地震预报，尤其是短期临震预报始终是困扰世界各国地震学家的一道难题，而地震前兆异常的研究是突破地震预报难关的重要环节（车用太，2004; 孙建中，2010; 孙建中等，2013; 范雪芳等，2014）。前兆观测种类繁杂，影响因素众多，实际观测中遇到的绝大多数异常都并非和地震有关（ 廖丽霞等，2013），如何从某一前兆异常的各种变化中识别出异常与地震孕育、发生过程相关的部分是做好地震分析预报工作的基础（刘耀炜等，2006; 范雪芳等，2014）。地震孕育与发生离不开流体的作用（刘耀炜等，2006），地下流体异常被认为可作可靠的地震前兆（ 车用太等，1999; 周慧玲等，2019; 李滔等，2020），Seewald 等（2003）对胡安·德富卡海岭北部的主奋进场热液喷口流体中 H₂、H₂ S、CO₂ 的丰度研究发现，经历强烈地震活动后，与震前丰度相比，样本中溶解的 H₂、H₂ S、CO₂ 浓度显著增加，随后在次年逐渐降低。在国内外一些学者提出利用氢气异常预报地震的思想（张培仁等，1993; 车用太等，1999，2002），并认为是实现地震准确预报的关键（车用太等，2015）。地震断裂带上开展断层氢气的连续观测，能够捕捉区域应力应变的变化过程，获得氢气体积分数变化的地震前兆特征（ 白晓川等，2021）。 Lombardi 等（2010） 对意大利地区和撒丁岛南部地区的 Rn、He 和 CO₂ 气体体积分数变化的研究表明，气体迁移变化可能与应力状态的演变以及断层的封闭状态、活动性有关。由于断层氢气体积分数变化受到研究地区地震地质环境、气温、气压、构造和断层活动性等因素的影响，这种差异性就导致不同地区的断层氢气体积分数变化特征或有不同，对于断层氢气体积分数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）。现有的研究表明，断层氢气体积分数观测前兆异常以短临异常为主，异常一般出现在震前数天至数十天之间，变化幅度可达背景值的数倍至数十倍，易于识别（张涛等，2016）。笔者等通过研究银川 2025 年 2 月 20 日 Ms4.2 级地震前、后乌海盆地断层氢气体积分数变化，旨在探讨银川 Ms4.2 级地震前、后乌海盆地断层氢气对地震响应过程、特征及其与构造之间的关系。

1 研究区基本概况

1.1 区域地震地质环境

乌海盆地处于鄂尔多斯西北缘活动断裂系控制下构造转换和构造变形的关键位置（ 高泽民，2020）。该盆地形成于早第三纪始新世，第四纪以来断陷垂直差异活动强烈，断陷内中小地震活动密集，历史上发生过 Ms5. 0 级及 Ms6.2 级地震等^❶（图1）。断陷盆地西侧的吉兰泰断陷是华北活动地块和新疆活动地块的边界带。乌海断陷盆地北侧的河套断陷带新构造活动强烈，南侧的银川断陷盆地新构造和现代构造活动同样强烈，1739 年的平罗 Ms8. 0 级地震就发生于此。乌海盆地内现已查明的活动断裂有桌子山西缘断裂、五虎山断裂、黄河隐伏断裂等^❷（图1）。

1.2 痕量氢观测点概况

乌海盆地现已建成 3 个痕量氢观测点用于观测断层氢气，分别是摩尔沟痕量氢观测点、黄河边痕量氢观测点、二道坎痕量氢观测点，沿桌子山西缘断裂带展布，分别位于桌子山西缘断裂带北、中、南段（图1）。痕量氢观测点的布设原则是在与断层垂直方向上，从断层一侧跨断层至另一侧，使用杭州超钜 ATG-300H 型便携式测氢仪逐次测定断层土壤气 Rn、H₂ 体积分数，最终在断层上盘陡坎位置测量到 Rn、H₂ 值均偏高，为断层气释放活跃区域，在此基础上布设痕量氢观测台站。测区均为黄河冲积平原，主要由黄河一、二级阶地构成，观测点周围无居民区。观测仪器采用由杭州超钜科技有限公司生产的 ATG-6118H 痕量氢在线分析仪，仪器最低检出限≤ 5×10 ^-9，测量间隔 60 min，采样时间 15 s。在用的观测孔深 5.5 m，采样集气装置剖面如图2 所示。观测井孔直径 1.2 m，深度为 5.5 m，底部放鹅卵石（直径 2~5 cm）部位高度为 0.5 m。鹅卵石上方为边长 750 mm，高度为 400 mm 的梯形集气罩。集气罩通过连接法兰与引气管连接，引气管直径为 110 mm，顶部用密封盖密封，内部有采气花管，花管下方深度可调节，外部包裹保温棉，引气管超出地下室内部地表300 mm（图2）。

