辽宁丰水期盘一井气体观测资料的动态特征

辽宁丰水期盘一井气体观测资料的动态特征

0观测资料及地震预报盘一井是盘水化分析的专用井。气体观测是水化分析的重要手段之一。自1996年观测至今已经取得了连续、可靠的观测资料。1999年岫岩-偏岭MS5.6级地震前盘一井溶解气各组分出现的明显异常,为地震预报提供了较好的观测资料。为了进一步提高观测资料的质量,增强气体动态观测在地震分析中的作用,本文对气体观测的资料进行了整理,总结其动态特征、异常形态,并对影响因素进行了排除和改进。1地下水类型、地质概况盘一井是盘锦地震台主要地震观测井,观测水层为上第三系管陶组含水层,地下水类型为承压水。海拔标高为4.08米,井深955.08米,处于下辽河冲积平原上,郯庐断裂西侧,为一断陷盆地。断陷中按北-南西轴向平行展布着油燕沟断裂、辽中断裂、台安断裂、张家街断裂(图1)。2盘一井溶解气的动态特性2.1各盘一井溶解气成分的正常动态动态2.1.1氢溶解气体色谱分析自1996年观测以来,日常观测中没有氢气这个组分。平时水样中氢气含量很少,很难被观测到。2.1.2冬高冬低的年变变化规律溶解气二氧化碳多年动态相似,就有夏高冬低的年变规律,图2所示盘一井二氧化碳观测资料夏高冬低的年变形态明显,每年6-9月数据为高值阶段,高值平均在13.00%以上。2.1.3甲醇溶解溶解气甲烷测值较平稳,无年变规律(图3)。1999年2月4日更换色谱柱前后数据出现台阶,但甲烷测值仍是一种稳定趋势。2.1.4总气体总量从甲烷多年的日均值曲线图可以看出气体总量具有夏高冬低的年变规律,如图4所示,每年冬季随着温度的降低,脱气量减少,气体总量降低。2.1.5-1.10%之间的和谐问题氩气多年测值稳定,数据正常变化在0.90-1.10%之间(图5)。氮气多年测值无规律性,测值较稳定,变化范围在43.0-53.0%之间(图6)。2.2ms5.6级异常1999年11月29日12时10分39秒在辽宁省岫岩-偏岭发生MS5.6级地震,该震中距离盘一井105m,震前盘一井溶解气出现明显的短临异常,异常形态完整,幅度大,特别是氢气异常更为明显,较好地反映了这次地震。2.2.1月10月天然气情况1999年1月4日,SQ-206气相色谱仪记录到氢气,含量为0.026%,之后每隔两天出现氢气,均值为0.0273%,直至11月15日开始连续出现氢气,而且含量逐渐增大,到11月27日突升到0.18%,高出正常变化量的几十倍,11月29日发生地震。震后氢气继续出现,直至12月末消失(图7)。从图1可看到,盘一井氢气在11月4日出现了临震信息,即偏岭小震群出现的前5天。11月27日高值突跳,预示着较大地震的发生,之后在11月29日就发生了MS5.6级地震。2.2.2地震异常情况1999年10月10日起出现比年变更低的值,打破年变规律,出现低值异常。从五日均值图上可看(图8),正常值为13.4%,低值异常平均为11.6%,异常幅度为1.8%,异常持续49天后发生地震。用1999年与1998年五日均值数据差分计算并绘图,从差分量变化图上看,变化幅度大,异常明显(图9)。2.2.3年—甲烷气(溶解气)盘一井溶解气甲烷自96年观测以来,没有出现过异常,甲烷含量很稳定,无年变化。99年11月2日至29日出现高值异常,平均值为34.8%,高出正常值(33.2%左右)1.6%,异常幅度大,高值平稳,波动较小,易于提取临震信息(图10)。从甲烷的滤波图可以看出,最高值为36.7%,此次地震是在高值趋势背景上发震的(图11)。2.2.4高值异常表现气体总量自96年3月起测值稳定,有明显的夏高冬低的年变规律。99年9月29日起,气体总量打破年变规律,出现高值异常。高值为39.1mL/L水,正常值为37.6mL/L水,上升幅度为3.9%(图12)。用1999年气体总量五日均值与1998年气体总量五日均值做差分计算并绘图,从差分量变化图上看,气体总量从震前2个月开始出现高值异常,测值呈阶段性起伏波动,震前3天转折回落,有明显的短临异常(图13)。