地下流体气汞观测的储气装置

赵 影 谢 斌 王成楠 查小惠 胡旭东

1）中国九江 332006 江西九江扬子块体东部地球动力学野外科学观测研究站

2）中国南昌 330000 江西省地震局

3）中国江西 330000 东华理工大学

4）中国南昌 330000 江西省地质环境调查研究院

0 引言

汞观测是地下流体观测的重要测项之一，在地震监测预测中被广泛应用。自1984年测汞技术被引用到地震监测预测中以来，已建成以水汞和气汞为观测对象的汞地球物理监测网，并积累了较好的震例（孟广魁等，1997；程鉴基，1997；张磊等，2015；郭丽爽等，2015；杨志坚等，2015）。但是，汞观测中也存在观测系统、环境因素及仪器校准、老化等亟需解决的技术问题（孔令昌等，2011）。在气汞观测中，脱气、储气等井口装置设计的优劣直接关系到被观测量的真实性、准确性和稳定性。实际观测中，根据井口条件不同，气汞观测会采用不同脱气、储气装置，静水位井口一般采用浮动罩式集气装置，动水位井口较多采用溅落式脱气集气装置。后者脱气效率不高，脱出气体中的汞测值较低；且该装置容积较大，气体交换慢，新脱出的气体容易被原来的气体混合稀释，测值不能快速如实地反映地下水中的气体变化（任佳等，2005）。因此，针对不同观测井和观测仪器，设计与之相匹配的脱气、储气装置（李雨泽等，2017），充分将水中的溶解气脱出并合理储存，进而将新鲜气体引入传感器，较好地记录地下水溶解气体动态变化信息，已成为气汞观测技术的发展趋势（赵影等，2016）。

针对动水位观测井，采用自然吸气鼓泡脱气装置进行脱气。该脱气装置采用井水溅射入腔体所产生的负压进行脱气，脱气效率相较自然跌落式有较大提升；同时，根据脱气装置脱出气体流量和ATG-6138M型痕量汞在线分析仪的采气方式、采气量，设计与整套气汞观测系统相匹配的储气装置。该储气装置内含可变体积气囊，当气囊膨胀到一定体积时，在气囊外壁压力和仪器的阻力下多余气体会通过泄气口排出，以保持气囊内部气压动态平衡，也保证了脱出气体的及时交换。

1 储气装置设计

为保障测汞仪所采气样的时效性和整套观测系统气压的动态平衡，以保证测量的准确性为目的设计储气装置。脱气装置脱出的气体通过进气口进入储气装置，装置内气囊会逐渐鼓胀达到饱和。仪器不采气时，在气囊外壁压力和仪器的阻力下，气囊内气体通过泄气口排出以维持系统内气压平衡，同时满足了装置内气体及时置换的需求；采气时，泄气口前端的半透阀会及时闭合（防止外部空气进入），气泵从气囊内抽取定量的新鲜气体（图1）。

图1 储气装置Fig.1 Gas storage device

储气装置配备2只流量计（泄气流量计经过改造，在显示泄气流量的同时还具有半透阀的功能），在仪器不采气时，可根据进气流量和泄气流量，了解装置内气压是否保持动态平衡、气体是否及时更新。根据进气流量和仪器采气流量，在实验过程中，可适当调整脱气装置脱出气体流量，调控装置内气体更新速率。为保证气汞仪整点时段采集新鲜气样，在气囊内部进气管最长，延伸至气囊底部；采样管次之，延伸至气囊中部；泄气管最短，延伸至气囊上部。

2 汞观测系统设备简介

2.1 ATG-6138M型痕量汞在线自动分析仪

ATG-6138M型痕量汞在线自动分析仪是杭州超距科技有限公司最新研发的汞测量仪器。该仪器对汞具有极高的灵敏度，检出限高达5×10-13g，可以直接测量，无需富集，在仪器最低检出限时，基线零点漂移＜2 mV/8 h；电压要求为AC220 V、50 Hz，温度范围为0—50℃，湿度范围为10%—95%（非冷凝）。在运行时，其内置气泵会通过电磁阀精确地抽取一定体积的气体样品，通过专制的金丝捕汞线圈吸收样品中的汞，仪器自动控制系统自动对吸收了样品中汞气的金丝捕汞线圈通电加热，瞬时释放出来的汞蒸气被黄金薄膜传感器测定，经过计算，最终汞浓度值被显示在液晶屏幕上。ATG-6138M型痕量汞在线自动分析仪中的黄金薄膜传感器对于汞元素具有良好的稳定性和选择性。此外，该仪器自身还配有环境温度传感器和气压传感器，可同步进行环境温度和气压的辅助观测。