2 痕量氢观测点断层氢气体积分数异常

2.1 氢气的来源

氢气具有离子半径小、质量轻、迁移速度快、穿透力强等特性，能够携带重要的上地幔信息，对地壳中哪怕是微小的扰动也会迅速做出反应（ Zgonnik，2020）。研究人员针对地壳中氢气的成因和来源提出了若干假设，概括起来包括:来自地球核心和地幔的深部氢气的脱气作用、水与超基性岩石发生反应，即蛇纹石化作用、水与地幔中的还原剂接触、水与新暴露的岩石表面相互作用、矿物晶格结构中羟基的分解、水的自然辐射分解、有机物的分解、生物活动、人为活动等（ Zgonnik，2020）。 Hirose 等（2011）则认为氢气的可能来源之一是地震，并且其研究结果表明，氢气产量随着摩擦功（即地震震级）增加而增加，即使是小震发生，断层带流体中氢质量浓度也能超过 1.1 mol / kg。乌海盆地高精度氢气观测站勘选结果显示，异常气体主要来源于地下深部。

2.2 震前、震后乌海盆地断层氢气异常概述

银川 Ms 4.2 级地震前，乌海盆地摩尔沟痕量氢观测点（距震中 155 km）断层氢气体积分数自震前 4 h 从 0.115 ×10 ^-6 快速上升，震前 2 h 达到峰值 2.245 × 10^-6，为快速上升前的 19.5 倍。同期辅助测项气温、气压无明显变化; 地震发生后，自震后 1 h 开始氢气体积分数快速下降，37 h 后下降至正常水平。整个过程中异常特征为:震前 4 h 氢气体积分数值快速上升—地震—震后 1 h 转折下降—震后 37 h 恢复到背景值（图3）。黄河边痕量氢观测点（距震中 129 km）、二道坎痕量氢观测点（距震中 115 km）在震前 3 d 至震后 5 d 左右断层氢气体积分数变化有些许波动，但是变化幅度很小，没有表现出和摩尔沟痕量氢观测点一样明显的临震异常。

2.3 乌海盆地断层氢气体积分数年变特征分析

断层氢气体积分数大部分具有年变特征，周期近似于 1 年（李娜等，2022）。对乌海盆地 3 个痕量氢观测点观测以来的数据进行分析发现，3 个观测点的氢气体积分数变化、气压变化、气温变化（文中所出现的气压、气温均指观测孔外）几乎同步（图4a），断层氢气体积分数变化具有明显的年变形态，呈现夏高冬低的年变趋势。在更换滤尘器、擦拭集气花管、校准等操作后氢气体积分数短暂异常，表现在立即上升至峰值，然后立即开始下降，原因是观测室内的氢气体积分数高于集气孔，在集气孔打开后观测室内的氢气会进入集气孔内。 3 个观测点在受到人为因素干扰后氢气体积分数变化趋势特征类似（图4a）。以摩尔沟痕量氢观测点为例进行深入分析，氢气体积分数一般夏季 6~8 月达到最高值，3 月下旬达到最低值（图4b）。从定性的角度来看，年变化尺度上，氢气体积分数变化与气压呈负相关，与气温呈正相关。从定量的角度来分析，研究对象选取原则是在三个痕量氢观测点中任选其一，在 2020 至 2024 年中任选一年，对氢气体积分数变化与气压、氢气体积分数变化与气温关系进行分析。结合本文主题，选取摩尔沟痕量氢观测点任一年（此次研究取 2021 年），利用皮尔逊相关系数法研究摩尔沟痕量氢观测点氢气体积分数与气压、氢气体积分数与气温的关系，结果显示年变化尺度上，摩尔沟痕量氢观测点氢气体积分数与气压呈弱负相关关系，相关系数为-0.41（图5a），与气温呈显著的正相关关系，相关系数为 0.78（图5b）。对摩尔沟痕量氢观测点氢气体积分数与气压、氢气体积分数与气温分别做一元线性回归分析，结果显示摩尔沟痕量氢观测点氢气体积分数与气压相关系数为-0.44（图5c），与气温相关系数为 0.76（图5d）。以上结果说明，在年度变化尺度上，摩尔沟痕量氢观测点氢气体积分数变化与气温变化呈显著正相关，与气压变化呈低度负相关。

