痕量氫觀測環(huán)境及供電系統(tǒng)建設(shè)

東得淼，谷茂龍，李恩建，孫嘉良，馮克存

(天津市地震局，天津 300191)

0 引言

一直以來，國內(nèi)外大多以氡(Rn)和汞(Hg)的觀測與研究為主體來探索地球化學(xué)，開展地震活動預(yù)測。而近年來，氫(H2)、氦(He)、二氧化碳(CO2)等斷層氣氣體的觀測與研究也越來越受到國內(nèi)外地震地球化學(xué)研究者的重視。國內(nèi)外研究表明，氫氣具有較強(qiáng)的映震靈敏性，特別是在短臨階段的映震能力明顯優(yōu)于其他測項(xiàng)，是地震短臨預(yù)測的重要手段之一[1-5]。前人通過研究3級以上及周邊4級以上地震發(fā)生樣本，與痕量氫曲線變化形態(tài)進(jìn)行對比，結(jié)果顯示，痕量氫變化與周邊地震對應(yīng)關(guān)系較好。觀測期間，痕量氫出現(xiàn)異常突變的5個時段，發(fā)生地震3組(5次)，對應(yīng)地震發(fā)生率為83%[6]。

1 測點(diǎn)觀測概況

寧河地震臺位于寧河縣大北澗沽鄉(xiāng)大北澗沽村西，距天津市區(qū)直線距離約52 km，東距渤海灣約25～30 km，在地貌上處于濱海平原。在地質(zhì)構(gòu)造上，臺站位于黃驊坳陷與東西向燕山構(gòu)造帶的交接帶上，西鄰滄東斷層，北鄰蘆臺斷層，南為漢沽斷層，新生界地層厚度大于1 000 m，其下為寒武-奧陶系灰?guī)r(見第30頁圖1)。在距寧河縣城為中心的50 km范圍內(nèi)發(fā)生多次6級以上地震，其中在寧河縣境內(nèi)發(fā)生6級以上地震3次，最大為1976年11月15日6.9級地震，是地震較活躍的地區(qū)。

寧河臺有一口逸出氣觀測井，該井原為吃水井，井壁采用石棉套管。1976年唐山地震將井管錯斷，形成被活動斷層錯斷的潛水井。2015年6月11日實(shí)測井深64 m，水位埋深44 m。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)觀測，發(fā)現(xiàn)該井有斷層逸出的CO2和氫氣,可作為地下流體逸出氣觀測井。

為提高市綜合防御地震災(zāi)害能力，最大限度地減輕地震災(zāi)害損失，保障人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全和經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展，天津市地震局提出建設(shè)“十二五”天津市防震減災(zāi)綜合能力提升工程，寧河臺觀測井房建設(shè)為該項(xiàng)目子項(xiàng)之一。

2 觀測環(huán)境及供電系統(tǒng)建設(shè)

2.1 外墻保溫工程建設(shè)

2.1.1 改造背景

寧河臺逸出氣觀測井井房設(shè)備完善，網(wǎng)絡(luò)暢通，于2016年7月安裝RZW-1A型數(shù)字化二氧化碳觀測儀，9月21日安裝ATG-6118H痕量氫觀測儀器，運(yùn)行時段的數(shù)據(jù)連續(xù)完整。在試運(yùn)行期間，發(fā)現(xiàn)痕量氫氣體自2017年7月起井內(nèi)氫氣含量逐漸減少，嘗試不斷減小抽氣管距井口的距離，無明顯改觀。分析認(rèn)為可能與井房內(nèi)溫度變化有關(guān)，決定對觀測井房做外墻保溫。

2.1.2 改造過程

(1) 保溫用料。

用料有阻燃級別保溫板、抗裂型聚合物干粉砂漿和粘結(jié)型聚合物干粉砂漿、外墻柔性膩?zhàn)?、防水油氈、醇酸漆?/p>

(2) 施工過程。

將粘結(jié)型聚合物干粉砂漿按比例加水?dāng)嚢?，制成粘合劑。將粘合劑涂抹在保溫板背面，保溫板粘貼在外墻上。在保溫板涂抹一層抗裂型聚合物干粉砂漿，然后掛網(wǎng)格布，最后再次涂抹抗裂型聚合物干粉砂漿。屋頂鋪設(shè)保溫板，在保溫板上固定鋼絲網(wǎng)，安裝屋頂排水管路，屋頂鋪砂漿并找平，最后鋪設(shè)防水油氈。外墻刮膩?zhàn)觾杀?，待干后刷外墻漆?/p>

