2. 中国地震台网中心, 地震预报部, 北京 100045
2. Department of Earthquake Prediction, China Earthquake Networks Center, Beijing 100045, China
断层一直被认为与地震活动紧密联系,那么,在断层附近寻找可靠的震前变化现象,则具有较好的指示意义.地球内部气体及其挥发组分不断沿着活动板块、板内块体边界以及活动断裂等地壳薄弱地带向地球表层迁移和释放,并且由于气体具有比液体迁移速度更快、穿透能力更强的特点,断层气的观测和研究也自20世纪80年代开始引起了科学界的普遍兴趣.近几年来,随着新观测技术和断层气体逸出理论的进一步发展,断裂带中气体的研究再次成为研究的热点,被用于研究断层活动的逸出气体有Rn、Hg、H2、CH4、CO2以及一些稀有气体等(吴慧山等,1997;王博等,2010;崔月菊等,2012;方震等,2012;刘雷等,2012;车用太等,2015;王云等,2015;张磊等,2015;郭丽爽等,2016;孙小龙等, 2016, 2017;Zhou et al., 2016).
先前研究认为(Gold and Soter, 1980),在地球内部可能还保留着许多H2,这些H2可能是地球最初形成时封存在地球内部的,通过活动断层不断向外释放.在Yamasaki断层发现高浓度的H2之后,Wakita认为高浓度H2的赋存很可能显示了与断层活动的某种联系(Wakita et al., 1980).后来,对活动断层附近H2的连续测量被应用在地震观测中(Sato and McGee, 1981; Sato et al., 1984;汪成民,1991).
本文收集和整理了前人的研究成果,概述了断层H2的赋存与来源,重点分析了断层活动与逸出H2之间的关系,以及地震前后H2的变化实例等.这将有助于更好的了解断裂带中H2的逸出机制和影响因素,为地震前兆异常判定和探索地震预测提供可能的技术途径.
1 H2的物理化学性质与赋存环境在通常状况下,氢气是一种无色、无味的气体,与其他气体相比,氢气具有质量轻,溶解度小,极易迁移等特点.大气圈中H2的含量很低,稳定浓度在0.5×10-6,但地球深部却存在大量的氢,到中、下地幔和地核则主要是H、H2和氢化物(杜乐天等,1995;陈丰,1996;杜乐天,2007).这一看法得到了金刚石包裹体中发现分子氢的支持,氢在地球内部可能的存在状态包括吸附溶解氢和碳氢化合物等,其中地核或者地幔中以氢化物状态存在的可能性最大(Fritsch and Scarratt, 1993;陈丰等,1994;陈丰, 1996).
H2存在于火山活动的喷出气中(Baubron et al., 1991),但气体含量变化较大.在许多基性—超基性岩中也含有大量的氢气,火山岩中氢体积含量与岩石体积比可达3.96%(刘刚等,1996).
H2也存在于地下热水中,与地下冷水的气体组分相比,地下热水中的气体组分除以氮为主要气体组分外,氧的含量显著减少,包括氢、氦等在内的其他一些气体含量大大增加,可能反映了热水气体组分中有一部分来自地球内部(蒋凤亮等,1989).
在石油天然气地质领域中,高浓度的氢气也广泛存在于一些天然气中,且含量极不均匀,有的只含有少量氢气,而有的井中氢气含量高达85%以上(黄福堂等,1999).H2S在高温条件下发生分解也会生成一定数量的H2.据上官志冠和霍卫国(2001) 在腾冲热海地区研究发现,深层H2S的含量比中层平均降低较多,而中浅层气体中H2含量的增加与H2S减少的含量在数量级上大体一致,而且还存在大量的自然硫分布.
生物作用会产生H2,与此同时往往也会产生大量的CH4,土壤中生物成因的气体,其CH4/H2的体积比高达5.6×104,故此,也往往作为判断H2来源的一个依据(Koyama,1963).此外,某些类型的无氧代谢反应会产生氢气,某些微生物,在含铁或含镍的氢化酶催化作用下,也会释放出氢气(Cammack et al., 2015).
