九江二井汞觀測(cè)對(duì)比試驗(yàn)研究

李雨澤，黃仁桂，肖 健，趙 影，謝 斌（.九江地震臺(tái)，江西 九江 33006；.會(huì)昌地震臺(tái)，江西 會(huì)昌 34600）

九江二井汞觀測(cè)對(duì)比試驗(yàn)研究

李雨澤1，黃仁桂1，肖 健1，趙 影1，謝 斌2
（1.九江地震臺(tái)，江西 九江 332006；2.會(huì)昌地震臺(tái)，江西 會(huì)昌 342600）

針對(duì)九江二井測(cè)汞儀老化、觀測(cè)效率下降的現(xiàn)象，引進(jìn)新型高精度ATG-6138M測(cè)汞儀并對(duì)井口裝置進(jìn)行改進(jìn)，數(shù)字化汞觀測(cè)質(zhì)量得到顯著提升。通過(guò)對(duì)九江二井汞觀測(cè)系統(tǒng)改進(jìn)過(guò)程的介紹及改進(jìn)前后汞觀測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，認(rèn)為井口裝置與觀測(cè)儀器良好耦合是取得連續(xù)、穩(wěn)定汞觀測(cè)資料的關(guān)鍵。

ATG-6138M測(cè)汞儀；井口裝置；改進(jìn)實(shí)驗(yàn)

0 引言

在中國(guó)地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)中，地下流體觀測(cè)是開(kāi)展最為廣泛的前兆測(cè)項(xiàng)之一[1]。井口裝置則是地下流體數(shù)字觀測(cè)系統(tǒng)中一個(gè)重要的技術(shù)環(huán)節(jié)，它的主要作用是把井水中的氣體集中處理后，自然擴(kuò)散到各類觀測(cè)儀器中，實(shí)現(xiàn)各類氣體的數(shù)字觀測(cè)，但又不能影響井水中水位與水溫等物理量的觀測(cè)[2]。觀測(cè)地下水中汞的含量預(yù)報(bào)地震是近年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)觀測(cè)技術(shù),我國(guó)從1986年投入汞元素預(yù)報(bào)地震研究以來(lái),水汞測(cè)量憑借受干擾少、背景值穩(wěn)定、異常靈敏、幅度明顯、易于識(shí)別等優(yōu)勢(shì), 備受地震學(xué)家關(guān)注,是繼測(cè)氡之后又一項(xiàng)有希望的水化學(xué)預(yù)報(bào)地震的前兆方法,在水化學(xué)地震預(yù)報(bào)中起著十分重要的作用[3]。“九五”、“十五”改造以來(lái)，地下水化學(xué)動(dòng)態(tài)的汞量觀測(cè)逐漸從每天定時(shí)的人工取樣發(fā)展成為連續(xù)自動(dòng)觀測(cè)，在地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[4]。

目前，我國(guó)水汞觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)是地震地下流體四大前兆臺(tái)網(wǎng)之一，有觀測(cè)站 83 個(gè)，測(cè)項(xiàng)主要包括人工觀測(cè)地下水溶解汞（總汞）和自動(dòng)觀測(cè)地下水逸出氣汞（零價(jià)汞）[4]。觀測(cè)水中汞濃度主要使用 XG-4、RG-BS 和 XG-5Z 型測(cè)汞儀；觀測(cè)逸出氣汞濃度主要使用 RG-BQZ、JM-4和DFG-B 型測(cè)汞儀[5]。這些儀器均是 20 世紀(jì) 80或 90 年代研制的，由于觀測(cè)時(shí)間久遠(yuǎn)儀器老化嚴(yán)重，加上井口裝置等方面的原因，導(dǎo)致全國(guó)絕大部分氣汞觀測(cè)數(shù)據(jù)在儀器檢出限以下[6]。以上發(fā)展現(xiàn)狀在很大程度上制約了汞觀測(cè)乃至地下流體學(xué)科的發(fā)展，也嚴(yán)重影響到對(duì)汞濃度變化動(dòng)態(tài)特征以及地震前兆信息的分析。

