清丰井气体资料动态特征变化化原因分析.doc

2006年华北地震科学第一期发表清丰井气体观测资料动态特征变化原因分析李桂清1 , 刘 荣2 , 韩九英2 , 李华平1 , 房玉栋3 , 郑红艳1 , 郭 杰1 （1.河南省濮阳市地震台 ， 河南 濮阳 457000 ;2.河南省清丰县地震局， 河南 清丰 4573003. 河南省范县地震办公室 ， 河南 范县 457500 ）摘要：介绍了清丰井及气体观测基本情况，研究了清丰井气体观测资料动态特征变化的原因。结果表明，井孔条件，抽水条件，如水泵深度、抽水量等因素的改变对观测结果产生较大影响。关键词：气体观测 ；动态特征； 变化原因 ；抽水条件 ； 清丰井中图分类号 ：P315.72+4 文献标识码：A 80 引言在地震前兆观测中，地震水文地球化学观测是地震前兆观测的重要组成部分。地震监测预报实践证明，不研究地震前兆资料的动态特征，就无法识别异常；不进行影响因素的分析研究，就不能有效地提取地震前兆信息。因此，研究地震前兆的正常动态特征及其影响因素，是提高地震前兆监测预报效能的关键所在。12为此，本文对清丰井气体观测资料的动态特征及其变化原因进行了分析研究。1 丰井气体观测基本情况清丰气体观测井位于豫北东部清丰县城地震局院内(东经1150557；北纬355410)。构造上处于华北断块区南部，冀鲁二级断块西南角的三级构造内黄隆起的东北部，北北东向聊兰断裂带与北西西向磁县-大名断裂带的交汇部位。地貌处于黄河北侧的冲积平原上，由黄河故道和泛流平原组成，地势平坦，第四系覆盖全区，沉积厚度约300m左右，下部第三系岩性胶结较差，属松散沉积层。清丰气体观测井完井于1 9 8 5年底，井深301.47m，采用24.4mm钢套管，下至井底泥球固井。观测层段采用筛管，位于249.37-259.21m，含水层厚度为 9 m ，岩性为中细砂，属第四系层间承压水(见图1)。清丰气体观测井不是自流井，需每天定时定量抽水采样进行观测，观测项目有水氡、O2、N2、He、CH4、CO2和气体总量等以及水位、水温、气压、降雨等辅助观测项目。 水氡观测使用FD-125型室内氡钍分析仪，其他气体组分使用SP-2304型气相色谱仪，其中CO2气体使用硅胶色谱柱进行分析，O2、N2、He、H2、CH4等气体使用5A分子筛色谱柱分析。1987年正式投入观测。1989年纳入国家二类气体观测网。清丰气体观测始于1986年，1986年1988年间因供电不正常而提水化验造成观测数据突跳不稳；1989年5月6日10日，该井抽水时大量出砂，水位下降，气体观测结果发生变化；1993年9月1994年5月出现一次较大异常，除此之外，历年来各气体组分含量均较稳定。多年的观测结果表明，该井CO2及水氡含量具有较明显的夏高冬低的年变动态特征(图2 、图4)。该井的观测层岩性为第四系砂层，未胶结，较松散，含水层厚度也较小。为延长观测井使用寿命，防止大强度抽水出现冒砂现象，清丰地震台于1995年底因原来水泵损坏而更换了小口径、小功率的水泵。1996年元月起，在新的抽水条件下恢复了观测。更换水泵后，各项观测结果出现较大的变化，水氡、CO2、气体总量等观测值明显降低（见图2）。收稿日期2005-04-06 作者简介：李桂清（1963-），男(汉族)，河南清丰人。濮阳市地震台高级工程师，主要从事地震监测预报管理及研究工作。图1 清丰井柱状图2 1993年9月1994年5月气体异常变化原因分析1986年1995年，清丰井采用3寸水泵抽水取样化验。水泵出水量为20m3/h，每日抽水30min，每日抽水量约为10m3。1993年9月24日始，O2含量逐渐升高，l2月底达到高值后相对稳定下来，异常上升幅度为3.0ml/L.在高值持续5个月后，于1994年5月10日开始下降恢复，恢复过程中出现阶梯，在新的阶梯上稳定约两个月，尔后继续下降恢复，于8月2日恢复到异常前正常水平，异常持续达l0个多月。与此同时，He、N2含量却出现了同步下降异常变化。N2含量从85%下降到71%，He含量从0.1%下降到0.043%。水氡也显示出下降变化，但下降幅度不大，从14Bq/L下降到12Bq/L；气体总量和CO2含量未出现明显异常变化。气体异常变化的原因分析如下。2.1 人为因素清丰井气体自投入观测以来，观测人员基本稳定，特别是在异常出现前后，观测人员无变动。观测技术上，观测员们一直严格遵照地震水文地球化学观测技术规范进行水氡、气体化学组分的每日定时定量取样化验，操作程序多年无变化。 