地下流體氣汞觀測的儲氣裝置

趙 影 謝 斌 王成楠 查小惠 胡旭東

1）中國九江 332006 江西九江揚子塊體東部地球動力學(xué)野外科學(xué)觀測研究站

2）中國南昌 330000 江西省地震局

3）中國江西 330000 東華理工大學(xué)

4）中國南昌 330000 江西省地質(zhì)環(huán)境調(diào)查研究院

0 引言

汞觀測是地下流體觀測的重要測項之一，在地震監(jiān)測預(yù)測中被廣泛應(yīng)用。自1984年測汞技術(shù)被引用到地震監(jiān)測預(yù)測中以來，已建成以水汞和氣汞為觀測對象的汞地球物理監(jiān)測網(wǎng)，并積累了較好的震例（孟廣魁等，1997；程鑒基，1997；張磊等，2015；郭麗爽等，2015；楊志堅等，2015）。但是，汞觀測中也存在觀測系統(tǒng)、環(huán)境因素及儀器校準(zhǔn)、老化等亟需解決的技術(shù)問題（孔令昌等，2011）。在氣汞觀測中，脫氣、儲氣等井口裝置設(shè)計的優(yōu)劣直接關(guān)系到被觀測量的真實性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。實際觀測中，根據(jù)井口條件不同，氣汞觀測會采用不同脫氣、儲氣裝置，靜水位井口一般采用浮動罩式集氣裝置，動水位井口較多采用濺落式脫氣集氣裝置。后者脫氣效率不高，脫出氣體中的汞測值較低；且該裝置容積較大，氣體交換慢，新脫出的氣體容易被原來的氣體混合稀釋，測值不能快速如實地反映地下水中的氣體變化（任佳等，2005）。因此，針對不同觀測井和觀測儀器，設(shè)計與之相匹配的脫氣、儲氣裝置（李雨澤等，2017），充分將水中的溶解氣脫出并合理儲存，進而將新鮮氣體引入傳感器，較好地記錄地下水溶解氣體動態(tài)變化信息，已成為氣汞觀測技術(shù)的發(fā)展趨勢（趙影等，2016）。

針對動水位觀測井，采用自然吸氣鼓泡脫氣裝置進行脫氣。該脫氣裝置采用井水濺射入腔體所產(chǎn)生的負(fù)壓進行脫氣，脫氣效率相較自然跌落式有較大提升；同時，根據(jù)脫氣裝置脫出氣體流量和ATG-6138M型痕量汞在線分析儀的采氣方式、采氣量，設(shè)計與整套氣汞觀測系統(tǒng)相匹配的儲氣裝置。該儲氣裝置內(nèi)含可變體積氣囊，當(dāng)氣囊膨脹到一定體積時，在氣囊外壁壓力和儀器的阻力下多余氣體會通過泄氣口排出，以保持氣囊內(nèi)部氣壓動態(tài)平衡，也保證了脫出氣體的及時交換。

1 儲氣裝置設(shè)計

為保障測汞儀所采氣樣的時效性和整套觀測系統(tǒng)氣壓的動態(tài)平衡，以保證測量的準(zhǔn)確性為目的設(shè)計儲氣裝置。脫氣裝置脫出的氣體通過進氣口進入儲氣裝置，裝置內(nèi)氣囊會逐漸鼓脹達(dá)到飽和。儀器不采氣時，在氣囊外壁壓力和儀器的阻力下，氣囊內(nèi)氣體通過泄氣口排出以維持系統(tǒng)內(nèi)氣壓平衡，同時滿足了裝置內(nèi)氣體及時置換的需求；采氣時，泄氣口前端的半透閥會及時閉合（防止外部空氣進入），氣泵從氣囊內(nèi)抽取定量的新鮮氣體（圖1）。