因此，開(kāi)展高精度、高性能的新型汞觀測(cè)儀研制和探索適合各類觀測(cè)環(huán)境、系統(tǒng)的井口裝置已成為地震地下流體汞觀測(cè)的攻堅(jiān)方向和研究趨勢(shì)。本文針對(duì)九江二井汞觀測(cè)系統(tǒng)存在的儀器老化、井口裝置脫氣、集氣效率差等問(wèn)題，通過(guò)引進(jìn)新型高精度測(cè)汞儀并對(duì)井口裝置進(jìn)行改進(jìn)，使汞觀測(cè)質(zhì)量得到顯著提升。

1 九江二井概況

九江二井地處廬山西北側(cè)，地質(zhì)構(gòu)造屬于下?lián)P子地塊中部廬山山體西北緣夏家—威家?guī)X斷裂帶附近（圖1）。該區(qū)歷經(jīng)多期次地殼運(yùn)動(dòng)，在各發(fā)展階段和各時(shí)期的地殼運(yùn)動(dòng)中，形成了一系列規(guī)模不等、性質(zhì)不同的斷裂，其主體方位呈北北東向[7]。九江二井成井于2008年，井深71m，地表至6.2m為第四系聯(lián)圩組亞粘土、砂礫石，6.2～11.9m為震旦系皮園組強(qiáng)風(fēng)化碳質(zhì)灰?guī)r，11.9～71m均為下元古代碳質(zhì)灰?guī)r。井孔套管地表至0.5m，直徑為170mm；0.5～11.9m，直徑為146mm；11.9m以下為裸眼出水。該井含水層在17～22.5m、55～63.5m，屬構(gòu)造承壓自流井，接受大氣降雨和斷裂帶遠(yuǎn)程補(bǔ)給，目前日流量約300噸（圖2）。

圖1 九江二井地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)圖Fig.1 Geological structure of Jiujiang No.2 well

圖2 九江二井井孔柱狀圖Fig.2 Hydrographic geology section of Jiujiang No.2 well

圖3 九江二井汞測(cè)值圖Fig.3 Mercury value of Jiujiang No.2 well

九江二井?dāng)?shù)字化汞觀測(cè)始于2012年，近年來(lái)隨著RG-BQZ 測(cè)汞儀（2007年開(kāi)始觀測(cè)）使用年限的延長(zhǎng)、老化，儀器運(yùn)行率、數(shù)據(jù)完整率和內(nèi)在質(zhì)量等均出現(xiàn)了一定程度下滑，觀測(cè)值甚至低于儀器檢出限（圖3）。2016年引進(jìn)ATG-6138M測(cè)汞儀，該儀器是國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題“基于數(shù)字化觀測(cè)技術(shù)的強(qiáng)震短臨預(yù)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究（2012BAK19B02）”下屬專題“氫和汞傳感器技術(shù)研發(fā)和示范性應(yīng)用（2012BAK19B02-06）”研發(fā)的地震觀測(cè)儀器，已通過(guò)課題測(cè)試與驗(yàn)收。該儀器硬件采用納米級(jí)金膜傳感器技術(shù)，靈敏度較高，絕對(duì)檢出限（5×10-4ng）優(yōu)于RG-BQZ 測(cè)汞儀（8×10-3ng），可進(jìn)行氣汞的連續(xù)觀測(cè)[5]。本文配合ATG-6138M測(cè)汞儀集氣特征，又對(duì)脫氣、集氣等裝置進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)之后取得了較好的實(shí)驗(yàn)效果。

2 汞觀測(cè)系統(tǒng)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 濺落式脫氣裝置+ATG-6138M測(cè)汞儀（觀測(cè)系統(tǒng)A）

針對(duì)RG-BQZ 測(cè)汞儀老化、穩(wěn)定性較差等問(wèn)題，本實(shí)驗(yàn)采用新型ATG-6138M測(cè)汞儀與濺落式脫氣裝置組成的觀測(cè)系統(tǒng)（圖4）開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，以檢驗(yàn)相同井口環(huán)境、裝置條件下儀器穩(wěn)定性對(duì)測(cè)值的影響。其中，實(shí)驗(yàn)所用脫氣裝置與RG-BQZ 測(cè)汞儀所搭配脫氣裝置原理一致，只在尺寸上有所區(qū)別。

