0 引言

地震发生前，由于大范围岩层受力，地应力不断增强，导致岩层出现裂缝，释放出二氧化碳、甲烷、氢气和氮气等多种气体。气体逸出过程具有动态、瞬时特征，且气体增加区域直径与将发生地震的震级有关（赵谊等，2006）。地下Rn、Hg、H2、He等活跃组分的映震效能已被国内外诸多震例证实，探索利用氢气预报地震是当前地震地球化学研究的热点之一，在地震监测中具有广阔应用（刘耀炜等，2006；黄春玲等，2014；李继业等，2019）。我国在利用氢气研究隐伏断层和地震前地球物理异常监测方面取得重要进展（林元武等，1994），也有利用氢异常预测地震的成功实例（张炜等，1988；国家地震局科技监测司，1992；范雪芳等，2012；车用太等，2015），但对于氢浓度的异常特征以及异常机理的认知，尚需更加深入的研究工作来支撑（张涛等，2016）。随着观测技术的发展和新型观测仪器的应用，氢、氦等气体测项在野外实现定点、流动连续观测，积累了许多地球化学气体组分变化的震例资料。

地质构造运动多伴随地下气体的逸出，观测并研究地下逸出气体，会抓住某些地下构造活动信息。作为地球化学观测的灵敏指标之一，地下逸出的氢气能够指示断裂活动的过程。松辽盆地黑龙江中西部地区跨断层土壤氢气野外流动测量工作已开展多年，利用积累的4期数据，初步分析该区跨断层土壤氢气背景动态变化及构造活动、地震活动特征，为地震孕育过程中断层氢气演化异常判定提供依据，为建立区域地震短期预测动态方法提供思路。

1 研究区构造活动背景

松辽盆地是断裂活动活跃的裂谷型盆地，新构造运动以来，间歇性、差异性升降运动，导致盆地内部第四系堆积厚度不均匀。盆地基底深大断裂发育，平面形态总体呈NE向展布，现今边界与分布在四周的壳断裂有密切的成因关系，嫩江断裂和依兰-伊通断裂控制着盆地西界和东界，内部断裂构造展布以NE向为主。

松辽盆地是我国6大活动盆地之一，是东北地区地震活动水平最高的地震构造单元。据历史资料记载，1119年吉林前郭$6{\raise0.7ex\hbox{$3$} \!\mathord{\left/ {\vphantom {3 4}}\right.} \!\lower0.7ex\hbox{$4$}} $级地震发生在松辽盆地中央；自有地震仪器记录以来，1940年和1941年黑龙江绥化发生2次6级地震，1986年黑龙江德都发生5.5级震群。近年来，松辽盆地内部地震活动趋势明显增强，继2005年黑龙江林甸5.1级、2006年吉林乾安5.0级地震后，2013年吉林松原发生5.8级震群，2018、2019年吉林松原宁江区再次发生5.7、5.1级地震。

黑龙江省中西部地区地处松辽盆地内部，被广泛巨厚的地质第四系疏散沉积所覆盖。该区新生代火山活动强烈，断裂发育，地震频繁，是研究地球排气作用与地震关系的天然实验室（邵济安等，2010）。

2 数据选取

2008-2017年，在黑龙江主要断裂开展4期跨断层土壤氢气浓度野外流动测量及数据采集工作，研究区主要集中在黑龙江省中西部地区，研究区布设见图 1。

（1）第1期野外流动测量（2008年）主要在扶余-肇东断裂与滨州断裂交汇地带布设8个观测区，分布在大庆、绥化部分地区。

（2）第2期野外流动测量（2009年）主要在扶余-肇东断裂、滨州断裂和呼兰河断裂附近布设74个观测区，基本涵盖大庆、绥化、五大连池地区和哈尔滨、齐齐哈尔部分地区。

在1-2期野外流动测量过程中，于2009年5月10日发生绥化安达4.5级地震。

（3）第3期野外流动测量（2016年）主要在扶余-肇东断裂、滨州断裂和呼兰河断裂附近布设22个观测区，分布在大庆、绥化和哈尔滨部分地区。

（4）第4期野外流动测量（2017年）主要对前3期观测区进行复测，沿扶余-肇东断裂、滨州断裂和呼兰河断裂开展工作，基本涵盖哈尔滨、大庆、绥化、五大连池地区和齐齐哈尔、牡丹江部分地区。