在异常出现后，每日同时取两个样进行两次化验，确保数据的准确无误。气体组分测试使用的载气氩气和标准气，在异常产生前后使用的都是同一瓶气体，由此得出，清丰气体异常的出现 ，不是观测人员、观测仪器和操作程序以及使用载气和标准气等因素引起的。2.2. 气象因素对清丰气体异常，我们考虑了气象因素，对水氡、气体组分同降雨、气压进行相关分析，结果与以往一样，不存在相关性。根据降雨量与清丰观测井水位、水氡、气体组分关系可看出，气体异常不是由气象因素引起的。2.3 井孔周围环境影响因素（1）浅井水动态因素 取清丰浅井多年水位与清丰井水位对比可知，清丰井水位不受地表浅井水位变化的影响。（2）浅井与清丰气体观测井水质对比 考虑到清丰气体观测井观测层是否有浅层地下水串层混合的可能，我们进行了浅井与观测井的水质化验，结果见表。由此可看出， 清丰浅井水质与气体观测井水质类型截然不同，且清丰气体观测井在异常前后水质亦无明显差异。 由此可以认为地表浅层水没有混入气体专用观测井观测层中。表1 清丰观测井与浅井水质对比表 井名 时间 Cl- Ca2+ Mg2+ HCO3- PH值清丰气体 198511 440.0 58.12 125.2 292.9 8.50观测井 199311 437.2 74.28 110.4 314.8 7.74199406 440.6 67.43 102.4 316.3 7.55仙庄浅井 1985 173.2 111.0 54.1 531 7.44199311 55.28 55.71 54.0 535.9 7.61兵营浅井 199406 131.0 52.62 57.74 436.4 7.35（3） 周围中深井影响因素 经调查，在距清丰观测井20km范围内，不存在同层地下水开采，油田亦无新的探井和新的石油生产井.由此可以确定清丰气体异常的出现，不存在中深层地下水和开采石油的影响。2.4 综合分析通过以上分析，清丰气体异常不是人为和观测环境因素的影响产生的，但清丰气体异常出现至高(低)值相对稳定下来的前三个月内，距清丰气体观测井100km范围曾发生7次ML2.0级小震，最大震级为l993年10月19日临漳ML 4.0级地震，距清丰较近的地震有10月21日清丰ML 2.7级和l l月25日濮阳ML 2.6级小震。但这些小震来解释清丰气体所出现的幅度大、持续时间长的异常， 是难以让人信服的。从出现气体异常各项目含量的变化分析，氡、He作为来自地壳深部的物质，是反应地壳应力应变较灵敏的测项，含量减少，出现负异常。O2含量反应的是浅部的物质成分，反而增加，出现异常，且异常出现比氡、He早l0天，比N2早l6天，而且气体组分含量的测定每天都来自一个体积样品，一种组分含量的多少会影响其它组成的多与少。考虑到清丰气体观测井以往有过观测层塌堵现象，不难得出一个假设:该井井壁周围观测层很可能有局部塌陷，在抽取地下水时出现局部串层现象，相邻上层承压水混入观测层，由观测单层水变成双层水，导致O2含量增加，使He含量和N2含量相对减少，由于相邻上层水的混入，氡含量也有所减少，直至该井水位于1994年4月9l0日出现2.4m的下降突跳现象。这可能是井壁周围地层再度塌陷，堵塞原来渗漏之处所致，又由观测双层水逐渐变回到了观测单层水，气体项目的异常也就逐渐消失。3 1996年元月更换水泵后气体观测资料变化原因分析1996年元月更换水泵后，每日抽水量由原来的10m3变为0.3m3，水泵下入深度由60m变为26m。因更换水泵改变了原来的抽水采样条件，因而，各项观测结果出现较大的变化，水氡、CO2、气体总量等观测值明显降低（见图2）, 其变化原因分析如下。在所观测的几种气体中，CO2在水中的溶解度受温度、压力的影响最大。由于抽水深度由60m深变为26m深，压力变小，有利于CO2气体的挥发逸出，因而，CO2的观测结果明显降低，且夏高冬低的年变动态消失。清丰井井孔体积为9.56m3，因而，抽水量需大于9.56m3才能采集到含水层新鲜的水样。氡是放射性气体，其半衰期为3.l5天。当含水层中的水进入井孔后，氡的来源被隔断。由于氡气的自然衰变，氡气在水中的含量会越来越少。更换水泵后，抽水量变小，采集不到新鲜水样，因而水氡的含量降低，由原来的15Bq/L左右降到8Bq/L左右。由于抽水深度变浅，有利于气体的挥发逸出，因而，气体总量观测值也降低。而O2、N2的含量却因其他气体含量的降低而升高（各气体组分观测结果为同一气体样品中的百分含量，当有气体组分含量降低时，必然会有其他组分含量升高）。