懷4井新舊自動(dòng)測(cè)氦儀比測(cè)分析

張 帆 楊竹轉(zhuǎn) 王 江

1）中國(guó)北京 100029 中國(guó)地震局地質(zhì)研究所

2）中國(guó)河北 075000 河北省地震局張家口中心臺(tái)

3）中國(guó)石家莊 050021 河北省地震局監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中心

0 引言

氦氣是惰性稀有氣體，質(zhì)量數(shù)小，滲透性和擴(kuò)散性強(qiáng)，在地球內(nèi)部不同深度，其含量不同，自地球內(nèi)部逸出后直接向大氣層擴(kuò)散，不再向地球內(nèi)部循環(huán)。在地殼深部地震的孕育與發(fā)生過(guò)程中，氦與地震活動(dòng)異常具有密切關(guān)系（孔令昌，1996；耿杰等，1998，1999；魏汝慶等，1999）。在鄰近地震發(fā)生階段，可以監(jiān)測(cè)到地殼淺部的地下流體中氦氣濃度發(fā)生明顯變化。因此，只要地下流體觀測(cè)井周圍存在孕震應(yīng)力場(chǎng)作用擠壓巖石，使巖石裂隙中富集的氦氣析出（孔令昌等，2007），使用測(cè)氦儀即可監(jiān)測(cè)到氦氣的變化。WGK-1 型測(cè)氦儀是根據(jù)氦的特殊物理化學(xué)特性，采用氦氣對(duì)石英的高滲透性原理，借助于真空學(xué)和電學(xué)，從而將測(cè)得的氦氣濃度變化以電信號(hào)形式輸出，在地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)分析中具有一定作用。

河北懷來(lái)后郝窯地震臺(tái)懷4井測(cè)項(xiàng)在多次地震前均有短臨異常出現(xiàn)，如1989年大同6.1級(jí)地震、1997 年懷安4.7 級(jí)地震、1998 年張北6.2 級(jí)地震、2002 年沙城4.4 級(jí)地震、2014年涿鹿4.3 級(jí)地震。2012 年，懷4 井配備WGK-1 型測(cè)氦儀（中國(guó)地震局地質(zhì)研究所研發(fā)）進(jìn)行氦氣監(jiān)測(cè)，觀測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和可靠性均達(dá)到地下流體學(xué)科要求，多年來(lái)積累了豐富的觀測(cè)資料。但是，測(cè)氦儀長(zhǎng)期運(yùn)行導(dǎo)致靈敏度下降，且數(shù)采偶爾出現(xiàn)故障，數(shù)據(jù)連續(xù)率降低。2019 年7 月，為了提高氦氣觀測(cè)完整率及觀測(cè)質(zhì)量，在懷4 井試運(yùn)行鄭州晶微科技公司研發(fā)的WGK-1 型測(cè)氦儀，運(yùn)行狀態(tài)較為穩(wěn)定，與舊測(cè)氦儀產(chǎn)出數(shù)據(jù)具有同步性變化特征。文中就新舊測(cè)氦儀動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性、內(nèi)在質(zhì)量及觀測(cè)曲線進(jìn)行對(duì)比分析，以驗(yàn)證懷4 井新WGK-1 型測(cè)氦儀觀測(cè)的可行性。

1 懷4 井概況

懷來(lái)后郝窯地震臺(tái)懷4井是河北省流體觀測(cè)手段較完善的高溫自流井，成井于1970年，構(gòu)造位置處于祁呂系東翼廣靈—狼山大斷裂帶北側(cè)（張鳳秋等，2005；寧海雯等，2018），位于祁呂系歪頭山—萬(wàn)家窯斷裂帶、新華夏系楊家山斷裂帶及NW 向施莊大斷裂帶交匯處（圖1），裂隙發(fā)育，熱水沿構(gòu)造破碎帶上涌。

圖1 懷4 井周圍地區(qū)斷裂分布Fig.1 Tectonic map in Huailai No.4 well and vicinity

懷4 井地面海拔487.0 m，井深500.34 m，位于后郝窯熱田區(qū)，觀測(cè)含水層為太古界片麻巖破碎帶熱水層，頂板埋深278.5 m（圖2）。2007 年9 月，對(duì)該井進(jìn)行井孔改造，核心措施為：開(kāi)挖深10 m 的豎井，降低觀測(cè)井泄流口高程，距主井管深度8.5 m 處引出一個(gè)泄流口，將主井水引流到豎井中，在距地面8.0 m 處設(shè)置氣氡和氣汞脫氣裝置及用于模擬觀測(cè)的水樣取樣口，以保障觀測(cè)井的水物理及水化學(xué)觀測(cè)，保證了數(shù)字化及模擬觀測(cè)資料的連續(xù)性（張常慧，2011）。2012年起采用WGK-1 型測(cè)氦儀（中國(guó)地震局地質(zhì)研究所研發(fā)，整點(diǎn)值采樣）測(cè)定觀測(cè)井逸出氣中氦氣含量變化。該測(cè)氦儀運(yùn)行正常，氦氣測(cè)值最低為0.01%，最高為0.03%，變化比較穩(wěn)定（宋曉冰等，2018）。

