寧河地震臺痕量氫觀測干擾分析

李恩建　東得淼　孫嘉良　谷茂龍　馮克存

摘 要：采用ATG-6118H痕量氫在線自動分析儀，監(jiān)測寧河地震臺觀測井內氫氣濃度變化，針對數(shù)據(jù)異常突跳、背景值突升問題進行分析研究，查找問題根源，為地震預報提供連續(xù)、準確、可靠觀測數(shù)據(jù)奠定基礎。

關鍵詞：痕量氫；觀測干擾；分析

中圖分類號：P315.7 文獻標志碼：A 文章編號：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

近年來地震活動頻繁，地震科學者嘗試使用各種物理量監(jiān)測方法來探索在地震預報方面有所突破。氫氣是一種活動性較強的氣體，是斷層破裂處較早溢出氣體之一，是地震預報重要監(jiān)測技術指標之一。

作為一種新型觀測技術，痕量氫觀測逐步在全國推廣應用。為探索使用斷層氫氣濃度監(jiān)測、預測地震的新方法，山西夏縣地震臺采用 ATG-6118H 痕量氫在線自動分析儀，在中條山斷裂上開展定點連續(xù)觀測，并針對野外環(huán)境下儀器的穩(wěn)定性、適宜條件等進行相關實驗，結果表明：在斷裂帶上利用設備進行氫氣濃度的連續(xù)觀測，技術上是可行的（范雪芳等，2014）。痕量氫自動分析儀穩(wěn)定性好、靈敏度高，能夠記錄到連續(xù)可靠的觀測數(shù)據(jù)，可以滿足地震前兆監(jiān)測對斷裂帶深部氫氣正常動態(tài)痕量變化觀測的要求（范雪芳等，2015）。通過對觀測點位置、集氣裝置以及集氣孔深度等觀測條件的試驗研究，給出使用痕量氫在線自動分析儀進行斷層氣觀測的技術方法（范雪芳等，2014）。河南省地震局在朱夏-商丹斷裂帶南陽地區(qū)布設獨山、馬山口2個氫氣觀測臺，研究設備取氣深度、抽氣時間設置長短對觀測斷層氫氣濃度的影響，實驗結果表明：（1）取氣深度越淺，觀測到的氫氣濃度越高，日變化幅度越大；（2）集氣管內氫氣濃度偏低時，抽氣時間設置略高于導氣管路排空時間，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害的能力，最大限度減輕地震災害損失，保障人民群眾生命財產安全和經濟社會可持續(xù)發(fā)展，天津市地震局提出“十二五”天津市防震減災綜合能力提升工程，寧河臺增上痕量氫觀測作為該項目子項之一。

1 觀測井情況

寧河臺痕量氫觀測井原為日常生活用水井，1976年唐山地震后井管錯斷，井水變質后廢棄。2015年6月實測井深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儀在井口測試，井孔內存在氫氣溢出情況。井管在距離地面1-3m處有破損，對距地面3m以下破損井管修復，采用厚壁PVC管與石綿管連接，PVC井管露出屋內地面30cm，井口采用雅克力板密封，中間開導氣孔，將導氣管從導氣孔插入井內，導氣孔直徑4mm，井下導氣管長0.5m，另一端與儀器后面板in口連接。

2 儀器概況

寧河臺痕量氫觀測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)場快速測定。該系統(tǒng)獨特創(chuàng)新之處是，可以在現(xiàn)場對相關樣品進行全自動分析測定，具有體積小、靈敏度高、低功耗、易操作等特點，并可通過網絡遠程提取數(shù)據(jù)，處理和分析結果。

3 干擾分析

3.1 無規(guī)則突跳變化

3.1.1 觀測初期數(shù)據(jù)觀測情況

寧河地震臺痕量氫觀測儀于2016年9月21日安裝，儀器采樣率1次/小時，每次采樣時間30s。儀器安裝初期，由于井口密封不嚴，數(shù)據(jù)呈無規(guī)則變化，并且痕量氫濃度值較低，背景值在0.1ppm左右，為了減小室內環(huán)境對觀測的干擾，對井口密封板采用塑料膠條進行密封，密封后痕量氫觀測值略有提高，但觀測數(shù)據(jù)呈上下突跳變化，無規(guī)律可尋。變化曲線見圖1。

3.1.2 儀器穩(wěn)定性能檢驗

為了排查痕量氫觀測儀是否存在問題，對儀器進行標定檢驗，標定的目的是用于檢驗儀器的穩(wěn)定性能（蘇凱之，1997）。分別用1ppm、5ppm、10ppm、100ppm、1000ppm 5組標準氣體進行標定，標定結果見表1。

根據(jù)表1相關數(shù)據(jù)，計算該設備的線性回歸直線相關系數(shù)r2為0.9976，儀器出廠校測值r2為0.9997（r2≥0.996 符合斷層氫氣規(guī)范要求）。從標定結果證明儀器工作正常。

