利用地表自由逸出气体以及溶解于水、吸附于土壤中的气体浓度变化来监测预报地震是当前国内外广泛采用的地震预报方法之一(Whiticar et al,1999; Hernández et al,2000)。断层带是深部气体逸出的良好通道,气体在应力或热动力作用下,能沿上下贯通的活断层通道自深部上涌(王永才等,1992; Wakita et al,1980)。粟启初(1992)通过实验指出H₂逸出对断层的运动、地震的发生有直接的诱发作用; 邵济安等(2010)研究认为,H₂主要来源于地幔,少量地壳来源是由于活动断层产生的局部高温高压趋使中-浅层地热储库中的CH₄转化为H₂。

在20世纪,有学者对断层气进行了一些研究,但受限于当时的观测仪器精度不够,该研究断断续续。随着国内高精度氢连续观测仪器的研制,断层气研究进一步深入。分析地震监测资料表明,H₂浓度是对地震前兆响应的灵敏气体组分,特别是在短临阶段的映震能力方面具有明显的反映(车用太等,2015; 刘耀炜等,2006; 张炜等,1988; 耿杰等,2019)。地震前出现的H₂浓度异常特征显著,通常表现为震前几天至几十天的突发性大幅上升。由于H₂在土壤及地下水中的背景值较低,因此,在断层带H₂浓度观测中,其出现异常的幅度较高,通常表现为数量级的增幅,且H₂浓度会随着地震释放能量的增大而增加。车用太等(2015)认为断层带H₂浓度观测有可能提高短临预测水平。大量的观测资料表明,断层土壤气观测的影响因素较为单一,主要是气象因素,即气温、气压等,年变动态规律清楚,由此可知,土壤H₂浓度的异常变化突出,有较高的映震效能。

断层带土壤H₂浓度观测的首次实验研究是在山西开展,后逐步向全国推广。目前,利用痕量氢自动分析仪开展断层带土壤H₂浓度观测时间不长,尚处于实践探索阶段,对观测条件和各种干扰因素等研究尚未开始。对于一个新开展的观测项目,必须研究它的动态特征及其影响因素,其研究结果对异常变化的识别,甚至是异常机理解释和预测效能评价都有重要作用。为此,本文收集了全国目前处于运行阶段的痕量H₂浓度观测资料,同时,同步观测环境温度(气温)和气压,采用相关分析、回归分析的定量分析方法,研究了气温、气压及观测孔深度对断层带土壤H₂浓度的影响。

为了研究断层带土壤H₂浓度的正常动态变化特征,需要按照动态曲线所反映的时间长度,将研究区间划分为多年动态、年动态、月动态、日动态等。这类动态所反映的是在一定时段内某测项的周期变化特征。

常秋君等(1993)对断层气(Rn,CO₂)的观测资料进行研究,发现H₂测值具有明显的周期性变化,依据H₂变化周期的尺度长短,可将其分为若干类型。由于目前H₂浓度观测时间比较短,故仅提取H₂浓度日、月动态变化进行分析研究(图1,2)。

由图1可看出,H₂浓度日动态变化特征清晰,可分为3种类型,即双峰双谷型(类似于正弦型图1a、余弦型图1b)、单峰型(图1c,1d)和高低型(前半天高值、后半天低值的图1e或前半天低值、后半天高值的图1f)。日变幅度为(0.2～2)×10^-6,不同测点日变幅度不同。

由于H₂浓度的日动态变化可能与气温、气压、固体潮效应有关,但有些观测点的日动态变化,可能是受地温的影响,这需要分析气温与H₂浓度的相位是否一致来判别。如果H₂浓度日变相位滞后于气温若干小时,根据地温滞后于气温这一判据,就可以推断出H₂浓度的变化与地温相关,所以今后的断层气H₂观测点应该同步观测集气层位的地温。

使用整点值提取连续一个月的数据资料进行分析,发现H₂浓度月动态变化以平稳型为主(图2)。H₂浓度日变规律清晰,因此月动态变化表现出高频变化特征,其月变幅度和日变幅度接近。

图1 痕量H2浓度日动态变化类型
Fig.1 Daily dynamic variation type of trace hydrogen

图2 痕量H2浓度月动态变化曲线
Fig.2 Normal monthly dynamic variation curve of trace hydrogen

为了分析断层带土壤H₂浓度变化及其影响因素,本文选取不同时段、不同数据类型、不同观测深度、不同观测环境的15个观测点,通过定性和定量分析研究,得出以下结论:

(1)断层带土壤H₂浓度具有明显的日变化,涨落现象十分突出,变化规律清晰; 月动态变化则不明显。

(2)气温和气压是土壤H₂浓度观测的主要气象影响因素; 就其影响程度而言,气温的影响大于气压。

(3)土壤H₂浓度与气温、气压之间的相关关系是比较复杂的。土壤H₂浓度与气温或与气压之间,均可呈现正相关或负相关2种情况。但土壤H₂浓度与气温、气压之间的复相关系数却为正值。

(4)土壤H₂浓度与观测孔深度间的关系比较明显,也比较复杂,4～11 m可视为观测孔的优选深度。

断层带土壤H₂观测浓度技术目前处于试验性探索阶段,还有一些问题有待深入研究。但气象因素中对断层气组分最主要的影响是气温,其次是气压,而且气温、气压对土壤H₂浓度的影响程度会受到不同测点的地质环境(主要指观测层的土壤、岩石的成分和结构等)、土壤H₂测点与断裂带距离等因素的影响。因此,在分析异常与地震的关系时,应将气象因素引起的变化予以识别或排除。目前痕量氢数字化连续观测处于实验阶段,研究成果存在一定的误差,也需做进一步深入分析。