2.4 干扰因素分析

摩尔沟痕量氢观测点自观测以来，仪器运行稳定。异常发生后，立即对观测设备进行了现场检查，检查发现观测设备完好，仪器运行正常。每年年初对滤尘器、净化管等定期进行维护，定期对集气管进行巡检，集气管未发生堵塞等现象，因此排除观测系统方面的影响。

观测点东侧约 2 km 为企业厂区，经调查近半年内无基建项目，南、北、西侧均为草场，地势平坦开阔，未见放牧迹象。摩尔沟痕量氢观测点建筑高约 6 m，分上下两层，痕量氢为地下室观测，上下层之间以 80 cm×80 cm 的孔洞相通，孔洞加盖，覆保温棉被。对观测点外围进行调查发现，观测点周围 2km 范围内无动土、大型机械施工等，观测环境未发生显著变化（图6a），因此排除周边环境干扰的影响。对于观测点的仪器，定期进行标定以保证仪器测量数据的准确。 2023 年 5 月按照规范分别用 1×10^-6、5×10 ^-6、10×10 ^-6、100×10 ^-6、1000 × 10 ^-6 标准气对摩尔沟痕量氢观测仪器行了现场标定并对标定系数进行了拟合，通过 2025 年 2 月对仪器标定系数的拟合可以看出，线性相关系数为 0.9968（图6b），符合规范要求。因此，摩尔沟痕量氢观测点 ATG-6118H 痕量氢在线分析仪精密度达标，仪器产出数据准确可靠。

为了探究银川 Ms 4.2 级地震前摩尔沟痕量氢观测点氢气体积分数变化在短期内是否受到气温、压力的影响，利用皮尔逊相关系数法研究摩尔沟痕量氢观测点 2 月 17 日至 27 日氢气体积分数与气压、氢气体积分数与气温的关系，结果显示银川 Ms 4.2 级地震前、后摩尔沟痕量氢观测点氢气体积分数与气压相关系数为 0. 09（图7a），与气温相关系数为 0.28（图7b）。对摩尔沟痕量氢观测点 2 月 17 日至 27 日氢气体积分数与气压、氢气体积分数与气温分别做一元线性回归分析，结果显示摩尔沟痕量氢观测点氢气体积分数与气压相关系数为 0. 017（图7c）; 与气温相关系数为 0.172（图7d）。以上结果说明银川 Ms 4.2 级地震前、后摩尔沟痕量氢观测点氢气体积分数变化与气压、气温变化关系不大，因此排除 2 月 17 日至 27 日气温、压力变化对摩尔沟痕量氢观测点氢气体积分数异常变化的影响。

通过对以上 3 个台站长期观测记录和数据特征、异常因素分析以及干扰因素的逐个排除，确认此次银川 Ms4.2 级地震前，乌海盆地摩尔沟痕量氢观测点氢气体积分数异常为震前短临异常。