圖1 寧河地震臺測點(diǎn)地質(zhì)構(gòu)造圖Fig.1 Geological structure map of Ninghe seismic station

完成保溫改造后，痕量氫觀測數(shù)據(jù)有明顯上升。

2.2 三級供電系統(tǒng)建設(shè)

2.2.1 改造背景

寧河臺痕量氫井房有二氧化碳儀器和痕量氫儀器。二氧化碳儀采樣率是分鐘值，痕量氫儀采樣率是小時值。寧河臺痕量氫逸出氣水井的濃度曾出現(xiàn)過突升的現(xiàn)象。針對此問題，臺站分析人員經(jīng)過研討，認(rèn)為是由于臺站痕量氫逸出氣水井的濃度背景值較低，加上井口密封裝置不嚴(yán)，即使是產(chǎn)生氫氣較少的閥控式免維護(hù)鉛蓄電池充放電也會產(chǎn)生少量氫氣，使觀測室內(nèi)的濃度升高，影響痕量氫數(shù)據(jù)[7-8]。一直以來，寧河臺痕量氫井房的2套儀器未放置免維護(hù)鉛蓄電池。之后，做了兩次免維護(hù)蓄電池充放電實(shí)驗(yàn)，結(jié)果是免維護(hù)蓄電池充放電會產(chǎn)生氫氣，影響痕量氫濃度數(shù)據(jù)。在市電停電的情況下，為保證數(shù)據(jù)連續(xù)性，需要立即外接直流電瓶，在直流電瓶安裝期間會造成數(shù)據(jù)斷記，且連接后的觀測數(shù)據(jù)與之前市電下的也不能吻合，所以供電線路亟待改進(jìn)。

2.2.2 設(shè)計(jì)方案

以上述問題為背景，寧河臺設(shè)計(jì)了一套三級供電改造方案(見圖2)。

圖2 寧河臺供電系統(tǒng)示意圖Fig.2 Power supply schematic map of Ninghe station

(1) Ⅰ級供電。在市電交流220 V正常供電情況下，由配電室通過UPS電源供電至儀器。

(2) Ⅱ級供電。在市電交流220 V斷電情況下，由UPS電瓶組通過逆變供電至儀器。

(3) Ⅲ級供電。在市電交流220 V斷電、UPS電瓶組電量不足或發(fā)生故障的情況下，痕量氫井房外的庫房內(nèi)將已連接好的直流供電電瓶供電至儀器。(此供電模式只在極小的概率下啟用，一般情況為Ⅰ、Ⅱ級供電模式。)

由以上分析可知，設(shè)計(jì)方案可使痕量氫井房達(dá)到三級供電，確保痕量氫儀和二氧化碳儀的正常供電，從而使數(shù)據(jù)保持連續(xù)完整。

3 觀測結(jié)果分析

3.1 保溫工程后的觀測結(jié)果分析

2017年7月開始，痕量氫濃度維持在0.15 ppm左右，11月8日—10日痕量氫井房做外墻保溫，完工后，11日18：00開始，痕量氫濃度上升，維持在1 ppm左右，有正常數(shù)據(jù)曲線，無突跳。在2017年12月27日標(biāo)定后數(shù)據(jù)又出現(xiàn)下降，維持在0.5 ppm左右。經(jīng)與專家交流討論后認(rèn)為，出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因是由于儀器的氫傳感器靈敏度降低所致(見圖3)[9-10]。從數(shù)據(jù)曲線形態(tài)明顯可以看出較未做保溫之前的穩(wěn)定，氣量也較多，說明做保溫對痕量氫濃度改變起到了一定的效果。