2 H2与断层活动关系及其逸出机制 2.1 H2与断层活动断裂带裂隙发育广泛,是流体运移和聚集的有利通道和场所,深部断裂带和断裂交汇处对气体运移很有利,Wakita等(1980) 对位于Yamasaki断层上的70个测点进行观测,结果表明,断层带上的氢气浓度明显高于周围取样点的氢气浓度,而且距断层越远氢气浓度越低,阐明了逸出氢气与断层距离的关系,因为在断层带周围,岩石比较破碎,裂隙度高,所以是气体运移的良好通道.
断层氢气按照出露方式可分为两类:第一类主要是从断裂带的岩石和土壤(包括断层泥)中排出;另一类则主要由深循环的地热水携带并通过温泉出露点释放.两类逸出气体均反映了流体通过断层由深部向浅部运移的过程.就日本中部活动断层的探测结果表明,从断层泥、破碎带中逸出的氢气含量要比从断层附近出露的泉水中逸出的氢气含量要高(Sugisaki et al., 1980).
与不活动断层相比,活动断层处气体释放更为剧烈,因为此处的岩土渗透性更强,使得气体迁移更为容易.Sugisaki等(1983) 曾指出与历史地震有关的活动断层中H2浓度通常是百分之几,而与历史地震无关的第四系断层中H2浓度至多是100×10-6;因此,也可用H2作为检测断层活动与否的一项辅助手段(Sugisaki et al., 1980, 1983;Toutain and Baubron, 1999).林元武等(1994) 对我国华北北部3条活动性差异较大的隐伏断裂逸出H2测量结果表明,活动的唐山断裂和夏垫断裂上H2异常显著,一般比背景值高几十倍,而不活动的香河—皇庄断裂上无此现象.Li等(2013) 对唐山地震发震断层周围逸出气体进行了多组分分析,研究发现,与其他气体组分相比,H2和He受地表环境因素影响较少,且两种气体浓度分布与断层展布具有较好的联系.但即使如此,异常变化特征在时间上和空间上都表现很不一样,浓度变化范围也较大.
对于不同类型断层而言,正断层往往通过断裂张开增加了有效应力,而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,因此,在压缩区更容易监测到土壤气体.Ware等(1984) 对11条不同类型断层(4条正断层,5条走滑断层和2条逆断层)附近的H2进行观测研究,其中,仅有4条断层上(2条正断层和2条走滑断层)几个测点的H2浓度最大高达80×10-6,由于研究中逆断层本身数量较少,不能给出断层类型与逸出氢气之间的关系,并且对地震断层气体释放的系统分析显示,没有研究表明断层类型与氢气逸出量之间存在较好的联系,不能严格的说哪类断层是最主要的土壤气体释放区,更不能给出氢气释放的优势断层类型.
就断层活动年龄与氢气释放的研究较少,在Ware等(1984) 的研究中,4条逸出氢气量较多的断层中,有2条断层的活动年龄较新(一年~几十年),另2条断层的活动年龄未知.
断层的不同岩性和破碎程度同样影响着H2的存在与含量(Giardini et al., 1976;Jiang and Li, 1981;Kameda et al., 2003).
Freund等(2002) 的岩石破裂实验结果表明(图 1),拉长石、花岗岩和安山岩在岩石破裂之后,氢气浓度都有较大幅度的变化,并且同样单位的花岗岩和安山岩比拉长石释放的氢气量要大,约1.5倍左右.
断层破碎带或断层泥中是否含水也会影响氢气的逸出.
在断层活动强烈的地区,断层面附近局部可以产生高达800~1000 ℃的高温,此时地下水与断层活动时形成的基岩新鲜表面反应可以生成H2(Sibson,1977;Kita et al., 1982;Kameda et al., 2004).蛇纹石化过程是最典型的生成H2的水岩反应,橄榄石或辉石中的Fe2+被氧化为Fe3+,Fe3+或水解形成铁氧化物(磁铁矿、赤铁矿),或进入蛇纹石中,同时水中的氢被还原为氢气.此外,岩石受力变形破坏了晶格结构,释放出矿物晶格中的H2,另一方面,与水反应也会生成氢气(黄瑞芳等,2015).
此外,原生氢是否释放及释放量多少也对观测有一定影响.
