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?dòng)與晚近時(shí)期構(gòu)造活動(dòng)、巖漿活動(dòng)、地震活動(dòng)等因素緊密相關(guān)。溫泉是地?zé)峄顒?dòng)的直接表現(xiàn)形式之一(高玲，魏海泉，2018)，我國(guó)的高溫溫泉主要分布于板塊邊緣、構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈地區(qū)以及第四紀(jì)火山活動(dòng)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(huì)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(guó)內(nèi)外大震中也有類似的現(xiàn)象出現(xiàn)(中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司，2010；程萬(wàn)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(cè)對(duì)象。目前，H2S與地震前兆的關(guān)系在國(guó)內(nèi)外已得到廣泛關(guān)注，并開(kāi)展了許多觀測(cè)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(lái)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(cè)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(cè)到地下水中H2S濃度有明顯的變化(王玉蘭，1989)。自1973年開(kāi)始，新疆地區(qū)逐步開(kāi)展了地下水中硫化物的測(cè)量工作，并在觀測(cè)技術(shù)、觀測(cè)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(jí)地震前1天，新25號(hào)溫泉水中H2S濃度突跳增大至 26.4 mg/L，新10號(hào)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(cè)意見(jiàn)。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(guó)唯一開(kāi)展日常H2S地震監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的地區(qū)。

硫化物的化學(xué)測(cè)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(cè)試實(shí)驗(yàn)室條件和專業(yè)的分析測(cè)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(hào)、10號(hào)泉和新25號(hào)泉開(kāi)展H2S的日常地震監(jiān)測(cè)工作。但由于新25號(hào)泉距沙灣縣城78 km，該觀測(cè)點(diǎn)因無(wú)人值守，無(wú)法開(kāi)展H2S觀測(cè)。鑒于此，本文介紹了新疆新25號(hào)泉開(kāi)展H2S自動(dòng)觀測(cè)的技術(shù)方案及試驗(yàn)應(yīng)用，為溫泉H2S觀測(cè)項(xiàng)目的技術(shù)升級(jí)積累經(jīng)驗(yàn)。

1 新25號(hào)泉概況

新25號(hào)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(gè)溫度不等的溫泉出口，如1號(hào)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(kāi)發(fā)為療養(yǎng)院(711醫(yī)院)。

新25號(hào)泉觀測(cè)點(diǎn)最早設(shè)在河?xùn)|雞蛋泉，有水位和水溫觀測(cè)2個(gè)測(cè)項(xiàng)，但因夏季洪水該泉常被淹沒(méi)而終止觀測(cè)。1988年觀測(cè)點(diǎn)移到1號(hào)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(cè)點(diǎn)增加H2S觀測(cè)測(cè)項(xiàng)，水溫和H2S濃度動(dòng)態(tài)變化穩(wěn)定，年周期變化不明顯。2018年由于溫泉開(kāi)發(fā)導(dǎo)致1號(hào)浴池泉水?dāng)嗔鳌?020年對(duì)河?xùn)|雞蛋泉進(jìn)行改造，將自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備安裝在該泉上，該泉不再受開(kāi)發(fā)影響。由于河?xùn)|雞蛋泉原來(lái)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(kāi)始在雞蛋泉開(kāi)展硫化氫氣體自動(dòng)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。

圖1 新25號(hào)泉自動(dòng)觀測(cè)示意圖

2 H2S自動(dòng)觀測(cè)技術(shù)方案

2.1 漂浮式脫氣-集氣裝置改進(jìn)

觀測(cè)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(dòng)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(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)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(huì)順管壁流入泉水中，解決了堵塞問(wèn)題；③由于泉水涌水量的波動(dòng)會(huì)造成蓄水窯水面上下波動(dòng)，固定在導(dǎo)氣管上的脫氣-集氣裝置會(huì)隨著水位上下波動(dòng)而懸空或者埋入水中，導(dǎo)致脫氣量非常不穩(wěn)定。通過(guò)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(cāng)體積的穩(wěn)定，技術(shù)方案如圖2所示；④通過(guò)改造供電系統(tǒng)避免了市電停電造成觀測(cè)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(wèn)題。觀測(cè)系統(tǒng)工作至今未出現(xiàn)故障，觀測(cè)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(cè)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(cè)氣體在電解池中工作電極上的電化學(xué)氧化過(guò)程，通過(guò)電子線路將電解池的工作電極和參比電極恒定在一個(gè)適當(dāng)?shù)碾娢?，在該電位下可以發(fā)生待測(cè)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(cè)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(guò)測(cè)定電流的大小就可以確定待測(cè)氣體的濃度，其工作原理見(jiàn)圖3。

