0 引言

氦气是惰性稀有气体，质量数小，渗透性和扩散性强，在地球内部不同深度，其含量不同，自地球内部逸出后直接向大气层扩散，不再向地球内部循环。在地壳深部地震的孕育与发生过程中，氦与地震活动异常具有密切关系（孔令昌，1996；耿杰等, 1998, 1999；魏汝庆等，1999）。在邻近地震发生阶段，可以监测到地壳浅部的地下流体中氦气浓度发生明显变化。因此，只要地下流体观测井周围存在孕震应力场作用挤压岩石，使岩石裂隙中富集的氦气析出（孔令昌等，2007），使用测氦仪即可监测到氦气的变化。WGK-1型测氦仪是根据氦的特殊物理化学特性，采用氦气对石英的高渗透性原理，借助于真空学和电学，从而将测得的氦气浓度变化以电信号形式输出，在地震监测预报分析中具有一定作用。

河北怀来后郝窑地震台怀4井测项在多次地震前均有短临异常出现，如1989年大同6.1级地震、1997年怀安4.7级地震、1998年张北6.2级地震、2002年沙城4.4级地震、2014年涿鹿4.3级地震。2012年，怀4井配备WGK-1型测氦仪（中国地震局地质研究所研发）进行氦气监测，观测数据稳定性和可靠性均达到地下流体学科要求，多年来积累了丰富的观测资料。但是，测氦仪长期运行导致灵敏度下降，且数采偶尔出现故障，数据连续率降低。2019年7月，为了提高氦气观测完整率及观测质量，在怀4井试运行郑州晶微科技公司研发的WGK-1型测氦仪，运行状态较为稳定，与旧测氦仪产出数据具有同步性变化特征。文中就新旧测氦仪动态稳定性、内在质量及观测曲线进行对比分析，以验证怀4井新WGK-1型测氦仪观测的可行性。

1 怀4井概况

怀来后郝窑地震台怀4井是河北省流体观测手段较完善的高温自流井，成井于1970年，构造位置处于祁吕系东翼广灵—狼山大断裂带北侧（张凤秋等，2005；宁海雯等，2018），位于祁吕系歪头山—万家窑断裂带、新华夏系杨家山断裂带及NW向施庄大断裂带交汇处（图 1），裂隙发育，热水沿构造破碎带上涌。

怀4井地面海拔487.0 m，井深500.34 m，位于后郝窑热田区，观测含水层为太古界片麻岩破碎带热水层，顶板埋深278.5 m（图 2）。2007年9月，对该井进行井孔改造，核心措施为：开挖深10 m的竖井，降低观测井泄流口高程，距主井管深度8.5 m处引出一个泄流口，将主井水引流到竖井中，在距地面8.0 m处设置气氡和气汞脱气装置及用于模拟观测的水样取样口，以保障观测井的水物理及水化学观测，保证了数字化及模拟观测资料的连续性（张常慧，2011）。2012年起采用WGK-1型测氦仪（中国地震局地质研究所研发，整点值采样）测定观测井逸出气中氦气含量变化。该测氦仪运行正常，氦气测值最低为0.01%，最高为0.03%，变化比较稳定（宋晓冰等，2018）。

2 观测仪器概况 2.1 观测仪器性能参数

测氦仪性能优劣可根据其主要技术指标和参数判断，性能参数包括仪器检出限、测试精度、测试范围和稳定性等。新旧2套测氦仪出厂技术指标和参数标准见表 1。其中WGK-1型测氦仪（晶微）实现了网页实时数据监测及远程时钟校对、重启等功能，便于远程维护及监测。由表 1可见，WGK-1型测氦仪（晶微）测试范围与采样率较高，而WGK-1型测氦仪（地质所）检出限及测试精度较高。

2.2 观测仪器布设

怀4井采用直接集气方式进行氦气观测，观测系统布设示意见图 3。将观测井井口至水面的井管静空间作为集气装置，在主井上方井口处放置集气漏斗，引出气管至测氦仪传感器，随着水位的涨落，集气体积发生变化，引起氦气测值变化。2019年7月，将新测氦仪（晶微）串联并行观测（图 3），其中地质所测氦仪（测点E）为整点值采样，新测氦仪（测点h）为分钟值采样。

