許秋龍，閆 瑋，李曉東，彭俊源

(1.新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011；2.新疆維吾爾自治區(qū)塔城地區(qū)地震局，新疆 沙灣 832100)

0 引言

地?zé)峄顒优c晚近時(shí)期構(gòu)造活動、巖漿活動、地震活動等因素緊密相關(guān)。溫泉是地?zé)峄顒拥闹苯颖憩F(xiàn)形式之一(高玲，魏海泉，2018)，我國的高溫溫泉主要分布于板塊邊緣、構(gòu)造活動強(qiáng)烈地區(qū)以及第四紀(jì)火山活動地區(qū)(何小芊，龔勝生，2013；魏費(fèi)翔等，2018；章鴻釗，1935)。溫泉水中常含有大量的H2S，其濃度在地震前會發(fā)生變化。海城地震后曾有報(bào)導(dǎo)：“地震前，出現(xiàn)一種‘地味’的異?，F(xiàn)象，群眾不斷嗅到有怪味的氣體，象六六粉味，H2S味，使人感到心悶不舒”，在一些國內(nèi)外大震中也有類似的現(xiàn)象出現(xiàn)(中國地震局監(jiān)測預(yù)報(bào)司，2010；程萬正等，2010)。以上表明，H2S在特定的地質(zhì)環(huán)境中有可能成為地震前兆觀測對象。目前，H2S與地震前兆的關(guān)系在國內(nèi)外已得到廣泛關(guān)注，并開展了許多觀測與研究工作(Sudhiretal，2012；周曉成等，2012；陳志等，2014；鐘天任等，2021；秦雙龍等，2022；顏玉聰?shù)龋?022；杜桂林等，2012)。

H2S主要來源于含硫有機(jī)質(zhì)的分解、硫酸脫硫作用和火山噴發(fā)物。各種成因的H2S出露于地表，很快在空氣中氧化成S及SO2等，使準(zhǔn)確取樣測試增加了難度(孫香榮，1984)。H2S是化學(xué)活潑性氣體，地震前可觀測到地下水中H2S濃度有明顯的變化(王玉蘭，1989)。自1973年開始，新疆地區(qū)逐步開展了地下水中硫化物的測量工作，并在觀測技術(shù)、觀測環(huán)境和干擾因素等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，積累了不少可靠的震例和資料(高小其等，2001)。1996年1月9日新疆沙灣南5.2級地震前1天，新25號溫泉水中H2S濃度突跳增大至 26.4 mg/L，新10號泉H2S濃度突降到1.94 mg/L(正常值為2.5～3.5 mg/L)。根據(jù)以上前兆異常特征，王道等(1997)提出了震前預(yù)測意見。新疆地區(qū)地下水中的H2S組份與水氡一樣，已經(jīng)成為新疆地區(qū)預(yù)報(bào)地震的主要指標(biāo)之一(蔡仲瓊等，1982；李凡德，胡光舉，1998；邱楠生等，2022；王道等，1999)，新疆也是全國唯一開展日常H2S地震監(jiān)測項(xiàng)目的地區(qū)。

硫化物的化學(xué)測試方法主要采用碘量法，由于該方法要求具備化學(xué)分析測試實(shí)驗(yàn)室條件和專業(yè)的分析測試人員，因而限制了其推廣和發(fā)展。因此，只能在烏魯木齊周邊的新04號、10號泉和新25號泉開展H2S的日常地震監(jiān)測工作。但由于新25號泉距沙灣縣城78 km，該觀測點(diǎn)因無人值守，無法開展H2S觀測。鑒于此，本文介紹了新疆新25號泉開展H2S自動觀測的技術(shù)方案及試驗(yàn)應(yīng)用，為溫泉H2S觀測項(xiàng)目的技術(shù)升級積累經(jīng)驗(yàn)。

