李恩建　東得淼　孫嘉良　谷茂龍　馮克存

摘 要：采用ATG-6118H痕量氫在線自動(dòng)分析儀，監(jiān)測(cè)寧河地震臺(tái)觀測(cè)井內(nèi)氫氣濃度變化，針對(duì)數(shù)據(jù)異常突跳、背景值突升問(wèn)題進(jìn)行分析研究，查找問(wèn)題根源，為地震預(yù)報(bào)提供連續(xù)、準(zhǔn)確、可靠觀測(cè)數(shù)據(jù)奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：痕量氫；觀測(cè)干擾；分析

中圖分類號(hào)：P315.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）03-0082-03

Abstract： ATG-6118H on-line automatic trace hydrogen analyzer was used to monitor the change of hydrogen concentration in the observation well of Ninghe Seismological Station. The abnormal jump of data and the sudden rise of background value were analyzed and studied to find out the root cause of the problem. It lays a foundation for providing continuous， accurate and reliable observational data for earthquake prediction.

Keywords： trace hydrogen； observation interference； analysis

引言

近年來(lái)地震活動(dòng)頻繁，地震科學(xué)者嘗試使用各種物理量監(jiān)測(cè)方法來(lái)探索在地震預(yù)報(bào)方面有所突破。氫氣是一種活動(dòng)性較強(qiáng)的氣體，是斷層破裂處較早溢出氣體之一，是地震預(yù)報(bào)重要監(jiān)測(cè)技術(shù)指標(biāo)之一。

作為一種新型觀測(cè)技術(shù)，痕量氫觀測(cè)逐步在全國(guó)推廣應(yīng)用。為探索使用斷層氫氣濃度監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)地震的新方法，山西夏縣地震臺(tái)采用 ATG-6118H 痕量氫在線自動(dòng)分析儀，在中條山斷裂上開(kāi)展定點(diǎn)連續(xù)觀測(cè)，并針對(duì)野外環(huán)境下儀器的穩(wěn)定性、適宜條件等進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：在斷裂帶上利用設(shè)備進(jìn)行氫氣濃度的連續(xù)觀測(cè)，技術(shù)上是可行的（范雪芳等，2014）。痕量氫自動(dòng)分析儀穩(wěn)定性好、靈敏度高，能夠記錄到連續(xù)可靠的觀測(cè)數(shù)據(jù)，可以滿足地震前兆監(jiān)測(cè)對(duì)斷裂帶深部氫氣正常動(dòng)態(tài)痕量變化觀測(cè)的要求（范雪芳等，2015）。通過(guò)對(duì)觀測(cè)點(diǎn)位置、集氣裝置以及集氣孔深度等觀測(cè)條件的試驗(yàn)研究，給出使用痕量氫在線自動(dòng)分析儀進(jìn)行斷層氣觀測(cè)的技術(shù)方法（范雪芳等，2014）。河南省地震局在朱夏-商丹斷裂帶南陽(yáng)地區(qū)布設(shè)獨(dú)山、馬山口2個(gè)氫氣觀測(cè)臺(tái)，研究設(shè)備取氣深度、抽氣時(shí)間設(shè)置長(zhǎng)短對(duì)觀測(cè)斷層氫氣濃度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：（1）取氣深度越淺，觀測(cè)到的氫氣濃度越高，日變化幅度越大；（2）集氣管內(nèi)氫氣濃度偏低時(shí)，抽氣時(shí)間設(shè)置略高于導(dǎo)氣管路排空時(shí)間，氫氣濃度明顯變化，否則變化不明顯。

為提高天津市防御地震災(zāi)害的能力，最大限度減輕地震災(zāi)害損失，保障人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，天津市地震局提出“十二五”天津市防震減災(zāi)綜合能力提升工程，寧河臺(tái)增上痕量氫觀測(cè)作為該項(xiàng)目子項(xiàng)之一。

1 觀測(cè)井情況

寧河臺(tái)痕量氫觀測(cè)井原為日常生活用水井，1976年唐山地震后井管錯(cuò)斷，井水變質(zhì)后廢棄。2015年6月實(shí)測(cè)井深64m、水位埋深44m，井孔直徑40cm，井管是石棉管，使用在線式痕量氫觀測(cè)儀在井口測(cè)試，井孔內(nèi)存在氫氣溢出情況。井管在距離地面1-3m處有破損，對(duì)距地面3m以下破損井管修復(fù)，采用厚壁PVC管與石綿管連接，PVC井管露出屋內(nèi)地面30cm，井口采用雅克力板密封，中間開(kāi)導(dǎo)氣孔，將導(dǎo)氣管從導(dǎo)氣孔插入井內(nèi)，導(dǎo)氣孔直徑4mm，井下導(dǎo)氣管長(zhǎng)0.5m，另一端與儀器后面板in口連接。

