“九五”“十五”项目实施过程中,脱气-集气装置主要有4种类型(图1):鼓泡式水气分离装置、溅落式水气分离装置、卧式自然水气分离装置和浮动罩式脱气-集气装置(夏伟奔等,2013)。根据水矿化度、水温高低、流量大小,一般需在出水口设置滤水管、沉沙管以及增降温装置等,其中应用最为广泛的是溅落式水气分离装置。上述装置存在脱气效率低、含有杂质的水装置容易堵塞等问题。

图1 4种脱气-集气装置
Fig.1 Four kinds of gas-gathering and degassing devices

2002年以来,新疆地震局一些学者研制了自吸气式脱气-集气装置,并在30个观测点进行安装(许秋龙等,2002; 许秋龙,崔勇,2005; 赵东等,2018; 徐长银,2018)。该装置用水作为载体,流动水产生的负压将空气从进气口引入,空气与水在气水混合室混合,气水混合水通过气水混合管进入鼓泡室。气水混合管的鼓泡头产生的微小气泡将水中的氡气脱出。自吸式脱气-集气装置在矿化度低、大流量冷水观测井(泉)中应用效果较好。

根据台站各自井、泉水文地质和地球化学特点的不同,部分台站对脱气集气装置在“十五”设计的基础上进行了改进,例如改变脱气筒的体积、材质,在前端或者后端增加辅助装置等。这些设计由于个性化较强,未进行广泛推广(邱鹏成等,2007; 王燕等,2013; 白占孝等,2014; 陈永花等,2015; 李志鹏等,2015; 赵冬,2018)。

随着气氡、气汞、氢气和二氧化碳仪器的数字化发展,地震地球化学数字化监测取得了显著进展。云南、新疆、甘肃、河北、山西、山东、四川、青海等地先后出现了一些监测资料质量很好的观测点,近年来分析预报人员依据观测到的异常变化,较好地预测了一系列5级以上地震,取得了一定的减灾实效(高小其等,2002; 苏永刚等,2005; 褚金学等,2013; 邱永平,2014; 刘磊等,2017; 向阳等,2018; 徐长银等,2018)。但是,在相当长一段时间内,脱气-集气观测技术都是制约水中溶解气和逸出气数字化观测发展的技术障碍。比如,部分测点观测值基本在仪器的检出限附近,含量很低; 部分测点测值短时内波动性很大,分析预报人员很难确定其背景值; 个别测点测值近乎一条直线等。分析其原因,观测值很低,是由于脱气-集气装置效率低,气体未有效脱析出来; 测值短时内波动性很大,可能是脱气-集气装置气路发生堵塞所致; 个别测值近乎一条直线可能意味着监测到的就是空气,或者原来的脱气—集气装置容积偏大,地下水中能脱析出的气体不多,在大容积中经过互扩散后抽入观测仪器的传感器时,来自井口的新鲜气体很少,而进入传感器的气体是原来滞留在集气容器中的旧气体与当时脱析气体的混合气体。这些气体的滞留时间可长达十几天甚至更长,从而导致一些异常信息被淹没(朱石军等,2012; 邱永平等,2014; 郭红霞等,2017; 徐长银等,2018)。因此,针对目前脱气-集气过程中面临的诸多问题,研发适用于高矿化度,高温、腐蚀性气体、宽动态流量变化、稳定性强、脱气效率高的新型脱气-集气装置已迫在眉睫。

大流量低矿化度脱气-集气装置基于传统溅落式脱气-集气装置进行优化设计,其原理是在一定压力的水流作用下,根据文丘里原理,高速运移的流体在经过特殊形状的管路时,其附近会产生负压,破坏流体中的气相平衡态,气体为保持气相平衡,需从流体中逸出,通过位差撞击分散,小体积水粒中的溶解气或微溶气从水中逃逸,达到脱气与集气的效果,如图2所示。与传统的溅落式脱气-集气装置相比,它在进水口上设计内凹凸型特殊管路,改变水流压力变化,使得流经管路的井、泉水中气液平衡被打破,以增加气体脱气效率。此外,二次密封隔离保证了脱出气体直接由出气口排出,而液体区域增加排压装置,可确保排水区内外压力平衡,促使水流自动排出,有效防止脱气区气体回溶。大流量低矿化度脱气-集气装置的脱气量与水流量有一定的关系,最大脱气量可以达到700 mL/min,水流量的适用范围较广,达2～10 L/min。