在3-4期测量过程中，于2017年7月23日、8月15日发生吉林宁江4.9、4.5级地震。

2016年、2017年跨断层土壤氢气野外流动测量测区、测线布设见图 2。图中F₁为滨州断裂，F₂为扶余-肇东断裂，F₃为呼兰河断裂，F₄为任民-海伦断裂。测区A、B、C、D分别为位于滨州断裂附近的大庆喇嘛甸地区、呼兰河断裂附近的绥化疙瘩山地区、北林区地区和扶余-肇东断裂附近的肇东陶志屯附近地区。

3 数据分析

利用断层气浓度强度，可以描述断层氢气背景动态特征。断层气浓度强度（I₁）是断层附近断层气浓度相对于背景浓度变化程度大小的度量，即异常值E₁与背景值E₀的比值。

$ I_{1}=E_{1} / E_{0} $

(1)

黑龙江中西部地区正常构造活动下断层氢气平均逸出量多在60 ppm以下，可以将背景值设为60 ppm，根据公式（1），可得到实际测量值与背景值的比值，比值越大，表示所在地区氢气异常浓度值越高，氢气逸出量越大，构造活动或地震活动可能越明显。

选取黑龙江中西部地区2008年以来4期跨断层土壤氢气观测数据，据公式（1），得到断层氢气浓度强度。为了更好地对比氢气异常信息，将该比值取对数，绘制黑龙江中西部地区跨断层土壤氢气动态等值线，见图 3。

由图 3(a)、图 3(b)可见，2009年5月10日绥化安达4.5级地震发生前，跨断层土壤氢气逸出量较大，震后气体逸出明显下降。位于滨州断裂附近大庆喇嘛甸地区（震中距50 km），于2008年7月出现跨断层土壤氢气高值异常，持续达数月，并时而伴随地动、声响。采用Ist-aim多功能气体测量仪测量，发现地表氢气浓度大于1 000 ppm，黑龙江省地震分析预报与火山研究中心进行现场测量时发现，大庆喇嘛甸一居民家中2008年5月新粉刷的房顶出现一系列120°走向雁行排列的剪切裂隙（10余米），并向邻居家延伸。该构造现象与氢气高值异常具有准同步性，得到该区深部物探资料印证：在喇嘛甸地区地下3 508 m范围内存在一系列低角度拆离正断层；喇嘛甸地处滨洲断裂，该断裂走向NWW，在地表不显著，但明显控制了两侧的地层分布，大庆白垩纪的油气层明显分布在断裂西南一盘；沿滨洲断裂，两侧地热异常明显，形成若干富含甲烷等可燃气体的温泉，水温可达50℃-60℃（邵济安等，2010）。2009年8月位于呼兰河断裂附近的绥化庆安县疙瘩山地区（170 km）亦存在跨断层土壤氢气高值异常，可以作为绥化安达4.5级地震后异常高值的参考。

由图 3(c)、图 3(d)可见，在第3期（2016年）、第4期（2017年）野外流动测量结果中，大庆喇嘛甸地区（测区A）和绥化庆安县疙瘩山地区（测区B）跨断层土壤氢气逸出量平均值仅60 ppm（恢复正常背景值），与有明显地震活动时期的前2期（2008年、2009年）跨断层土壤氢气测量结果相比，数值明显偏低（图 4）。可见，跨断层土壤氢气高值异常与区域构造活动存在一定联系。

2009年安达4.5级地震前震中附近地区跨断层土壤氢气的逸出，指示了地球排气、断裂构造、地震活动三者之间的重要联系。

由图 4可见，2009年5月10日安达4.5级地震前，大庆喇嘛甸地区氢气浓度大于1 000 ppm，逸出量平均值为554 ppm，是第3期测量中氢气逸出量最高值的10倍，最低值的43倍，说明黑龙江中西部地区地震前氢气平均逸出量是正常构造活动时段的10-40倍，可为研究地震前断层氢气异常提供参考。

