九江二井汞观测对比试验研究

李雨泽，黄仁桂，肖 健，赵 影，谢 斌（.九江地震台，江西 九江 33006；.会昌地震台，江西 会昌 34600）

九江二井汞观测对比试验研究

李雨泽1，黄仁桂1，肖 健1，赵 影1，谢 斌2
（1.九江地震台，江西 九江 332006；2.会昌地震台，江西 会昌 342600）

针对九江二井测汞仪老化、观测效率下降的现象，引进新型高精度ATG-6138M测汞仪并对井口装置进行改进，数字化汞观测质量得到显著提升。通过对九江二井汞观测系统改进过程的介绍及改进前后汞观测数据的对比分析，认为井口装置与观测仪器良好耦合是取得连续、稳定汞观测资料的关键。

ATG-6138M测汞仪；井口装置；改进实验

0 引言

在中国地震监测台网中，地下流体观测是开展最为广泛的前兆测项之一[1]。井口装置则是地下流体数字观测系统中一个重要的技术环节，它的主要作用是把井水中的气体集中处理后，自然扩散到各类观测仪器中，实现各类气体的数字观测，但又不能影响井水中水位与水温等物理量的观测[2]。观测地下水中汞的含量预报地震是近年发展起来的一项观测技术,我国从1986年投入汞元素预报地震研究以来,水汞测量凭借受干扰少、背景值稳定、异常灵敏、幅度明显、易于识别等优势, 备受地震学家关注,是继测氡之后又一项有希望的水化学预报地震的前兆方法,在水化学地震预报中起着十分重要的作用[3]。“九五”、“十五”改造以来，地下水化学动态的汞量观测逐渐从每天定时的人工取样发展成为连续自动观测，在地震监测预报中得到越来越广泛的应用[4]。

目前，我国水汞观测台网是地震地下流体四大前兆台网之一，有观测站 83 个，测项主要包括人工观测地下水溶解汞（总汞）和自动观测地下水逸出气汞（零价汞）[4]。观测水中汞浓度主要使用 XG-4、RG-BS 和 XG-5Z 型测汞仪；观测逸出气汞浓度主要使用 RG-BQZ、JM-4和DFG-B 型测汞仪[5]。这些仪器均是 20 世纪 80或 90 年代研制的，由于观测时间久远仪器老化严重，加上井口装置等方面的原因，导致全国绝大部分气汞观测数据在仪器检出限以下[6]。以上发展现状在很大程度上制约了汞观测乃至地下流体学科的发展，也严重影响到对汞浓度变化动态特征以及地震前兆信息的分析。

因此，开展高精度、高性能的新型汞观测仪研制和探索适合各类观测环境、系统的井口装置已成为地震地下流体汞观测的攻坚方向和研究趋势。本文针对九江二井汞观测系统存在的仪器老化、井口装置脱气、集气效率差等问题，通过引进新型高精度测汞仪并对井口装置进行改进，使汞观测质量得到显著提升。

1 九江二井概况

九江二井地处庐山西北侧，地质构造属于下扬子地块中部庐山山体西北缘夏家—威家岭断裂带附近（图1）。该区历经多期次地壳运动，在各发展阶段和各时期的地壳运动中，形成了一系列规模不等、性质不同的断裂，其主体方位呈北北东向[7]。九江二井成井于2008年，井深71m，地表至6.2m为第四系联圩组亚粘土、砂砾石，6.2～11.9m为震旦系皮园组强风化碳质灰岩，11.9～71m均为下元古代碳质灰岩。井孔套管地表至0.5m，直径为170mm；0.5～11.9m，直径为146mm；11.9m以下为裸眼出水。该井含水层在17～22.5m、55～63.5m，属构造承压自流井，接受大气降雨和断裂带远程补给，目前日流量约300吨（图2）。

图1 九江二井地质构造简图Fig.1 Geological structure of Jiujiang No.2 well

图2 九江二井井孔柱状图Fig.2 Hydrographic geology section of Jiujiang No.2 well

图3 九江二井汞测值图Fig.3 Mercury value of Jiujiang No.2 well

九江二井数字化汞观测始于2012年，近年来随着RG-BQZ 测汞仪（2007年开始观测）使用年限的延长、老化，仪器运行率、数据完整率和内在质量等均出现了一定程度下滑，观测值甚至低于仪器检出限（图3）。2016年引进ATG-6138M测汞仪，该仪器是国家科技支撑计划课题“基于数字化观测技术的强震短临预测关键技术研究（2012BAK19B02）”下属专题“氢和汞传感器技术研发和示范性应用（2012BAK19B02-06）”研发的地震观测仪器，已通过课题测试与验收。该仪器硬件采用纳米级金膜传感器技术，灵敏度较高，绝对检出限（5×10-4ng）优于RG-BQZ 测汞仪（8×10-3ng），可进行气汞的连续观测[5]。本文配合ATG-6138M测汞仪集气特征，又对脱气、集气等装置进行改进，改进之后取得了较好的实验效果。

2 汞观测系统改进实验设计

2.1 溅落式脱气装置+ATG-6138M测汞仪（观测系统A）

针对RG-BQZ 测汞仪老化、稳定性较差等问题，本实验采用新型ATG-6138M测汞仪与溅落式脱气装置组成的观测系统（图4）开展实验，以检验相同井口环境、装置条件下仪器稳定性对测值的影响。其中，实验所用脱气装置与RG-BQZ 测汞仪所搭配脱气装置原理一致，只在尺寸上有所区别。