3.1.3 調整導氣管深度

針對數(shù)據(jù)不穩(wěn)定問題，對井口密封、觀測環(huán)境、觀測系統(tǒng)逐一進行檢查，未發(fā)現(xiàn)明顯問題。查閱相關文獻，范雪芳在做斷層氫氣濃度觀測技術試驗研究指出，觀測深度對氫氣濃度的背景值變化及動態(tài)變化有一定的影響（范雪芳，2014），2017年3月14日經研討決定改變抽氣深度，嘗試對觀測值不穩(wěn)定問題是否有所改變。儀器安裝時，將導氣管投入密封蓋下0.5m處，此次決定加長導氣管，將導氣管投入密封井蓋下7m試驗觀測。經一段時間試驗觀測，痕量氫觀測值逐漸趨于穩(wěn)定，且背景值在0.8ppm。

3.1.4 探討分析

寧河臺痕量氫觀測通過改變導氣管在井孔內深度，使得痕量氫觀測背景值穩(wěn)定，初步分析氫氣在井孔內距離井口太近，有可能觀測值受室內溫度和氣壓因素等外界因素影響。氫氣雖然是質量最輕的氣體，但在井內氫氣受外界因素干擾，有可能在某一層位會達到平衡且穩(wěn)定。通過改變導氣管深度，從而達到觀測值穩(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時最高值達到5.467ppm，截止到2月23日，痕量氫觀測值一直處于高值狀態(tài)，之后數(shù)據(jù)逐漸恢復至正常背景值。2017年5月22日觀測值再次快速提升，5月23日11時最高值達到12.529ppm， 5月25日觀測值逐步恢復到正常背景值。（見圖3）

3.2.2 問題分析

2017年2月13日至2017年2月14日對痕量氫觀測儀現(xiàn)場標定，標定結果合格，證明儀器工作正常。標定工作完成后，痕量氫觀測值出現(xiàn)突升變化，對應室溫和氣壓進行分析，分析結果表明，痕量氫濃度與溫度存在正相關關系，與氣壓存在負相關關系，但在痕量氫突升時段，觀測室溫度和氣壓未發(fā)生突升突降變化。在問題排查過程中發(fā)現(xiàn)，在對儀器標定后將標定用鋁箔采樣袋放置在觀測室內，觀測值升高有可能觀測室溫度升高，造成采氣樣袋內殘留標準器釋放到觀測室內，改變了觀測環(huán)境造成痕量氫濃度值升高。清除室內采氣樣袋并對室內通風處理，觀測值恢復正常背景值。

2017年5月22日痕量氫觀測值快速提升，5月23日11時最高值達到12.529ppm， 5月25日觀測值逐步恢復到正常背景值。經分析，5月21日因外線路檢修，造成臺站市電斷電12個小時，儀器采用直流電瓶供電。市電恢復后，儀器自動對電瓶充電，因電瓶采用酸式電瓶，充電會放出氫氣，造成觀測室內氫氣濃度值升高，致使氫氣濃度抬升。

3.2.3 漏氣檢驗

針對以上兩次氫氣濃度抬升情況，初步判斷觀測儀器導氣部分存在密封不嚴問題，從而影響痕量氫觀測數(shù)據(jù)變化。2017年5月31日，采用在觀測室內泄放高濃度標準氣，人為改變觀測環(huán)境，做痕量氫導氣管漏氣試驗，以驗證儀器導氣管路是否存在漏氣問題。試驗數(shù)據(jù)如表2。

對實驗數(shù)據(jù)分析，證明儀器抽氣管路存在漏氣現(xiàn)象，仔細檢查井蓋密封情況、各個導氣管接口、導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不嚴，與廠家聯(lián)系郵寄濾塵器連接口并更換。為了檢驗導氣管部分是否仍存在漏氣問題，2017年6月8日再次使用標準氣改變室內氫氣濃度的方法進行實驗。實驗數(shù)據(jù)見表3。

實驗結果表明，導氣管漏氣問題得到明顯改善，但仍存在密封不嚴問題，與廠商聯(lián)系，廠商回復設計儀器時已經考慮到了外部環(huán)境對測量的影響，氣路內的配件材料易老化，需要考慮可更換性，可更換的器件都會有接口，接口地方的微漏就無法避免，只能盡量減小。沒有非正常高濃度干擾源（比如蓄電池充放電時放出的大量氫氣）的情況下，外部的濃度對儀器測量的影響是可以忽略不計的。

為了減少因充放電電瓶釋放氫氣問題，臺站采取將蓄電瓶移除室外，使用觀測樓內UPS直接對儀器供電。經實驗觀測，痕量氫觀測值恢復正常背景值。

4 結論及討論

通過對寧河地震臺痕量氫觀測資料分析可以得到以下結論：

（1）電瓶充電會產生氫氣，從而造成觀測室內氫氣濃度升高，改變觀測環(huán)境導致觀測值不穩(wěn)定，因此儀器供電電瓶盡量與觀測室分開。

（2）在儀器標定檢測過程中和標定后，嚴禁標準氣泄露事件，人為造成觀測室環(huán)境發(fā)生改變，影響痕量氫觀測正常觀測。

（3）痕量氫觀測值在井內不同深度，觀測值存在一定的變化，在投入觀測前，最好進行梯度測試，尋找最佳測試深度。

由于寧河地震臺痕量氫觀測時間相對較短，在儀器投入觀測以來，臺站及周邊未發(fā)生有感地震，觀測井映震能力還需時間的檢驗。

參考文獻：

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