圖4 汞觀測(cè)系統(tǒng)A示意圖Fig.4 Schematic diagram of Mercury observation system A

按圖4所示安裝好觀測(cè)系統(tǒng)A，并在脫氣裝置進(jìn)水流量調(diào)節(jié)穩(wěn)定后，開(kāi)展為期半個(gè)月左右的穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)觀測(cè)（圖5）。觀測(cè)實(shí)驗(yàn)顯示：觀測(cè)系統(tǒng)A的測(cè)值相較RG-BQZ 測(cè)汞儀測(cè)值，提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，證實(shí)九江2井在測(cè)RGBQZ 測(cè)汞儀存在儀器老化，觀測(cè)效率下降等問(wèn)題。同時(shí)，從圖5可以看出觀測(cè)系統(tǒng)A所測(cè)汞值存在較大波動(dòng)，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性有待提高。為此，本文針對(duì)測(cè)汞儀前端脫氣、集氣裝置進(jìn)行了改進(jìn)。

圖5 汞濃度實(shí)驗(yàn)對(duì)比圖Fig.5 Experimental contrast of mercury value

2.2 自然脫氣裝置+集氣裝置+ATG-6138M測(cè)汞儀（觀測(cè)系統(tǒng)B）

針對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)A數(shù)值穩(wěn)定性差的問(wèn)題，本文對(duì)井口裝置進(jìn)行了改進(jìn)。其中，為改進(jìn)濺落式脫氣裝置容積過(guò)大、脫氣效率低的問(wèn)題，本實(shí)驗(yàn)引進(jìn)主動(dòng)鼓泡式脫氣裝置，該脫氣裝置利用流速差產(chǎn)生負(fù)壓對(duì)井水進(jìn)行主動(dòng)鼓泡，具有脫氣效率高的特點(diǎn)，且脫出氣體能及時(shí)向儀器端擴(kuò)散，保證觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)效性。

同時(shí)，針對(duì)ATG-6138M測(cè)汞儀整點(diǎn)時(shí)段氣泵開(kāi)啟主動(dòng)采樣，其他時(shí)段氣泵關(guān)閉不讓外界氣體進(jìn)入的采樣方式，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一套集氣裝置。該集氣裝置含一進(jìn)氣口、兩出氣口（其中儀出氣口終端帶半透閥），內(nèi)置橡膠氣囊，體積設(shè)計(jì)為儀器采氣量的1.5倍左右，具有保持觀測(cè)系統(tǒng)氣壓平衡、保證脫出氣體及時(shí)置換的特點(diǎn)。

如圖6所示，井水通過(guò)水閥流入脫氣裝置，流速差產(chǎn)生負(fù)壓同時(shí)吸入空氣進(jìn)行自然鼓泡，產(chǎn)生的氣體通過(guò)氣路進(jìn)入集氣瓶。儀器不采氣時(shí)段，集氣裝置出氣管端有來(lái)自儀器的壓力，氣體通過(guò)半透閥排出，及時(shí)進(jìn)行氣體置換，維持觀測(cè)系統(tǒng)內(nèi)氣壓平衡；采氣時(shí)段，氣泵從集氣裝置內(nèi)抽取定量的氣體，且儀器抽氣過(guò)程集氣裝置半透閥能阻止外界空氣吸入，以起到防止空氣稀釋待測(cè)氣體的作用。

圖6 汞觀測(cè)系統(tǒng)C示意圖Fig.6 Schematic diagram of Mercury observation system B

按圖6所示安裝好觀測(cè)系統(tǒng)B，通過(guò)調(diào)節(jié)脫氣裝置進(jìn)水流量、集氣裝置氣囊體積至觀測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定后，同樣開(kāi)展為期半個(gè)月左右的穩(wěn)定觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。觀測(cè)結(jié)果（圖5）顯示：采用觀測(cè)系統(tǒng)B后，汞值較觀測(cè)系統(tǒng)A一定幅度抬升，且穩(wěn)定性也有所提高；說(shuō)明測(cè)汞值的高低、穩(wěn)定性同樣受井口裝置脫氣效率及井口裝置與測(cè)汞儀耦合與否影響。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

資料的連續(xù)性與穩(wěn)定性是地震分析預(yù)報(bào)的關(guān)鍵，要提高地震預(yù)報(bào)水平，資料的連續(xù)性是基礎(chǔ)，穩(wěn)定性是保障。因此數(shù)字化資料在正式應(yīng)用于地震分析預(yù)報(bào)工作之前，首先應(yīng)對(duì)資料完整率與穩(wěn)定性進(jìn)行分析[8]。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)采用新型測(cè)汞儀，并設(shè)計(jì)不同脫氣、集氣裝置開(kāi)展對(duì)比試驗(yàn)觀測(cè)，并對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。觀測(cè)結(jié)果分析（表1）顯示：觀測(cè)系統(tǒng)A、B測(cè)值較RG-BQZ 測(cè)汞儀測(cè)值提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，且數(shù)據(jù)穩(wěn)定性要好；觀測(cè)系統(tǒng)B的汞均值相較觀測(cè)系統(tǒng)A的汞均值提高了30%左右，且穩(wěn)定性也有一定提高。

