“霍山窗”地区(31.0°～31.83°N,115.0°～116.5°E)地处大别山隆起地块、华北地块与扬子地块接触带附近的北大别山沉降带南缘(陆镜元等,1992),华北地块和扬子地块在此处碰撞发生造山作用。郯庐断裂带位于大别造山带东缘,长期控制两侧的构造格局。区内主要发育有NWW向的肥西—韩摆渡断裂和梅山—龙河口断裂、NW向青山——晓天断裂、NE向落儿岭—土地岭断裂。梅山—龙河口断裂断层面向南西陡倾,性质为正断兼左旋走滑,断裂沿线呈现强烈的动力变质作用,糜棱岩、碎裂岩和断层泥发育(李浩民,2018)。落儿岭—土地岭断裂地表断面走向为50°～60°(南东或北西),倾角为64°～84°,深部断面产状目前尚不清楚。沿该断裂线状沟谷极为发育,构造变形带也有发育,韧性变形的糜棱岩、脆性变形的角砾岩和较崭新时代形成的断层泥均有发育,断裂沿线历史上曾发生一系列中强地震。受特殊的构造和动力学环境影响,研究区地震活动比较活跃。1336年以来共发生9次5级以上地震和2次6级以上地震,包括1652年霍山6级地震和1917年霍山61/4级地震。刘泽民等(2015)通过震源机制解、余震精定位和地震等烈度线等分析认为,2014年4月20日霍山M_S4.3地震是在区域应力场的作用下,在落儿岭—土地岭断裂发生的1次右旋张性活动(图1)。

H₂观测点选址与断层的性质、断层是否出露以及气源等有关。首先,观测点必须选在断层破碎带上,如果是压性断裂,测点必须选在断层的上盘,即断层活动的主动盘,如果是隐伏断裂带,要选在断裂带正上方,选点误差不应超过10 m; 岩浆岩发育区具有丰富的H₂气源,更容易产生H₂。观测点的选址还应考虑地下水位埋深和土壤潮湿度等。总体上,要遵循观测条件最佳、断裂破碎密度大、气量丰富的原则(车用太等,2015)。断层土壤气的观测点孔深的选择,应综合考虑地貌、断层覆盖层厚度、植被、浅层地表水位等多种因素(陈华静等,1999)。根据“霍山窗”地区地震和断层的分布情况,笔者实地踏勘了晓天—磨子潭断裂、落儿岭—土地岭断裂、梅山—龙河口断裂与落儿岭—土地岭断裂交汇部位。晓天—磨子潭断裂与落儿岭—土地岭断裂交汇部位多为完整基岩出露,山体海拔较高,施工难度较大,且很难找到有覆盖层的断裂破碎带,而梅山—龙河口断裂与落儿岭—土地岭断裂交汇部位地势较为平缓,多为山村和田地,具备施工条件。

图1 研究区H2观测点区域地质构造及2008年12月4日至2020年8月15日ML≥1.0地震分布
Fig.1 Geological settings and ML≥1.0 earthquakes (Dec.4th,2008-Aug.15th,2020)in the study area

2018年3月和9月,笔者在落儿岭—土地岭断裂交汇部位开展了2 期跨断层土壤气Rn和H₂的观测(图2),考虑了Rn和H₂的浓度值、地势、地下水埋深、运输的便利性、用电的方便性等因素,观测点选址在霍山县但家庙镇观音岩村的7号高值点附近。

图2 流动观测土壤气Rn(a)和H2浓度(b)分布
Fig.2 Distributions of Rn concentration(a)and H2 concentration(b)by mobile measurements

2018年11月,笔者在7号点附近开挖了1个深2.8 m,长、宽各1 m的观测孔。为防止因浅层地表水位上升致使潮湿气体进入取样管,且便于气体流动,在集气孔底部铺设40 cm厚、透气性好的砾石层,砾石层中的气体通过扩散很快达到新的平衡。砾石层上方放置直径为0.60 m的集气装置,集气装置四周铺设双层塑料厚膜密封。集气装置上方与直径110 mm、长2.5 m的PVC集气管相连,在顶部用橡皮塞密封,用导气软管连接PVC导气管,并连接痕量氢自动分析仪。观测孔集气装置结构见方震等(2020)所述。气体富集与采样时间可在仪器上直接设定,设定采样时间间隔为1小时,1次连续10 s采集300 mL气体,抽气总气量需0.05 L。

图3为2018年12月4日至2020年8月15日“霍山窗”地区土壤H₂的观测数据。从图中可以看出,土壤H₂浓度含量较低,一般为0.5×10^-6,多数情况下低于0.5×10^-6。对该测点2018年12月—2020年3月产出的8 832个数据,按照不同测量值的分布进行统计,根据H₂浓度大小分为4个区间,利用Grubbs法和X±2S法计算得到背景值为0.58×10^-6,将超出2倍均方差设为高值界,为1.26×10^-6。测值大小分布情况见表1。理论上应该产出10 866个数据,实际产出8 832个数据,数据完整率为81.28%; 缺数情况一般是人为因素造成的。从产出H₂浓度测值大小的分布范围分析,超过60%的数据位于高值界以下,超过10×10^-6的值较少,基本符合正态分布。得到的H₂浓度的完整率和测值分布范围进一步说明痕量氢观测仪器稳定、观测数据准确、资料可靠。

