东得淼，谷茂龙，李恩建，孙嘉良，冯克存

(天津市地震局，天津 300191)

0 引言

一直以来，国内外大多以氡(Rn)和汞(Hg)的观测与研究为主体来探索地球化学，开展地震活动预测。而近年来，氢(H2)、氦(He)、二氧化碳(CO2)等断层气气体的观测与研究也越来越受到国内外地震地球化学研究者的重视。国内外研究表明，氢气具有较强的映震灵敏性，特别是在短临阶段的映震能力明显优于其他测项，是地震短临预测的重要手段之一[1-5]。前人通过研究3级以上及周边4级以上地震发生样本，与痕量氢曲线变化形态进行对比，结果显示，痕量氢变化与周边地震对应关系较好。观测期间，痕量氢出现异常突变的5个时段，发生地震3组(5次)，对应地震发生率为83%[6]。

1 测点观测概况

宁河地震台位于宁河县大北涧沽乡大北涧沽村西，距天津市区直线距离约52 km，东距渤海湾约25～30 km，在地貌上处于滨海平原。在地质构造上，台站位于黄骅坳陷与东西向燕山构造带的交接带上，西邻沧东断层，北邻芦台断层，南为汉沽断层，新生界地层厚度大于1 000 m，其下为寒武-奥陶系灰岩(见第30页图1)。在距宁河县城为中心的50 km范围内发生多次6级以上地震，其中在宁河县境内发生6级以上地震3次，最大为1976年11月15日6.9级地震，是地震较活跃的地区。

宁河台有一口逸出气观测井，该井原为吃水井，井壁采用石棉套管。1976年唐山地震将井管错断，形成被活动断层错断的潜水井。2015年6月11日实测井深64 m，水位埋深44 m。经过实验观测，发现该井有断层逸出的CO2和氢气,可作为地下流体逸出气观测井。

为提高市综合防御地震灾害能力，最大限度地减轻地震灾害损失，保障人民群众生命财产安全和经济社会可持续发展，天津市地震局提出建设“十二五”天津市防震减灾综合能力提升工程，宁河台观测井房建设为该项目子项之一。

2 观测环境及供电系统建设

2.1 外墙保温工程建设

2.1.1 改造背景

宁河台逸出气观测井井房设备完善，网络畅通，于2016年7月安装RZW-1A型数字化二氧化碳观测仪，9月21日安装ATG-6118H痕量氢观测仪器，运行时段的数据连续完整。在试运行期间，发现痕量氢气体自2017年7月起井内氢气含量逐渐减少，尝试不断减小抽气管距井口的距离，无明显改观。分析认为可能与井房内温度变化有关，决定对观测井房做外墙保温。

2.1.2 改造过程

(1) 保温用料。

用料有阻燃级别保温板、抗裂型聚合物干粉砂浆和粘结型聚合物干粉砂浆、外墙柔性腻子、防水油毡、醇酸漆。

(2) 施工过程。

将粘结型聚合物干粉砂浆按比例加水搅拌，制成粘合剂。将粘合剂涂抹在保温板背面，保温板粘贴在外墙上。在保温板涂抹一层抗裂型聚合物干粉砂浆，然后挂网格布，最后再次涂抹抗裂型聚合物干粉砂浆。屋顶铺设保温板，在保温板上固定钢丝网，安装屋顶排水管路，屋顶铺砂浆并找平，最后铺设防水油毡。外墙刮腻子两遍，待干后刷外墙漆。

图1 宁河地震台测点地质构造图Fig.1 Geological structure map of Ninghe seismic station

完成保温改造后，痕量氢观测数据有明显上升。

2.2 三级供电系统建设

2.2.1 改造背景

宁河台痕量氢井房有二氧化碳仪器和痕量氢仪器。二氧化碳仪采样率是分钟值，痕量氢仪采样率是小时值。宁河台痕量氢逸出气水井的浓度曾出现过突升的现象。针对此问题，台站分析人员经过研讨，认为是由于台站痕量氢逸出气水井的浓度背景值较低，加上井口密封装置不严，即使是产生氢气较少的阀控式免维护铅蓄电池充放电也会产生少量氢气，使观测室内的浓度升高，影响痕量氢数据[7-8]。一直以来，宁河台痕量氢井房的2套仪器未放置免维护铅蓄电池。之后，做了两次免维护蓄电池充放电实验，结果是免维护蓄电池充放电会产生氢气，影响痕量氢浓度数据。在市电停电的情况下，为保证数据连续性，需要立即外接直流电瓶，在直流电瓶安装期间会造成数据断记，且连接后的观测数据与之前市电下的也不能吻合，所以供电线路亟待改进。