表1 流量影響實(shí)驗(yàn)參數(shù)

以上結(jié)果表明：RG-BQZ測(cè)汞儀已出現(xiàn)明顯老化、效率下降現(xiàn)象；自然脫氣裝置相較濺落式脫氣裝置，脫氣效率更好；針對(duì)測(cè)汞儀主動(dòng)采樣的集氣方式，在自然脫氣裝置與儀器之間加裝集氣裝置，有利于保持觀測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部氣壓平衡，提高觀測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論與建議

在氣體地球化學(xué)的連續(xù)自動(dòng)觀測(cè)中,井口裝置是觀測(cè)技術(shù)系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，關(guān)系到觀測(cè)數(shù)據(jù)的可用性和穩(wěn)定性[9]。本文有針對(duì)性的開(kāi)展了集氣、脫氣等井口裝置改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，取得了一定的認(rèn)識(shí)：

（1）通過(guò)引進(jìn)ATG-6138M測(cè)汞儀、采用自然脫氣裝置、設(shè)計(jì)集氣裝置開(kāi)展對(duì)比實(shí)驗(yàn)，測(cè)汞值得到較大提升，數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定，為后期開(kāi)展九江二井汞觀測(cè)定量實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。

（2）對(duì)于大流量、冷水井泉，采用濺落式集氣裝置脫氣效率低，且受進(jìn)水流量、氣壓等因素影響，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較差，有必要開(kāi)展適當(dāng)?shù)木谘b置改造，提高汞觀測(cè)質(zhì)量。

（3）針對(duì)不同測(cè)汞儀，應(yīng)根據(jù)其采樣方式、采氣量，設(shè)計(jì)相匹配的脫氣、集氣裝置，以保證觀測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性，為地震分析預(yù)報(bào)提供有力保障。

實(shí)際觀測(cè)中，數(shù)字化汞觀測(cè)受捕汞管、供電系統(tǒng)、脫氣、集氣裝置、氣路材質(zhì)、氣樣濕度、室溫、氣壓、氣路冷凝等多重因素的影響。有些影響因素即使已注意到，但仍沒(méi)找到好的消除辦法，試驗(yàn)尚需繼續(xù)深入和優(yōu)化，結(jié)論需要在實(shí)踐中驗(yàn)證、改進(jìn)。實(shí)踐過(guò)程中，充分認(rèn)識(shí)到對(duì)氣汞觀測(cè)的影響因素，可以使地震分析預(yù)報(bào)人員了解這些環(huán)節(jié)，更好地使汞資料在地震預(yù)報(bào)中充分發(fā)揮作用。

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Contrast Experiment on Mercury Observation at Jiujiang No.2 Well

LI Yu-ze1，HUANG Ren-gui1，XIAO Jian1，ZHAO Ying1，XIE Bin2
（1. Jiujiang Seismic Station, Jiangxi Jiujiang 332006，China；2. Huichang Seismic Station, Jiangxi Huichang 342600，China）

According to the aging and observation efficiency falling of measuring mercury instrument at Jiujiang No.2 well. High precision ATG-6138M measuring mercury instrument was introduced and well-head equipment was reformed，digital observation of mercury got promoted significantly. This paper introduces process of improvement about mercury observation system and compares mercury observation data before and after. The results show that good coupling between well-head equipment and observation instrument is the key of continuous and stable mercury observation data.

ATG-6138M measuring mercury instrument; well-head equipment; improving experiment

P315.78

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.02.016

1674-8565（2017）02-0096-05

中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)維（2200404）；江西省地震局青年基金課題（JXDZ-KY-201604）資助

2017-01-03

2017-04-10

李雨澤（1988-），男，湖北省黃岡市人，2011年畢業(yè)于長(zhǎng)江大學(xué)資源勘查工程專業(yè)，本科，助理工程師，現(xiàn)主要從事地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)方面的工作。E-mail: 993085163@qq.com