2.1 仪器设置
映秀地震台使用ATG-6118H型痕量氢在线分析仪进行实验观测,仪器检出限为0.01×10-6(0.01 ppm),测量范围0.01～5 000 ppm,平均相对误差δ≤5%、线性回归直线相关系数γ2≥0.996。每次采样前,抽气泵先将气路中的残余气体抽排到空气中,再将新气体样品采集到检测单元测试氢浓度。检测工作流程为:抽气排空→采样→检测。该仪器配置环境气温传感器和气压传感器,同步给出氢浓度、气温和气压观测值。
映秀地震台观测井上盖有观测房,ATG-6118H型痕量氢在线分析仪放置于观测房内的井孔旁边,采样气路由外直径3 mm、内直径2 mm、长0.2 m的聚四氟乙烯管转接外直径6 mm、内直径为4 mm、长0.6 m的聚四氟乙烯管组成,采样端伸至井下0.3 m。通信采用无线通信方式,可远程完成数据采集与仪器控制。
ATG-6118H型痕量氢在线分析仪的测量时间间隔可设置为10,20,30,60,120 min,设置采样间隔为60 min,即整点采样,采样时间设置为30 s。由于观测井孔安装有静水位与水温观测设备,因此井孔未做密封处理,采样端直接安放至井孔内并固定,直接抽取井孔内逸出气进行氢浓度测定。
2.2 数据分析
仪器安装后工作状态稳定,数据记录连续、完整。氢浓度日均值为1.5～2.8 ppm,每日最高值可达2～9 ppm,高于空气值几倍至十几倍,最低值为0.3～0.5 ppm,最低值与空气背景值相当。与范雪芳等(2014a,b)在山西中条山山前断裂5个土壤逸出氢观测点和川滇国家地震预报实验场项目在安宁河断裂带与则木河断裂带上的5个野外断层土壤逸出氢观测示范点观测到的氢浓度背景值数据(柯云龙等,2018)进行对比发现,映秀地震台井孔逸出氢浓度的背景值明显偏高(表1),且日变幅较大。
以2018年9月12—16日的数据为例,用ATG-6118H型痕量氢在线分析仪产出的氢气浓度、
表1 不同测点氢气浓度对比
Tab.1 Comparison of hydrogen concentration at different measuring points
图1 2018年9月12—16日氢浓度与气压(a)、水温(b)、静水位(c)、气温(d)对比曲线
Fig.1 Comparison curves of hydrogen concentration with air pressure(a),water temperature(b),static water level(c)and air temperature(d)from Sep.12 to Sep.16,2018
图2 2018年12月氢浓度(a)、气压(b)、静水位(c)、气温(d)观测曲线
Fig.2 Curves of hydrogen concentration(a),air pressure(b),static water level(c) and temperature(d)on Dec.,2018
(1)映秀地震台井孔逸出氢浓度动态平稳,有明显的日变规律,日变形态为光滑的双波曲线形态。由图1可见,每日上午5时左右氢浓度达到第一高值后开始逐步下降,上午11时左右降至第一低值后逐渐增加,下午17时左右达到第二高值后下降,至23时左右为最低值,如此循环。每日最低值为0.3～0.5 ppm,接近于空气值,最高值高于空气值几倍至十几倍,在2～9 ppm浮动,日变幅较大。
(2)实验观测相同时间段内氢浓度与气压测值出现准同步现象,曲线变化形态基本一致,但方向相反,即在气压最高值附近,氢浓度最低,气压最低值附近,氢浓度最高(图1a)。
(3)从图1b可看出,在测试期间水温一直保持17.168 ℃左右的稳定变化,但氢浓度有明显起伏变化,两者之间的关联性不大。图1c,d显示,氢浓度与静水位、气温有一定的相关性,但相关性较小。
(4)从图2可以看出,在地震平静期月尺度及更长时间尺度上,氢浓度在0.3～9 ppm起伏波动,没有出现随气温、气压、静水位的趋势性变化。3 逸出氢井孔观测可行性分析
为了进一步验证水位观测井开展井孔逸出氢观测的可行性,笔者在实验观测期间分别进行了测点空气背景值观测实验、井口与井下5 m不同采样深度逸出氢观测实验、不同仪器对比观测实验。由于映秀地震台气温、水温、静水位对氢气浓度影响不显著(图1b～d),因此,主要通过氢浓度与气压关系分析氢观测结果的可靠性。
3.1 测点空气背景值观测实验
在测点仪器安装调试阶段,首先进行空气背景值的测试。仪器开机预热稳定后不连接井下气路,直接抽取观测室空气进行测定,采样间隔设置为30 min,采样时间设置为30 s,观测5组测值,测得氢浓度平均值为0.503 ppm。连接井下气路正常观测一段时间后,再次断开井下气路,观测24 h,对室空气值进行观测,测得氢浓度平均值为0.537 ppm,空气测值变化平稳,未表现出与气压的相关关系(图3)。测点空气背景值实验结果证明仪器工作正常,不受气压影响。
图3 空气背景值观测实验中氢浓度与气压对比曲线
Fig.3 Comparison curve of hydrogen concentration and pressure in air background observation experiment
3.2 井下不同采样深度观测实验
仪器首次调试安装设置如下:气路总长度为0.8 m,井下深度为0.3 m,采样间隔60 min,采样时间30 s。安装完成后,氢浓度曲线显示氢浓度出现规律的日变特征,其形态为光滑的双波曲线,与气压数据曲线形态相似、方向相反。2018年9月17日,更改气路长度,气路总长5.5 m,井下深度5.0 m,采样间隔60 min,采样时间30 s。观测发现,井下深度为0.3 m和5.0 m,氢浓度变化不大,观测曲线形态相似,呈现与气压反向变化的日动态特征(图4)。
此实验结果说明测点在井口与井下5.0 m观测到的氢浓度相当(表2),观测井中的氢浓度与气压有较明显的相关关系。
表2 不同采样深度氢浓度对比
Tab.2 Comparison of hydrogen concentration at different depths
图4 不同采样深度氢浓度与气压对比曲线
Fig.4 Curves of hydrogen concentration and pressure at different depths
3.3 不同仪器对比观测实验
笔者于2019年1月14—15日进行了ATG-3000型便携式测氢仪与ATG-6118H型痕量氢在线分析仪对比观测实验。这两种仪器为同一厂家生产,便携式测氢仪主要用于大气、水和沉积物中痕量氢的野外流动观测或现场测定,特点是体积小、灵敏度高、功耗低、数据自动存储、操作简单。仪器检出限为0.005 ppm,测量范围0～1 000 ppm,平均相对误差δ≤10%、相关系数γ2≥0.996。
实验过程中断开ATG-6118H分析仪井下气路,原气路连接至ATG-3000测氢仪进行观测。ATG-3000测氢仪采样间隔设置为60 min,采样时间设置为30 s,观测持续24 h。图5b显示氢浓度曲线依然清晰地记录到了气压的影响,测值与气压测值出现准同步反向变化,与ATG-6118H分析仪观测到的动态相似(图5a)。
不同型号的氢观测仪器对比观测实验证明,水位观测井可以观测到氢浓度变化的动态特征,这对于获取地下岩石介质在构造活动中氢气释放特征具有重要意义。