3气体出现异常从异常出现的时间上看,盘一井溶解气各组分反映出短临、临震异常,随着发震时间的临近,异常幅度增大;突跳型异常出现在震前几天的时间内,如氢气异常。盘一井气体资料出现异常时,几个组分基于正常形态都有明显的变化。由于近些年来盘锦地区5.0级的近震较少,所以气体出现异常时还得结合测点其他手段来判定地震的时间、震级和地点等。气体观测干扰因素很多,但总体来看,受干扰后的气体各组分总体百分含量都超出±95%,最显著的特点是氮气含量或低于43%或高于52%,同时各组分突跳点是同步的(见气体各组分受漏气影响统计表)。4气体观测环境和影响因素的排除4.1气体组分观测盘一井地下水富含多种气体,从1996年3月至今使用SQ-206气相色谱仪(北京分析仪器厂生产)对盘一井地下水进行气体各组分(氩、氮、甲烷、二氧化碳等)观测。盘一井是24小时连续抽水的井孔,由专职人员在固定时间负压取水样,再由专业技术人员通过真空法进行气水分离,分离出水中的溶解气体,并用SQ-206气相色谱仪观测溶解气的各组分。4.2产数据的准确性盘一井溶解气各组分在短临预报方面有较好的临震信息,为了能较好地产出数据,提取异常信息,最基本地要让产出的数据更准确,更可靠。因此,在观测过程中最大限度地排除各种干扰势在必行。盘一井溶解气观测的每个环节都是不可乎视的,观测过程如下:取样瓶抽真空→井口负压取水样→调节室温→取样瓶排水→取样瓶再次抽真空→振荡→集气→进样→记录、量取、计算、数据输出。4.3响溶解气各组分的含量取样瓶抽真空的程度直接影响脱出气体量,从而影响气体总量,既而影响溶解气各组分的百分含量。排除方法:首先检查取样瓶瓶口外进水管、出水管及球胆胶管是否漏气,抽真空时一定要仔细观察瓶内球胆是否抽瘪,在抽气的过程中晃动取样瓶,以便于球胆中残留的空气被充分的抽出。4.4因素叠加时的判别水样的采集是一个重要的环节,如果水样在采集的过程中受到影响,则产出的数据必定是干扰数据,如果此时有地震信息出现,两种因素叠加在一起,会难于判别。排除方法:每天固定时间取水样,在井口采集水样前,首先检查已抽真空的取样瓶是否有漏气的现象,然后将取样瓶进水管接取样口,并打开夹子,有水流流入瓶内时再打开出水管上的夹子。当水快满瓶时,轻轻摇晃取样瓶(避免震荡,以防水中气体被脱出),将瓶内的气泡逐渐赶出,待水满瓶后继续让水冲流2-3分钟,然后快速夹紧出水管,再夹紧进水管。4.5脱气量和温度夏、冬季节温差很大,这样会影响水中溶解气分离效果,温度高脱气量多,温度低脱气量相对减少,同时温度高又使得脱出气易溶于水,而温度低则脱出气溶于水的速度反而降低。排除方法:保持相对稳定的室温,特别是夏冬季节要打开空调,调节室内温度,使年温度变化在±5℃内,同时还要保持相对湿度不得超过80%。4.6泄漏影响百分含量排水是水样进行水、气分离的第一步,操作不当就会漏气。一个系统密闭性很好的取样瓶由专职人员在井口取水样并经过运输过程,是很少漏气的。关键是拿到观测室后由专业技术人员在脱气的过程中要避免漏气。出现漏气会导致脱出的气体组分中的氮气含量增大,从而影响其它组分的百分含量,使总体百分含量超差。《地震水文地球化学观测技术规范》规定“每个样品的各气体组分的总和为100%,由于各种原因会引起测量误差,但差值应小于±5%”。提取最近三年的气体数据,从下表可以看出漏气影响的数据变化情况。排除方法:影响漏气最关键的环节是在排水操作过程中,要用洗耳球缓慢向取样瓶球胆打气,然后打开出水管夹,向外排出固定的水量。在这期间要不时地向球胆打气,保证外压大于球胆内压,使球胆充气鼓起来,以防空气倒吸入取样瓶中。在此过程中不得摇动取样瓶,以防水溶气脱出而被排走。4.7抽血钳抽干法球胆抽真空的程度直接影响脱气量,即最后影响气体各组分的百分含量。排除方法:在抽真空之前,用止血钳夹紧取样瓶的进水管和排水管,然后开始抽球胆内的空气,晃动取样瓶,使球胆完全被抽瘪(这时瓶内可见脱出气,然后迅速夹紧球胆胶管,并用毛巾绑紧取样瓶瓶口,快速放到振荡机上振荡。4.8滑动的排除康氏振荡机振荡速度快与慢直接影响脱气量。排除方法:用毛巾等软物固紧取样瓶,防止它在振荡机里来回滑动和遭到碰撞。