地热活动与晚近时期构造活动、岩浆活动、地震活动等因素紧密相关。温泉是地热活动的直接表现形式之一(高玲,魏海泉,2018),我国的高温温泉主要分布于板块边缘、构造活动强烈地区以及第四纪火山活动地区(何小芊,龚胜生,2013; 魏费翔等,2018; 章鸿釗,1935)。温泉水中常含有大量的H₂S,其浓度在地震前会发生变化。海城地震后曾有报导:“地震前,出现一种‘地味'的异常现象,群众不断嗅到有怪味的气体,象六六粉味,H₂S味,使人感到心闷不舒”,在一些国内外大震中也有类似的现象出现(中国地震局监测预报司,2010; 程万正等,2010)。以上表明,H₂S在特定的地质环境中有可能成为地震前兆观测对象。目前,H₂S与地震前兆的关系在国内外已得到广泛关注,并开展了许多观测与研究工作(Sudhir et al,2012; 周晓成等,2012; 陈志等,2014; 钟天任等,2021; 秦双龙等,2022; 颜玉聪等,2022; 杜桂林等,2012)。

H₂S主要来源于含硫有机质的分解、硫酸脱硫作用和火山喷发物。各种成因的H₂S出露于地表,很快在空气中氧化成S及SO₂等,使准确取样测试增加了难度(孙香荣,1984)。H₂S是化学活泼性气体,地震前可观测到地下水中H₂S浓度有明显的变化(王玉兰,1989)。自1973年开始,新疆地区逐步开展了地下水中硫化物的测量工作,并在观测技术、观测环境和干扰因素等方面进行了系统的研究,积累了不少可靠的震例和资料(高小其等,2001)。1996年1月9日新疆沙湾南5.2级地震前1天,新25号温泉水中H₂S浓度突跳增大至 26.4 mg/L,新10号泉H₂S浓度突降到1.94 mg/L(正常值为2.5～3.5 mg/L)。根据以上前兆异常特征,王道等(1997)提出了震前预测意见。新疆地区地下水中的H₂S组份与水氡一样,已经成为新疆地区预报地震的主要指标之一(蔡仲琼等,1982; 李凡德,胡光举,1998; 邱楠生等,2022; 王道等,1999),新疆也是全国唯一开展日常H₂S地震监测项目的地区。

硫化物的化学测试方法主要采用碘量法,由于该方法要求具备化学分析测试实验室条件和专业的分析测试人员,因而限制了其推广和发展。因此,只能在乌鲁木齐周边的新04号、10号泉和新25号泉开展H₂S的日常地震监测工作。但由于新25号泉距沙湾县城78 km,该观测点因无人值守,无法开展H₂S观测。鉴于此,本文介绍了新疆新25号泉开展H₂S自动观测的技术方案及试验应用,为温泉H₂S观测项目的技术升级积累经验。

新25号泉位于沙湾县南金沟河热水泉子,构造上处于北天山伊连哈比尔尕褶皱构造带。温泉出露于NW向与近EW向2组断裂的交汇部位,地下热水沿断裂破碎带上涌,形成局部地热异常区,分布有9个温度不等的温泉出口,如1号浴池、河东鸡蛋泉等。含水层为中石炭系前峡组凝灰岩、凝灰质粉砂岩、凝灰砂岩。目前,此温泉区已被沙湾县开发为疗养院(711医院)。

新25号泉观测点最早设在河东鸡蛋泉,有水位和水温观测2个测项,但因夏季洪水该泉常被淹没而终止观测。1988年观测点移到1号浴池,水温为48 ℃,涌水量为3 L/s,pH值为8.1,矿化度为0.5 g/L,富含H₂S气体,硫化物总量为23.4 mg/L。1994年,该观测点增加H₂S观测测项,水温和H₂S浓度动态变化稳定,年周期变化不明显。2018年由于温泉开发导致1号浴池泉水断流。2020年对河东鸡蛋泉进行改造,将自动观测设备安装在该泉上,该泉不再受开发影响。由于河东鸡蛋泉原来在河边,受河水影响很大,后将其改造为一封闭的蓄水窑,留有溢水孔,上面为窨井盖,深度约为4 m,如图1所示。2021年11月开始在鸡蛋泉开展硫化氢气体自动观测实验。

