江苏宿迁断层气站网建设及数据质量分析

单友磊，朱红，王家杰，张荣杉

(1.宿迁市地震服务中心，江苏 宿迁 223800；2.宿迁地震监测中心站，江苏 宿迁 223800)

0 引 言

地壳放气现象是岩石圈与大气圈进行物质、能量、信息交换的一种重要形式，地壳放气的主要通道是断层，特别是一些穿透能力强的气体，例如Rn、Hg、H2、He等，会在断层上方的土壤中富集[1]。长期受到观测条件的限制，地震流体观测主要以单手段或单测项为主，而无比测手段，观测资料的客观性和科学性无法验证[2]。随着近年来观测技术的发展和新型观测仪器的应用，氢、氦、二氧化碳等气体测项已能够在野外实现定点连续监测，为探索地震监测新方法提供可能的途径[3]。地震前区域应力场不断加强，周围的地下气体向断层气孔汇集，使得一些特征气体含量增加，气体组分会出现不同幅度的异常[4]。虽然在活动断裂带土壤气体测量会受到地下水位、气象条件、沉积物的差异和仪器测量误差的影响，但是在活动断裂带附近，深部脱气强弱是控制断层气强度主要因素[5]。我国一些专家学者先后在首都圈地区、川滇试验场、天山带等开展过断层气浓度观测试验研究，取得了较好的映震效果。宿迁市地理位置比较特殊，地质构造复杂，郯庐断裂带纵贯南北，据断裂带分段标志可分为北段、中段和南段，宿迁境内断裂带处于中段的南延部分，具备开展断层气观测的必要条件。

1 断层气测项选取

断层气体的地震前兆异常资料表明,距断裂带距离越近,浓度值结果高的测点数目越集中,随着距离断裂带越远,浓度异常测点的数量逐渐降低,且浓度值也随之下降[6]。宿迁市断层气观测台网建设主要将境内的早第四纪F2断裂带、晚更新世F3断裂带以及全新世F5断裂带作为目标断层，详细勘测Rn、CO2、H2逸出浓度。测量结果显示，土壤Rn测量数据科学可靠，而CO2浓度测值偏高，较多测点达到最大量程，H2数据结果也不稳定，异常值偏高，无法与Rn观测结果相互映证。经多次空测、复测验证，排除了仪器故障原因，判断为地表环境干扰。由于场址勘测是在7、8月份，夏季宿迁地区高温高湿，地表植被生长旺盛，根系呼吸作用、土壤化学反应等使地表浅层富集CO2和H2，在个别无植被点和泗洪台的试验中，H2的异常还是存在的。H2是具有特殊化学特性的气体，在地壳中含量较大气高得多，主要分布在距地壳多震层顶部较近的地方，沿现今活动断裂带大量释放，有希望成为监测地壳活动与地震前兆最有效的化学组分[7]，而Rn主要来源于地球内部，受地表土壤成分、生物作用、人为因素等影响不大。因此，断层气测项主要以Rn测量值为参考对象，同时布设CO2、H2测项。

2 台网设计布局

宿迁市断层气观测站网建设项目是《宿迁市防震减灾“十三五”发展规划》重点工程，由地方财政支撑项目建设，总投入达300万元，沿郯庐断裂带宿迁段建设10个连续固定断层气观测站。该项目于2017年12月启动实施，先后经过项目初勘、详勘、规划选址论证、集气坑、观测房设计施工、仪器采购安装等，于2021年6月全部建成投入观测，形成覆盖郯庐断裂带宿迁段的断层气连续观测站网，也是首个覆盖郯庐断裂带江苏段的连续固定断层气观测站网，为监视郯庐断裂带江苏段活动情况，获取区域内构造地球化学场变化，捕捉地震前兆信息提供了重要监测平台。