3 桌子山西缘断裂带构造特征分析

3.1 桌子山西缘断裂带构造特征

邢成起等（1991） 认为桌子山西缘断裂第四纪以来活动显著，且分段活动特征明显，断裂带不同地段的地貌特征、断层活动强度以及最新活动时代均不尽相同，桌子山西缘断裂带北段活动性较强，中段和南段活动性较弱。黄雄南等（ 2012） 推测桌子山—贺兰山断裂系在晚第四纪以来是一套大型的右行伸展走滑断裂系。乌海市城市活断层探测成果^❷ 显示:桌子山西缘断裂带北起磴口以南的乌兰布拉格沟一带，向南过千里沟，长约 70 km（图1），经海勃湾区向南过三道坎东，走向 NNE，倾向 NWW，倾角 60°~75°，燕山期曾为压性，新生代复活转为张扭正断层，为一条全新世活动的断裂，晚更新世中期以来的垂直滑动速率为 0.5~1.2 mm / a。梁宽（2019） 认为桌子山西缘断裂在剖面上主要表现为西倾的正断层，乌海盆地中发育北西向的逆断层，桌子山西缘断裂晚更新世中期（70 ka）以来的平均垂直滑动速率为 0.5±0.2 至 1. 0±0.2 mm / a。且断裂中部的垂直滑动速率最大。高泽民等（2020） 认为桌子山西缘断裂北起磴口县以东南，全长约 90 km，断裂迹线总体呈折线或锯齿状，反映出正断层型活动的特征，断层剖面最新活动时间在 11.4±1.3 ka 之前，是一条晚更新世晚期的活动断裂，断裂不同时期的垂向滑动速率范围介于 0. 07±0. 01~0.16±0. 05 mm / a。

在空间尺度上，桌子山西缘断裂迹线不完全连续，按几何特征大致分为大陆盖段、千里沟段、乌海—千里沟段、二道坎—乌海段（ 高泽民，2020）。摩尔沟痕量氢观测点位于桌子山西缘断裂带北段山—盆地转换位置（图8a），据中国地震局地壳应力研究所的报告^❷ :桌子山西缘断裂带北段的千里沟以北断裂的线性特征清楚，冲沟右旋拐弯明显。桌子山西缘断裂带北段的次级断裂（千钢断裂）是一条走向近 NW，倾向 NE 的逆断层（图8b）。

黄河边痕量氢观测点处于桌子山西缘断裂带中段，甘德尔山前，距离黄河河岸最近距离为 76 m（图9a）。在安泰驾校东探槽西剖面发现一条倾向 140°，倾角 75°的正断层，在正断层的上盘发育一条倾向 295°，倾角 75°的高角度逆断层^❷，显示出在正断层的活动过程中，断层的下降盘断层面附近区域处于挤压的应力场中。黄白茨附近露头发现明显的走滑擦痕（图9b、c），从擦痕面判断为右旋走滑，再结合地貌和黄河边观测点北侧的雁列式断裂来判断，黄河边观测点北侧表现出右行右阶式的走滑断层特性，黄河边观测点南侧靠近二道坎观测点段表现出右行左阶式的走滑断层特性。因此，桌子山西缘断裂带中段整体表现出走滑的特性。

二道坎痕量氢观测点处于桌子山西缘断裂带南段末尾位置（图10），该段地貌上与其它段落不同，西侧并无隆起的山体（梁宽，2019），断层迹线不明显，露头较少。桌子山西缘断裂带南段的三道坎一带的构造剖面显示断层活动过程中张性开裂后由上覆土层填充，断层活动的时间在晚更新世末期^❷。结合上文所述，此段表现出右行左阶式的走滑断层特性。

3.2 构造因素分析

大量研究表明，氢气与断层之间存在关联（Zgonnik，2020）。日本开展的实验表明，氢气体积分数与断层及其活动密切相关（ Wakita et al.，1980）。另一项对堪萨斯州富氢井附近土壤气体样本的研究表明，氢气体积分数异常与断层活动之间存在关联（Zgonnik，2020; McCarthy et al.，1986）。断层氢气在向地表迁移和富集的过程中会受到构造因素和非构造因素的共同影响（杜建国等，1998; 孙小龙等，2017; 范雪芳等，2020; 钟骏等，2021），美国堪萨斯州中北部数百次土壤气体测量得到的氢气数据表明，裂隙是游离氢气垂直迁移的优先通道（Zgonnik，2020; Johnsgard，1988）。乌海盆地深部构造特征具有与银川、河套断陷相似的地堑形式（图11）（梁宽，2019; 高泽民，2020）。根据深部地震反射资料，在盆地中心下方埋深 45~50 km 处为莫霍面，莫霍面与中地壳之间存在 1 条倾角近乎直立的地壳深断裂，为上地幔热液物质的上涌提供了运输通道（高泽民，2020）。邓起东等（2007） 研究显示，NE—NEE 向是该区域应力场的主压应力方向，主压应力通过青藏块体东北缘与鄂尔多斯块体西南缘的会聚直接作用块体其余边界，形成众多环绕鄂尔多斯块体的共轭剪切破裂带。桌子山西缘断裂带地处鄂尔多斯块体西北缘构造变形的关键位置，其发育特征及发育环境明显受到鄂尔多斯块体深部应力剪切运动的控制（高泽民，2020）。