McGee等(1982, 1983) 研究认为岩石或岩浆中存在的FeO与水反应会产生H2,随着岩浆活动或构造活动的加剧,引起断层中原本封闭H2的释放,也会引起H2的浓度升高.有超声振动试验曾对此进行分析(冯玮等,1985),试验将超声振动产生的微孔隙、裂隙的发育程度表征封闭氢的释放水平,通过对玄武岩、橄榄石、辉石和斜长石的对比分析可知,玄武岩的封闭氢含量较高,在振动中释放的氢含量也最多.然而,氢的释放量多少并不完全决定于超声振动前岩石、矿物中封闭氢的含量,因为并不能证明岩石中封闭氢的含量是整个氢气释放的主体,并且岩石在进行样品处理的时候已经改变了岩石的原样.
对断层氢气逸出量和断层破裂定量计算方面,Hirose等(2011) 做了高速岩石破裂实验,定义为:
(1) |
其中,S是断层面积(m2),D是平均滑动位错(m),σeff是作用在断层面上的有效应力,μd是平均动摩擦系数,S和D与震级有关.
实验结果证实无论是干岩石还是湿岩石,随着Wf的增加,氢气释放量都有所增加(图 2).这一研究定量给出了除岩石本身性质以外的与氢气释放量有关的参数,包括断层面积,位错大小,有效应力,动摩擦系数等,是对断层活动与氢气释放很好的一个估计.
另一方面,氢气的逸出对断层活动也存在一定影响,粟启初等(1992) 通过对方解石、白云石、南阳玉等材料经数小时至数十小时渗氢处理后,发现这些材料晶格常数减小,Knoop显微硬度降低,并据此认为氢气扩散会引起岩石强度降低.虽然类似的研究结果较少,但无疑也从另外一个角度拓宽了氢气与断层活动的研究思路.
2.2 逸出机制地球内部气体从地球深部运移到地壳表面,其迁移过程是一个复杂的物理化学过程,受到很多因素的作用.
对断层气体逸出机制有诸多研究,包括用数学方程来解释气体运移复杂性的物理机制等(Fleischer and Mogro-Campero, 1979;Malmqvist and Kristiansson, 1984,Malmqvist and Kristiansson, 1984,1985;Kristiansson and Malmqvist, 1987;Bottinga and Javoy, 1990;Torgersen and O’Donnell,1991;Vàrhegyi et al., 1992).概括说来,影响地球内部气体运移的最主要因素可以分为以下四个方面:
(1) 气体源浓度,不同地质单元的气体含量不同,比如,沉积盆地,石油产区,地热资源区等,这些不同的地质单元体或不同岩性区是影响气体逸出的一个主要因素.
(2) 运移通道,气体运移往往发生在渗透系数较高的地方,比如,构造不连续区,断层或裂隙通道等,这些通道同样影响着气体逸出量的多少.
(3) 驱动力,气体上升过程中,在不同地质环境力的作用下,会改变着气体运移的方向和通道,从而影响着气体的逸出.
(4) 环境因素,气体逸出通道及出口的温度、压力、风速、降雨等都会对气体的逸出产生影响.
从数学计算上来讲,气体的逸出取决于两个方面,浓度梯度和压力梯度.而扩散和平流也是气体逸出最为常见和重要的两种机制.一般说来,在毛细管或小孔隙孔中,扩散为主要的气体逸出方式,而对大孔隙或裂隙介质来讲,平流则占主要作用,但在真实的地质环境中,往往是这两种作用的结合.
2.2.1 扩散菲克定律是描述气体扩散现象的一个重要规律,它定义为某点气体的扩散量与这一点的浓度梯度成正比,并定义为
(2) |
其中
在干介质中,气体沿着孔隙扩散,在饱水孔隙介质中,气体扩散速率一般小于在干介质中的扩散速率.从扩散实验结果来看(高清武,1997),氢气由于独特的物理化学性质,扩散较快,并且这种扩散与围岩性质有密切关系,在松散砂层中气体扩散速率较快,在亚粘土等密实岩层中,扩散较为困难.
2.2.2 平流平流是指在外界力的作用下气体的运移,这里的外界力主要指压力梯度.
