0 引言

地震孕育过程中，在构造运动产生的应力作用下，地下温度、压力等条件发生改变，岩石发生变形、破裂以及其他更为复杂的物理、化学反应，导致地球内部释放气体规律发生变化。因此，地球内部释放气体的变化是灵敏反映地壳深部地震孕育过程的重要信息载体。

井（泉）溶解气和逸出气普遍含有氧气、氢气、二氧化碳等气体，温泉、深井和处于特殊构造部位上的井泉还含有一定数量的氦、氢、甲烷气体。实践检验证明：氢、氦、甲烷、二氧化碳是映震较为灵敏的气体组分，且汞、氡、氦、氢等是地震前兆气体监测的重点项目。

氦气具有强渗透性与扩散性，地下水中的氦主要来自地壳深处，部分来自岩石的放射性衰变。氦既是惰性气体又是稀有气体，在扩散和迁移过程中不参与大气中的化学反应，所以氦异常多为地壳深部应力作用的结果。氦在水中的溶解度较小，随压力和温度变化而变化，即：氦与温度变化成反比，与压力变化成正比。氦气在深循环水中含量较高，尤其是深大断裂带常表现为氦的异常带。氦原子的质量较小（相对原子质量约为4），由地球内部的高压力场（地球深层）向低压力场（地球表层）沿断层破碎带向地壳浅部扩散，因此，在自流井和静水位井中均可检测到氦气含量。

由于观测井所处的地质构造条件和氦气来源不同，使得观测到的氦气含量异常变化表现并不一致，有正异常变化，也有负异常变化，这与孕震应力场作用后氦气来源和途径的变化相关。通常，高温井逸出气中氦气浓度测值偏高，低温井逸出气中氦气浓度测值较低。高温井气体交换速度快，氦气异常表现为突变型特征；低温静水位观测井气体流量小，交换速度慢，氦气异常呈缓变特征。特别是在邻近地震发生阶段，往往可以在地壳浅部检测到地下流体中氦气浓度的明显变化，且变化幅度是其正常背景值的几倍乃至十几倍。

1 观测背景 1.1 观测条件

怀来后郝窑4号井（以下简称怀4井）是地震前兆专用观测井，该井测项有：水氡、水汞、氦气、氢气、氮气、甲烷、二氧化碳等。怀4井地处延怀盆地西南边缘，燕山褶皱带与祁吕贺兰山“字”型构造东翼反射弧复合部位，怀来—蔚县大断裂从怀4井所处区域东南穿过；北部为祁吕系歪头山—万家窑断裂；NW向为施家庄断裂；地处侵蚀的山前洪积扇下部，与河流冲积平原相邻。怀4井热水产自太古界片麻岩和上侏罗系熔结凝灰岩（此类基岩赋存于第四系孔隙含水层）中，沿NW30°、NE75°构造裂隙交汇处溢出。

怀4井是高温自流井，井深500.34 m，井水温度达85℃，在目前井口装置下流量为0.6 L/s，主要受冬春季抽水干扰。该井自1970年建成以来流量稳定，观测数据能够呈现观测井逸出氦气浓度的正常年动态变化特征；可灵敏反映观测井周边地区地壳深部构造活动产生的应力变化。

1.2 观测系统

怀4井采用WGK-1型全自动数字化测氦仪检测氦气变化，观测技术系统由供电系统、测氦仪器、井口集气装置、气路等设备组成（图 1）。氦气采集流程是：井口逸出气进入集气装置，沿气路至缓冲器、测氦传感器集气腔，氦气渗透进入传感器，多余气体经出气管逸出。传感器检测结果通过网络传输至后台数据采集器或计算机直接调取。

2 震例分析

2013—2015年张家口—怀来及其周边地区200 km范围内共发生地震8次（有记录）。其中，3级以上地震4次，均有感（图 2）。选取怀4井2013—2015年观测数据，分析氦气异常变化与该时段内发生的几次有感地震的对应关系，见图 3(a)。