地壳释放大量气体是一种较为普遍的自然现象，在时间和空间上具有不均一性（粟启初，1992；范树全等，1993）。大型断裂带是地球深部脱气的主要构造通道和地震的孕育带，研究表明：地壳放气现象主要发生在活动断层，尤其是在构造活动和地震活动较为活跃的时期，该现象发生频繁（邵济安等，2010）。

2016年对黑龙江中西部地区主要断层土壤氢气浓度进行观测，结果显示，氢气浓度主要表现为背景动态特征。其中：①在滨州断裂附近布设7条剖面（测线1-7）、2个测区（测区A、D）（图 2），测量结果显示，大庆市净觉寺附近（测线5）、大庆市乳品厂附近（测线2）以及肇1井（测区D）存在一定氢气逸出，最高逸出量为60 ppm，其他测线和测区逸出量均低于10 ppm，平均逸出量低于30 ppm；②在呼兰河断裂附近布设6条剖面（测线8-13）、2个测区（测区B、C），存在一定氢气逸出，最高逸出量为80 ppm，平均逸出量低于40 ppm。

2017年对黑龙江中西部地区主要断层土壤氢气浓度进行复测，发现位于滨州断裂附近的大庆喇嘛甸地区（测区A）、呼兰河断裂附近的绥化庆安县疙瘩山地区（测区B）氢气浓度均低于40 ppm，明显低于第1期和第2期地震相对活跃时期跨断层土壤氢气观测结果；扶余-肇东断裂（前2期无明显地震活动）多条剖面（测线14-18）与测区D的跨断层土壤氢气浓度明显升高，最高逸出量为320 ppm，平均逸出量远高于断裂附近正常背景值60 ppm。事实上，在扶余-肇东断裂附近，先后于2017年7月23日、8月15日、2018年1月4日、3月5日、5月28日、2019年5月18日发生吉林宁江4.9级、4.5级、4.3级、4.2级、5.7级和5.1级地震，可能揭示了该断裂构造活动的增强。地震的孕育和发生打破原有应力场特征，使得封存在地下深部的氢气，从断裂岩石或土壤向外逸散或溶解在地下水中被带出地表，增加了断层周围土壤氢气的浓度，导致在第4期（2017年）跨断层土壤氢气野外流动测量中，扶余-肇东断裂土壤氢气浓度较前几期明显升高（图 4）。

3 结论

地震前地球物理观测信息量丰富，不同实验是为了认清观测特征与地震之间是否存在关系，为今后地震前异常分析积累经验（王莉森等，2016）。本文基于黑龙江中西部地区4期跨断层土壤氢气野外测量数据，在松辽盆地主要发震断裂--扶余-肇东、滨州、呼兰河等断裂进行跨断层布设测量，初步分析该区跨断层土壤氢气背景动态变化和构造活动、地震活动特征，为地震孕育过程中断层氢气演化的异常判定提供依据，为建立区域地震短期预测动态方法提供思路。

（1）断层气浓度强度越大，表示所在地区氢气异常浓度值越高，氢气逸出量越大，构造活动或地震活动可能越明显。

（2）位于滨州断裂附近的大庆喇嘛甸地区、呼兰河断裂附近的绥化疙瘩山地区以及扶余-肇东断裂附近的肇东陶志屯附近地区，可能是氢气逸出的“窗口”地区。

（3）在黑龙江中西部地区中强地震前，氢气平均逸出量是正常构造活动时段的10-40倍，可为研究地震前断层氢气异常指标提供参考。

（4）2017-2018年扶余-肇东断裂附近一系列地震活动与2017年跨断层土壤氢气浓度明显升高有关，分析认为，构造活动增强、地震孕育和发生，使得封存在地下深部的氢气逸出地表，说明活动断层是地壳放气的主要通道，尤其是在构造活动和地震活动较为活跃时期。

本文仅针对跨断层土壤氢气研究地震异常进行初步分析，尚需加密开展流动测量，丰富背景观测数据，并积累更多震例，在实践中进一步探索、总结经验，才能更好地为地震短临预测提供判定依据，为震情跟踪工作提供参考。