白晓川，常 明，李青梅，唐 浩

（宁夏回族自治区地震局，宁夏 银川 750001）

0 引言

在地球内部蕴藏着大量高温高压状态的气体，由于这些气体与地表大气之间存在温压、浓度梯度差，导致地球内部不停地往地表大气中释放气体。我们把与断层活动有关的从断层中逃逸出的气体称为断层气。断层H2就是其中的一种渗透系数大，易于扩散的微量气体。但空气中H2含量很低，仅为0.5ppm。多年来国内外地球化学工作者，对断层H2进行了大量研究工作。

在断层H2与地震危险性分析、预测研究方面：范树全和李觅[1]针对氦气和氢气因物理化学性质上的差异，提出将这两种气体的异常特征结合起来，可对观测点所处构造带上及附近相关构造带上，约400km 范围内5.0 级以上地震的发震时间和震级，作出较准确的预报；张培仁和王基华[2]分析研究发现，首都圈地区每次中强地震和部分中小地震前后，北京地区水化监测井网均能监测到地下热水中氢气含量明显的异常上升变化，其幅度达正常背景值的几倍、十几倍、几十倍甚至更高，震后均逐渐恢复正常，系统总结了京棉二厂热水深井溶解气体中氦、氢气体异常变化与地震的关系，提出了氦、氢气体前兆异常特征与发震时间、震级关系的经验公式；从氢气在地壳中的分布与地球化学特征的分析着眼，论证了氢气的映震灵敏性。同时特别强调指出，作为深源气体的氢气动态中同样存在干扰异常；刘耀炜等[3]，指出气体地球化学方法在地震科学研究中有着广泛的应用，被认为是一项具有广阔前景的地震监测方法；邵济安等[4]，将H2浓度的异常变化与断层背景研究结合，并配合区域其他异常的监测可以作为地震预报的一种手段；断层H2对地震的响应性十分敏感，其浓度异常可能和区域应力场的变化和地震活动有关。

从上述国内研究现状可以总结出，在灵武上桥开展断层H2观测，能够解决以下问题：（1） 解决宁夏中部前兆观测手段少的问题；（2） 能够确定本区域断层H2的构造地球化学特征、影响因素、来源和成因机制等；（3） 可揭示断层H2的构造地球化学特征与地震活动性的关系；（4） 为下一步进行区域断层气（H2、Hg、Rn 和CO2等） 定点连续观测和流动观测打下坚实基础，更好地为本区域地震危险区震情跟踪和判定提供服务；（5） 为地震监测预测提供新技术和新方法，在地震异常甄别、震情跟踪和判定中具有重要应用价值。

1 台站构造背景及基本情况概述

根据前人研究，灵武地区的大地构造位置和构造单元划分以青铜峡—固原深大断裂为界，北东侧为中朝准地台，南西侧属北祁连褶皱系。在中朝准地台内又进一步分为鄂尔多斯西缘拗陷带和鄂尔多斯台拗两个二级构造单元。鄂尔多斯西缘拗陷带由贺兰山台陷、银川地堑和陶乐台拱三个三级构造单元组成，黄河断裂带（灵武断裂为其南段） 是陶乐台拱和银川地堑的构造边界。

灵武市所在地区处在两个大构造单元交接的特殊位置上，在地质历史上曾受其南邻地槽区构造活动的影响，有过明显的、阶段性的活动。灵武断裂北段和中段开始活动的时间较早，根据其对沉积作用的控制，可追溯到中新世。北段活动在东、西支断裂上有过转移，中段一直是一条稳定的活动边界。南段形成较晚，到晚更新世中晚期才成为银川地堑的东侧构造边界。强烈的新构造活动，成为本区地震频繁发生的根源。灵武地区新生代的地质演化和现代地貌的形成受近南北向断裂活动的控制，边界和内部发育一组南北走向的断裂。

石油地震勘探成果揭示，银川地堑南段的构造颇为复杂，内部至少有5 条规模不等的隐伏断裂，其倾向或东或西，均属正断层。根据专家推断，灵武断裂是本段断裂中活动性最强的一条断裂。