2.2.2 设计方案

以上述问题为背景，宁河台设计了一套三级供电改造方案(见图2)。

图2 宁河台供电系统示意图Fig.2 Power supply schematic map of Ninghe station

(1) Ⅰ级供电。在市电交流220 V正常供电情况下，由配电室通过UPS电源供电至仪器。

(2) Ⅱ级供电。在市电交流220 V断电情况下，由UPS电瓶组通过逆变供电至仪器。

(3) Ⅲ级供电。在市电交流220 V断电、UPS电瓶组电量不足或发生故障的情况下，痕量氢井房外的库房内将已连接好的直流供电电瓶供电至仪器。(此供电模式只在极小的概率下启用，一般情况为Ⅰ、Ⅱ级供电模式。)

由以上分析可知，设计方案可使痕量氢井房达到三级供电，确保痕量氢仪和二氧化碳仪的正常供电，从而使数据保持连续完整。

3 观测结果分析

3.1 保温工程后的观测结果分析

2017年7月开始，痕量氢浓度维持在0.15 ppm左右，11月8日—10日痕量氢井房做外墙保温，完工后，11日18：00开始，痕量氢浓度上升，维持在1 ppm左右，有正常数据曲线，无突跳。在2017年12月27日标定后数据又出现下降，维持在0.5 ppm左右。经与专家交流讨论后认为，出现此现象的原因是由于仪器的氢传感器灵敏度降低所致(见图3)[9-10]。从数据曲线形态明显可以看出较未做保温之前的稳定，气量也较多，说明做保温对痕量氢浓度改变起到了一定的效果。

图3 外墙保温后数据曲线Fig.3 Data curve of external wall after thermal insulation

3.2 供电改造后的观测结果分析

2017年5月22日痕量氢观测值快速提升，23日11时最高值达到12.529 ppm,25日观测值逐步恢复到正常背景值(见图4)。经调研分析，5月21日因外线路检修，造成台站市电断电12 h，仪器采用免维护铅蓄电池供电。市电恢复后，仪器在市电220 V电压下自动对电瓶充电，因铅蓄电池充电会放出氢气。虽然免维护铅蓄电池电解液不会损失，不用添加蒸馏水，同时会抑制氢气的析出。但是，此类电池在充电过程中仍会产生非常少的氢气[7-11]，这种浓度的氢气对于背景值较大的逸出气井来说影响非常小，但是对于宁河台这种背景值较小的水井类逸出气井来说，基本可以达到1个量级的影响变化。

为进一步验证免维护铅蓄电池是否会产生氢气，影响痕量氢浓度数据，宁河台做了两次免维护铅蓄电池充电的实验。实验采用12 V恒流稳压充电器对一块免维护蓄电池进行充电实验，得出浓度数据曲线(见图5)。从图中可以看出，在背景值为0.2 ppm浓度下，免维护蓄电池充电后有明显的数据上升现象，并出现最高峰值为0.62 ppm。由此可见，对于宁河台这种背景值浓度较低的逸出气水井来说，即使是免维护铅蓄电池释放出非常少的氢气，也会对痕量氢浓度数据产生影响。

2017年8月8日完成三级供电改造后，痕量氢井房内在无直流供电蓄电池的情况下全年数据连续完整。2018年8月7日、8日下雷雨，为防止雷击，台站断市电，痕量氢仪器由观测楼内UPS供电，数据连续、完整，无干扰影响(见第32页图6)，说明三级供电改造取得了明显成效。

图4 供电改造前氢气浓度曲线Fig.4 Hydrogen concentration curve before power supply renovation

图5 免维护铅蓄电池充电实验Fig.5 Charging experiment of maintenance-free lead-acid battery

4 结论与讨论

(1) 长时间连续观测会使该仪器的氢传感器灵敏度下降，因此，连续观测至少6个月应进行一次标定，以保证仪器观测值绝对量的可靠性。

(2) 对于痕量氢观测浓度背景值较小的水井类观测点，井口的密封性尤为重要。宁河台逸出气井孔的密封做得不够完善，铅蓄电池充电所释放的氢气由于井口密封不严进到井内，造成数据干扰。因此，井孔的密封性有待进一步改进。笔者认为，井口密封装置应由平板改为套筒形式，更易于结合处的密封固定，同时应解决井孔直径过大的问题，密封井盖做变径处理。

图6 供电改造后氢气浓度曲线Fig.6 Hydrogen concentration curve after power supply renovation

(3) 观测井房外墙保温完成后效果明显，数据质量有明显改观，工程改造取得明显成效，可见温度对于痕量氢浓度的观测具有相关性。

(4) 铅蓄电池的充电都会释放氢气，即使是阀控式免维护铅蓄电池在充电过程中也会产生少量氢气，这种浓度的氢气对于背景值较大的逸出气井来说影响较小，但是对于背景值较小的水井类逸出气井来说，影响不可忽略。因此，对于背景值浓度较小的痕量氢逸出气井，不能在观测室内对铅蓄电池充电。

(5) 三级供电方案改造确保了痕量氢井房内两套仪器的供电连通率达到100%。在仪器正常运行的情况下，不会因供电不足而缺记，更不会因直流电瓶的充放电对浓度数据造成干扰，确保数据的连续率和完整率的同时，提高数据质量。