小流量低矿化度脱气-集气装置基于传统的()/((a))()/((b))

图2 大流量低矿化度脱气-集气装置实物(a)及观测示意图(b)
Fig.2 Picture(a)and schematic diagram(b) of large-flow and low-salinity gas-gathering and degassing device

鼓泡式脱气-集气装置进行优化设计。其原理是在一定压力的水流作用下,水从脱气-集气装置的上部射流到管径较大的气水混合管内形成无压管路的高速水流。由于有一定落差,会形成一个立轴涡体,涡体的中心会产生一个负压,并通入

空气形成掺气水流。水流进入气体置换腔后,水中的气体在不断涌入的空气鼓动作用下从水中逸出,达到集气与脱气的效果,如图3所示。小流量低矿化度脱气-集气装置采用自适应流量控制、自动运行时间控制的智能型鼓气装置,该装置可根据井泉流量和仪器进气最佳气量需要进行自动控制调节,在测量仪器不需要气体时,装置将自动停止,且可根据不同类型的仪器气体(氡、汞、氢、氦和二氧化碳)需要量调节鼓气流量。此外,在脱气-集气装置内增加了气体置换腔,可以防止水汽混合随水流从排出口溢出,提升气体脱气效果,解决了传统鼓泡式脱气-集气装置鼓泡流量不恒定、鼓泡气泵易老化等造成数据波动的问题,同时具有清洗方便的特点。

小流量低矿化度脱气-集气装置适用于低温、低矿化度、小流量的自流井,如水中泥沙较多,可通过脱气-集气装置的排污口定期清理。

部分地震地下流体观测井(泉)测点地下水含矿物质较多,井泉水长期流经脱气-集气装置后会在装置内部结垢,导致进、出水口堵塞,流量变小。同时,会导致脱气-集气装置内腔体积减小,既会造成装置的不稳定,也降低了脱气效率和脱气量。为解决高矿化度测点脱气-集气装置易结垢、堵塞、维护周期短的问题,我们基于大流量低矿化度脱气-集气装置和小流量低矿化度脱气-集气装置,加入高频信号引发振动,不仅可以

图3 小流量低矿化度脱气-集气装置实物(a)及观测示意图(b)
Fig.3 Picture(a)and schematic diagram(b)of small-flow and low-salinity gas-gathering and degassing device

提高水中逸出气的气量,而且可以清洁装置,防止装置内形成泉华。其原理是通过高频机械震荡波注入液体,引发小范围的高速流动及振动,液体中的溶解气体在振动作用下形成空洞,这些空洞会相互吸引,形成小气泡,小气泡在负压区形成、生长,最终从液体中排出,同时,井泉水中的矿物质无法在装置内部结垢,因此该高矿化度集脱气-集气装置不需因结垢、堵塞进行维护,脱气效率较为稳定。大流量高矿化度脱气-集气装置如图4所示。

图4 大流量高矿化度脱气-集气装置实物(a)及观测示意图(b)
Fig.4 Picture(a)and schematic diagram(b)of large-flow and high-salinity gas-gathering and degassing device

“十五”项目实施过程中,一些静水位观测井增加了气氡、气汞、氢气、二氧化碳等观测项目,但是部分观测井自然逸出气体很少,导致观测数据低于仪器的检测限,个别测点仪器测值基本为空气背景值。针对气体气量小以及难以自然脱气的问题,我们研制出真空脱气-集气装置,如图5所示。根据亨利定律,在一定温度和压力下,液体中的气体含量稳定,气体含量随温度和压力的变化而发生动态变化,温度升高或者压力降低会破坏液体中气液平衡状态,导致气体从液体中逸出。真空脱气-集气装置的工作原理就是将一定体积的液体充入脱气室内,然后通过降低压力使得气液失衡,液体中的溶解气体自然扩散逸出,通过真空泵抽至可变容积集气袋内,再向测量仪器输送。该装置是单次脱气-集气装置,因此比较适合观测单次测量所需气量较小的测项,如H₂、CO₂、CH₄、He等。