2 儀器概況

寧河臺(tái)痕量氫觀測(cè)儀器是杭州超距科技有限公司研制的ATG-6118H 痕量氫在線自動(dòng)分析儀，該儀器廣泛用于大氣、水和沉積物中的痕量氫的現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)定。該系統(tǒng)獨(dú)特創(chuàng)新之處是，可以在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)相關(guān)樣品進(jìn)行全自動(dòng)分析測(cè)定，具有體積小、靈敏度高、低功耗、易操作等特點(diǎn)，并可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程提取數(shù)據(jù)，處理和分析結(jié)果。

3 干擾分析

3.1 無(wú)規(guī)則突跳變化

3.1.1 觀測(cè)初期數(shù)據(jù)觀測(cè)情況

寧河地震臺(tái)痕量氫觀測(cè)儀于2016年9月21日安裝，儀器采樣率1次/小時(shí)，每次采樣時(shí)間30s。儀器安裝初期，由于井口密封不嚴(yán)，數(shù)據(jù)呈無(wú)規(guī)則變化，并且痕量氫濃度值較低，背景值在0.1ppm左右，為了減小室內(nèi)環(huán)境對(duì)觀測(cè)的干擾，對(duì)井口密封板采用塑料膠條進(jìn)行密封，密封后痕量氫觀測(cè)值略有提高，但觀測(cè)數(shù)據(jù)呈上下突跳變化，無(wú)規(guī)律可尋。變化曲線見(jiàn)圖1。

3.1.2 儀器穩(wěn)定性能檢驗(yàn)

為了排查痕量氫觀測(cè)儀是否存在問(wèn)題，對(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)定檢驗(yàn)，標(biāo)定的目的是用于檢驗(yàn)儀器的穩(wěn)定性能（蘇凱之，1997）。分別用1ppm、5ppm、10ppm、100ppm、1000ppm 5組標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果見(jiàn)表1。

根據(jù)表1相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算該設(shè)備的線性回歸直線相關(guān)系數(shù)r2為0.9976，儀器出廠校測(cè)值r2為0.9997（r2≥0.996 符合斷層氫氣規(guī)范要求）。從標(biāo)定結(jié)果證明儀器工作正常。

3.1.3 調(diào)整導(dǎo)氣管深度

針對(duì)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定問(wèn)題，對(duì)井口密封、觀測(cè)環(huán)境、觀測(cè)系統(tǒng)逐一進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)明顯問(wèn)題。查閱相關(guān)文獻(xiàn)，范雪芳在做斷層氫氣濃度觀測(cè)技術(shù)試驗(yàn)研究指出，觀測(cè)深度對(duì)氫氣濃度的背景值變化及動(dòng)態(tài)變化有一定的影響（范雪芳，2014），2017年3月14日經(jīng)研討決定改變抽氣深度，嘗試對(duì)觀測(cè)值不穩(wěn)定問(wèn)題是否有所改變。儀器安裝時(shí)，將導(dǎo)氣管投入密封蓋下0.5m處，此次決定加長(zhǎng)導(dǎo)氣管，將導(dǎo)氣管投入密封井蓋下7m試驗(yàn)觀測(cè)。經(jīng)一段時(shí)間試驗(yàn)觀測(cè)，痕量氫觀測(cè)值逐漸趨于穩(wěn)定，且背景值在0.8ppm。

3.1.4 探討分析

寧河臺(tái)痕量氫觀測(cè)通過(guò)改變導(dǎo)氣管在井孔內(nèi)深度，使得痕量氫觀測(cè)背景值穩(wěn)定，初步分析氫氣在井孔內(nèi)距離井口太近，有可能觀測(cè)值受室內(nèi)溫度和氣壓因素等外界因素影響。氫氣雖然是質(zhì)量最輕的氣體，但在井內(nèi)氫氣受外界因素干擾，有可能在某一層位會(huì)達(dá)到平衡且穩(wěn)定。通過(guò)改變導(dǎo)氣管深度，從而達(dá)到觀測(cè)值穩(wěn)定。

3.2 痕量氫突升變化

3.2.1 痕量氫突升變化特征

2017年2月14日，痕量氫背景值突然提升，2月19日17時(shí)最高值達(dá)到5.467ppm，截止到2月23日，痕量氫觀測(cè)值一直處于高值狀態(tài)，之后數(shù)據(jù)逐漸恢復(fù)至正常背景值。2017年5月22日觀測(cè)值再次快速提升，5月23日11時(shí)最高值達(dá)到12.529ppm， 5月25日觀測(cè)值逐步恢復(fù)到正常背景值。（見(jiàn)圖3）