断层气站网观测的目标是捕捉地震源兆，测点的密度必须考虑源兆显现尺度。前人研究成果表明，源兆显现尺度(R)与孕震断层长度(L)有关，郭增建等给出了中国大陆地震震级M与R的关系(表1)[8]。站网测点的间距要小于表1给出的源兆显现区的尺度。例如，未来要捕捉Ms6.0级地震的源兆，那么网中测点距离应小于47 km(大致可认为小于50 km)；要捕捉Ms5.0级地震的源兆，就要加密到至少13 km左右的观测点距。测点可沿未来发震断裂带及其两侧呈三角形或正方形布局，这样的布局方式可确保布网区内发生一定震级的地震时，可捕捉3～4个源兆信息。按照宿迁市防震减灾工作任务需求，断层气观测站网监测目标地震震级为M5.5级左右，根据表1所列数据，站网内测点间距控制在26 km以下。综合断裂带分布、行政区划以及水文地质、供电、通讯、环境与安全等因素，确定选择适宜场地建设10个断层气固定观测站(分别为：F2断裂带上的古楚街道、F3断裂带上的蔡集镇、上塘镇、天岗湖乡以及F5断裂带上的三台山公园、埠子镇、归仁镇、泗洪地震台、车门乡、峰山乡)，保证站点全部处在破碎带内，对主要发震断裂带F2、F3和F5进行长期观测(图1)。

图1 郯庐断裂带宿迁段断层气观测台网布设概况

表1 中国大陆不同震级(M)与该地震源兆显现地区尺度(R)的关系

3 集气装置设计建设

集气室是断层气观测站网布点建设的重要内容，若要实现断层气连续固定观测，就需要建设能长期稳定运行的集气装置，源源不断为测量仪器输送新鲜的地下逸出气体。在实际观测中，不同场地环境、不同集气装置、不同取气方式对观测结果影响程度不同。位于断层上方覆盖层2～4 m的疏松层，氡气浓度值在水平和垂直两个方向变化梯度较致密层低一些，迁移强度大于致密层[9]。

根据站址勘选与工程建设经验，结合集气室建设试验成果，我们设计了断层气专用取气室，具体设计方案(图2)为：①在植被茂盛等环境干扰较多场地，先开挖一正方形基坑，边长2 m左右，深2 m左右(在基岩出露场地可从第3步开始)；②在坑壁四周先用厚塑料膜覆盖，再浇筑一圈混凝土作为围挡，以隔断坑内坑外横向气体交换；③在中间位置埋设4根PVC集气管(花管)，集气管入地表以下0.5～0.8 m，高出地表大约2 m；④在地面继续向上浇筑混凝土侧壁，高度2 m；⑤坑内回填卵石至地表，然后再回填粉细砂或粉土至混凝土壁顶端；⑥集气管高出黄砂表面，并通过软管与仪器连接；⑦集气室外部应建设观测房。断层气观测房建筑面积约26 m2，建筑高度3.2 m，为砖混结构，按照8度(0.3g)设防，集气室和仪器机柜全部位于观测房内。

图2 集气室建设方案设计(单位：mm)

4 数据质量及环境影响分析

监测仪器分别选用贝谷科技BG2015R型测氡仪、杭州超矩ATG-C600二氧化碳在线分析仪和ATG-6118H痕量氢在线分析仪，采用机架式结构，适用于机柜安装，能够满足无需人工干预、数字化、连续监测的特点。由于断层气测项多、站点密度大，若地下应力变化或地震发生，台站观测数据出现同步趋势变化，基本可排除个别台站仪器故障或环境干扰影响，对捕捉临震异常和地震前兆信息具有指示意义。然而江苏境内震例较少，宿迁地区属于少震弱震区，断层气观测台网映震效能还需要积累较多震例进行检验，下面就站网观测数据质量进行分析。自投入观测以来，Rn浓度数据连续、可靠，受外部环境干扰较小，CO2、H2浓度易受外部环境影响，需加以关注。

图3 宿迁市断层气氡观测站网Rn、CO2、H2浓度数据曲线(2022-02-01～2022-09-14)

4.1 数据质量分析

图3为宿迁市断层气观测站网2022年2月1日至2022年9月14日Rn、CO2、H2浓度数据，自2022年1月27日正式接入江苏省地震行业专网以来，除个别站点仪器出现故障外，宿迁市断层气观测站网Rn、CO2、H2浓度数据总体连续、可靠。泗洪“3·19”地震前，部分站点氡浓度曾出现同步下降变化趋势，由于宿迁市断层气观测站点覆盖面广、仪器多、数据量大，当地下应力发生变化或地震来临前，若出现台阵观测数据同步变化现象，基本可排除个别站点仪器故障或环境干扰，对捕捉临震异常和地震前兆信息，提升地震预报效能具有较强的指示意义。