1 新25號泉概況

新25號泉位于沙灣縣南金溝河熱水泉子，構(gòu)造上處于北天山伊連哈比爾尕褶皺構(gòu)造帶。溫泉出露于NW向與近EW向2組斷裂的交匯部位，地下熱水沿?cái)嗔哑扑閹嫌?，形成局部地?zé)岙惓^(qū)，分布有9個溫度不等的溫泉出口，如1號浴池、河?xùn)|雞蛋泉等。含水層為中石炭系前峽組凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)粉砂巖、凝灰砂巖。目前，此溫泉區(qū)已被沙灣縣開發(fā)為療養(yǎng)院(711醫(yī)院)。

新25號泉觀測點(diǎn)最早設(shè)在河?xùn)|雞蛋泉，有水位和水溫觀測2個測項(xiàng)，但因夏季洪水該泉常被淹沒而終止觀測。1988年觀測點(diǎn)移到1號浴池，水溫為48 ℃，涌水量為3 L/s，pH值為8.1，礦化度為0.5 g/L，富含H2S氣體，硫化物總量為23.4 mg/L。1994年，該觀測點(diǎn)增加H2S觀測測項(xiàng)，水溫和H2S濃度動態(tài)變化穩(wěn)定，年周期變化不明顯。2018年由于溫泉開發(fā)導(dǎo)致1號浴池泉水?dāng)嗔鳌?020年對河?xùn)|雞蛋泉進(jìn)行改造，將自動觀測設(shè)備安裝在該泉上，該泉不再受開發(fā)影響。由于河?xùn)|雞蛋泉原來在河邊，受河水影響很大，后將其改造為一封閉的蓄水窯，留有溢水孔，上面為窨井蓋，深度約為4 m，如圖1所示。2021年11月開始在雞蛋泉開展硫化氫氣體自動觀測實(shí)驗(yàn)。

圖1 新25號泉自動觀測示意圖

2 H2S自動觀測技術(shù)方案

2.1 漂浮式脫氣-集氣裝置改進(jìn)

觀測系統(tǒng)選用漂浮式脫氣-集氣裝置(許秋龍，2019)，由于H2S易溶于水，逸出量不多，所以采用了電動鼓泡脫氣裝置，脫氣效果較好，能夠提供連續(xù)不斷的H2S。但是在試驗(yàn)過程中也發(fā)現(xiàn)了一些問題，并采取了一些改進(jìn)措施：①早期使用的鼓泡頭由于出氣孔細(xì)密而容易結(jié)垢，后改為輸氣管直接送氣方式，鼓泡效率基本不受影響；②溫泉?dú)怏w中的大量水汽容易在管路中形成水珠造成氣路堵塞，特別是在集氣裝置的三通部位更容易堵塞，改造后的氣體導(dǎo)管下面采用Φ16的PVC直管，這樣凝結(jié)的水珠就會順管壁流入泉水中，解決了堵塞問題；③由于泉水涌水量的波動會造成蓄水窯水面上下波動，固定在導(dǎo)氣管上的脫氣-集氣裝置會隨著水位上下波動而懸空或者埋入水中，導(dǎo)致脫氣量非常不穩(wěn)定。通過選用漂浮式脫氣-集氣裝置及螺旋式軟管連接可實(shí)現(xiàn)隨水位變化而上下伸縮，保證了脫氣-集氣裝置氣倉體積的穩(wěn)定，技術(shù)方案如圖2所示；④通過改造供電系統(tǒng)避免了市電停電造成觀測不連續(xù)；⑤在冬季氣溫急劇下降的情況下，脫氣-集氣裝置水蒸汽容易結(jié)冰造成氣路堵塞，采用保溫材料包裹導(dǎo)氣管，解決氣路管道堵塞問題。觀測系統(tǒng)工作至今未出現(xiàn)故障，觀測數(shù)據(jù)也連續(xù)穩(wěn)定。

圖2 漂浮式脫氣-集氣裝置導(dǎo)氣管改進(jìn)圖

2.2 試驗(yàn)設(shè)備改進(jìn)