图1 大河子沟地震勘探剖面（据长庆油田资料解释，1994）Fig.1 Seismic exploration profile of Dahezigou（according to Changqing oilfield data interpretation，1994）

图1 表示了地震活动与断裂的空间关系。由图可以清楚看到，弱震分布显示为一条清晰的南北走向的条带，此条带内最密集的部分位于灵武断裂与叶盛（F4） 断裂之间，集中了该区域弱震数量的82%。密集条带以东和以西，弱震数量仅为9.8%和7.8%。地震分布的这一特征在破坏性地震（M≥4 43 ） 分布上表现得更为清楚，银川地堑南段的所有破坏性地震均分布在灵武断裂至以西13km 的宽度范围内。地震活动具有东侧强、西侧弱趋势，这与上述南北向断裂活动的强度特征分布一致，地震活动条带和中强地震的极震区呈南北走向，说明地震活动与走向相同的断裂活动、尤其是灵武断裂的活动具有密切的关系。灵武断裂是本区域内活动性最强的一条断裂，目前记录到的最大地震为5.5 级，但这一震级是否能够代表本段可能发生最大地震，认识灵武市近场地震危险性具有重要意义。

2 观测点建设情况

观测孔于2014 年10 月由人工开孔。观测孔孔深7m，开挖2 个裸孔，2 孔相距3m；裸孔直径1.2m，每个孔底部放置两根直径为110mm，长4m 的PVC 管，一共安装4 根管子；每个管子都进行了保温处理，加了保温层；为扩大储气量，每个孔中有一个管子底部装有高1000mm、直径800mm 不锈钢桶倒扣作为漏斗收集气体；每根管子底部，1m 以下打有若干集气小孔；1m 以下为了防止因浅层地表水位上升时潮湿气体进入取样管，而本身又可利于气体通过添加一些透气性好的砾石层（约1m 厚）；为了防止孔底部气体的溢出，在砂砾层上面加盖了一层塑料布和水泥，在其上回填了1m 厚的细黄土，细黄土上又加了一层塑料布，最后回填了近2m 厚砾石土。4 根管子在4m 处进行了变径，变为50mm 的热缩管；并将管子转向水平，向东延伸长约5m 通入观测室内；管子全部整体用土层封住，埋入土层里面。

观测室与观测孔都于2014 年10 月开建。在观测空东面5m 处的地方建观测室；由地平深挖成宽5m，长7m，深4m 的观测室；采用混凝土浇筑，建成的观测室尺寸为宽2m，长4m。观测室外墙做了SBS 防水层，也做了保温处理（用100mm 的保温板，比重22kg）。观测室顶部与地平一致，顶部覆盖了2m 厚的沙土，用砖砌筑了2m 高，24cm 宽的女儿墙。

观测室门朝南开，西两侧做护坡，护坡为直角三角形。门前做了排水处理，排水管直径200mm，长20m。管道顺坡引到西面蓄水坑内；该蓄水坑在观测室西面约5、6m 处的位置；大小为长6m、宽8m、深2m。

3 H2 与气象因素的关系

自2014 年10 月29 日架设仪器以来，测值比较低且波动比较大，后经过改造，数值趋向平稳。2017 年3 月28 日，预报中心和监测中心人员携带便携式测氢仪来到上桥测点观测氢气，发现测值与仪器的测值不同，随后与厂家联系，厂家确定了现有的ATG-6118H 测氢仪存在故障，需要返厂维修。4 月6 日，更换了新的ATG-6118H 测氢仪，自此测氢开始了正常观测。

3.1 温度对H2 浓度变化的影响

断层气是地球内部气体与其挥发组分不断沿着活动版块，板内块体边界以及活动断裂带等地壳薄弱地带向地球表层迁移和释放的气体。通常情况下，地球深部的氢气，通过断层的运动，对流、扩散、孔隙、地应力应变等逸出地表，浅层土壤氢气的主要迁移方式为对流和扩散，因此温度越高，对流和扩散活动越强，而冬季土壤孔隙度和透气性相对比较差，氢气浓度测值低一些。灵武上桥H2自2017 年4 月至2019 年12 月观测以来，结果表明，断层气氢浓度正常动态具有日变形态和年变形态，温度对灵武上桥H2浓度的变化有影响，表现为温度与断层H2浓度呈正相关（图2）。