圖1 儲氣裝置Fig.1 Gas storage device

儲氣裝置配備2只流量計（泄氣流量計經(jīng)過改造，在顯示泄氣流量的同時還具有半透閥的功能），在儀器不采氣時，可根據(jù)進氣流量和泄氣流量，了解裝置內(nèi)氣壓是否保持動態(tài)平衡、氣體是否及時更新。根據(jù)進氣流量和儀器采氣流量，在實驗過程中，可適當(dāng)調(diào)整脫氣裝置脫出氣體流量，調(diào)控裝置內(nèi)氣體更新速率。為保證氣汞儀整點時段采集新鮮氣樣，在氣囊內(nèi)部進氣管最長，延伸至氣囊底部；采樣管次之，延伸至氣囊中部；泄氣管最短，延伸至氣囊上部。

2 汞觀測系統(tǒng)設(shè)備簡介

2.1 ATG-6138M型痕量汞在線自動分析儀

ATG-6138M型痕量汞在線自動分析儀是杭州超距科技有限公司最新研發(fā)的汞測量儀器。該儀器對汞具有極高的靈敏度，檢出限高達(dá)5×10-13g，可以直接測量，無需富集，在儀器最低檢出限時，基線零點漂移＜2 mV/8 h；電壓要求為AC220 V、50 Hz，溫度范圍為0—50℃，濕度范圍為10%—95%（非冷凝）。在運行時，其內(nèi)置氣泵會通過電磁閥精確地抽取一定體積的氣體樣品，通過專制的金絲捕汞線圈吸收樣品中的汞，儀器自動控制系統(tǒng)自動對吸收了樣品中汞氣的金絲捕汞線圈通電加熱，瞬時釋放出來的汞蒸氣被黃金薄膜傳感器測定，經(jīng)過計算，最終汞濃度值被顯示在液晶屏幕上。ATG-6138M型痕量汞在線自動分析儀中的黃金薄膜傳感器對于汞元素具有良好的穩(wěn)定性和選擇性。此外，該儀器自身還配有環(huán)境溫度傳感器和氣壓傳感器，可同步進行環(huán)境溫度和氣壓的輔助觀測。

2.2 自然吸氣鼓泡脫氣裝置

由流體力學(xué)可知，水在管路中高速流動時，由于固體邊界的擾動與水流的內(nèi)磨擦作用，邊界內(nèi)各水層之間存在著較大的流速差，進而形成渦體。如果出水面與進水面之間有一定的落差，則會形成一個立軸渦體，渦體的中心會產(chǎn)生負(fù)壓，并吸入大量的空氣，形成摻氣水流。自然吸氣鼓泡脫氣裝置正是利用了水在管路中高速流動而產(chǎn)生負(fù)壓強這一原理設(shè)計的（許秋龍等，2002）。自然吸氣鼓泡脫氣裝置為聚甲基丙烯酸甲酯的多級圓柱體，含進水口、進氣口、出水口和出氣口，適用于不含雜質(zhì)、礦化度較小的觀測井，具有脫氣效率高、脫氣穩(wěn)定的特點。該裝置為新疆維吾爾自治區(qū)地震局許秋龍研制，在九江地震臺應(yīng)用于自流井氣氡觀測多年，脫氣過程較穩(wěn)定，未對水位、水位觀測產(chǎn)生干擾（圖2）。

圖2 自然吸氣鼓泡脫氣裝置Fig.2 Degassing device

2.3 儲氣裝置

儲氣裝置外框架、進氣管、采樣管和泄氣管均為聚甲基丙烯酸甲酯材質(zhì)，氣囊為橡膠材質(zhì)，連接軟管為硅膠材質(zhì)。各管路與外框架均采用膠水粘合，保證了裝置的整體氣密性。裝置外壁有多個通氣孔，以保障氣囊正常充泄氣。在氣汞儀非采氣時段，儲氣裝置氣囊充氣達(dá)到飽和狀態(tài)，在氣囊外壁壓力下泄氣流量計中半透閥開啟排氣。此過程中，進氣流量計與泄氣流量計示值基本相同，說明整個儲氣裝置處于氣壓動態(tài)平衡狀態(tài)，氣囊內(nèi)氣體得到及時置換。在氣汞儀采氣時段，氣泵從氣囊抽取氣樣，氣囊外壁壓力減弱，泄氣端半透閥自動閉合，可有效防止外部空氣進入氣囊稀釋氣樣（圖3）。