試驗(yàn)設(shè)備使用采礦、環(huán)保等工業(yè)用的H2S監(jiān)測設(shè)備。H2S傳感器選擇電化學(xué)傳感器，其工作原理是：利用待測氣體在電解池中工作電極上的電化學(xué)氧化過程，通過電子線路將電解池的工作電極和參比電極恒定在一個適當(dāng)?shù)碾娢唬谠撾娢幌驴梢园l(fā)生待測氣體的電化學(xué)氧化反應(yīng)。由于氧在氧化和還原反應(yīng)時(shí)所產(chǎn)生的法拉第電流很小，可以忽略不計(jì)，于是待測氣體電化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的電流與其濃度成正比并遵循法拉第定律，這樣通過測定電流的大小就可以確定待測氣體的濃度，其工作原理見圖3。

圖3 化學(xué)傳感器工作原理示意圖

H2S檢測設(shè)備外觀如圖4所示。實(shí)際測量時(shí)，當(dāng)電化學(xué)H2S敏感原件接觸到H2S時(shí)，敏感原件透氣膜擴(kuò)散進(jìn)入到具有恒定電位的電極上，在電極催化劑作用下與電解液中的水發(fā)生陽極氧化反應(yīng)。在工作電極上所釋放的電子產(chǎn)生與H2S濃度成正比的電流，經(jīng)檢測電路溫度補(bǔ)償再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后進(jìn)入單片機(jī)處理成與被測H2S值線性一致的頻率(電流)信號，實(shí)現(xiàn)H2S濃度的數(shù)字顯示。檢測儀器為保時(shí)安電子科技有限公司生產(chǎn)的BH-60固定式氣體探測器，信號響應(yīng)時(shí)間小于30 s，輸出電流為4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號，信號輸出采用四通道多功能控制器，工作電壓為DC 24 V±10%，工作溫度為-10 ℃～55 ℃，外殼采用隔爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的壓鑄鋁殼體，上蓋的凹槽設(shè)計(jì)可鎖緊殼體，外形尺寸為190 mm ×150 mm×95 mm。傳感器的正面設(shè)計(jì)為向下結(jié)構(gòu)，保證傳感器與氣體接觸良好，進(jìn)線口采用防爆防水接頭。

圖4 H2S檢測設(shè)備外觀

由于該傳感器是針對環(huán)境監(jiān)測使用的擴(kuò)散式傳感器，因此在觀測溫泉中H2S時(shí)進(jìn)行了一定的改造，在傳感器下端的擴(kuò)散入口處加裝一個氣體集氣罩，分別設(shè)有進(jìn)氣和排氣管，傳感器集氣罩如圖5所示。

圖5 傳感器集氣罩示意圖

3 試驗(yàn)應(yīng)用

試驗(yàn)選用的漂浮式脫氣-集氣裝置，脫氣效率高、氣量大、速度快，不到1 h即可達(dá)到氣體穩(wěn)定狀態(tài)。H2S傳感器反應(yīng)靈敏，穩(wěn)定時(shí)間小于1 min，每2 min檢測一次，即2 min即可得出1個觀測值。通過無線4G方式將觀測結(jié)果上傳到儀器生產(chǎn)廠的環(huán)析云平臺上(圖6)，在平臺上可以實(shí)時(shí)看到儀器的工作狀態(tài)和觀測曲線，并導(dǎo)出Excel格式的數(shù)據(jù)供使用。