图4为2022年3月宿迁市断层气站点Rn观测数据曲线。从图中可以看出，3月1日、3月17日、3月19日蔡集站、上塘站、天岗湖站、归仁站、泗洪地震台、峰山站6个台站Rn浓度出现同步下降，其中3月17日降幅最大、持续时间最长，3月19日下降接近谷底时发生地震，最大震中距为38 km,最小震中距为2.3 km。上述6个台站中，上塘站3次降幅最大，天岗湖站、蔡集站降幅比例同样趋于高位，泗洪站、归仁站、峰山站降幅比例稍小，但由于峰山站高背景值，所以下降的绝对值最大。其余4个台站Rn数据均呈现出不同的规律，但没有表现出同步趋势，此外，CO2、H2数据也未能表现出明显变化特征。总体而言，Rn数据同步变化特征可能反映出断层应力发生了变化，以后在站网数据日常处理分析时，拓宽时空维度比对，提升数据分析质量和站网观测效能。

图4 2022年3月断层气Rn观测数据曲线

图5 天岗湖站3月CO2、H2观测数据及降雨量

4.2 环境影响分析

2022年3月25日，断层气站网天岗湖站CO2、H2数据出现同步陡升，据以往观测数据，该站测得H2浓度稳定在0.15 ppm左右，二氧化碳浓度约稳定在0.1%，25日上午9时开始突然快速同步上升，H2浓度达到0.307 ppm，上升幅度达100%，CO2浓度达到0.15%，上升幅度约50%，之后在高值附近波动5天左右才恢复正常值(图5)。经核实，仪器运行状态良好，辅助测项气温、气压、地温数据正常，但3月25日凌晨开始天岗湖站经历一次强降雨，超过今年以来降雨量3倍以上。由于天岗湖站集气室周围存在农田，田中施有动物粪便及植物秸秆沤制的农家肥，3月份以来，农作物生长迅猛，根系呼吸作用旺盛。分析认为，受短时强降雨影响，雨水裹挟地表动植物生命活动产生的各类物质以及微生物、农家肥等渗入集气坑内，产生物理化学反应造成CO2、H2浓度上升(图6)，由于Rn来自地球内部，受地表环境影响较小，所以数据测值较为稳定。其余站点周边没有农田且降雨量少，CO2、H2数据没有出现陡升或陡降现象。

图6 强降雨对天岗湖站CO2、H2观测影响示意图

5 结 论

通过对宿迁断层气站网场址勘选、集气装置设计建设、仪器安装运行以及数据质量分析，得出如下结论。

(1)依据单个站点或单个测项数据判断异常往往存在诸多不可控因素，无法进行比测研究，如仪器故障、环境影响等均不能够直接排除，而沿同一性质断裂带采取点状方式布设连续固定观测站网，寻找数据同步变化特征，能够直接排除仪器故障和外部干扰，数据可信度大大提升。

(2)由于Rn属于放射性元素，主要来源于地球内部，受地表土壤成分、生物作用、人为因素、周围环境等影响较小，当地下断层发生错动时，Rn逸出浓度变化可通过地面站网监测到，为捕捉地震前兆异常提供数据支撑。

(3)宿迁市地处中国大陆东南部，地下水埋深较浅，强降雨使得地下水快速得到补充，导致潜水面迅速抬升，影响仪器日常运维，此外，地表植被发育旺盛、根系呼吸作用、土壤化学反应、农耕生产活动等使地表浅层富集CO2和H2，降低了观测数据质量，在日常数据分析处理和异常提取过程中需加以排除。

(4)以上结果表明，在我国东南部地区采取简单围挡和人为抬升地面标高等方法，无法完全解决外界干扰因素对断层气观测的影响，在以后观测实践中应对集气装置进行改进，例如采取钻孔套管方式从断裂破碎带深部取气，将透气性差的地下淤泥层影响和地表环境干扰降到最低。