圖3 化學(xué)傳感器工作原理示意圖

H2S檢測(cè)設(shè)備外觀如圖4所示。實(shí)際測(cè)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(yáng)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(cè)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(cè)H2S值線性一致的頻率(電流)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)H2S濃度的數(shù)字顯示。檢測(cè)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(cè)器，信號(hào)響應(yīng)時(shí)間小于30 s，輸出電流為4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，信號(hào)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(cè)設(shè)備外觀

由于該傳感器是針對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)使用的擴(kuò)散式傳感器，因此在觀測(cè)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(gè)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(cè)一次，即2 min即可得出1個(gè)觀測(cè)值。通過(guò)無(wú)線4G方式將觀測(cè)結(jié)果上傳到儀器生產(chǎn)廠的環(huán)析云平臺(tái)上(圖6)，在平臺(tái)上可以實(shí)時(shí)看到儀器的工作狀態(tài)和觀測(cè)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(tái)屏幕截圖

從圖7a可以看出，2021年11—12月，H2S觀測(cè)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(wú)記錄數(shù)據(jù)，而氣路堵塞時(shí)，H2S觀測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)漸變降低的過(guò)程。2022年對(duì)觀測(cè)裝置和供電進(jìn)行了改造后，觀測(cè)狀態(tài)明顯好轉(zhuǎn)。H2S觀測(cè)數(shù)據(jù)從2022年開(kāi)始基本連續(xù)，但從2月初開(kāi)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(lái)越小直至堵塞。采取保溫措施后，從2022年2月22日開(kāi)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(shuō)明保溫措施非常有效。從H2S總體觀測(cè)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(méi)有日動(dòng)態(tài)變化，說(shuō)明H2S觀測(cè)不受環(huán)境的影響，與原來(lái)該觀測(cè)點(diǎn)的硫化物總量的動(dòng)態(tài)基本上是相同的。

圖7 新25號(hào)泉無(wú)保溫措施(a)和采取

4 結(jié)論

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

(1)H2S自動(dòng)化觀測(cè)方法不僅克服了需要有專門場(chǎng)地、專業(yè)分析人員現(xiàn)場(chǎng)值守的困難，避免了人工分析過(guò)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(cè)。該方法安裝方便，操作簡(jiǎn)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(cè)設(shè)備，可以開(kāi)展H2S無(wú)人職守自動(dòng)化觀測(cè)試驗(yàn)工作，該技術(shù)是代替H2S人工采樣實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的有效途徑。

(3)溫泉?dú)怏w的自動(dòng)化觀測(cè)中的干擾因素分析及排除是觀測(cè)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(cè)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(cè)網(wǎng)等問(wèn)題。從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，應(yīng)積極推進(jìn)低成本地震專用觀測(cè)設(shè)備的研發(fā)，解決部分水化學(xué)人工觀測(cè)項(xiàng)目轉(zhuǎn)向自動(dòng)連續(xù)觀測(cè)的技術(shù)升級(jí)問(wèn)題。

本文方法的試驗(yàn)過(guò)程是不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的過(guò)程。由于本次觀測(cè)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(kāi)展。例如原新25號(hào)泉采用碘量法測(cè)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(cè)值為 23.4 mg/L，而自動(dòng)化觀測(cè)的是H2S濃度，為10～20 ppm，由于這兩種觀測(cè)方法的觀測(cè)對(duì)象不同，因而無(wú)法進(jìn)行絕對(duì)量的對(duì)比分析，只能從長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行對(duì)比，有條件的觀測(cè)站可以深入開(kāi)展這方面的研究工作。連續(xù)觀測(cè)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(gè)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(cè)方法成熟之后也可以選擇更加優(yōu)質(zhì)長(zhǎng)壽命的傳感器。