3 运行质量评价

按照《地下流体专业技术设备评价》，分析测氦仪动态稳定性及内在质量，其中：动态稳定性要求一阶差分值标准差≤0.2；内在质量应保证一阶差分序列超过3倍均方差的百分比≤2%。

3.1 动态稳定性

标准差可以反映离散度和测量精度，标准偏差越小，表明仪器测量的数值离散度越低，精度越高，同时更能反映仪器的动态稳定性（郭丽爽等，2015；张秀萍等，2017）。选取2套测氦仪2019年10—12月并行观测的氦气测值（整点值），计算得到其一阶差分标准差，结果见表 2。

由表 2可见，WGK-1型测氦仪（地质所）一阶差分值的标准差为0.002 4≥0.2，WGK-1型测氦仪（晶微）一阶差分值的标准差0.001 8≤0.2，说明WGK-1型测氦仪（晶微）动态稳定性符合标准。

3.2 内在质量

选取2019年8月1日—2020年7月31日2套测氦仪氦气测值（整点值），利用Mapsis软件，进行逐月计算，分析二者观测质量，结果见表 3。

WGK-1型测氦仪（地质所）氦气测值一阶差分值3倍标准差分布在-0.008 9%—0.008 9%之间[图 4(a)]，超过3倍标准差的平均次数为7次，占比1.04%；WGK-1型测氦仪（晶微）氦气测值一阶差分值3倍标准差分布在-0.007 1%—0.0007 1%之间[图 4(b)]，超过3倍均方差的平均次数为9次，占比1.26%。2019年10月，新测氦仪传感器高压模块放电，造成数据超差数量较多，2020年3月、4月，由于WGK-1型测氦仪（晶微）仅依靠电瓶直流供电，电瓶出现故障，造成数据连续率较低。数据对比可知，WGK-1型测氦仪（晶微）一阶差分序列超过3倍均方差的比例≤2%。综上判定，新测氦仪稳定性和内在观测质量均符合地下流体专业设备入网指标，但需加强日常维护，此为提高内在质量和确保数据连续率的必要环节。

3.3 观测曲线对比

为了确定数据的可靠性，选取2020年2月1日—29日新旧数字化测氦仪整点值曲线进行对比，结果见图 5。因采样率不同，清楚可见旧测氦仪观测数据曲线“毛刺”较多[图 5(a)]，动态曲线不明显，而新测氦仪观测数据曲线光滑[图 5(b)]，有一定动态变化规律，但2套仪器产出数据具有同步性变化特征，表明观测数据真实可靠，能客观反映怀4井地下流体中氦气的浓度变化。

4 数据分析

选取2019年7月1日至2020年3月31日以来2套测氦仪整点值观测数据，结合观测环境条件，与气温、气压、水位测项散点数据进行对比，结果见图 6、图 7、图 8。

由图 6可见，气温散点虽有差异，但整体呈负相关变化，表现为随着气温的升高，2套测氦仪所测氦气浓度缓慢降低。由图 7、图 8可见，气压、水位影响作用相对较弱。通过对2套测氦仪进行比测，判定气温对氦气观测产生影响，在排除干扰因素的前提下，能够提取更多地下流体信息（孔令昌，1991；王志惠等，2011）。

5 结论

对怀4井2套WGK-1型测氦仪进行比测分析，得出以下结论：①由2套测氦仪性能参数、运行率及动态稳定性、内在质量对比结果可知，WGK-1型测氦仪（晶微）符合《地下流体专业技术设备评价》入网标准。2套仪器产出数据真实可靠，具有同步性变化特征，能客观反映怀4井地下流体中氦气的浓度变化；②WGK-1型测氦仪（晶微）为分钟值采样，数据信息量大，观测数据日变化规则，能够捕捉到更多更完整的地下流体信息；③在相同观测条件下，结合气温、气压、水位等因素进行对比分析，发现2套测氦仪产出数据与气温变化存在负相关性。

新测氦仪使用时间较短，尚需较大范围的试验和实际应用检测。今后应加强日常维护，避免电源故障及高压模块放电对观测数据的影响。