在干介质中,迁移系数主要与介质的渗透系数有关,依据达西定律,公式为
(4) |
其中,
而对于像氢气和氦气等较轻的气体,当他们与其他较重气体混在一起时,会产生一个压力差,从而较轻的气体会向上释放出,也称作载气作用(Arai et al.,2001;Yang et al.,2003;Hong et al.,2010;Walia et al., 2010),公式为
(5) |
式中,g指重力加速度,g(ρ2-ρ1)指气体压力梯度.
裂隙岩石的渗透系数和宽度影响气体平流速度,在含水或饱水介质中,裂隙的大小也是直接影响气泡逸出模型的关键因素之一,而断裂带区域岩石的渗透系数往往较大,地壳断层宽度也较大,气体逸出模式也是快速、长距离气体迁移的一种模式.气体从断裂带介质中平流逸出的几种不同方式如图 3所示.
从以上研究可知,断层氢气的一个显著特点是,无论空间分布或是时间范围,变化都较大.一方面,可能取决于横切该断层的地质条件(姜大庸等,2000),另一方面,这种变化也与断层的活动状态有关,断层在构造应力作用下会发生滑动,断层面上的岩石性质、物质结构会发生改变,从而引起地下物质、气体运移通道和运移方式的改变,增加了断层活动与H2逸出分析的复杂性.
3 H2与地震前兆异常地震前兆异常,一般指发生在地震前与地震有某种联系的观测资料的异常变化(张国民等,2001).Gold等(Gold, 1979; Gold and Soter, 1980) 最早提出了气体逸出与地震构造活动之间的关系,随后,对地球化学观测在地震前的异常变化也开展了较多的讨论和研究(King, 1980; Hauksson and Goddard, 1981;Igarashi and Wakita, 1990;张培仁等,1993;车用太等,1995;杜建国等, 1998, 1999;Baubron et al., 2002;Du et al., 2006;King et al., 2006;周晓成等,2007;Wiersberg and Erzinger, 2008;Walia et al., 2009;邵济安等,2010).但前兆观测是个复杂的问题,多数情况下,异常变化与某一次地震有较好的对应关系,但是,也有一些变化对应慢地震或一些小震群,更增加了分析和研究的困难(King,1984;Bolognesi,1997;车用太等,2002;李新勇等,2014).
氢气被较多的应用在地震观测研究中是在Wakita等(1980) 发现H2与断层活动的相关性之后,美国一些科学家在加州圣安德烈斯断层也进行了逸出氢气的观测,并发现了微震活动与氢气逸出具有一定联系.此后,断层逸出氢气开始被用来作为地震前兆在一些国家进行观测研究.
日本是较早开展断层氢气观测和地震前兆研究的国家.Satake等(1984) 对日本本州北部的Atotsugawa和Ushikubi断层开展了逸出氢气观测,在总的5个观测点中,有3个观测点在1983年5月26日的M 7.7地震前出现了H2浓度的显著变化,其他2个观测点则具有明显的同震响应变化.在日本中央构造线附近的泉水逸出气观测结果表明(Sugisaki and Sugiura, 1985),H2的持续升高与附近的震群有较大关系,并且在地震前后氢气的浓度变化很大,从小于0.5×10-6到200×10-6不等,而其他逸出气体,如He、Ar、N2、CH4等则没有这么大变化范围.这种野外的直接观测证据,与室内实验一起,证明了泉水逸出氢气是由与地震有关的水岩反应所产生的,氢气在地震前浓度的升高或许表明了地震前岩石的微破裂.此后,Dogan等(2007) 对7条活动断层和2000年本州鸟取县M 7.3地震的余震区进行了土壤H2和CO2的连续测量工作,结果显示,H2的高浓度异常与活断层最后一次大地震发生时间较为一致,在日本本州鸟取县7.3级地震几天后,余震区的气体测量结果表明,没有观测到与余震活动有关的逸出CO2,但在震中区附近,仍然有较高浓度的H2.