摩尔沟痕量氢观测点位于桌子山西缘断裂带北段山—盆地转换位置的正断层上盘陡坎，千里沟以北断裂冲沟右旋拐弯明显，其北侧的千钢断裂为倾向 NE 的逆冲断层，黄河边观测点北侧表现出右行右阶式的走滑断层特性，在区域应力的作用下，摩尔沟痕量氢观测点所处的区域具有一定的拉张分量，因此摩尔沟痕量氢观测点属于构造灵敏点，在孕震阶段，地下应力积累可能会导致岩石出现微小裂缝，正断层的特性也利于地下富集的大量氢气快速向地表运移。随着应力的释放，裂隙趋向于闭合，地下氢气向地表运移受阻，断层氢气体积分数恢复至正常值。

ZWPF—桌子山西缘断裂; WPF—五虎山山前断裂; YRF—黄河隐伏断裂; WYF—黄河隐伏断裂西支; EYF—黄河隐伏断裂东支; DZTF—大中滩断裂

ZWPF—Zhuozi Mountain western margin fault; WPF—Wuhushan piedmont fault; YRF—Yellow River blind fault; WYF—western branch of Yellow River blind fault; EYF—eastern branch of Yellow River blind fault; DZTF—Dazhongtan fault

黄河边痕量氢观测点处于桌子山西缘断裂带中段甘德尔山前，其南侧表现为右行左阶式的走滑断层特性，整体挤压、走滑的性质不利于断层氢气向地表大量运移。研究显示，与氢气通过纯水的流动相比，氢气通过水饱和多孔介质的通量会降低到原来的十分之一，这种阻碍作用可能与范德华半径有关（Zgonnik，2020）。黄河边痕量氢观测点距离黄河河岸仅为 76 m，河水渗透可能会堵塞该点处的断层氢气运移裂隙，对断层氢气运移也会有较大的影响。

二道坎痕量氢观测点处于桌子山西缘断裂带南段末尾，表现出挤压的特性，断层活动时间较早。从图3 上看，黄河边痕量氢观测点和二道坎痕量氢观测点在震前 3 d 至震后 5 d 左右断层氢气体积分数变化有些许波动，但是变化幅度很小，这也许说明黄河边痕量氢观测点和二道坎痕量氢观测点断层氢气对于此次地震也有响应，只不过受限于地质构造及其活动以及环境的影响，积累的断层氢气以一个更长的时间进行释放。以上或许是黄河边痕量氢观测点、二道坎痕量氢观测点没有明显的临震异常的原因。同时也说明桌子山西缘断裂带性质复杂，其不同位置表现或有不同。在其他条件不变的情况下，观测点氢气体积分数的变化反映了桌子山西缘断裂带氢气迁移通道的开放和闭合状态，这与区域性的应力变化密切相关，也与桌子山西缘断裂带断层的性质、复杂程度、几何运动方向有关，与观测点局部受到的挤压或拉张的力有关，另外在空间上，也与观测点距离震中远近有关，但距离近并不一定就能有明显的临震异常。

以上论述说明地质构造及其活动（ 如应力变化、破裂）以及环境能够影响断层氢气的运移和扩散，研究地质构造及其活动与断层氢气的物理、化学性质的耦合在地震孕育等领域具有重要意义，这对于地下流体观测台站的布设也有一定的启示作用。

