地下流體氣汞觀測的儲(chǔ)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(yáng)子塊體東部地球動(dòng)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(xiàng)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(duì)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(jiān)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(chǔ)氣等井口裝置設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接關(guān)系到被觀測量的真實(shí)性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。實(shí)際觀測中，根據(jù)井口條件不同，氣汞觀測會(huì)采用不同脫氣、儲(chǔ)氣裝置，靜水位井口一般采用浮動(dòng)罩式集氣裝置，動(dòng)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(shí)地反映地下水中的氣體變化（任佳等，2005）。因此，針對(duì)不同觀測井和觀測儀器，設(shè)計(jì)與之相匹配的脫氣、儲(chǔ)氣裝置（李雨澤等，2017），充分將水中的溶解氣脫出并合理儲(chǔ)存，進(jìn)而將新鮮氣體引入傳感器，較好地記錄地下水溶解氣體動(dòng)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(duì)動(dòng)水位觀測井，采用自然吸氣鼓泡脫氣裝置進(jìn)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(jìn)行脫氣，脫氣效率相較自然跌落式有較大提升；同時(shí)，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(jì)與整套氣汞觀測系統(tǒng)相匹配的儲(chǔ)氣裝置。該儲(chǔ)氣裝置內(nèi)含可變體積氣囊，當(dāng)氣囊膨脹到一定體積時(shí)，在氣囊外壁壓力和儀器的阻力下多余氣體會(huì)通過泄氣口排出，以保持氣囊內(nèi)部氣壓動(dòng)態(tài)平衡，也保證了脫出氣體的及時(shí)交換。

1 儲(chǔ)氣裝置設(shè)計(jì)

為保障測汞儀所采氣樣的時(shí)效性和整套觀測系統(tǒng)氣壓的動(dòng)態(tài)平衡，以保證測量的準(zhǔn)確性為目的設(shè)計(jì)儲(chǔ)氣裝置。脫氣裝置脫出的氣體通過進(jìn)氣口進(jìn)入儲(chǔ)氣裝置，裝置內(nèi)氣囊會(huì)逐漸鼓脹達(dá)到飽和。儀器不采氣時(shí)，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(shí)滿足了裝置內(nèi)氣體及時(shí)置換的需求；采氣時(shí)，泄氣口前端的半透閥會(huì)及時(shí)閉合（防止外部空氣進(jìn)入），氣泵從氣囊內(nèi)抽取定量的新鮮氣體（圖1）。

圖1 儲(chǔ)氣裝置Fig.1 Gas storage device

儲(chǔ)氣裝置配備2只流量計(jì)（泄氣流量計(jì)經(jīng)過改造，在顯示泄氣流量的同時(shí)還具有半透閥的功能），在儀器不采氣時(shí)，可根據(jù)進(jìn)氣流量和泄氣流量，了解裝置內(nèi)氣壓是否保持動(dòng)態(tài)平衡、氣體是否及時(shí)更新。根據(jù)進(jìn)氣流量和儀器采氣流量，在實(shí)驗(yàn)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(diǎn)時(shí)段采集新鮮氣樣，在氣囊內(nèi)部進(jìn)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(dòng)分析儀

ATG-6138M型痕量汞在線自動(dòng)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(duì)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(shí)，基線零點(diǎn)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(yùn)行時(shí)，其內(nèi)置氣泵會(huì)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(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)吸收了樣品中汞氣的金絲捕汞線圈通電加熱，瞬時(shí)釋放出來的汞蒸氣被黃金薄膜傳感器測定，經(jīng)過計(jì)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(dòng)分析儀中的黃金薄膜傳感器對(duì)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(jìn)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(dòng)時(shí)，由于固體邊界的擾動(dòng)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(jìn)而形成渦體。如果出水面與進(jìn)水面之間有一定的落差，則會(huì)形成一個(gè)立軸渦體，渦體的中心會(huì)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(dòng)而產(chǎn)生負(fù)壓強(qiáng)這一原理設(shè)計(jì)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(jí)圓柱體，含進(jìn)水口、進(jìn)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(diǎn)。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(tái)應(yīng)用于自流井氣氡觀測多年，脫氣過程較穩(wěn)定，未對(duì)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(chǔ)氣裝置

儲(chǔ)氣裝置外框架、進(jìn)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(gè)通氣孔，以保障氣囊正常充泄氣。在氣汞儀非采氣時(shí)段，儲(chǔ)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(jì)中半透閥開啟排氣。此過程中，進(jìn)氣流量計(jì)與泄氣流量計(jì)示值基本相同，說明整個(gè)儲(chǔ)氣裝置處于氣壓動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，氣囊內(nèi)氣體得到及時(shí)置換。在氣汞儀采氣時(shí)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(dòng)閉合，可有效防止外部空氣進(jìn)入氣囊稀釋氣樣（圖3）。

圖3 儲(chǔ)氣裝置Fig.3 Gas storage device

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證儲(chǔ)氣裝置與ATG-6138M型痕量汞在線自動(dòng)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(chǔ)氣裝置氣囊內(nèi)設(shè)計(jì)氣壓傳感器。通過比較汞觀測系統(tǒng)運(yùn)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(chǔ)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(shí)驗(yàn)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(shí)，脫氣裝置吸入空氣進(jìn)行自然鼓泡，產(chǎn)生的氣體通過氣路擴(kuò)散進(jìn)入儲(chǔ)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(dòng)分析儀不采氣時(shí)段，在儲(chǔ)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(shí)進(jìn)行置換；在采氣時(shí)段，ATG-6138M型痕量汞在線自動(dòng)分析儀內(nèi)置氣泵從儲(chǔ)氣裝置氣囊內(nèi)抽取定量的氣體，此時(shí)氣囊內(nèi)壓力瞬時(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，獲取了儲(chǔ)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(duì)比。由圖5可見，在ATG-6138M型痕量汞在線自動(dòng)分析儀不采氣時(shí)段，氣囊內(nèi)部氣壓比大氣壓平均低1 hPa左右，其中，早、晚時(shí)段氣囊內(nèi)部氣壓較大氣壓偏大，中午時(shí)段較大氣壓偏??；在采氣時(shí)段，氣囊內(nèi)部氣壓會(huì)出現(xiàn)“突跳”。

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

綜上所述，儲(chǔ)氣裝置氣囊內(nèi)部氣壓基本保持動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，在ATG-6138M型痕量汞在線自動(dòng)分析儀不采氣時(shí)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(shí)排出；在開始采氣時(shí)刻，受采樣口抽氣的影響，氣囊內(nèi)部氣壓會(huì)瞬時(shí)下降，半透閥閥子也會(huì)瞬時(shí)掉落，閥門閉合，阻止外部空氣進(jìn)入氣囊內(nèi)部；在結(jié)束采氣時(shí)刻，進(jìn)氣口補(bǔ)充的氣體使氣囊及時(shí)飽和，此時(shí)半透閥閥子及時(shí)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(chǔ)氣裝置具有較好的兼容性，能保證被測氣體及時(shí)置換和觀測系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，并可配合自然吸氣鼓泡脫氣裝置提升脫氣效率。同時(shí)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為，儲(chǔ)氣裝置在以下方面仍有進(jìn)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(jìn)一步提升儲(chǔ)氣裝置在測量儀器采樣時(shí)段的靈敏度；②考慮儀器測量時(shí)采氣量的大小，選擇體積合理的氣囊，可進(jìn)一步保障測量結(jié)果的時(shí)效性。