图3 “霍山窗”地区土壤H2浓度观测曲线
Fig.3 The observation curve of high-precision soil hydrogen in the area of Huoshan Seismic Window

表1 H2浓度ρ测值分布统计
Tab.1 Statistics of distribution of high-precision soil hydrogen concentrations

相对于震源深度,地震前兆的观测深度非常有限,所以地面因素对其造成了不可避免的干扰(曹玲玲,高安泰,2014)。一般来说,断层气浓度变化受诸多因素影响,例如断层开合、采样深度、采样孔周围地温变化以及 气象三要素变化等,均会导致断层气浓度呈现规律性的年变和无规律的突变。不同地点的气体浓度年变规律也不相同,所以不同地区H₂浓度的多年变化特征并不是唯一的(钟骏等,2021)。观测点的岩性、构造、覆盖层等地质因素基本固定,在采样、仪器测试条件不变的情况下,H₂浓度的规律性变化需予以识别。从已有的观测资料来看,H₂浓度多年季节变化在有些观测点呈现出“夏高冬低”季节规律性变化(Dogan et al,2007; 向阳等,2018)。

本文使用的ATG6118H痕量氢自动分析仪内置温度和气压传感器,每产出1个H₂浓度数据,同时产出气压、温度数据。2019年4月H₂浓度数据变化平稳,主要集中在0.58×10^-6～1.26×10^-6,未见高值异常,因此,本文选择该月数据进行气象因素分析(图4)。从图4中可看出,高精度氢浓度与温度相关系数为-0.4,与气压的相关系数为0.4,温度与气压的相关系数为-0.67。表明H₂浓度与温度呈弱的负相关,与气压呈弱的正相关。由于观测时间较短,2019年出现高出背景值几百倍的异常,未能看出季节性变化规律。而且,从震例总结的H₂异常幅度通常都达到正常背景值的几倍、十几倍、几十倍甚至上百倍(车用太等,2015),因此,7号观测点季节性变化或气象因素引起的规律性变化不影响H₂高值异常的识别。

图4 7号点H2浓度与气压、温度变化
Fig.4 High-precision soil hydrogen varying along with pressure and temperature

断层H₂浓度动态变化,无论有无年变规律,在几天至几十天的时间尺度上,多呈现出突然升高或锯齿状起伏的特点(范雪芳等,2016)。笔者根据2018年12月4日以来研究区的数学统计分析结果得出,H₂浓度低于背景值观测数据的占40.84%,在背景值至高值界之间的占30.32%,大于10×10^-6的占15.9%。因此,本文确定痕量氢异常识别以大于10×10^-6作为判据,即观测值大于10×10^-6为异常。

2018年12月4日(即H₂浓度观测起始时间)至2020年8月15日安徽地震台网共记录到在“霍山窗”地区共发生796次M_L>0地震,其中M_L≥3.0地震2次,2.0≤M_L<2.9地震8次,1.0≤M_L<2.0地震151次,本文选取M_L≥1.0地震进行分析(图1)。

观测期间,H₂浓度值出现4次大于10×10^-6异常,其中2次较大幅度的异常出现在2018年12月、2019年10—11月(图5b),另外2次较小幅度的异常分别出现在2019年7月(图5a)和12月(图5c)。2018年12月,由于仪器进水故障导致高值异常,因此,本文只讨论2019年全年观测数据与“霍山窗”小震活动的关系,小震活动频次以步长1 d、窗长7 d统计,10点滑动计算H₂浓度与地震活动频次的相关系数。

2019年5月24日起,小震活动频次增加,相关系数相继上升(图5a),7月10—12日,H₂浓度超过10×10^-6,最高达14.4×10^-6。异常核实发现:2019年6—7月,该地区有2个工地在施工,大多小震由工地爆破引起。7月9日,金寨县发生M_L2.7天然地震,H₂浓度高值异常在该地震发生后出现,所以推断该时间段的高值异常与小震活动或者M_L2.7地震无关。

2019年10月7日开始,H₂浓度超过10×10^-6,高值异常一直持续到11月7日,最高达234.268 0×10^-6。10月16日小震活动频次开始增加,10月22日频次达最高,为14次,相关系

图5 “霍山窗”地区H2浓度与小震活动的关系
Fig.5 Relation between the hydrogen concentration and the small-earthquake activity in the area of the Huoshan Seismic Window

数也相应发生快速上升(图5b),于11月5日降为0,期间共发生M_L≥0.0小震88次,其中M_L≥1.0小震18次,最大震级为10月17日M_L1.9。H₂浓度高值异常出现在小震活动前9 d。

