張道口地震臺(tái)關(guān)于開展氦氣觀測的研究

吳博洋 李赫 姚蕾 宋田 姚新強(qiáng)

摘 要 近年來，張道口地震臺(tái)由于周邊環(huán)境影響及自身井孔原因，導(dǎo)致院內(nèi)兩口觀測井的水物理觀測項(xiàng)目大幅減少，基于對觀測站的發(fā)展及人才培養(yǎng)，應(yīng)增設(shè)新的觀測項(xiàng)目。本文對站點(diǎn)開展氦氣觀測進(jìn)行了初步研究。

關(guān)鍵詞 環(huán)境影響;發(fā)展;氦氣觀測

引言

天津市張道口地震臺(tái)是國家地下流體基本臺(tái)（臺(tái)站編碼ZDK，臺(tái)站代碼12002），位于天津市西青區(qū)大寺鎮(zhèn)門道口村（經(jīng)度117.2147度 緯度39.0125度）。本臺(tái)始建于1977年，1978年完成基建，占地面積7100m2，各類房屋建筑面積為2040m2。地質(zhì)構(gòu)造位于滄東大斷裂分支的白塘口西斷裂帶上。原先本臺(tái)承擔(dān)著2口井，5個(gè)測項(xiàng)的觀測任務(wù)。分別是張道口-1井（熱水井）、張道口-2井（涼水井）。

張道口-1井成井于1975年8月，成井深度1406.13m，2000年實(shí)測深度1150m，水溫垂直梯度為5℃/100m。張道口-2井距離張道口-1井約70m，井深323m。水溫垂直梯度為4℃/100m。目前，張道口-2井已停測，張道口-1井還在繼續(xù)承擔(dān)著3個(gè)項(xiàng)目的觀測。

1氦氣基本情況

氦（He）在自然界中有兩種穩(wěn)定同位素He3和He4。在地球氦氣流平衡中 ，一般可分為3種成因的氦 ：

（1）原生的（地幔）氦（He），是地球形成時(shí)從宇宙星云中帶來的，較富集He3，主要集中在地球內(nèi)部 ，也即捕獲He或地幔He。

（2）放射性成因（地殼）氦（He），主要是放射性元素鈾（U）、釷（Th）的衰變產(chǎn)生的，其富集的數(shù)量與時(shí)間的長短及鈾（U）、釷（Th）的濃度成正比，其同位素以He4為主。

（3）宇宙成因氦（He），是宇宙射線照射到鋰礦產(chǎn)生的。

在地球中分布的氦主要以放射性成因He3和地幔He4為主。He3與He4的比值在地球不同圈層中相差很大 ，在大氣圈中為1.399×10-6，在 地殼中為10-9–10-6，而在地幔中高達(dá)10-5–10-4。

氦（He）是原子序數(shù)為2的惰性稀有氣體，無色、無味，由單原子組成 ，它的外圍電子層已飽和 ，具有反磁性 。正常情況下不與其他元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng) ，氦的比重小 ，所以氦有極強(qiáng)的擴(kuò)散滲透能力，空氣中氦氣的含量很低 ，大約是氬氣的1/1880[1]。

2映震機(jī)理初探

地下逸出氣作為地震的短臨前兆觀測項(xiàng)目之一 ，具有牢靠的物理基礎(chǔ)與充分的理論依據(jù)。地下水溶解氣中的氦，是地震水化前兆中的較好測項(xiàng)。

He具有質(zhì)量輕、粒徑小、滲透與擴(kuò)散力極強(qiáng)的特性。地殼中的氦，主要分布在礦物的晶體或巖石空隙中，礦物晶體中氦氣被束縛在晶格中，只有在品格被破壞才能釋放出來，地殼介質(zhì)受到力的破壞作用而使巖石孔隙增大，促使其釋放與遷移。

