褚金學(xué),方 偉,李正春,朱培耀
(1.云南省地震局彌渡地震臺,云南 彌渡 675600;2.云南省地震局,昆明 650224)
地殼內(nèi)含有大量充滿水、氣和其它流體的孔隙和裂隙,這些流體在不同地方的化學(xué)組分不同。在地震孕育過程中地殼產(chǎn)生形變,可能迫使不同化學(xué)成分流體運(yùn)移或形成相應(yīng)水文和地球化學(xué)的變化,特別是在斷層或其它薄弱地區(qū)。許多地震地質(zhì)斷層,包括一些隱伏斷層上,地下水和空氣中的各種氣體(氡氣、氦氣、氫氣、汞蒸氣、二氧化碳?xì)怏w、同位素比,等等),均表現(xiàn)出了高濃度的空間異常。這些現(xiàn)象表明地震斷層帶可能是一個具有高滲透能力的深部地下氣體向地表運(yùn)移的通道[1]。
地殼中的流體在深部是影響地震孕育與發(fā)生的重要因素,在地殼淺部是靈敏地反映地震孕育與發(fā)生過程的重要前兆信息載體,具有靈敏的映震能力[2]。地下流體與地震活動有密切的關(guān)系,特別是在地震短期階段前兆異常中,流體異常表現(xiàn)較為明顯[3]。
通過 “九五”、 “十五”前兆數(shù)字化技術(shù)改造,云南地下流體觀測臺站大部分已經(jīng)完成儀器前兆數(shù)字化改造,信息獲取能力得到較大提高[4]。由于各觀測井情況不同,有的是靜水位、有的是動水位。動水位觀測井的水溫、流量、水頭高度、礦化度等又不盡相同,各觀測井使用的井口脫氣裝置也不相同,地下流體化學(xué)量觀測質(zhì)量有好有差,有的化學(xué)量觀測值甚至低于儀器檢出限,并且綜合觀測井動水位容易受到氣汞儀在整點(diǎn)時抽氣的影響,觀測資料干擾較大。為解決地下流體數(shù)字化綜合觀測存在的以上問題,作者總結(jié)分析彌渡地下流體數(shù)字化觀測近四年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),在有關(guān)專家的指導(dǎo)下,經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn),設(shè)計(jì)制作了方便實(shí)用的自流井井口脫氣集氣裝置,在彌渡地下流體觀測井安裝使用。結(jié)果表明:使用新的脫氣集氣裝置后,氣氡測值比原來增大了一個數(shù)量級,由原來的2 Bg/L左右增大為20 Bg/L左右,氣汞測值也有很大提高,前兆信息獲取能力得到較大增強(qiáng)。化學(xué)量抽氣觀測對動水位觀測的干擾基本消除,解決了長期困擾彌渡地下流體數(shù)字化觀測的老大難問題。
彌渡地下流體觀測井位于彌渡沖積傾斜盆地東南部邊沿近山地帶,處在金沙江-紅河斷裂系上,位于紅河斷裂與程海斷裂及楚雄-建水?dāng)嗔训慕粎R點(diǎn)(圖1)。多為侵蝕低山地貌,相對高差100~500 m,坡度25°~30°。該地區(qū)地表出露碳酸鹽巖類地層,巖溶較為發(fā)育,巖石硬、脆、碎,受構(gòu)造運(yùn)動影響,裂隙發(fā)育且規(guī)模較大,上部地下水沿裂隙通道和深部地?zé)釋友h(huán)溝通,在有張性裂隙非常發(fā)育地段上,形成了一系列的溫泉出露。水質(zhì)類型為HCO-CL-Na,為巖溶裂隙承壓水。
圖1 彌渡地質(zhì)構(gòu)造圖Fig.1 Geological map of Midu
彌渡地下流體觀測井為溫泉自流井,井深130.37 m,流量540 m3/d,水溫54℃,水頭高度2.5 m,該井由西南有色306勘察工程有限公司施工,于2007年10月18日完工,并通過驗(yàn)收。該觀測井2007年11月3日至6日安裝LN-3A型數(shù)字水位儀,SZW-1A(V2004)型數(shù)字式溫度計(jì),SD-3A型測氡儀,RG-BQZ自動數(shù)字測汞儀,WYY-1型氣溫、氣壓、雨量綜合觀測儀11月13日試運(yùn)行。水溫探頭埋深110 m,水位探頭下放深度1.53 m。測量氣體為自然逸出氣,氣路采用并聯(lián)方式。根據(jù)觀測以來的數(shù)據(jù)分析,化學(xué)量觀測對動水位觀測造成了干擾,化學(xué)量儀器整點(diǎn)抽氣時動水位數(shù)據(jù)下降0.005~0.008 m。