图1 新25号泉自动观测示意图
Fig.1 Schematic diagram of the automatic observation of No.25 Spring of Xinjiang

试验选用的漂浮式脱气-集气装置,脱气效率高、气量大、速度快,不到1 h即可达到气体稳定状态。H₂S传感器反应灵敏,稳定时间小于1 min,每2 min检测一次,即2 min即可得出1个观测值。通过无线4G方式将观测结果上传到仪器生产厂的环析云平台上(图6),在平台上可以实时看到仪器的工作状态和观测曲线,并导出Excel格式的数据供使用。

图6 环析云平台屏幕截图
Fig.6 A screenshot of the cloud platform for environmental analysis

从图7a可以看出,2021年11—12月,H₂S观测曲线出现多次因气路堵塞和停电造成的数据低值或0值的情况。如停电时仪器停止工作,无记录数据,而气路堵塞时,H₂S观测数据会出现一个渐变降低的过程。2022年对观测装置和供电进行了改造后,观测状态明显好转。H₂S观测数据从2022年开始基本连续,但从2月初开始逐渐下降,一直下降到0,经排查发现是因为新疆地区正处于冬季,2月温度最低,气路水蒸汽凝结使管路管径变小,导致气流量越来越小直至堵塞。采取保温措施后,从2022年2月22日开始,仪器一直保持良好工作状态,H₂S数据也连续稳定(图7b),说明保温措施非常有效。从H₂S总体观测曲线可以看出,除了受停电和气路堵塞影响外,H₂S数据非常稳定,不易受气温和气压变化的影响。从短期曲线看,没有日动态变化,说明H₂S观测不受环境的影响,与原来该观测点的硫化物总量的动态基本上是相同的。

图7 新25号泉无保温措施(a)和采取保温措施(b)的H2S观测曲线
Fig.7 H2S observational curves of No.25 Spring of Xinjiang with(a)and without(b)thermal insulation measures

本文主要介绍了H₂S自动观测的技术方案,并将其应用于新疆新25号泉开展试验,主要得出以下结论:

(1)H₂S自动化观测方法不仅克服了需要有专门场地、专业分析人员现场值守的困难,避免了人工分析过程中的人为干扰因素,还减少了大量化学试剂和材料等消耗,可以替代人工化学分析观测。该方法安装方便,操作简单,数据稳定可靠,有较好的推广应用前景。

(2)采用市面上成熟的传感器及检测设备,可以开展H₂S无人职守自动化观测试验工作,该技术是代替H₂S人工采样实验室测试的有效途径。

(3)温泉气体的自动化观测中的干扰因素分析及排除是观测工作中的重要内容,如脱气-集气装置功能设置,气路中凝结水的排除以及冬季气路的保温等是保证数据稳定性与连续性的关键技术环节。

(4)尽管市面上的气体传感器及设备可用于温泉气体的连续观测试验,但这些设备仍存在运行寿命不确定、数据输出格式与地震系统数据格式不匹配、网络接口不能接入地震观测网等问题。从长远考虑,应积极推进低成本地震专用观测设备的研发,解决部分水化学人工观测项目转向自动连续观测的技术升级问题。

本文方法的试验过程是不断发现问题和解决问题的过程。由于本次观测条件和试验时间的局限性,目前有些工作仍然需要进一步开展。例如原新25号泉采用碘量法测量的是单位体积水中的硫化物总质量,包括S^2-、HS^-、H₂S,平均测值为 23.4 mg/L,而自动化观测的是H₂S浓度,为10～20 ppm,由于这两种观测方法的观测对象不同,因而无法进行绝对量的对比分析,只能从长期动态特征进行对比,有条件的观测站可以深入开展这方面的研究工作。连续观测使用的化学传感器是有一定寿命的,一般为2 a,本项目从2020年10月至2022年4月已1年6个月,目前传感器工作正常,具体有效期还须进一步验证,并制定更换时间和措施。待观测方法成熟之后也可以选择更加优质长寿命的传感器。