圖（1999、2020年）Fig.10 M-t and frequency map of small earthquakes in Liaoning area

2020年4月至7月，盤一井氫氣變化幅度和變化速率都體現(xiàn)一個(gè)短期的趨勢，氫氣差分值4月24日起逐漸高出3倍方差，且隨著時(shí)間推移，差分異常頻次越來越多。從數(shù)據(jù)變化速率看，氫氣異常時(shí)速率是日常變化速率的2倍。且隨著時(shí)間推移，速率值逐漸增大，即從2020年7月2日起氫氣變化速率增大，逐漸達(dá)到日常變化速率的3倍。7月12日河北唐山市古冶區(qū)5.1級地震后變化幅度和速率逐漸恢復(fù)到日常值（圖7-8）。指標(biāo)，氫氣應(yīng)震地區(qū)多為遼寧的營口、海城、岫巖地區(qū)和京津唐地區(qū)。綜合遼寧地區(qū)相對較弱的小震活動情況，可以判定氫氣異常預(yù)示遼寧地區(qū)中強(qiáng)地震的可能性減小，此次氫氣異常就有可能是京津唐地區(qū)地震的應(yīng)力效應(yīng)了。2020年7月12日唐山市古冶區(qū)5.1級地震的發(fā)生進(jìn)一步印證了盤一井氫氣異常為此次地震的應(yīng)力調(diào)整效應(yīng)（圖7-9）。

圖8 盤一井氫氣日值、斜率值、斜率序列Fig.8 Daily value，slope value and slope sequence of hydrogen in Panjin No.1 Well

圖9 盤一井氫氣日值與小震M-t圖（2018-2020）Fig.9 Diurnal value of hydrogen gas and M-t diagram of small earthquakes in Panjin No.1 Well

4.3 盤一井氫氣與中強(qiáng)地震的對應(yīng)關(guān)系

總結(jié)以上兩次5級地震前氫氣異常特征，地震前氫氣異常具有短臨性，從異常形成時(shí)間看，異常持續(xù)時(shí)間在3個(gè)月內(nèi)，從異常幅度看，異常幅度為正常值的幾倍至十倍以上。從臨震異常時(shí)間看，高值突跳異常后短短的幾天內(nèi)就發(fā)生5級以上地震。從地震發(fā)生地點(diǎn)看，突跳異常體現(xiàn)了井口周邊100km左右的地震活動；持續(xù)高值波動異常體現(xiàn)了井口周邊略遠(yuǎn)的地震活動，即震中距在300 km左右的地震活動。

震中距小，異常持續(xù)時(shí)間短，異常幅度大，震級略大；震中距大，異常持續(xù)時(shí)間長，異常幅度略小些，震級也相應(yīng)小些。異常幅度與震級正相關(guān)，與震中距負(fù)相關(guān)。異常幅度達(dá)十倍時(shí)，一般發(fā)震地點(diǎn)在井口周邊100km左右范圍內(nèi)營口、海城、岫巖地區(qū)；異常幅度達(dá)幾倍時(shí)，一般發(fā)震地點(diǎn)在井口周邊300km左右范圍內(nèi)的河北唐山地區(qū)（表1）。

表1 盤一井氫氣異常與地震對應(yīng)情況統(tǒng)計(jì)表

圖11 盤一井與中強(qiáng)震震中位置圖Fig.11 Map of the Panjin No.1 Well and strong earthquake epicenter location

5 認(rèn)識與討論

（1）結(jié)合盤一井氫氣異常前后井口周邊地震活動情況分析，盤一井氫氣異常與井口周邊應(yīng)力調(diào)整及增強(qiáng)關(guān)系緊密，氫氣異常出現(xiàn)對地震發(fā)生具有較好指示意義，氫氣異常呈現(xiàn)短臨態(tài)勢，異常持續(xù)3個(gè)月左右，發(fā)生中強(qiáng)地震的可能性大。

（2）氫氣異常幅度≥10%，觀測井附近地區(qū)有可能發(fā)生（震中距在100 km左右）5級以上地震；氫氣異常幅度＜10%，觀測井周邊較遠(yuǎn)區(qū)域有可能發(fā)生（震中距在300 km左右）5級以上地震。

（3）氫氣異常持續(xù)時(shí)間一個(gè)月左右，觀測井附近地區(qū)發(fā)生5級以上地震的可能性大，異常持續(xù)在三個(gè)月左右，觀測井周邊較遠(yuǎn)區(qū)域發(fā)生5級以上地震的可能性增大。

（4）氫氣異常不僅僅對遼寧地區(qū)中強(qiáng)震有一定指示意義，它對遼寧周邊地區(qū)中強(qiáng)震也有預(yù)示意義。若是對遼寧地區(qū)的響應(yīng)，它對發(fā)生在遼南地區(qū)的中強(qiáng)震響應(yīng)會更顯著些，特別是對營口、海城和岫巖地區(qū)地震的映震能力較強(qiáng)，此地區(qū)是氫氣標(biāo)志性異常的首要映震地區(qū)。若是對遼寧周邊地區(qū)的響應(yīng)，考慮到氫氣異常的標(biāo)志性，那么河北唐山地區(qū)是重點(diǎn)關(guān)注地區(qū)。

6 結(jié)語

通過兩次典型震例的驗(yàn)證，盤一井氫氣具有典型的標(biāo)志性異常，說明其有良好的映震效能，是地震分析與預(yù)報(bào)不可缺少的依據(jù)。地震發(fā)生的區(qū)域不同，類型也會不同，異常特征表現(xiàn)也有所不同，因此本文僅從兩次5級震例對氫氣異常的分析做了總結(jié)，樣本數(shù)量還是單薄的，在對氫氣異常與地震活動關(guān)系的認(rèn)識上還是初步的，不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。還應(yīng)該結(jié)合更多的震例，對氫氣的異常進(jìn)行全面的分析。本文在震例歸納分析上存在的不足之處，還需進(jìn)一步學(xué)習(xí)鉆研，以達(dá)到科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)。