2019年12月13日,H₂浓度持续上升,至12月19日高值异常结束,期间最高值为28.4×10^-6。从频度和相关系数变化图(图5c)来看,本次H₂浓度高值异常与小震活动同步,相关系数增大,呈弱的正相关。

2020年2月1日至3月27日,“霍山窗”小震再次活跃,共发生M_L≥0.0地震82次,其中M_L≥3.0地震1次、M_L≥2.0地震2次、M_L≥1.0地震12次。而本时间段,H₂浓度未见高值异常,从图1可以看出,相较于2019年10月,本次小震活动向西南青山—晓天断裂迁移,而2019年10月的小震活动距离梅山—龙河口断裂较近,位于土地岭—落儿岭断裂上。

断裂带中的H₂来源于地幔的原生H₂、地壳深部高温高压下岩石的变质作用及地壳浅层的生物和化学作用(陈丰,1996; Hirose et al,2011; Frieder et al,2013)。H₂通常会在相对封闭的地质条件下留存。在岩石形成及地壳运动过程中,地壳深部上涌气体一部分被封存在与外界隔绝的岩石孔隙、裂隙和矿物晶格中(Kita et al,1982; 车用太等,2015)。在许多基性—超基性岩中含有大量的H₂,火山岩中H₂体积含量与岩石体积比可达3.96%(刘刚等,1996)。火成岩(如玄武岩等)中含有较多的被封存的H₂,标准温度压力下,每立方米火成岩和变质岩中含有5 000 cm³ 的H₂,沉积岩(如灰岩)中H₂很少,同样单位的花岗岩和安山岩释放的H₂含量约为拉长石的1.5倍(Freund et al,2002)。火成岩和变质岩中含有丰富的H₂源。“霍山窗”地区主要发育韧性变形的糜棱岩、脆性变形的角砾岩等变质岩,为H₂封存提供了良好的条件。

断裂带中的H₂主要通过断裂带岩石、土壤(包括断层泥)和深循环地热水向地表迁移,从断层泥、破碎带中逸出的H₂含量高于断层附近出露的泉水中的H₂含量(Sugisaki et al,1980)。尽管破碎带本身不能储存H₂,但当破碎带的底部或者上部处于封闭状态时,破碎带将既可以作为运移通道,又可以在相对封闭的体系中储存一定量的H₂(罗立强等,2004b)。与不活动断层相比,活动断层气体的释放更为剧烈(王博,周永胜,2017)。正断层往往通过断裂张开增加了有效应力,逆断层由于断裂闭合表现为较低的孔隙率,在这种模式下,逆断层周围更易表现为高压流体。Ware 等(1984)在观测不同类型的断层H₂释放浓度时,发现正断层和走滑断层H₂的释放浓度最高达80×10^-6。本文研究的H₂的观测点所处的梅山—龙河口断裂性质为质正断兼左旋走滑,落儿岭—土地岭断裂为张性断裂,为断裂带中的H₂释放提供了良好的通道,易于深部H₂的释放。

2019年10月出现的H₂浓度高值异常幅度最大,约为背景值的460倍,且异常出现在小震活动前9 d。小震集中活动前,应力积累,岩石形成众多的微裂隙,断层处的裂隙通道更加畅通,形成相对低压区,周围的地下气体在应力场作用下,向低压区的断裂气孔汇集,气体扩散加快,断裂带深源气体混合比例大量增加,打破了正常状态的气体平衡,进而使得观测到的断层H₂浓度出现了不同幅度的正异常(高清武等,1992; 张培仁,王基华,1993)。震后,应力释放,裂隙闭合,气体扩散通道被关闭,运移到地表的H₂量减少,使观测的土壤H₂含量减少至背景值(范雪芳等,2016)。

2019年10月16日至11月5日,小震在张性的落儿岭—土地岭断裂上集中活动,深部变质岩为断裂带H₂提供了丰富的来源,张性断裂为H₂的释放提供了发育的运移通道,形成了小震集中活动的H₂浓度正异常。这表明,H₂的前兆异常特征与构造环境即岩性、发震构造、断层性质等都有密切的联系。在地震孕育过程中,由于地应力增强,岩石产生超声振动,微破裂发育,可直接释放一部分封闭H₂和吸附H₂(冯玮等,1985),断层的机械变化也可释放出H₂(孙小龙等,2017)。2019年7月爆破引起的高值异常和12月小震活动的同步异常,笔者认为是地壳浅部应力、应变效应作用的结果,地壳表层受挤压作用而使其间的气体组分重新运动、再分配、再富集,异常变化幅度不大。

本文虽提出“霍山窗”地区H₂的异常与小震活动频次及发震构造之间有一定关系,但断裂带内H₂的释放与地震的发震时间、地点、震级之间的关系是极其复杂的,还需要更多的观测和研究。