图4 汞观测系统A示意图Fig.4 Schematic diagram of Mercury observation system A

按图4所示安装好观测系统A，并在脱气装置进水流量调节稳定后，开展为期半个月左右的稳定实验观测（图5）。观测实验显示：观测系统A的测值相较RG-BQZ 测汞仪测值，提高了一个数量级，证实九江2井在测RGBQZ 测汞仪存在仪器老化，观测效率下降等问题。同时，从图5可以看出观测系统A所测汞值存在较大波动，数据稳定性有待提高。为此，本文针对测汞仪前端脱气、集气装置进行了改进。

图5 汞浓度实验对比图Fig.5 Experimental contrast of mercury value

2.2 自然脱气装置+集气装置+ATG-6138M测汞仪（观测系统B）

针对观测系统A数值稳定性差的问题，本文对井口装置进行了改进。其中，为改进溅落式脱气装置容积过大、脱气效率低的问题，本实验引进主动鼓泡式脱气装置，该脱气装置利用流速差产生负压对井水进行主动鼓泡，具有脱气效率高的特点，且脱出气体能及时向仪器端扩散，保证观测数据的时效性。

同时，针对ATG-6138M测汞仪整点时段气泵开启主动采样，其他时段气泵关闭不让外界气体进入的采样方式，本实验设计了一套集气装置。该集气装置含一进气口、两出气口（其中仪出气口终端带半透阀），内置橡胶气囊，体积设计为仪器采气量的1.5倍左右，具有保持观测系统气压平衡、保证脱出气体及时置换的特点。

如图6所示，井水通过水阀流入脱气装置，流速差产生负压同时吸入空气进行自然鼓泡，产生的气体通过气路进入集气瓶。仪器不采气时段，集气装置出气管端有来自仪器的压力，气体通过半透阀排出，及时进行气体置换，维持观测系统内气压平衡；采气时段，气泵从集气装置内抽取定量的气体，且仪器抽气过程集气装置半透阀能阻止外界空气吸入，以起到防止空气稀释待测气体的作用。

图6 汞观测系统C示意图Fig.6 Schematic diagram of Mercury observation system B

按图6所示安装好观测系统B，通过调节脱气装置进水流量、集气装置气囊体积至观测系统稳定后，同样开展为期半个月左右的稳定观测实验。观测结果（图5）显示：采用观测系统B后，汞值较观测系统A一定幅度抬升，且稳定性也有所提高；说明测汞值的高低、稳定性同样受井口装置脱气效率及井口装置与测汞仪耦合与否影响。

3 实验结果分析

资料的连续性与稳定性是地震分析预报的关键，要提高地震预报水平，资料的连续性是基础，稳定性是保障。因此数字化资料在正式应用于地震分析预报工作之前，首先应对资料完整率与稳定性进行分析[8]。本实验通过采用新型测汞仪，并设计不同脱气、集气装置开展对比试验观测，并对观测数据进行了对比分析。观测结果分析（表1）显示：观测系统A、B测值较RG-BQZ 测汞仪测值提高了一个数量级，且数据稳定性要好；观测系统B的汞均值相较观测系统A的汞均值提高了30%左右，且稳定性也有一定提高。

表1 流量影响实验参数

以上结果表明：RG-BQZ测汞仪已出现明显老化、效率下降现象；自然脱气装置相较溅落式脱气装置，脱气效率更好；针对测汞仪主动采样的集气方式，在自然脱气装置与仪器之间加装集气装置，有利于保持观测系统内部气压平衡，提高观测数据的稳定性。

4 结论与建议

在气体地球化学的连续自动观测中,井口装置是观测技术系统中的重要环节，关系到观测数据的可用性和稳定性[9]。本文有针对性的开展了集气、脱气等井口装置改进实验，取得了一定的认识：

（1）通过引进ATG-6138M测汞仪、采用自然脱气装置、设计集气装置开展对比实验，测汞值得到较大提升，数据趋于稳定，为后期开展九江二井汞观测定量实验奠定了基础。

（2）对于大流量、冷水井泉，采用溅落式集气装置脱气效率低，且受进水流量、气压等因素影响，数据稳定性较差，有必要开展适当的井口装置改造，提高汞观测质量。

（3）针对不同测汞仪，应根据其采样方式、采气量，设计相匹配的脱气、集气装置，以保证观测数据稳定性，为地震分析预报提供有力保障。

实际观测中，数字化汞观测受捕汞管、供电系统、脱气、集气装置、气路材质、气样湿度、室温、气压、气路冷凝等多重因素的影响。有些影响因素即使已注意到，但仍没找到好的消除办法，试验尚需继续深入和优化，结论需要在实践中验证、改进。实践过程中，充分认识到对气汞观测的影响因素，可以使地震分析预报人员了解这些环节，更好地使汞资料在地震预报中充分发挥作用。

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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

中国地震局监测系统运维（2200404）；江西省地震局青年基金课题（JXDZ-KY-201604）资助

2017-01-03

2017-04-10

李雨泽（1988-），男，湖北省黄冈市人，2011年毕业于长江大学资源勘查工程专业，本科，助理工程师，现主要从事地震监测预报方面的工作。E-mail: 993085163@qq.com