圖2 懷4 井地層柱狀圖Fig.2 Histogram of strata of the Huailai No.4 well

2 觀測(cè)儀器概況

2.1 觀測(cè)儀器性能參數(shù)

測(cè)氦儀性能優(yōu)劣可根據(jù)其主要技術(shù)指標(biāo)和參數(shù)判斷，性能參數(shù)包括儀器檢出限、測(cè)試精度、測(cè)試范圍和穩(wěn)定性等。新舊2 套測(cè)氦儀出廠技術(shù)指標(biāo)和參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。其中WGK-1 型測(cè)氦儀（晶微）實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)頁(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程時(shí)鐘校對(duì)、重啟等功能，便于遠(yuǎn)程維護(hù)及監(jiān)測(cè)。由表1 可見(jiàn)，WGK-1 型測(cè)氦儀（晶微）測(cè)試范圍與采樣率較高，而WGK-1 型測(cè)氦儀（地質(zhì)所）檢出限及測(cè)試精度較高。

表1 2 臺(tái)WGK-1 型測(cè)氦儀儀器性能指標(biāo)對(duì)比Table 1 Comparison of performance indexes of two WGK-1 helium measuring instruments

2.2 觀測(cè)儀器布設(shè)

懷4 井采用直接集氣方式進(jìn)行氦氣觀測(cè)，觀測(cè)系統(tǒng)布設(shè)示意見(jiàn)圖3。將觀測(cè)井井口至水面的井管靜空間作為集氣裝置，在主井上方井口處放置集氣漏斗，引出氣管至測(cè)氦儀傳感器，隨著水位的漲落，集氣體積發(fā)生變化，引起氦氣測(cè)值變化。2019 年7 月，將新測(cè)氦儀（晶微）串聯(lián)并行觀測(cè)（圖3），其中地質(zhì)所測(cè)氦儀（測(cè)點(diǎn)E）為整點(diǎn)值采樣，新測(cè)氦儀（測(cè)點(diǎn)h）為分鐘值采樣。

圖3 氦氣觀測(cè)系統(tǒng)示意Fig.3 Schematic diagram of the helium observation system

3 運(yùn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)

按照《地下流體專業(yè)技術(shù)設(shè)備評(píng)價(jià)》，分析測(cè)氦儀動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性及內(nèi)在質(zhì)量，其中：動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性要求一階差分值標(biāo)準(zhǔn)差≤0.2；內(nèi)在質(zhì)量應(yīng)保證一階差分序列超過(guò)3 倍均方差的百分比≤2%。

3.1 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性

標(biāo)準(zhǔn)差可以反映離散度和測(cè)量精度，標(biāo)準(zhǔn)偏差越小，表明儀器測(cè)量的數(shù)值離散度越低，精度越高，同時(shí)更能反映儀器的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性（郭麗爽等，2015；張秀萍等，2017）。選取2套測(cè)氦儀2019 年10—12 月并行觀測(cè)的氦氣測(cè)值（整點(diǎn)值），計(jì)算得到其一階差分標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 2 臺(tái)WGK-1 型測(cè)氦儀動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性對(duì)比Table 2 Comparison of dynamic stability of two WGK-1 helium measuring instruments

由表2 可見(jiàn)，WGK-1 型測(cè)氦儀（地質(zhì)所）一階差分值的標(biāo)準(zhǔn)差為0.002 4 ≥0.2，WGK-1 型測(cè)氦儀（晶微）一階差分值的標(biāo)準(zhǔn)差0.001 8 ≤0.2，說(shuō)明WGK-1 型測(cè)氦儀（晶微）動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性符合標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 內(nèi)在質(zhì)量

選取2019 年8 月1 日—2020 年7 月31 日2 套測(cè)氦儀氦氣測(cè)值（整點(diǎn)值），利用Mapsis 軟件，進(jìn)行逐月計(jì)算，分析二者觀測(cè)質(zhì)量，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 2 臺(tái)WGK-1 型測(cè)氦儀運(yùn)行質(zhì)量對(duì)比Table 3 Comparison of operation quality of two WGK-1 helium measuring instruments