使其随振荡机匀速晃动,从而达到充分脱气的目的。4.9回溶气的排除集气装置实质是一个扩散器,其弯管口接胶管与装满饱和食盐水的水准瓶相连接,另一直管端接胶管与取样瓶出水口(排气口)相连接。组成集气装置的每个部分都将影响脱出气的质量,即是否使溶解气回溶或被混入空气。排除方法:水准瓶中的食盐水要定期检测与配比,使之达到饱和来防止脱出气回溶于水。每次在集气之前先排出扩散器中的气体,防止新脱出的溶解气再一次被混合。每一次集气之前先用扩散器中的食盐水排出取样瓶排气管口处的空气,然后打开排气管上的夹子集气。4.10样品气的采集溶解气各组分的百分含量的大小,是通过进样器固定进样量,经色谱柱分离出峰,再量取峰高,经对比标准状态下标准气的含量及峰高来计算的。因此进样的质量是标准样、样品样峰值大与小的关键。排除方法:首先选择质量较好的医用注射器,做为进样器,在开始吸取样品气前抽拉进样器,感觉进样器内、外玻璃管壁光滑、抽拉自如就好。进样器的刻度是固定不变的,但在抽取样品气时,难免有时吸到食盐水(饱和),这时清洗(用酒精清洗)时要特别注意,要等进样器管壁的酒精风干后再用,取样之前用样品气(标准气)再清洗两遍进样器。这样才能使两平行样(为了使测值准确,溶解气各组分标准样、样品样分别进样两次)之间的误差达到最小。其次,各组分经色谱分离的先后也将影响峰值的大小,从而影响其百分含量。排除方法:在常温常压下,氮气、甲烷、氩气等在水里溶解度很小,而二氧化碳则溶于水,为了防止长时间二氧化碳的回溶,脱完气后要先进硅胶柱,即分离二氧化碳气。之后再进5A分子筛柱分离其他气体。再次,在吸取样品气前,一定要使扩散器中的溶解气充分的混合,即每次抽取样品气前要重新拿下铁架台上的扩散器,充分拍打其与水准瓶相连接的胶管,使管中充满溶解气,这样有利于管中溶解气各组分分布均匀。同时也防止进样器的针管及针头吸入盐水,以免影响此次进样出峰的质量,并防止色谱柱受到食盐水的腐蚀与侵害。特别强调的是抽取二氧化碳平行样时一定要排出扩散器胶管中的气体,再重新使胶管中充满溶解气,再抽取样品气。这样才能使二氧化碳两个平行样峰值差达到最小,如果这个环节操作得当,二氧化碳两个平行样峰值几乎相同。4.11数据库的建立气体观测一直使用的是北京分析仪器厂于1995年9月生产的SQ-206气相色谱仪,由于使用时间长久及各部件的老化,时常有热导噪声大、基线噪声大、记录仪指针无规律地跳动等情况,再加上电位差计时常受电压干扰,记录笔在记录出样峰时就时常伴有毛刺,有时会影响峰值的量取。同时峰值的量取是人为手动量取,难免会存在视觉误差。百分含量的计算是利于计算器手动计算的,而日值数据库的形成则是每天向计算机输入数据。这些情况都无法百分之百的保证数据的准确。排除方法:随着科技的发展,人工量数方式的仪器已远远满足不了地震预报工作的需求,为了更准确地提供观测数据,我们采用了智能化仪器,现在调试的仪器实现了数据采集、量取、结果计算等方面的自动化,减少了人为的干扰(图14)。进行溶解气分离的仪器是SP-2100气相色谱仪,它采用微机控制,按键输入配制各参数,液晶面板显示操作平台,它可安装两个金属填充柱、两个离子检测器、一个热导检测器,可同时使用两个检测器;可选择恒温或程序升温操作方式。仪器信号输出通过色谱信号采集单元实现的,它将色谱仪输出的电压信号转变为电脑能够接受的离散数字信号(称之为采样信号),起着电脑与色谱仪之间的桥梁作用。它通过RS-232口与计算机连接,再由色谱工作站完成谱图的识别、峰值量取、结果计算及数据报告产出等工作。色谱工作站与色谱仪相配套,是处理色谱仪信号数据的电脑系统,它接收和处理由色谱信号采集单元传送来的色谱采样信号数据并实现色谱定量计算的电脑程序,它能实现联合计算、成批打印、结果汇总、连贯操作、自动保存、谱图管理、数据库存储等,能够提高日常分析工作效率的功能。最后产出的图形、数据报告通过打印机打印出来,形成连续的纸介质数据。5高效液相色谱检测数据处理(1)盘一井溶解气在“震前”出现明显的短临异常,具有比较可靠的地震信息。作为盘锦台比较重要