宁河地震台痕量氢观测干扰分析

李恩建　东得淼　孙嘉良　谷茂龙　冯克存

摘 要：采用ATG-6118H痕量氢在线自动分析仪，监测宁河地震台观测井内氢气浓度变化，针对数据异常突跳、背景值突升问题进行分析研究，查找问题根源，为地震预报提供连续、准确、可靠观测数据奠定基础。

关键词：痕量氢；观测干扰；分析

中图分类号：P315.7 文献标志码：A 文章编号：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

近年来地震活动频繁，地震科学者尝试使用各种物理量监测方法来探索在地震预报方面有所突破。氢气是一种活动性较强的气体，是断层破裂处较早溢出气体之一，是地震预报重要监测技术指标之一。

作为一种新型观测技术，痕量氢观测逐步在全国推广应用。为探索使用断层氢气浓度监测、预测地震的新方法，山西夏县地震台采用 ATG-6118H 痕量氢在线自动分析仪，在中条山断裂上开展定点连续观测，并针对野外环境下仪器的稳定性、适宜条件等进行相关实验，结果表明：在断裂带上利用设备进行氢气浓度的连续观测，技术上是可行的（范雪芳等，2014）。痕量氢自动分析仪稳定性好、灵敏度高，能够记录到连续可靠的观测数据，可以满足地震前兆监测对断裂带深部氢气正常动态痕量变化观测的要求（范雪芳等，2015）。通過对观测点位置、集气装置以及集气孔深度等观测条件的试验研究，给出使用痕量氢在线自动分析仪进行断层气观测的技术方法（范雪芳等，2014）。河南省地震局在朱夏-商丹断裂带南阳地区布设独山、马山口2个氢气观测台，研究设备取气深度、抽气时间设置长短对观测断层氢气浓度的影响，实验结果表明：（1）取气深度越浅，观测到的氢气浓度越高，日变化幅度越大；（2）集气管内氢气浓度偏低时，抽气时间设置略高于导气管路排空时间，氢气浓度明显变化，否则变化不明显。

为提高天津市防御地震灾害的能力，最大限度减轻地震灾害损失，保障人民群众生命财产安全和经济社会可持续发展，天津市地震局提出“十二五”天津市防震减灾综合能力提升工程，宁河台增上痕量氢观测作为该项目子项之一。

1 观测井情况

宁河台痕量氢观测井原为日常生活用水井，1976年唐山地震后井管错断，井水变质后废弃。2015年6月实测井深64m、水位埋深44m，井孔直径40cm，井管是石棉管，使用在线式痕量氢观测仪在井口测试，井孔内存在氢气溢出情况。井管在距离地面1-3m处有破损，对距地面3m以下破损井管修复，采用厚壁PVC管与石绵管连接，PVC井管露出屋内地面30cm，井口采用雅克力板密封，中间开导气孔，将导气管从导气孔插入井内，导气孔直径4mm，井下导气管长0.5m，另一端与仪器后面板in口连接。

2 仪器概况

宁河台痕量氢观测仪器是杭州超距科技有限公司研制的ATG-6118H 痕量氢在线自动分析仪，该仪器广泛用于大气、水和沉积物中的痕量氢的现场快速测定。该系统独特创新之处是，可以在现场对相关样品进行全自动分析测定，具有体积小、灵敏度高、低功耗、易操作等特点，并可通过网络远程提取数据，处理和分析结果。

3 干扰分析

3.1 无规则突跳变化

3.1.1 观测初期数据观测情况

宁河地震台痕量氢观测仪于2016年9月21日安装，仪器采样率1次/小时，每次采样时间30s。仪器安装初期，由于井口密封不严，数据呈无规则变化，并且痕量氢浓度值较低，背景值在0.1ppm左右，为了减小室内环境对观测的干扰，对井口密封板采用塑料胶条进行密封，密封后痕量氢观测值略有提高，但观测数据呈上下突跳变化，无规律可寻。变化曲线见图1。

3.1.2 仪器稳定性能检验

为了排查痕量氢观测仪是否存在问题，对仪器进行标定检验，标定的目的是用于检验仪器的稳定性能（苏凯之，1997）。分别用1ppm、5ppm、10ppm、100ppm、1000ppm 5组标准气体进行标定，标定结果见表1。

根据表1相关数据，计算该设备的线性回归直线相关系数r2为0.9976，仪器出厂校测值r2为0.9997（r2≥0.996 符合断层氢气规范要求）。从标定结果证明仪器工作正常。

3.1.3 调整导气管深度

针对数据不稳定问题，对井口密封、观测环境、观测系统逐一进行检查，未发现明显问题。查阅相关文献，范雪芳在做断层氢气浓度观测技术试验研究指出，观测深度对氢气浓度的背景值变化及动态变化有一定的影响（范雪芳，2014），2017年3月14日经研讨决定改变抽气深度，尝试对观测值不稳定问题是否有所改变。仪器安装时，将导气管投入密封盖下0.5m处，此次决定加长导气管，将导气管投入密封井盖下7m试验观测。经一段时间试验观测，痕量氢观测值逐渐趋于稳定，且背景值在0.8ppm。