3.2.2 問(wèn)題分析

2017年2月13日至2017年2月14日對(duì)痕量氫觀測(cè)儀現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果合格，證明儀器工作正常。標(biāo)定工作完成后，痕量氫觀測(cè)值出現(xiàn)突升變化，對(duì)應(yīng)室溫和氣壓進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明，痕量氫濃度與溫度存在正相關(guān)關(guān)系，與氣壓存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，但在痕量氫突升時(shí)段，觀測(cè)室溫度和氣壓未發(fā)生突升突降變化。在問(wèn)題排查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在對(duì)儀器標(biāo)定后將標(biāo)定用鋁箔采樣袋放置在觀測(cè)室內(nèi)，觀測(cè)值升高有可能觀測(cè)室溫度升高，造成采氣樣袋內(nèi)殘留標(biāo)準(zhǔn)器釋放到觀測(cè)室內(nèi)，改變了觀測(cè)環(huán)境造成痕量氫濃度值升高。清除室內(nèi)采氣樣袋并對(duì)室內(nèi)通風(fēng)處理，觀測(cè)值恢復(fù)正常背景值。

2017年5月22日痕量氫觀測(cè)值快速提升，5月23日11時(shí)最高值達(dá)到12.529ppm， 5月25日觀測(cè)值逐步恢復(fù)到正常背景值。經(jīng)分析，5月21日因外線路檢修，造成臺(tái)站市電斷電12個(gè)小時(shí)，儀器采用直流電瓶供電。市電恢復(fù)后，儀器自動(dòng)對(duì)電瓶充電，因電瓶采用酸式電瓶，充電會(huì)放出氫氣，造成觀測(cè)室內(nèi)氫氣濃度值升高，致使氫氣濃度抬升。

3.2.3 漏氣檢驗(yàn)

針對(duì)以上兩次氫氣濃度抬升情況，初步判斷觀測(cè)儀器導(dǎo)氣部分存在密封不嚴(yán)問(wèn)題，從而影響痕量氫觀測(cè)數(shù)據(jù)變化。2017年5月31日，采用在觀測(cè)室內(nèi)泄放高濃度標(biāo)準(zhǔn)氣，人為改變觀測(cè)環(huán)境，做痕量氫導(dǎo)氣管漏氣試驗(yàn)，以驗(yàn)證儀器導(dǎo)氣管路是否存在漏氣問(wèn)題。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2。

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，證明儀器抽氣管路存在漏氣現(xiàn)象，仔細(xì)檢查井蓋密封情況、各個(gè)導(dǎo)氣管接口、導(dǎo)氣管與儀器連接處和濾塵器連接口，最后檢查發(fā)現(xiàn)濾塵器連接口處松動(dòng)不嚴(yán)，與廠家聯(lián)系郵寄濾塵器連接口并更換。為了檢驗(yàn)導(dǎo)氣管部分是否仍存在漏氣問(wèn)題，2017年6月8日再次使用標(biāo)準(zhǔn)氣改變室內(nèi)氫氣濃度的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，導(dǎo)氣管漏氣問(wèn)題得到明顯改善，但仍存在密封不嚴(yán)問(wèn)題，與廠商聯(lián)系，廠商回復(fù)設(shè)計(jì)儀器時(shí)已經(jīng)考慮到了外部環(huán)境對(duì)測(cè)量的影響，氣路內(nèi)的配件材料易老化，需要考慮可更換性，可更換的器件都會(huì)有接口，接口地方的微漏就無(wú)法避免，只能盡量減小。沒(méi)有非正常高濃度干擾源（比如蓄電池充放電時(shí)放出的大量氫氣）的情況下，外部的濃度對(duì)儀器測(cè)量的影響是可以忽略不計(jì)的。

為了減少因充放電電瓶釋放氫氣問(wèn)題，臺(tái)站采取將蓄電瓶移除室外，使用觀測(cè)樓內(nèi)UPS直接對(duì)儀器供電。經(jīng)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，痕量氫觀測(cè)值恢復(fù)正常背景值。

4 結(jié)論及討論

通過(guò)對(duì)寧河地震臺(tái)痕量氫觀測(cè)資料分析可以得到以下結(jié)論：

（1）電瓶充電會(huì)產(chǎn)生氫氣，從而造成觀測(cè)室內(nèi)氫氣濃度升高，改變觀測(cè)環(huán)境導(dǎo)致觀測(cè)值不穩(wěn)定，因此儀器供電電瓶盡量與觀測(cè)室分開(kāi)。

（2）在儀器標(biāo)定檢測(cè)過(guò)程中和標(biāo)定后，嚴(yán)禁標(biāo)準(zhǔn)氣泄露事件，人為造成觀測(cè)室環(huán)境發(fā)生改變，影響痕量氫觀測(cè)正常觀測(cè)。

（3）痕量氫觀測(cè)值在井內(nèi)不同深度，觀測(cè)值存在一定的變化，在投入觀測(cè)前，最好進(jìn)行梯度測(cè)試，尋找最佳測(cè)試深度。

由于寧河地震臺(tái)痕量氫觀測(cè)時(shí)間相對(duì)較短，在儀器投入觀測(cè)以來(lái)，臺(tái)站及周邊未發(fā)生有感地震，觀測(cè)井映震能力還需時(shí)間的檢驗(yàn)。

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