图5 真空脱气-集气装置实物(a)及观测示意图(b)
Fig.5 Picture(a)and schematic diagram(b)of the vacuum degassing and gas-gathering device

静水位井脱气-集气装置是基于鼓泡式脱气原理,通过向水中鼓入一定量的空气进行气体置换,在空气逸出水体时,携带水中的微溶气体逸出。图6所示为静水位集脱气-集气装置,主要由控制器和脱气-集气装置两部分组成,脱气-集气装置是一个圆柱形空腔,内部有一个多孔管,使用时,将装置一半没入水中,使多孔管浸入水中,通过多孔管向水中连续鼓气,使水中的混合气逸出至装置上半部分空腔内,由出气口排出。静水位井的特点是水位埋深较深,脱气量低,且多数水井用于观测水温、水位。传统的静水位脱气-集气装置是利用漏斗作为集气罩,倒扣于水面上,但是逸出气量很少。新型静水位井脱气-集气装置通过引入空气作为载气,携带水中微溶气体逸出,极大地提高了逸出气量,较长的集气筒浮于水面,保证了集气体积固定。

图6 静水位井脱气-集气装置实物(a)及观测示意图(b)
Fig.6 Picture(a)and schematic diagram(b)of the degassing and gas-gathering device for the static water-level well

脱气-集气装置的脱气量一般随着水流量变化而变化,脱气量的大小将直接影响观测仪器的结果。脱气量的检测方法是:将脱气-集气系统连接至水流量可调的恒流装置后,将浮子流量计接入脱气-集气系统的出口处,调节水流量,检测脱气-集气量,记录流量计的数值。表1为大流量低矿化度、小流量低矿化度以及高矿化度脱气-集气装置的脱气量测试结果。

静水位井脱气-集气装置的脱气量与水流量无关,仅与控制器的鼓气量有关,控制器的鼓气量可调节,范围为200～1 000 mL/min。真空脱气-集气装置的脱气是抽取一定体积的液体后进行单次脱气,6 L的井泉水单次可脱出0.7 L左右的气体。

表1 脱气-集气装置的脱气量与水流量的关系
Tab.1 Relation between the degassing amount and water flow of the gas-gathering and degassing device

脱气率是利用微溶气体在一定体积的液体中的脱出效率来计算,检测方法是利用H₂溶解气对脱气-集气装置进行脱气效率测试,向脱气密封后的水样中注入100 mL、5 ppm的H₂气体,静置30 min后,将加入H₂的水样注入脱气-集气装置,利用测氢仪测量H₂浓度,用浮子流量计测量脱出气体体积。脱气率计算公式为:

η=((C₂-C₁)×V₁)/(C₀×V₂)×100%(1)

V₂=Q₂×t/60(2)

式中:V1是脱气-集气装置有效腔体体积(单位:mL); V2是测氢仪器测量一次消耗气体的体积(单位:mL); C0是仪器直接检测标准气的浓度(单位:ppm); C1是直接检测脱气-集气装置脱出气的浓度(单位:ppm); C2是加标气(H2)后脱气-集气装置脱出气的浓度(单位:ppm); Q是仪器检测时抽气流量(单位:mL/min); t是仪器检测时抽气时间(单位:s)。</sub>

各脱气-集气装置的脱气率见表2,由表2可见,其脱气率均大于95%,说明新型脱气-集气装置可以有效脱出水中的微溶气体。

表2 脱气-集气装置的脱气率测试结果
Tab.2 Degassing rate of the gas-gathering and degassing device

脱气量的稳定性是指一段时间脱气量的变化程度,如果脱气量变化较大,将导致脱气量忽大忽小,直接影响观测结果的稳定性。其检测方法是将脱气-集气系统连接至水流量可调的恒流装置后,将浮子流量计接入脱气-集气系统的出口处,调节水流量稳定至3 L/min,记录流量计的数值,每隔1 h测量1次,共测量24次,然后计算最大值与最小值之间的误差,计算公式如下:

δ=(|L_最大-L_最小|)/(L^-)×100%(3)