3.1.4 探讨分析

宁河台痕量氢观测通过改变导气管在井孔内深度，使得痕量氢观测背景值稳定，初步分析氢气在井孔内距离井口太近，有可能观测值受室内温度和气压因素等外界因素影响。氢气虽然是质量最轻的气体，但在井内氢气受外界因素干扰，有可能在某一层位会达到平衡且稳定。通过改变导气管深度，从而达到观测值稳定。

3.2 痕量氢突升变化

3.2.1 痕量氢突升变化特征

2017年2月14日，痕量氢背景值突然提升，2月19日17时最高值达到5.467ppm，截止到2月23日，痕量氢观测值一直处于高值状态，之后数据逐渐恢复至正常背景值。2017年5月22日观测值再次快速提升，5月23日11时最高值达到12.529ppm， 5月25日观测值逐步恢复到正常背景值。（见图3）

3.2.2 问题分析

2017年2月13日至2017年2月14日对痕量氢观测仪现场标定，标定结果合格，证明仪器工作正常。标定工作完成后，痕量氢观测值出现突升变化，对应室温和气压进行分析，分析结果表明，痕量氢浓度与温度存在正相关关系，与气压存在负相关关系，但在痕量氢突升时段，观测室温度和气压未发生突升突降变化。在问题排查过程中发现，在对仪器标定后将标定用铝箔采样袋放置在观测室内，观测值升高有可能观测室温度升高，造成采气样袋内残留标准器释放到观测室内，改变了观测环境造成痕量氢浓度值升高。清除室内采气样袋并对室内通风处理，观测值恢复正常背景值。

2017年5月22日痕量氢观测值快速提升，5月23日11时最高值达到12.529ppm， 5月25日观测值逐步恢复到正常背景值。经分析，5月21日因外线路检修，造成台站市电断电12个小时，仪器采用直流电瓶供电。市电恢复后，仪器自动对电瓶充电，因电瓶采用酸式电瓶，充电会放出氢气，造成观测室内氢气浓度值升高，致使氢气浓度抬升。

3.2.3 漏氣检验

针对以上两次氢气浓度抬升情况，初步判断观测仪器导气部分存在密封不严问题，从而影响痕量氢观测数据变化。2017年5月31日，采用在观测室内泄放高浓度标准气，人为改变观测环境，做痕量氢导气管漏气试验，以验证仪器导气管路是否存在漏气问题。试验数据如表2。

对实验数据分析，证明仪器抽气管路存在漏气现象，仔细检查井盖密封情况、各个导气管接口、导气管与仪器连接处和滤尘器连接口，最后检查发现滤尘器连接口处松动不严，与厂家联系邮寄滤尘器连接口并更换。为了检验导气管部分是否仍存在漏气问题，2017年6月8日再次使用标准气改变室内氢气浓度的方法进行实验。实验数据见表3。

实验结果表明，导气管漏气问题得到明显改善，但仍存在密封不严问题，与厂商联系，厂商回复设计仪器时已经考虑到了外部环境对测量的影响，气路内的配件材料易老化，需要考虑可更换性，可更换的器件都会有接口，接口地方的微漏就无法避免，只能尽量减小。没有非正常高浓度干扰源（比如蓄电池充放电时放出的大量氢气）的情况下，外部的浓度对仪器测量的影响是可以忽略不计的。

为了减少因充放电电瓶释放氢气问题，台站采取将蓄电瓶移除室外，使用观测楼内UPS直接对仪器供电。经实验观测，痕量氢观测值恢复正常背景值。

4 结论及讨论

通过对宁河地震台痕量氢观测资料分析可以得到以下结论：

（1）电瓶充电会产生氢气，从而造成观测室内氢气浓度升高，改变观测环境导致观测值不稳定，因此仪器供电电瓶尽量与观测室分开。

（2）在仪器标定检测过程中和标定后，严禁标准气泄露事件，人为造成观测室环境发生改变，影响痕量氢观测正常观测。

（3）痕量氢观测值在井内不同深度，观测值存在一定的变化，在投入观测前，最好进行梯度测试，寻找最佳测试深度。

由于宁河地震台痕量氢观测时间相对较短，在仪器投入观测以来，台站及周边未发生有感地震，观测井映震能力还需时间的检验。

参考文献：

[1]范雪芳，等.断层氢气浓度观测技术实验研究[J].中国地震，2014，30（1）：43-54.

[2]范雪芳，等.痕量氢连续观测仪稳定性分析[J].中国地震，2015，31（1）：36-44.

[3]苏恺之，刘瑞民.地震前兆观测仪器标定问题的探讨[J].地震地磁观测与研究，1997，18（5）：85-90.

[4]谢恒义，等.断层氢气技术实验[J].地震地磁观测与研究，2018，39（4）：176-182.

[5]黄春玲，王向阳.夏县地震台痕量氢观测技术与地震关系研究[J].地震地磁观测与研究，2012：130-136.