He是地殼深部產(chǎn)生的氣體，在地殼的分布是深部多淺部少，在臨近地震發(fā)生階段，在地殼淺部往往可以觀測到地下流體中氦氣濃度的明顯變化。氦是惰性氣體，在擴(kuò)散和遷移過程中不參與化學(xué)反應(yīng)，氦的異常只能是地殼應(yīng)力場作用所致[2-4]。

1986年6月13日烏魯木齊5.0級地震及1991年6月6日和靜5.2級地震前He含量均有明顯突升的變化。

在地震科學(xué)研究中，人們正是利用氦所特有的地球化學(xué)行為來捕捉地震活動(dòng)的各種前兆信息。認(rèn)真研究氦異常與地震的對應(yīng)關(guān)系，對地震預(yù)報(bào)探索研究具有一定的意義 。

3全國氦氣評比情況

目前，國家9個(gè)省都在進(jìn)行氦氣觀測，數(shù)據(jù)庫報(bào)數(shù)共有20個(gè)測項(xiàng)，2019年度全國參評共有16個(gè)測項(xiàng)參評。基于氦氣在映震方面的優(yōu)勢，未來氦氣觀測會(huì)在全國更多的省市開展。

4天津地區(qū)氦氣濃度觀測的現(xiàn)狀

2006年之前王三井、王四井屬于張道口地震臺(tái)子臺(tái)，王三、王四井觀測數(shù)據(jù)曾在80，90年代產(chǎn)出大量連續(xù)、可靠的高質(zhì)量的觀測數(shù)據(jù)，在全國資料評比中和天津市地震局資料評比中獲得輝煌的成績。培養(yǎng)出一批專家、學(xué)者。對1969年渤海地震、1975年海城地震、1976年唐山地震做出一定程度的預(yù)報(bào)。由于多方面的原因2006年之后張道口水化學(xué)實(shí)驗(yàn)室搬遷至寶坻地震臺(tái)，王3、王4井成為寶坻地震臺(tái)子臺(tái)。張道口從2006至今只有水物理觀測項(xiàng)目。

目前，天津地區(qū)只有寶坻地震臺(tái)進(jìn)行水化實(shí)驗(yàn)、對氦氣濃度進(jìn)行數(shù)字化觀測。屬于天津市地區(qū)的一只獨(dú)苗，從全國評比的情況看，在氦氣觀測方面天津市地震臺(tái)在全國范圍內(nèi)處于相對劣勢的地位。開展氦氣觀測勢在必行。

5研究內(nèi)容和實(shí)施方案

張道口-1井增設(shè)兩臺(tái)測氦儀器，一臺(tái)用于觀測，一臺(tái)作為備用。對氦氣濃度進(jìn)行連續(xù)的、可靠的數(shù)據(jù)觀測。目前，張道口-1井水位在150m左右?？蓪y氦儀器探頭投入水面以下20m（距井口170m）進(jìn)行觀測。以20m位置為基準(zhǔn)點(diǎn)上下浮動(dòng)5m。每個(gè)觀測點(diǎn)進(jìn)行為期一個(gè)月的連續(xù)觀測，確定一個(gè)相對穩(wěn)定的觀測點(diǎn)。之后再進(jìn)行連續(xù)三個(gè)月的觀測，從而獲得一個(gè)基本的背景值。對之后的觀測提供重要的材料依據(jù)。觀測儀器可采用鄭州晶微電子科技有限公司生產(chǎn)的WGK-1型自動(dòng)測氦儀[5]。

6WGK-1型自動(dòng)測氦儀儀器工作原理及主要技術(shù)指標(biāo)

6.1 工作原理

通過滲透壁滲入的氦量與滲透壁外面的氦濃度有關(guān)，地下水中的氦濃度越高，在一定的條件下滲入的氦就越多，它們存在下列關(guān)系：

Q = KAp/d? d、A和K均為常數(shù)。因此，Q只與p有關(guān)，且成正比關(guān)系

Q為氦氣滲入石英滲透膜內(nèi)部的量;

p為石英滲透膜內(nèi)外兩側(cè)的氦濃度差;

d為石英滲透膜厚度;