圖6 環(huán)析云平臺屏幕截圖

從圖7a可以看出，2021年11—12月，H2S觀測曲線出現(xiàn)多次因氣路堵塞和停電造成的數(shù)據(jù)低值或0值的情況。如停電時(shí)儀器停止工作，無記錄數(shù)據(jù)，而氣路堵塞時(shí)，H2S觀測數(shù)據(jù)會出現(xiàn)一個漸變降低的過程。2022年對觀測裝置和供電進(jìn)行了改造后，觀測狀態(tài)明顯好轉(zhuǎn)。H2S觀測數(shù)據(jù)從2022年開始基本連續(xù)，但從2月初開始逐漸下降，一直下降到0，經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)是因?yàn)樾陆貐^(qū)正處于冬季，2月溫度最低，氣路水蒸汽凝結(jié)使管路管徑變小，導(dǎo)致氣流量越來越小直至堵塞。采取保溫措施后，從2022年2月22日開始，儀器一直保持良好工作狀態(tài)，H2S數(shù)據(jù)也連續(xù)穩(wěn)定(圖7b)，說明保溫措施非常有效。從H2S總體觀測曲線可以看出，除了受停電和氣路堵塞影響外，H2S數(shù)據(jù)非常穩(wěn)定，不易受氣溫和氣壓變化的影響。從短期曲線看，沒有日動態(tài)變化，說明H2S觀測不受環(huán)境的影響，與原來該觀測點(diǎn)的硫化物總量的動態(tài)基本上是相同的。

圖7 新25號泉無保溫措施(a)和采取

4 結(jié)論

本文主要介紹了H2S自動觀測的技術(shù)方案，并將其應(yīng)用于新疆新25號泉開展試驗(yàn)，主要得出以下結(jié)論：

(1)H2S自動化觀測方法不僅克服了需要有專門場地、專業(yè)分析人員現(xiàn)場值守的困難，避免了人工分析過程中的人為干擾因素，還減少了大量化學(xué)試劑和材料等消耗，可以替代人工化學(xué)分析觀測。該方法安裝方便，操作簡單，數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，有較好的推廣應(yīng)用前景。

(2)采用市面上成熟的傳感器及檢測設(shè)備，可以開展H2S無人職守自動化觀測試驗(yàn)工作，該技術(shù)是代替H2S人工采樣實(shí)驗(yàn)室測試的有效途徑。

(3)溫泉?dú)怏w的自動化觀測中的干擾因素分析及排除是觀測工作中的重要內(nèi)容，如脫氣-集氣裝置功能設(shè)置，氣路中凝結(jié)水的排除以及冬季氣路的保溫等是保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定性與連續(xù)性的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。

(4)盡管市面上的氣體傳感器及設(shè)備可用于溫泉?dú)怏w的連續(xù)觀測試驗(yàn)，但這些設(shè)備仍存在運(yùn)行壽命不確定、數(shù)據(jù)輸出格式與地震系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式不匹配、網(wǎng)絡(luò)接口不能接入地震觀測網(wǎng)等問題。從長遠(yuǎn)考慮，應(yīng)積極推進(jìn)低成本地震專用觀測設(shè)備的研發(fā)，解決部分水化學(xué)人工觀測項(xiàng)目轉(zhuǎn)向自動連續(xù)觀測的技術(shù)升級問題。

本文方法的試驗(yàn)過程是不斷發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的過程。由于本次觀測條件和試驗(yàn)時(shí)間的局限性，目前有些工作仍然需要進(jìn)一步開展。例如原新25號泉采用碘量法測量的是單位體積水中的硫化物總質(zhì)量，包括S2-、HS-、H2S，平均測值為 23.4 mg/L，而自動化觀測的是H2S濃度，為10～20 ppm，由于這兩種觀測方法的觀測對象不同，因而無法進(jìn)行絕對量的對比分析，只能從長期動態(tài)特征進(jìn)行對比，有條件的觀測站可以深入開展這方面的研究工作。連續(xù)觀測使用的化學(xué)傳感器是有一定壽命的，一般為2 a，本項(xiàng)目從2020年10月至2022年4月已1年6個月，目前傳感器工作正常，具體有效期還須進(jìn)一步驗(yàn)證，并制定更換時(shí)間和措施。待觀測方法成熟之后也可以選擇更加優(yōu)質(zhì)長壽命的傳感器。