式中:L_最大为脱气量的最大值; L_最小为脱气量的最小值; L^-为脱气量的平均值。

各脱气-集气装置的脱气量稳定性测试结果如表3所示。通过测试,这几种脱气-集气装置的脱气量稳定性均小于10%。

表3 各脱气-集气装置的脱气量稳定性
Tab.3 Stability of the degassing amount of the gas-gathering and degassing devices

四川姑咱海子泉地处北西向鲜水河断裂带、北东向龙门山断裂带和南北向安宁河断裂带的复合部位靠北地段。泉点向东距大渡河430 m,属天然上升冷泉,水温9.5 ℃～12.0 ℃,水质类型HCO3-Ca型,2007年开始气氡数字化观测。在2008年汶川M_S8.0地震、2010年M_S7.1玉树地震以及2013年芦山7.0级地震前均有明显的震前异常。

2020年10月,海子泉同步安装小流量低矿化度脱气-集气装置与自吸气脱气-集气装置进行对比观测(图7)。小流量低矿化度脱气-集气装置连接BG2015测氡仪,自吸气脱气-集气装置连接SD-3A测氡仪,观测数据如图7所示。采用小流量低矿化度脱气-集气装置测得的氡浓度略高于自吸气脱气-集气装置。在3个月的观测过程中,脱气-集气装置没有发生堵塞或突跳波动,说明小流量低矿化度脱气-集气装置在海子泉这样的流量不稳定、低矿化度的自流井中应用较好。

图7 海子泉小流量低矿化度脱气-集气装置(a)与自吸气脱气-集气装置(b)观测曲线
Fig.7 Comparison of the observational data from the device with small flow and low salinity,degassing and gas-gathering device(a)with the data from self-inspiring,degassing and gas-gathering device(b)

甘肃成县气氡台隶属于甘肃省地震局陇南中心地震台,位于秦岭纬向构造带西段,两条东西走向的断裂中间,始建于1970年。观测泉点位于距台站约80 m的山腰,水温16.5 ℃,流量小,且极不稳定,受降雨和季节影响较大。2007年5月安装SD-3A自动测氡仪,使用传统的溅落式脱气-集气装置观测逸出气氡,测值小于10 Bq/L。2016年8月使用自吸气鼓泡脱气-集气装置,气氡测值达到10～20 Bq/L,但在长期观测中发现自吸气鼓泡脱气-集气装置极易受泉水流量变化影响,测值变化幅度大、观测数据不稳定。

2019年12月30日成县台安装小流量低矿化度脱气-集气装置,其整体脱气效率较低,氡测值由原先的10～20 Bq/L降为1～10 Bq/L,但是观测数据较为稳定,无较大波动。2020年5月13日将小流量低矿化度脱气-集气装置改为大流量低矿化度脱气-集气装置,气氡测值达到10～40 Bq/L,脱气效率显著提高,数据如图8所示。根据近6个月的观测情况来看,成县气氡观测较适合使用大流量低矿化度脱气-集气装置。

根据泉点流量的大小,分别在安徽庐江和甘肃武山地震台进行了高矿化度脱气-集气装置的试验应用。

图8 2019年12月—2020年12月成县台气氡观测数据
Fig.8 Recordings of the gas radon at Chengxian station from December 2019 to December 2020

(1)安徽庐江台汤池1号井

安徽省庐江地震台汤池1号井属于典型的高温、高矿化度和大流量温泉井,井口水温约63.1℃,泄流口流量为25 m³/h,矿化物含量较高。2000年开始采用卧式脱气-集气装置,配合数字化气氡仪进行观测。该脱气-集气装置用水量较大、脱气量较大,但易受环境干扰,产生泉华类结晶体较多,随着庐江台水流量降低,已逐渐不适应观测,于2009年淘汰。2010年,台站使用透明材料制成的溅落式脱气-集气装置,虽满足水流量需求,但由于脱气量减小,且使用一段时间后也存在脱气-集气装置结晶、气路水路堵塞的问题,导致观测数据稳定性较差。