更换水泵后，气体各项观测结果稳定在新的基值范围。图2 19902001年清丰井气体观测月均值图 1998年10月，清丰井水泵再次出现故障。更换水泵时，水泵深度又发生了变化，由26m增加到40m，同时也将抽水量由0.3m3增加到1m3（抽水时间由10 min延长为30 min）。这次更换水泵后，水泵下入深度及抽水量均加大，抽水条件再次发生变化，因而观测结果又发生变化。水氡、气体总量、CO2观测值有所升高，且CO2明显表现出夏高冬低的年变动态特征。2000年5月中旬起清丰井CO2气体含量不断上升，较以往偏高，氡含量从6月中旬突然升高，之后，异常持续发展，其它气体变化不大(见图3)。该异常出现后，河南省地震局极为重视， 濮阳市地震局对其进行了异常考察落实和实验研究。结果表明，该异常变化是由于清丰井额外抽水引起的。6、7月份，清丰自来水停水，清丰井额外抽水，8月中旬因维修井房而额外抽水。额外抽水改变了原来正常的抽水规律，缩短了地下水在井孔中的停留时间，减少了氡在井孔中的衰变，因而，氡含量增加，其观测值升高。该异常变化不是地震异常 。由于额外抽水加大了抽水量，改变了正常的水力平衡，势必引起含水层的应力变化，最终造成观测结果的变化，使得O2含量逐渐降低，2000年10月中旬变为0。为了证实了CO2百分含量高低与抽水量(抽水时间)的关系，清丰地震台进行了不同抽水量(抽水时间)CO2含量的对比观测。对比观测结果证实了CO2含量随着抽水量的增加而升高的变化特征(见表2)图3 清丰井2000年水氡、CO2、氧日值曲线图表2 清丰井不同抽水量CO2含量对比观测数据表(%) 观测日期:2000年8月抽水量（m3） 抽水量（m3） 抽水量（m3）日期 0.3 1.0 日期 0.3 1.0 日期 0.3 1.0 14 2 14 2.28 3.12 20 2.60 3.36 26 2.60 3.0915 2 15 2.92 3.65 21 3.15 3.21 27 2.34 3.4516 2 16 2.92 3.80 22 2.77 3.24 28 2.57 3.3317 2 17 2.48 3.73 23 2.92 3.36 29 2.90 3.6518 2 18 2.63 3.37 24 2.19 3.07 30 2.92 3.6019 2 19 2.63 3.50 25 2.33 3.21 31 2.92 3.802001年以来，该井抽水条件未发生变化。水氡、CO2观测结果夏高冬低的年变动态特征明显，见图4。但2002年距清丰井150 m的制药厂打了一口井，与清丰井属同层开采。4月15日制药厂井抽水后对清丰气体观测井产生严重影响，水位下降幅度达2 m，2002年底才趋于稳定，2002年的CO2观测值明显偏高。2003年6月，气相色谱仪更换了色谱柱，观测结果有所变化，N2、He含量更为平稳。图4 清丰井20002004年气体观测日值曲线图4 结论与讨论(1 )在地震前兆观测中，要针对具体观测项目，制定科学合理的观测条件，以保证观测条件长期稳定，取得连续、准确、可靠的观测资料。(2)对于需要抽水进行水化观测的井孔，要根据水文地质环境和水动力条件，计算出科学合理的抽水量，以保证观测井能长期稳定使用，发挥其在地震监测预报中的作用。(3)抽水条件的改变对观测结果产生较大的影响。在前兆观测工作中要加强管理，加大投资，保持观测条件的长期稳定。(4) 对抽水井气体观测来说，抽水深度应大于40m，且具有一定的抽水量，以保证采集到新鲜水样，使观测反映地下水的真实动态。(5)随着经济的不断发展和地下水的大量开采，地震观测环境条件不断受到干扰影响。地震部门要依法保护地震观测环境，为防震减灾事业做出贡献。参考文献：1国家地震局地下水影响因素研究组 地震地下水动态及其影响因素分析 地震出版社 1985 166-1932张炜，王吉易， 鄂秀满，等 水文地球化学预报地震的原理和方法 教育科学出版社 1988 113-157Analyse on the changing cause of the gas data of Qingfeng wellLI Gui-qing1 ， LIU Rong2 ， HAN Jiu-ying2 ， LI Hua-ping1 ， FANG Yu-dong3， ZHENG Hong-yan1 ， GUO Jie1 （1.Seismic Station of Puyang City， Puyang