4 分析与讨论

对于断层氢气体积分数的响应特征研究已有较多实例，如刘海洋等（2020）研究发现在 2017 年 9 月 16 日，库车 Ms5.7 地震前 16 d，阿克苏西大桥断层氢气体积分数值出现了快速的上升变化，体积分数值由 1.18 × 10 ^-6 上升至 4.48 × 10^-6，是正常背景值的 4 倍，钟骏等（2021）总结了阿克苏断层氢气的体积分数异常变化以及 300 km 范围内的 14 次地震，震中距范围在 68~293 km（图12），异常开始距发震时间从 1 d 到 115 d 不等，遗憾的是未能提供异常体积分数值和正常背景值的倍数关系。通过对乌海盆地三个痕量氢观测点氢气体积分数年变规律以及和气温、气压的变化关系研究，3 个测点氢气体积分数变化、气压变化、气温变化几乎同步，断层氢气体积分数变化呈现夏高冬低的年变趋势，相互佐证了三套观测系统运行稳定。对摩尔沟痕量氢观测点 ATG-6118H 痕量氢观测仪器现场标定并对标定系数进行了拟合，相关系数为 0.9968，说明仪器产出数据真实可靠。银川 Ms4.2 级地震前 4 h，乌海盆地摩尔沟痕量氢观测点氢气体积分数自 0.115 × 10 ^-6 快速上升，震前 2 h 达到峰值 2.245×10^-6，为快速上升前的 19.5 倍。同期辅助测项气温、气压无明显变化，对 2 月 17 日至 27 日摩尔沟痕量氢观测点氢气体积分数变化与气压、气温的相关性研究表明银川 Ms4.2 级地震前、后摩尔沟痕量氢观测点氢气体积分数变化与气压、气温变化关系不大; 银川 Ms4.2 级地震发生后，震后 1 h 氢气体积分数快速下降，震后 37 h 下降至正常水平。整个过程中异常特征为:震前 4 h 氢气体积分数值快速上升—地震—震后 1 h 转折下降—震后 37 h 恢复到背景值。

通过对比以上地区的异常记录，发现本次异常的显著特征为临震时间更短，异常值较背景值的倍数更大。震前 4 h 的临震异常时间在已有的断层氢气体积分数异常观测实例中尚属首次。异常变化趋势与刘海洋等（2020）总结的库车 Ms5.7 地震前阿克苏西大桥断层氢气体积分数异常变化趋势基本相同。

5 结论

（1）通过对多个台站长期观测记录和数据特征以及异常因素分析，确认银川 2025 年 2 月 20 日 Ms4.2 级地震前，乌海盆地摩尔沟痕量氢观测点氢气体积分数异常为震前短临异常，异常变化趋势为震前 4 h 氢气体积分数值快速上升—地震—震后 1 h 转折下降—震后 37 h 恢复到背景值。与已有研究实例相比，氢气体积分数异常变化趋势基本相同，差异之处在于临震时间更短，异常值较背景值的倍数更大。震前 4 h 出现临震异常在已有的断层氢气体积分数异常观测实例中尚属首次。

（2）通过区域构造格局与短临异常的关系，认为摩尔沟痕量氢观测点氢气体积分数异常升高与特定的构造部位有关。摩尔沟痕量氢观测点处于桌子山西缘断裂带北段山—盆地转换位置的正断层上盘陡坎，在区域构造格局中，观测点所处的区域具有一定的拉张分量，利于地下富集的大量氢气能够快速向地表运移。

（3）地质构造及其活动（如应力变化、破裂）以及环境能够影响断层氢气的运移和扩散，即使同处一条断裂带，断层氢气体积分数变化也会因所处不同位置的构造状态、应力变化以及地下水等因素影响而有不同，研究地质构造及其活动与断层氢气的物理、化学性质的耦合在地震孕育等领域具有重要意义，这对于地下流体观测台站的布设策略也有一定的启示作用。

致谢: 审稿专家对本文的审阅提出了详细的修改意见，刘耀炜研究员和张磊副研究员对本文的后续修改提出了宝贵意见，谨致深切谢意。

注释 / Notes

❶ 中国地震局地壳应力研究所.2018. 乌海市城市活断层探测与地震危险性评价技术报告.

❷ 中国地震局地壳应力研究所.2018. 乌海市活断层探测与地震危险性评价及规划区地震小区划项目目标区活动断层分布图（ 1 ∶ 50000）及说明书.

❸ 地震活动断层探察数据中心（https: / / www. activefault-datacenter. cn /）.

参考文献