我国从20世纪70—80年代就开始过水中溶解氢气的观测研究.在1976年11月15日宁河6.9级地震前,北京光华染织厂热水井中溶解氢在地震前出现高值,震后缓慢下降,这是热水井中溶解氢在震前升高变化的一个显著震例(王基华等,1982).高清武和范树全(1992) 对夏垫断层气进行过测量工作,在1990年2月27日通县2.6级地震之前的几天,出现三次高值异常,在7月21日海坨山4.8级地震之前,断层逸出氢气再次出现高值异常变化,很好的记录了逸出H2与地震活动的关系,上官志冠(1989) 对滇西地区断层气体组分及成因进行过分析研究,测点中H2浓度较高的5个测点中,有4个都出露在活动大断裂的交汇带附近,并且这4个测点附近都曾发生过6级以上强震,再一次证实了断层气体H2的释放与深大断裂活动以及地震活动具有一定的成因关系.由于断层逸出气体多数来源于地壳深部,长期观测表明,在无震时期,断层气体测值都在较小的范围内波动变化.在1987—1989年观测期间,甘肃西部发生了几次M 4.5级以上地震,在这些地震前,包括H2在内的多个断层微量气体组分的变化幅度显著增大(何跟巧等,1990).对氢气与远场地震的对应关系,何崇君等(2005) 曾对临潼台氢气异常与青藏高原北部中强地震进行过对比研究,但整体来说,研究较少,对远场地震的对应缺乏较好的理论依据.王先彬等(1992) 研究认为H2的异常幅度与震中距可能具有一定的关系,即随着震中距增大,H2浓度变小,但这一结论是在地震后观测得到的,没有对同一测点地震前后的对比,仍需更多的震前观测资料来佐证.
汶川地震后,我国进行了科学深钻勘探项目,对钻孔深部流体和多组分地球化学特征进行了探讨分析(许志琴等,2008;温静,2010;Xue et al., 2013;龚正等,2015;Li et al., 2015;唐力君等,2015).刘耀炜等(2012) 研究发现,一部分氢气的高值异常变化与后续地震有关,譬如:2010年4月14日玉树MS 7.1级地震发生前20天,距震中680 km的WFSD-2井钻进到642.36~676.22 m层位,H2浓度出现高值异常,高值达到58.476×10-6,异常持续7天,恢复到正常背景值13天后发生玉树7.1级地震;2011年6月5日茂县、北川交界处4.3级地震发生前7天,WFSD-2井钻进到1383.5~1405 m层位,H2浓度出现高值异常,高值达到46.156×10-6,异常持续5天恢复到正常背景值,2天后发生4.3级地震.2010年5月25日都江堰市MS 5.0地震前20天,WFSD-3井钻进到570.05~665.9 m层位,H2浓度出现高值异常,高值达到288.359×10-6,异常持续直到地震发生,震后2天恢复到正常背景值.这是深部逸出氢气与地震活动有关的较好科学证据.
截止2015年,我国用于地震观测的断层土壤气或热水井逸出气的氢气连续测量台站已接近20个(车用太等,2015).在观测过程中,有一些在地震前出现了较好的异常变化(范雪芳等,2012),如,2010年10月24日和2011年3月8日在河南太康分别发生4.6级和4.1级地震,两次地震前一周左右,距震中330km的山西夏县台断层H2观测到相似的异常变化,变化幅度达正常背景值的20多倍,如图 4所示.
还有一些对断层气进行的非连续野外测量和研究.如:Zhou等(2010) 对汶川8.0级地震断裂带附近进行了气体采集测试工作,测量的气体包括H2、He、CO2、CH4、O2、N2、Rn、Hg等,在这些气体中,H2和He的最大浓度分布在离震中较近的区域,在2008年6月测量的H2和He的最大浓度发生在垂直位错较大的区域,此外,H2和He的浓度还随着余震的减弱而呈现出与之相关的异常幅度逐渐下降的趋势.
我国台湾在活断层和泥火山的断层气监测上,做了大量的工作,但泥火山气体中,多以CH4为主,还有少量二氧化碳,乙烷,氮气和碳氢化合物等,对火山逸出物质的化学成分也多有分析(Yang et al., 2003, 2006;You et al., 2004;Hong et al., 2010;Walia et al., 2010, 2013;Wu and Lai, 2011;Chao et al., 2013),但从诸多研究结果来看,有些断层H2含量较少,多数断层没有测量H2,总之,对断层H2的研究开展的仍较少.