圖3 儲氣裝置Fig.3 Gas storage device

3 實驗設(shè)計

為驗證儲氣裝置與ATG-6138M型痕量汞在線自動分析儀、自然吸氣鼓泡脫氣裝置所組成的汞觀測系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在保障氣囊氣密性的前提下，在儲氣裝置氣囊內(nèi)設(shè)計氣壓傳感器。通過比較汞觀測系統(tǒng)運行過程中氣囊內(nèi)部氣壓和外部大氣壓趨勢是否保持一致，判斷儲氣裝置加入后系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

為保障數(shù)據(jù)的可比性，內(nèi)部和外部所用的氣壓傳感器，均為WWY-1型氣象三要素的氣壓傳感器。實驗過程中，井水通過水閥流入自然吸氣鼓泡脫氣裝置，在流速差產(chǎn)生負(fù)壓的同時，脫氣裝置吸入空氣進行自然鼓泡，產(chǎn)生的氣體通過氣路擴散進入儲氣裝置氣囊內(nèi)，直至氣囊內(nèi)部充滿被測氣體。在ATG-6138M型痕量汞在線自動分析儀不采氣時段，在儲氣裝置氣囊外壁的壓力下，半透閥閥子彈起，排出待測氣體，及時進行置換；在采氣時段，ATG-6138M型痕量汞在線自動分析儀內(nèi)置氣泵從儲氣裝置氣囊內(nèi)抽取定量的氣體，此時氣囊內(nèi)壓力瞬時下降，半透閥閥子掉落，阻止外界空氣倒吸（圖4）。

圖4 汞觀測系統(tǒng)實驗示意圖Fig.4 Schematic of the mercury observation system

4 數(shù)據(jù)分析

開展了為期數(shù)天的汞觀測系統(tǒng)實驗，獲取了儲氣裝置氣囊內(nèi)部氣壓和汞觀測系統(tǒng)外部大氣壓數(shù)據(jù)。從2組氣壓數(shù)據(jù)可看出，氣囊內(nèi)部氣壓與外部大氣壓多日趨勢保持一致。圖5為2018年11月2日氣囊內(nèi)外氣壓對比。由圖5可見，在ATG-6138M型痕量汞在線自動分析儀不采氣時段，氣囊內(nèi)部氣壓比大氣壓平均低1 hPa左右，其中，早、晚時段氣囊內(nèi)部氣壓較大氣壓偏大，中午時段較大氣壓偏小；在采氣時段，氣囊內(nèi)部氣壓會出現(xiàn)“突跳”。

圖5 2018年11月2日氣囊內(nèi)外氣壓對比Fig.5 Comparison curves of air pressure inside and outside of the airbag

綜上所述，儲氣裝置氣囊內(nèi)部氣壓基本保持動態(tài)平衡狀態(tài)，在ATG-6138M型痕量汞在線自動分析儀不采氣時段，氣囊一直處于飽和充氣狀態(tài)，半透閥閥子與閥門脫離，氣體及時排出；在開始采氣時刻，受采樣口抽氣的影響，氣囊內(nèi)部氣壓會瞬時下降，半透閥閥子也會瞬時掉落，閥門閉合，阻止外部空氣進入氣囊內(nèi)部；在結(jié)束采氣時刻，進氣口補充的氣體使氣囊及時飽和，此時半透閥閥子及時與閥門再次脫離，氣囊內(nèi)部氣壓再次恢復(fù)平衡狀態(tài)。

5 結(jié)論與建議

汞觀測系統(tǒng)儲氣裝置具有較好的兼容性，能保證被測氣體及時置換和觀測系統(tǒng)穩(wěn)定運行，并可配合自然吸氣鼓泡脫氣裝置提升脫氣效率。同時，結(jié)合實驗結(jié)果認(rèn)為，儲氣裝置在以下方面仍有進一步完善的空間：①可選擇材質(zhì)更輕、密封性更好的半透閥閥子，以進一步提升儲氣裝置在測量儀器采樣時段的靈敏度；②考慮儀器測量時采氣量的大小，選擇體積合理的氣囊，可進一步保障測量結(jié)果的時效性。