圖2 彌渡地下流體觀測井井口裝置圖Fig.2 The wellhead map of the underground fluid observation wells in Midu
由于該觀測井水質(zhì)礦化度高,泉華在通道富集,原來的脫氣裝置的水、氣路出現(xiàn)嚴(yán)重的堵塞。觀測孔逸出水為1.5~1.6 m3/d。彌渡地下流體觀測井井口裝置基本情況見圖2。
為了節(jié)約成本,又能測試脫氣效果,先采用市場上容易買到的容積為18.9 L的礦泉水桶加工制作,配上交流增氧泵實(shí)時鼓泡脫氣(流量設(shè)置為:0.5 L/min),氣路上安裝冷凝管冷卻并進(jìn)行汽、水分離,最后干燥氣體進(jìn)入儀器觀測。制作完成后,安裝使用。進(jìn)行測試發(fā)現(xiàn):
(1)脫氣效果明顯增強(qiáng),但動水位觀測仍然受氣汞儀抽氣影響。
(2)進(jìn)水流量太大,泄流不暢,脫氣裝置容易灌滿,致使無法脫出氣體;而進(jìn)水流量太小,泄流順暢,脫氣裝置內(nèi)又會無水,造成出水口有空隙,氣體又會從空隙跑出,并且進(jìn)水流量太小,所帶出來的信息也小。
(3)進(jìn)水流量很難控制,并且每次調(diào)整進(jìn)水口流量,動水位觀測就會形成一個臺階,嚴(yán)重影響動水位觀測。
(4)彌渡地下流體觀測井水溫高,礦化度也高,在使用過程中,脫氣裝置進(jìn)、出水口容易堵塞,必須考慮脫氣裝置的清洗問題。
在肯定了前面實(shí)驗(yàn)的脫氣效果后,針對出現(xiàn)的問題,使用直徑為26 cm,高45 cm的鋼管焊接制作脫氣裝置,整個裝置容積為23.9 L。為了解決存在的問題,采取以下方式:
(1)在進(jìn)水流量很大時,為杜絕脫氣裝置灌滿,設(shè)計(jì)了雙出水口,并且出水口1的內(nèi)徑大于進(jìn)水口內(nèi)徑;在出水口1出現(xiàn)堵塞時,水面到一定高度(20 cm)時,水從出水口2泄流(圖3)。
(2)為了避免出水口泄流太快,脫氣裝置內(nèi)無水,造成出水口有空隙,氣體從空隙跑出,兩個出水口均具有水封功能,并且能保證水面保持在最高(20cm)和最低(10cm)水面內(nèi),脫氣裝置內(nèi)水樣體積保持在10.6 L,空腔容積為13.3 L(圖3)。
(3)為了解決氣汞儀抽氣影響動水位觀測和水蒸氣凝固堵塞氣路的問題,在脫氣裝置和儀器之間接入冷卻裝置和容積為2.5 L的緩沖集氣瓶(圖4),冷卻方式采用空氣冷卻。
(4)為了解決脫氣裝置的更換、清洗問題,在裝置的上端采用直徑為10 cm的橡膠塞,在橡膠塞上分別開出內(nèi)徑不同的進(jìn)水口、進(jìn)氣口和出氣口。出水口使用帶活接的PPR管連接(圖3)。
(5)為了日常能準(zhǔn)確掌握脫氣裝置的水位面,我們在脫氣裝置上裝入水位觀測目測管。
制作完成后,堵塞所有開口,加滿水,反復(fù)測試其密封性,密封沒有問題后,接入彌渡地下流體觀測系統(tǒng)進(jìn)行觀測。
圖3 脫氣裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The structure diagram of degassing device
圖4 冷卻、緩沖集氣裝置圖Fig.4 Map of cooling,buffer gas gathering device
本文選取彌渡地下流體觀測項(xiàng)目脫氣裝置改造處理前后地下流體觀測的部分原始資料進(jìn)行動態(tài)曲線(圖5、圖6)和測值的對比統(tǒng)計(jì)(表1)。
彌渡水溫觀測基本正常,脫氣裝置改造處理前后,水溫測值沒有改變。
脫氣裝置改造前,彌渡動水位觀測一直受氣汞儀在整點(diǎn)時抽氣的干擾,整點(diǎn)抽氣時造成水位數(shù)據(jù)下降0.005~0.008 m,嚴(yán)重影響觀測資料的使用(圖 5a)。