WGK-1 型測(cè)氦儀（地質(zhì)所）氦氣測(cè)值一階差分值3 倍標(biāo)準(zhǔn)差分布在-0.008 9%—0.008 9%之間[圖4(a)]，超過(guò)3 倍標(biāo)準(zhǔn)差的平均次數(shù)為7 次，占比1.04%；WGK-1 型測(cè)氦儀（晶微）氦氣測(cè)值一階差分值3 倍標(biāo)準(zhǔn)差分布在-0.007 1%—0.0007 1%之間[圖4(b)]，超過(guò)3 倍均方差的平均次數(shù)為9 次，占比1.26%。2019 年10 月，新測(cè)氦儀傳感器高壓模塊放電，造成數(shù)據(jù)超差數(shù)量較多，2020 年3 月、4 月，由于WGK-1 型測(cè)氦儀（晶微）僅依靠電瓶直流供電，電瓶出現(xiàn)故障，造成數(shù)據(jù)連續(xù)率較低。數(shù)據(jù)對(duì)比可知，WGK-1 型測(cè)氦儀（晶微）一階差分序列超過(guò)3 倍均方差的比例≤2%。綜上判定，新測(cè)氦儀穩(wěn)定性和內(nèi)在觀測(cè)質(zhì)量均符合地下流體專業(yè)設(shè)備入網(wǎng)指標(biāo)，但需加強(qiáng)日常維護(hù)，此為提高內(nèi)在質(zhì)量和確保數(shù)據(jù)連續(xù)率的必要環(huán)節(jié)。

圖4 2 套測(cè)氦儀觀測(cè)數(shù)據(jù)一階差分Fig.4 The first-order difference of data observed by two helium measuring instruments

3.3 觀測(cè)曲線對(duì)比

為了確定數(shù)據(jù)的可靠性，選取2020 年2 月1 日—29 日新舊數(shù)字化測(cè)氦儀整點(diǎn)值曲線進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖5。因采樣率不同，清楚可見(jiàn)舊測(cè)氦儀觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線“毛刺”較多[圖5(a)]，動(dòng)態(tài)曲線不明顯，而新測(cè)氦儀觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線光滑[圖5(b)]，有一定動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，但2 套儀器產(chǎn)出數(shù)據(jù)具有同步性變化特征，表明觀測(cè)數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，能客觀反映懷4 井地下流體中氦氣的濃度變化。

圖5 2 套測(cè)氦儀整點(diǎn)值對(duì)比Fig.5 Comparison of hourly values of two helium measuring instruments

4 數(shù)據(jù)分析

選取2019 年7 月1 日至2020 年3 月31 日以來(lái)2 套測(cè)氦儀整點(diǎn)值觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合觀測(cè)環(huán)境條件，與氣溫、氣壓、水位測(cè)項(xiàng)散點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖6、圖7、圖8。

由圖6 可見(jiàn)，氣溫散點(diǎn)雖有差異，但整體呈負(fù)相關(guān)變化，表現(xiàn)為隨著氣溫的升高，2套測(cè)氦儀所測(cè)氦氣濃度緩慢降低。由圖7、圖8 可見(jiàn)，氣壓、水位影響作用相對(duì)較弱。通過(guò)對(duì)2 套測(cè)氦儀進(jìn)行比測(cè)，判定氣溫對(duì)氦氣觀測(cè)產(chǎn)生影響，在排除干擾因素的前提下，能夠提取更多地下流體信息（孔令昌，1991；王志惠等，2011）。

圖6 2 套測(cè)氦儀測(cè)值與氣溫散點(diǎn)圖Fig.6 Scatter diagram of measurements of two helium instruments and temperature

圖7 2 套測(cè)氦儀測(cè)值與氣壓散點(diǎn)圖Fig.7 Scatter diagram of measurements of two helium instruments and pressure

圖8 2 套測(cè)氦儀測(cè)值與水位散點(diǎn)圖Fig.8 Scatter diagram of measurements of two helium instruments and water level

5 結(jié)論

對(duì)懷4 井2 套WGK-1 型測(cè)氦儀進(jìn)行比測(cè)分析，得出以下結(jié)論：①由2 套測(cè)氦儀性能參數(shù)、運(yùn)行率及動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性、內(nèi)在質(zhì)量對(duì)比結(jié)果可知，WGK-1 型測(cè)氦儀（晶微）符合《地下流體專業(yè)技術(shù)設(shè)備評(píng)價(jià)》入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。2 套儀器產(chǎn)出數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，具有同步性變化特征，能客觀反映懷4 井地下流體中氦氣的濃度變化；②WGK-1 型測(cè)氦儀（晶微）為分鐘值采樣，數(shù)據(jù)信息量大，觀測(cè)數(shù)據(jù)日變化規(guī)則，能夠捕捉到更多更完整的地下流體信息；③在相同觀測(cè)條件下，結(jié)合氣溫、氣壓、水位等因素進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)2 套測(cè)氦儀產(chǎn)出數(shù)據(jù)與氣溫變化存在負(fù)相關(guān)性。

新測(cè)氦儀使用時(shí)間較短，尚需較大范圍的試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用檢測(cè)。今后應(yīng)加強(qiáng)日常維護(hù)，避免電源故障及高壓模塊放電對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響。