图2 上桥氢气与气象要素的相关分析Fig.2 Correlation analysis of hydrogen and meteorological elements in Shangqiao Village

3.2 气压对H2 浓度变化的影响

断层是孔隙和裂隙大量发育的部位，当大气压力发生改变时，上下压力的差异可以在地下形成压力梯度，大气压力的纵深效益可以改变断层中气体的迁移，进而造成氢浓度的变化，气压升高反而降低了氢气的浓度，通过对灵武上桥H2浓度的变化与气压的对比分析，气压与断层H2浓度呈负相关（图2）。

3.3 大气降水对H2 浓度变化的影响

降雨量能够直接改变土壤的含水量，从而影响氢气浓度，在土壤含水量不大的情况下，氢气的浓度会随含水量的增加而变化，氢气在土壤干燥时，易于向大气中扩散，随土壤表层形成的上升气流释放出来。由于灵武上桥H2观测，台站勘选到建设，严格考虑到了大气降雨对土壤的干扰因素，所以从观测数据变化上，可以看出降雨量对灵武上桥H2浓度的变化没有影响（图2）。

综上所述：灵武上桥H2浓度的变化与气温气压多元回归间存在明显的相关关系，相关系数达到0.742，也就是温度、气压是影响H2的主要因素，温度与断层H2浓度呈正相关,气压与断层H2浓度呈负相关,温度对断层H2浓度变化影响较大，气压影响较小，大气降水对H2浓度变化没有影响。具体数据分析处理结果如表1 所示。

表1 H2 相关数据分析处理结果

3.4 痕量氢浓度变化与地震的关系

在地震断裂带上开展土壤痕量氢气的连续观测，能够有效捕捉区域应力应变的变化，获得氢气浓度变化的地震前兆特征，发挥其在地震监测预报中的重要作用。灵武上桥H2自产出数据以来，2017 年8 月2 日凌晨3 时30 分在宁夏回族自治区固原市原州区，北纬36.28 度，东经106.01 度，发生了4.6 级地震，震源深度10 千米。震前10 天左右，灵武上桥H2浓度异常幅度达到正常背景值的5 倍多，且异常时间短，属于短临异常。根据这一特点，在宁夏地震重点危险区选择氢浓度作为地震预报的一项短临前兆指标，对于日常异常跟踪分析提供有利的判别异常依据，对识别其它地下微量稀有气体的地震前兆异常具有参考价值。在断裂带上开展H2连续观测，能过进一步获得氢气的地震前兆特征，进一步提升其在地震监测预报中的重要作用。

4 结论

地质构造运动多伴随着地下气体的逸出，观测和研究地下气体的逸出，可能会抓住一些地下构造活动的信息，而氢气作为一种灵敏的指标能够指示断裂活动的过程。通过灵武上桥氢气的观测，尝试找出灵武断层氢气背景动态变化特征，为地震孕育过程中氢气异常演化的判定提供依据，为建立地震短期预测动态方法提供一些思路。本文通过对环境观测资料的分析认为：灵武上桥痕量氢H2观测数据能过真实的反应地下构造活动特征，为宁夏今后台站建设和地震前兆资料应用，具有关键性推广实用价值。

5 讨论与结论

本文着重从台站建设方面进行了简单的分析，没有综合深层次考虑台站附近的区域地质、水文地质及断层覆盖层厚度、植被、浅层地表水位对观测数据的影响；没有对H2的构造地球化学变化与断裂活动性、地震活动性的关系，及断层H2的机理和成因进行分析。为了更好的开展H2观测数据在地震预报预测中发挥作用，建议开展如下探索研究：开展断层H2的地球化学特征及其影响因素分析；断层H2的成因机制分析；断层H2构造地球化学变化与断裂活动性以及地震活动性的关系；进行断层H2观测的技术方法和满足地震观测的实用化指标研究等。