2020年9月,庐江台观测室经过标准化改造,采用了大流量高矿化度脱气-集气装置,配套使用ATG-6118H测氢仪和ATG-6138M测汞仪进行观测,2021年1月测氡仪也接入相同大流量高矿化度脱气-集气装置,并在脱气-集气装置的出气口处连接一个高效气水分离装置进行气体预处理; 采用新型冷凝技术,利用柔性耐腐蚀材料,把高温气体降为常温气体。观测数据如图9所示。

图9 2020年6月至2021年1月庐江台气汞(a)、氢气(b)、气氡(c)动态观测数据
Fig.9 Recordings of air-Hg(a),hydrogen(b),gas radon(c)at Lujiang station from June 2020 to November 2021

使用大流量高矿化度脱气-集气装置后,气汞浓度值在0.2 ng/L左右,氢气浓度值在0.7 ppm左右,气氡浓度值在156 Bq/L左右,浓度稳定性明显优于溅落式脱气-集气装置,大幅度的低值突跳基本消失,数据整体波动性变小。截取2021年1月1日12:00至2021年1月15日11:00的数据与2020年8月1日12:00至2020年8月15日11:00的数据进行质量分析,发现气体浓度超过3倍均方差的数据个数明显减少,见表4。从测值曲线形态看出,大流量高矿化度脱气-集气装置的使用明显改善测值突跳的问题,而且装置内部未出现结晶或管路堵塞。实践表明,大流量高矿化度脱气-集气装置有效解决了庐江台气体观测系统中高矿化度以及高温引起的数据不稳和突跳问题。

表4 庐江台新旧脱气-集气装置观测值质量参数对比
Tab.4 Observational data of the new and the old the gas-gathering and degassing devices

(2)甘肃武山台

甘肃武山地震台为国家基本台,位于武山县温泉乡,地处温泉—甘泉深断裂。温泉出露于聂河东岸的大汤沟、小汤沟之中,温泉水主要系大气降水补给的深循环水,补给区大约在云雾山北麓。温泉水温56 ℃,且矿化度高、杂质多。2007年,武山地震台开始使用SD-3A测氡仪对22号井进行气氡连续观测,初期使用溅落式脱气-集气装置,2016年8月开始使用鼓泡式脱气-集气装置,因磨砂的鼓泡装置气孔较小,水中杂质极易堵塞,工作人员取掉电

动鼓泡机,采用自吸气鼓泡脱气-集气装置,但长期使用发现气氡测值起伏变化、波动杂乱、稳定性差,有不规律的台阶变化,这是由于泉水温度较高且矿化物含量高造成脱气-集气装置堵塞、气路水凝堵塞造成的。

2019年12月26日,武山地震台安装小流量高矿化度脱气-集气装置,并在装置的出气口增加高效气水分离装置,观测数据如图 10所示。安装期初,因测氡仪本身故障,测值较低。2020年2月14日仪器恢复正常观测,背景值为3 500 Bq/L。2020年6月和2020年9月两次升高突跳是由于交

图 10 武山台新(a)、旧(b)脱气-集气装置观测数据
Fig.10 Recordings of the new(a)and the old(b)gas-gathering and degassing devices at Wushan station

流电停电导致脱气-集气装置停止工作引起的,2020年11月底因气路堵塞和水流量变小造成了测值突跳下降。对比武山台2019年与2020年气氡的观测数据,发现使用小流量高矿化度脱气-集气装置后气氡测值明显增大近2 000 Bq/L,且稳定性较好。小流量高矿化度脱气-集气装置在武山台使用过程中,脱气率明显升高,且脱气均匀,装置没有因高温、高矿化度发生变形、堵塞,产出的数据较为稳定。

真空脱气-集气装置适用于小流量自流井或者静水位观测井。云南德宏芒邦观测井水温为45.7 ℃左右,水流量为0.6～0.9 L/s,是典型的小流量、高温自流井。2016年11月架设痕量汞在线分析仪,使用溅落式脱气-集气装置进行观测,浓度在0～0.2 ng/L之间波动,数据稳定性较差,且定期清洗装置对测值影响较大,每次清洗后测值会有突升变化。