圖3 外墻保溫后數(shù)據(jù)曲線Fig.3 Data curve of external wall after thermal insulation

3.2 供電改造后的觀測結(jié)果分析

2017年5月22日痕量氫觀測值快速提升，23日11時最高值達(dá)到12.529 ppm,25日觀測值逐步恢復(fù)到正常背景值(見圖4)。經(jīng)調(diào)研分析，5月21日因外線路檢修，造成臺站市電斷電12 h，儀器采用免維護(hù)鉛蓄電池供電。市電恢復(fù)后，儀器在市電220 V電壓下自動對電瓶充電，因鉛蓄電池充電會放出氫氣。雖然免維護(hù)鉛蓄電池電解液不會損失，不用添加蒸餾水，同時會抑制氫氣的析出。但是，此類電池在充電過程中仍會產(chǎn)生非常少的氫氣[7-11]，這種濃度的氫氣對于背景值較大的逸出氣井來說影響非常小，但是對于寧河臺這種背景值較小的水井類逸出氣井來說，基本可以達(dá)到1個量級的影響變化。

為進(jìn)一步驗(yàn)證免維護(hù)鉛蓄電池是否會產(chǎn)生氫氣，影響痕量氫濃度數(shù)據(jù)，寧河臺做了兩次免維護(hù)鉛蓄電池充電的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用12 V恒流穩(wěn)壓充電器對一塊免維護(hù)蓄電池進(jìn)行充電實(shí)驗(yàn)，得出濃度數(shù)據(jù)曲線(見圖5)。從圖中可以看出，在背景值為0.2 ppm濃度下，免維護(hù)蓄電池充電后有明顯的數(shù)據(jù)上升現(xiàn)象，并出現(xiàn)最高峰值為0.62 ppm。由此可見，對于寧河臺這種背景值濃度較低的逸出氣水井來說，即使是免維護(hù)鉛蓄電池釋放出非常少的氫氣，也會對痕量氫濃度數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。

2017年8月8日完成三級供電改造后，痕量氫井房內(nèi)在無直流供電蓄電池的情況下全年數(shù)據(jù)連續(xù)完整。2018年8月7日、8日下雷雨，為防止雷擊，臺站斷市電，痕量氫儀器由觀測樓內(nèi)UPS供電，數(shù)據(jù)連續(xù)、完整，無干擾影響(見第32頁圖6)，說明三級供電改造取得了明顯成效。

圖4 供電改造前氫氣濃度曲線Fig.4 Hydrogen concentration curve before power supply renovation

圖5 免維護(hù)鉛蓄電池充電實(shí)驗(yàn)Fig.5 Charging experiment of maintenance-free lead-acid battery

4 結(jié)論與討論

(1) 長時間連續(xù)觀測會使該儀器的氫傳感器靈敏度下降，因此，連續(xù)觀測至少6個月應(yīng)進(jìn)行一次標(biāo)定，以保證儀器觀測值絕對量的可靠性。

(2) 對于痕量氫觀測濃度背景值較小的水井類觀測點(diǎn)，井口的密封性尤為重要。寧河臺逸出氣井孔的密封做得不夠完善，鉛蓄電池充電所釋放的氫氣由于井口密封不嚴(yán)進(jìn)到井內(nèi)，造成數(shù)據(jù)干擾。因此，井孔的密封性有待進(jìn)一步改進(jìn)。筆者認(rèn)為，井口密封裝置應(yīng)由平板改為套筒形式，更易于結(jié)合處的密封固定，同時應(yīng)解決井孔直徑過大的問題，密封井蓋做變徑處理。

圖6 供電改造后氫氣濃度曲線Fig.6 Hydrogen concentration curve after power supply renovation

(3) 觀測井房外墻保溫完成后效果明顯，數(shù)據(jù)質(zhì)量有明顯改觀，工程改造取得明顯成效，可見溫度對于痕量氫濃度的觀測具有相關(guān)性。

(4) 鉛蓄電池的充電都會釋放氫氣，即使是閥控式免維護(hù)鉛蓄電池在充電過程中也會產(chǎn)生少量氫氣，這種濃度的氫氣對于背景值較大的逸出氣井來說影響較小，但是對于背景值較小的水井類逸出氣井來說，影響不可忽略。因此，對于背景值濃度較小的痕量氫逸出氣井，不能在觀測室內(nèi)對鉛蓄電池充電。

(5) 三級供電方案改造確保了痕量氫井房內(nèi)兩套儀器的供電連通率達(dá)到100%。在儀器正常運(yùn)行的情況下，不會因供電不足而缺記，更不會因直流電瓶的充放電對濃度數(shù)據(jù)造成干擾，確保數(shù)據(jù)的連續(xù)率和完整率的同時，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。