以上这些研究都证实了断层H2在一些地震活动前确有浓度的大幅变化,无论高浓度H2的出露断层是否是历史活断层,用H2来指示地震活动都具有重要意义.虽然每个断层或地区氢气地球化学背景值不一样(李营等,2009;周晓成等,2011),但氢气作为一项前兆异常的显著特点是:震前变化幅度大,异常幅度往往为正常背景值的几倍,几十倍,且这种变化一般出现在地震前几个月内,但是,这种变化不具有一一对应性,并且氢气浓度变化幅度与发生地震震级之间并没有较好的对应关系.这一方面说明氢气异常变化可能确实反映了断层活动和区域应力变化,另一方面也说明断层影响氢气逸出的复杂性.
4 结论 4.1从前人的研究工作可知,自20世纪80年代以来,对断层活动与逸出氢气的关系,不同类型断层逸出H2量的多少,以及其对地震活动的前兆指示意义等都做了一些有益的工作,同时,测定逸出H2浓度对评价断层活动性和寻找隐伏断裂也是非常有意义的.
4.2一般认为,H2来源于地球深部,包含着丰富的地球深部信息,其迁移和上升过程可为了解深部断裂带地质构造提供有价值的科学信息,也是研究深部构造活动的一个有效途径.地震的发生往往与强烈的断层活动有关,虽然断裂带气体产生的原因往往具有多解性,利用断裂带逸出H2来进行地震预报还存在许多不确定性,但对断层逸出气体与地震活动的应用却具有较好的观测基础和理论支持,是一个值得深入探讨的问题.深部氢气的逸出和地震活动的研究虽然取得了一些进展,但关于断层H2的研究,仍然存在一些问题和亟待开展的研究工作.
(1) 纵观断层H2和地震活动的研究进展可知,国内外的研究进展多集中在20世纪80-90年代,最近10来年的研究进展较少,一方面,和断层H2的连续观测较少和观测仪器的精密程度较差有关,另一方面也表明开展断层逸出氢气与地震活动研究的复杂性.
(2) 国内外诸多学者进行了岩石破裂实验室分析工作,如利用石英、方解石等材料进行断层剪切滑动性状与变形特征的模拟实验(杨主恩等,1981;刘斌,1982),结果显示断层泥的显微结构特征与断层的黏滑、蠕滑运动有一定的关系,同时表明断层泥在地震期间对断层活动具有很好的润滑作用.如何通过模拟与实际情况更为接近的地质环境,以便得到更为有意义的研究结果也是下一步需要开展的研究工作.
(3) 从我国目前的观测实际来看,虽然存在一些断层H2的观测,但整体观测基础仍较为薄弱,连续观测台站仍较少.随着断层H2观测仪器精度的不断提高和稳定性越来越好,有待在更多的台站开展断层氢气的连续观测.理论上来讲,不同活动性断层逸出H2的含量不同,并且距断裂带越远H2的含量越小,故可针对我国不同区域的断层,开展流动H2测量工作,一方面,通过较多观测数据来验证前人的观点;另一方面,还可以据此对我国断层的活动性开展辅助研究.此外,对同一断裂带,同时开展多气体组分的对比观测也是一个非常有益的补充.
4.3综上,断层气的运移和释放对地壳有较大的影响,并且可能在地震的孕育和发生过程中起重要作用,故对断层氢气的地球化学特征、运移机制及与断层活动作用的深入研究,对更好的理解和应用断层氢气作为一种地震前兆观测研究具有重要的理论意义.
致谢 本文写作思路来源于与中国地震局地质研究所车用太研究员的讨论,山西省地震局范雪芳高级工程师、安徽省地震局方震工程师提供了部分观测数据和资料,与中国地震局地壳应力研究所孙小龙博士、张磊博士进行了有益探讨,两位审稿人和主编的修改建议使本文内容得以完善,谨表诚挚谢意.[] | Arai T, Okusawa T, Tsukahara H. 2001. Behavior of gases in the Nojima Fault Zone revealed from the chemical composition and carbon isotope ratio of gases extracted from DPRI 1800 m drill core[J]. Island Arc, 10(3-4): 430–438. DOI:10.1046/j.1440-1738.2001.00341.x |
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