2020年5月16日工作人员在芒邦井安装真空脱气-集气装置,并根据装置的水位落差对观测井的出水口进行了改造,改造前后的观测数据如图 11所示。使用真空脱气-集气装置后,气氡数据较为稳定,基本在250 Bq/L左右,气汞浓度变化范围为0～0.04 ng/L,与使用溅落式脱气-集气装置时的观测数据相比,气氡与气汞数据较为稳定、波动较小,且在长期使用过程中,无须清洗脱气-集气装置,减少了操作引起的数据台阶问题,极大方便了台站维护工作。

图 11 德宏芒邦井气氡(a)与气汞(b)观测数据
Fig.11 Recordings of gas radon(a)and air-Hg(b)at Mangbang station in Dehong prefecture,Yunnan

静水位井脱气-集气装置一般直接安装于观测井水面上。云南下关静水位观测井是位于洱海边的一个地震观测井,其观测仪器包括水温、水位仪、BG2015气氡仪以及ATG-6138M气汞仪。该井以前采用一个漏斗内置于井内进行集气,但观测效果较差,气氡、气汞测值均较低,气汞浓度基本为0.002 ng/L,气氡浓度约0.64 Bq/L。

下关井于2020年1月6日安装脱气-集气装置,从1年多的运行情况来看,观测数据在安装脱气-集气装置前后的变化不明显,如图 12所示。

图 12 云南下关井静水位井气氡(a)与气汞(b)观测数据
Fig.12 Recordings of gas radon(a)and air-Hg(b)of the static water-level in the Xiaguan well,Yunnan

观测过程中,观测井背景值没有明显提高,证明该观测井水中氡、汞含量较低。

利用高频震荡脱气技术,使水中溶解气体在高频震荡场的作用下振动,避免装置结垢导致的堵塞现象; 采用新型冷凝技术,利用柔性耐腐蚀材料,设计体积可自动调节的集气装置,解决气流不稳定问题; 研制恒流电动鼓泡脱气-集气装置(井内浮子式或井口一般装置式),利用空气连续循环进入水井内携带水中气体逸出,实现静水位井的稳定脱集气效果; 针对复杂情况观测井(泉)中的特殊条件,通过选择不同的脱气-集气装置以及气体稳定性处理装置,保证了连续稳定的脱气量,实现集气脱气-集气装置的自动化。通过以上措施,解决了高矿化度、高温水、高腐蚀性气体影响脱气、集气装置效率与稳定性的问题。

我们依据不同井泉的水流量、水温、矿化度、自然逸出气量和成分等特征,分别研制了5种脱气-集气装置,这些装置已在不同观测台站进行了实验应用,基本上解决了脱气-集气装置堵塞、脱气率低、脱气量不稳定等问题。

根据各脱气-集气装置的原理,结合各台站的试用情况,总结得到了新型脱气-集气装置的适用条件,见表5。

(1)地震地下流体水文地球化学观测台网(包括水氡、水汞、气体和水质)的水点一般选择在易于受力的构造位置,如受干扰较少的强震活动带、活动构造带或重点监视防御区等,测点一般为深井、热水泉、自流井及其它井泉等,各井(泉)水流量、水温、矿化度、逸出气体成分等均存在较大差异,因此无法使用统一的普适性的技术达到最优的脱气-集气效能,而通过对观测点的勘选及水文地球化学背景测试来选择适应实际观测条件的脱气-集气装置是目前切实可行的方案。

(2)水中溶解气和逸出气是地震地下流体观测的主要对象之一,科学设计井口脱气-集气装置是地震地下流体溶气体浓度连续观测系统中的关键技术环节。目前在多个台站试观测过程中,

表5 适合于不同井泉特征的脱气-集气装置类型
Tab.5 Gas-gathering and degassing devices suitable for different wells or springs

发现新研发的脱气-集气装置还可以继续完善,因此,应该开展模块化脱气-集气系统研制,实现脱气-集气装置、储气装置、气体稳定性处理装置以及控制装置的模块化。期望视观测井泉的具体条件,通过选择不同的脱气-集气装置、储气装置以及气体稳定性处理模块实现稳定脱气。

项目实施过程中,得到了云南省地震局、甘肃省地震局、山东省地震局、安徽省地震局、四川省地震局、新疆维吾尔自治区地震局等多个单位的大力支持,在此表示衷心感谢。