由图 3(a)可见：①2013年1至5月怀4井逸出氦气浓度观测数据呈现平稳的水平线性正常趋势年变，2013年6月初开始出现小幅趋势性异常波动，11月6日16时至11月7日14时在无显著人为及环境干扰的条件下又连续出现数据高频异常突升，其中11月6日19时观测数据突升至0.076%，是正常背景值0.011 2%的6—7倍，后逐渐恢复至正常值范围，于11月27日05时18分52秒发生河北张家口市宣化县3.4级有感地震，震中位于阳原盆地北缘断裂与六棱山北麓断裂交汇处尾部；②2013年12月至2014年5月，怀4井逸出氦气浓度数据曲线趋于平静，测值恢复正常。至2014年6月下旬，氦气观测曲线再次出现小幅波动，8月3日出现明显异常变化，12时测值突升至0.016 3%，是同期正常观测值的2倍多，后迅速恢复，21日在距怀来50 km的北京市延庆县，即怀涿盆地北缘断裂与新保安—沙城断裂带交汇并形成的夹角腹地发生3.0级有感地震，9月6日地处延庆—矾山盆地北缘断裂带的涿鹿发生4.7级有感地震；③2014年10月25日12时，怀4井逸出氦气浓度数据出现异常突升，是正常背景值0.013 2%的2.4倍，于2014年11月18时发生河北赤城、怀来、北京延庆交界3.2级地震。

在以上地震发生同期，怀来台4号井逸出氡气浓度也出现明显的震前异常变化（断崖式下降或突升），见图 3(b)。

3 震前异常定量判定 3.1 原始日测值曲线法

原始日测值曲线法适用于近直线及年周期动态变化水化监测，以观测数据的均方误差为判定异常的阈值对以上多次地震震前突跳异常进行定量分析。

以水化观测日值作为判定异常的数据序列，计算观测值的均方差σ。

$ \Delta {{X}_{i}}={{X}_{i}}-\frac{\sum\nolimits_{i=1}^{n}{{{X}_{i}}}}{n}\ \ \ \ \ \sigma =\sqrt{\frac{\sum{\Delta X_{i}^{2}}}{n}} $

式中，X_i为观测值；∆X_i为观测值与平均观测值的差值，i= 1，2，3，…，n；σ为观测值均方差。取平均观测值与2—3倍均方差（σ）之和作为异常的判定阈值，若观测值超过异常的判定阈值则视为异常。

以怀4井逸出氦气浓度观测日值作为判定异常的数据序列，计算可知2013—2015年氦气平均观测值为0.014 8%，由图 4可见，测值的2倍正均方差为0.001 4%，二者之和为0.016 2%，以该值作为地震异常判定阈值。由图 5可见，以上几次地震发生前数据突升引起的氦气变化量均超过判定阈值，可认定为震兆异常。

3.2 一阶差分法

一阶差分是指当自变量从x变到x+1时函数y=f(x)的改变量为Δy_x=y_x+1-y_x称为函数在点x的一阶差分。差分处理可压制较长周期，突出较短周期变化，用以提取观测序列的高频变化。

按以下公式计算观测数据序列一阶差分值。

$ \Delta {{X}_{i}}={{X}_{i+1}}-{{X}_{i}} $

(1)

式中，ΔX_i为差分值，X_i为日测值，i=1，2，3，…，n。

求差分绝对值的平均值

$ \left| \overline{\Delta {{X}_{i}}} \right|=\frac{\sum\limits_{i=1}^{n}{\left| \Delta {{X}_{i}} \right|}}{n} $

(2)

式中，n为参与计算的观测值个数。取3倍$\left| \overline{\Delta {{X}_{i}}} \right|$为异常判定阈值，差分绝对值达到或大于此阈值视为异常。

运用一阶差分对以上震例震前数据突跳进行分析，将怀4井2013—2015年逸出氦气浓度观测数据序列带入式（1），计算得到一阶差分值为0.002 4%，由式（2）可得差分绝对值（因差分值或为负值）的平均值为0.000 02%（图 6）。一阶差分绝对值0.002 4%明显大于其3倍平均值0.000 06%（阈值），因此，怀4井逸出氦气浓度观测曲线的震前数据突升可认定为震兆异常。

4 结论

综上所述可知，怀4井氦气观测值的异常变化在一定范围内可反映其周边地应力作用导致地震活动的变化趋势出现，即：地震活动性高，观测井氦气浓度测值升高；高温井泉逸出氦气浓度相对于低温井测值较高。在观测区周边中强地震临近发生前，观测井氦气浓度测值会有明显的前兆异常，因高温井逸出氦气与大气交换速度快，异常呈突变性特征，且变化幅度是其正常背景值的2倍以上；震兆突变异常一般出现在地震发生前15—30天，此前3—5个月内观测数据曲线会出现阶段性小幅度异常波动。