脫氣裝置改造后,對比分析改造前后動水位觀測動態(tài)曲線,可明顯看出:動水位觀測在整點(diǎn)時不再受氣汞儀抽氣的影響,固體潮汐記錄明顯(圖5b)。需要說明的是:為了保持條件的一致性,盡可能大的獲取前兆信息,改造完成后的脫氣裝置,將進(jìn)水流量閥門置于常開狀態(tài),而之前的脫氣裝置進(jìn)水流量,人為的進(jìn)行了控制,進(jìn)水流量1.5~1.6 m3/d。因此,脫氣裝置改造后的水位測值較之前有明顯下降,改造前為0.65 m左右,改造后為0.49 m左右,改造后的進(jìn)水流量是84.7m3/d。
由于彌渡地下流體觀測井水質(zhì)礦化度高,容易富集在各通道上,原脫氣裝置的水、氣路出現(xiàn)嚴(yán)重的堵塞,氡、汞觀測值偏低。盡管測值沒有低于儀器檢出限,但由于脫氣效果不佳,所獲取的前兆信息非常有限。
經(jīng)過脫氣裝置改造處理后,氣氡測值比原來增大了一個數(shù)量級,由原來的2 Bg/L左右開始增大為20 Bg/L左右,逐步穩(wěn)定后,達(dá)到40 Bg/L左右(圖6a、表1)。氣汞測值也比原來有明顯提高,由原來的0.078 ng/L左右提高到0.2 ng/L左右(圖6b、表1)。由此可以得出:彌渡地下流體化學(xué)量觀測前兆信息獲取能力得到較大提高。
經(jīng)過改造脫氣裝置后,在2012年1月至2013年3月,云南省共發(fā)生中強(qiáng)地震八次,其中:4.2≤M<5.0的五次;5.0≤M<6.0的三次,其中一次為雙震型。彌渡氣汞觀測在地震前均出現(xiàn)不同程度的異常反應(yīng),映震效果較好[5-7]。
圖5 彌渡動水位觀測分鐘值曲線圖Fig.5 The minute value curve of dynamic water level observation in Midu
圖6 彌渡氣氡、氣汞觀測整點(diǎn)值曲線圖Fig.6 The hour-point value curve of Midu gas radon and gas mercury observation
表1 改造前后各測項(xiàng)測值(月均值)對比統(tǒng)計(jì)Table 1 The comparative statistics table of the measured value of each item (monthly mean value)before and after transformation
綜上所述,新脫氣集氣裝置制作成本低,安裝方便,脫氣效果不受井口流量影響。適用范圍廣,不論是高溫井,還是高礦化度井,只要是自流井,都可以使用。既解決了地下流體化學(xué)量觀測的脫氣問題,又解決了同一觀測井,化學(xué)量觀測嚴(yán)重影響物理量觀測的問題,地下流體觀測前兆信息獲取能力得到較大增強(qiáng)。但是,該脫氣裝置仍有不足之處,就是在脫氣裝置堵塞后進(jìn)行更換、清洗處理時,由于空氣混入造成觀測值偏低,此裝置還需進(jìn)一步完善。
[1]金繼宇.與地震有關(guān)的水文及地球化學(xué)變化[J].國際地震動態(tài), 2006, 331 (7): 42-43.
[2]國家地震局科技監(jiān)測司.地下流體觀測技術(shù)[M].北京:地震出版社,1995.
[3]劉耀煒,曹玲玲,平建軍.地下流體短期前兆典型特征分析[J].中國地震,2004,20(4):372-379.
[4]中國地震局監(jiān)測預(yù)報司.地震地下流體理論基礎(chǔ)與觀測技術(shù)[M].北京:地震出版社,2007.
[5]褚金學(xué),張?jiān)?,楊曉瑩,?彌渡數(shù)字化氣汞前兆異常分析[J].四川地震, 2013(4): 41-45.
[6]陳小云,李毅偉,黃永模,等.福建省地下流體觀測干擾因素綜合查詢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].華南地震,2014, 34 (4): 51-54.
[7]王小娟,李旭升,牛延平,等.四川汶川8.0級地震地下流體異常分析[J].地震工程學(xué)報,2014,36(3):688-696.