A為石英滲透膜面積;

K為氦對石英的滲透系數(shù);

6.2 主要技術(shù)指標(biāo)

測量靈敏度：為延長傳感器使用壽命，根據(jù)井點(diǎn)氦的含量來確定

氦含量<0.1000%，測氦靈敏度≤0.0010%;

氦含量≥0.100%，測氦靈敏度≤0.0015%;

測量精度：相對標(biāo)準(zhǔn)誤差≤5%;

測量范圍：0.0015～1.5000%;

采樣率：1次/分鐘;

測量方法：相對滲透法;

儀器穩(wěn)定性：≤±15%（在溫度、濕度一致的情況下）;

運(yùn)行環(huán)境溫度： 0～50℃;

電源電壓：AC 160～240V;DC 12（9～18）V，交直流自動(dòng)切換。

7現(xiàn)有人才

目前觀測站具有高工一名，工程師兩名，助理工程師2兩名。人才結(jié)構(gòu)分布合理。觀測人員多年從事地下流體監(jiān)測工作，動(dòng)手能力較強(qiáng)，在流體觀測方面有較扎實(shí)的基礎(chǔ)。并多次申請國家及局內(nèi)項(xiàng)目課題。并發(fā)表多篇學(xué)術(shù)論文。

8結(jié)束語

張道口地震臺(tái)周邊由于近年城市化建設(shè)大范圍開展，導(dǎo)致水溫、水位觀測數(shù)據(jù)嚴(yán)重受到影響。由原來的兩口井（-1井、-2井）進(jìn)行觀測，變成現(xiàn)在一口井觀測，成為本臺(tái)的一只獨(dú)苗。對臺(tái)站的發(fā)展帶有一定影響。以張道口-1井為例水位從90m（2004年）下降至150m（2020年）。目前仍在下降，很多測項(xiàng)由于觀測環(huán)境的原因被迫停側(cè)，導(dǎo)致張道口地震臺(tái)測項(xiàng)減少，業(yè)務(wù)大量減少，不再有當(dāng)年的輝煌，由于臺(tái)站周邊存在諸多小斷裂帶，基于張道口未來長期發(fā)展的需要，及對后備人才的培養(yǎng)，根據(jù)張道口臺(tái)自身的條件，再創(chuàng)以往風(fēng)采，建議在張道口臺(tái)增設(shè)氦氣濃度的觀測。

并且隨著觀測的不斷深入，將來會(huì)在滄東斷裂帶或海河斷裂帶兩側(cè)建立若干個(gè)觀測點(diǎn)，進(jìn)行定點(diǎn)連續(xù)觀測和定點(diǎn)定時(shí)流動(dòng)觀測。

參考文獻(xiàn)

[1] 李圣強(qiáng)，杜建國.氡，氦等氣體地球化學(xué)在地震科學(xué)研究中的進(jìn)展[J].地球科學(xué)進(jìn)展，1998，13（3）：238-245.

[2] 孔令昌，王桂清，王志敏，等.觀測井中氦含量異常與地震關(guān)系的研究[J].地震地磁觀測與研究，2007，28（6）：32-36.

[3] 魏汝慶，陳其鋒.聊古一井逸出氣氦數(shù)字化觀測資料分析及其映震能力的初步研究[J].地震研究，2001，24（2）：121-124.

[4] 魏汝慶，王華，陳其鋒.氦的年動(dòng)態(tài)異常與地震的關(guān)系[J].地震地磁觀測與研究，2000，21（2）：63-66.

[5] 孔令昌，王桂清，王志敏，等.WGK-201型測氦儀的研制與應(yīng)用[J].分析儀器，2001，（3）：10-12.

作者簡介

吳博洋（1984-），男，天津人;職稱：助工，現(xiàn)就職單位：天津地震局，研究方向：地下流體監(jiān)測。