吳博洋 李赫 姚蕾 宋田 姚新強

摘 要 近年來，張道口地震臺由于周邊環(huán)境影響及自身井孔原因，導致院內兩口觀測井的水物理觀測項目大幅減少，基于對觀測站的發(fā)展及人才培養(yǎng)，應增設新的觀測項目。本文對站點開展氦氣觀測進行了初步研究。

關鍵詞 環(huán)境影響;發(fā)展;氦氣觀測

引言

天津市張道口地震臺是國家地下流體基本臺（臺站編碼ZDK，臺站代碼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。地質構造位于滄東大斷裂分支的白塘口西斷裂帶上。原先本臺承擔著2口井，5個測項的觀測任務。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)承擔著3個項目的觀測。

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），是地球形成時從宇宙星云中帶來的，較富集He3，主要集中在地球內部 ，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)生化學反應 ，氦的比重小 ，所以氦有極強的擴散滲透能力，空氣中氦氣的含量很低 ，大約是氬氣的1/1880[1]。

2映震機理初探

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

He具有質量輕、粒徑小、滲透與擴散力極強的特性。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，在擴散和遷移過程中不參與化學反應，氦的異常只能是地殼應力場作用所致[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。

在地震科學研究中，人們正是利用氦所特有的地球化學行為來捕捉地震活動的各種前兆信息。認真研究氦異常與地震的對應關系，對地震預報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個省都在進行氦氣觀測，數(shù)據(jù)庫報數(shù)共有20個測項，2019年度全國參評共有16個測項參評。基于氦氣在映震方面的優(yōu)勢，未來氦氣觀測會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子臺，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報。由于多方面的原因2006年之后張道口水化學實驗室搬遷至寶坻地震臺，王3、王4井成為寶坻地震臺子臺。張道口從2006至今只有水物理觀測項目。

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

5研究內容和實施方案

張道口-1井增設兩臺測氦儀器，一臺用于觀測，一臺作為備用。對氦氣濃度進行連續(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）進行觀測。以20m位置為基準點上下浮動5m。每個觀測點進行為期一個月的連續(xù)觀測，確定一個相對穩(wěn)定的觀測點。之后再進行連續(xù)三個月的觀測，從而獲得一個基本的背景值。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型自動測氦儀[5]。

6WGK-1型自動測氦儀儀器工作原理及主要技術指標

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，地下水中的氦濃度越高，在一定的條件下滲入的氦就越多，它們存在下列關系：

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

Q為氦氣滲入石英滲透膜內部的量;

p為石英滲透膜內外兩側的氦濃度差;

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 主要技術指標

測量靈敏度：為延長傳感器使用壽命，根據(jù)井點氦的含量來確定

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：相對標準誤差≤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。人才結構分布合理。觀測人員多年從事地下流體監(jiān)測工作，動手能力較強，在流體觀測方面有較扎實的基礎。并多次申請國家及局內項目課題。并發(fā)表多篇學術論文。

8結束語

張道口地震臺周邊由于近年城市化建設大范圍開展，導致水溫、水位觀測數(shù)據(jù)嚴重受到影響。由原來的兩口井（-1井、-2井）進行觀測，變成現(xiàn)在一口井觀測，成為本臺的一只獨苗。對臺站的發(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，很多測項由于觀測環(huán)境的原因被迫停側，導致張道口地震臺測項減少，業(yè)務大量減少，不再有當年的輝煌，由于臺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)張道口臺自身的條件，再創(chuàng)以往風采，建議在張道口臺增設氦氣濃度的觀測。

并且隨著觀測的不斷深入，將來會在滄東斷裂帶或海河斷裂帶兩側建立若干個觀測點，進行定點連續(xù)觀測和定點定時流動觀測。

參考文獻

[1] 李圣強，杜建國.氡，氦等氣體地球化學在地震科學研究中的進展[J].地球科學進展，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.氦的年動態(tài)異常與地震的關系[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。