2.2 自然吸气鼓泡脱气装置

由流体力学可知，水在管路中高速流动时，由于固体边界的扰动与水流的内磨擦作用，边界内各水层之间存在着较大的流速差，进而形成涡体。如果出水面与进水面之间有一定的落差，则会形成一个立轴涡体，涡体的中心会产生负压，并吸入大量的空气，形成掺气水流。自然吸气鼓泡脱气装置正是利用了水在管路中高速流动而产生负压强这一原理设计的（许秋龙等，2002）。自然吸气鼓泡脱气装置为聚甲基丙烯酸甲酯的多级圆柱体，含进水口、进气口、出水口和出气口，适用于不含杂质、矿化度较小的观测井，具有脱气效率高、脱气稳定的特点。该装置为新疆维吾尔自治区地震局许秋龙研制，在九江地震台应用于自流井气氡观测多年，脱气过程较稳定，未对水位、水位观测产生干扰（图2）。

图2 自然吸气鼓泡脱气装置Fig.2 Degassing device

2.3 储气装置

储气装置外框架、进气管、采样管和泄气管均为聚甲基丙烯酸甲酯材质，气囊为橡胶材质，连接软管为硅胶材质。各管路与外框架均采用胶水粘合，保证了装置的整体气密性。装置外壁有多个通气孔，以保障气囊正常充泄气。在气汞仪非采气时段，储气装置气囊充气达到饱和状态，在气囊外壁压力下泄气流量计中半透阀开启排气。此过程中，进气流量计与泄气流量计示值基本相同，说明整个储气装置处于气压动态平衡状态，气囊内气体得到及时置换。在气汞仪采气时段，气泵从气囊抽取气样，气囊外壁压力减弱，泄气端半透阀自动闭合，可有效防止外部空气进入气囊稀释气样（图3）。

图3 储气装置Fig.3 Gas storage device

3 实验设计

为验证储气装置与ATG-6138M型痕量汞在线自动分析仪、自然吸气鼓泡脱气装置所组成的汞观测系统的稳定性，在保障气囊气密性的前提下，在储气装置气囊内设计气压传感器。通过比较汞观测系统运行过程中气囊内部气压和外部大气压趋势是否保持一致，判断储气装置加入后系统的稳定性。

为保障数据的可比性，内部和外部所用的气压传感器，均为WWY-1型气象三要素的气压传感器。实验过程中，井水通过水阀流入自然吸气鼓泡脱气装置，在流速差产生负压的同时，脱气装置吸入空气进行自然鼓泡，产生的气体通过气路扩散进入储气装置气囊内，直至气囊内部充满被测气体。在ATG-6138M型痕量汞在线自动分析仪不采气时段，在储气装置气囊外壁的压力下，半透阀阀子弹起，排出待测气体，及时进行置换；在采气时段，ATG-6138M型痕量汞在线自动分析仪内置气泵从储气装置气囊内抽取定量的气体，此时气囊内压力瞬时下降，半透阀阀子掉落，阻止外界空气倒吸（图4）。

图4 汞观测系统实验示意图Fig.4 Schematic of the mercury observation system

4 数据分析

开展了为期数天的汞观测系统实验，获取了储气装置气囊内部气压和汞观测系统外部大气压数据。从2组气压数据可看出，气囊内部气压与外部大气压多日趋势保持一致。图5为2018年11月2日气囊内外气压对比。由图5可见，在ATG-6138M型痕量汞在线自动分析仪不采气时段，气囊内部气压比大气压平均低1 hPa左右，其中，早、晚时段气囊内部气压较大气压偏大，中午时段较大气压偏小；在采气时段，气囊内部气压会出现“突跳”。

图5 2018年11月2日气囊内外气压对比Fig.5 Comparison curves of air pressure inside and outside of the airbag

综上所述，储气装置气囊内部气压基本保持动态平衡状态，在ATG-6138M型痕量汞在线自动分析仪不采气时段，气囊一直处于饱和充气状态，半透阀阀子与阀门脱离，气体及时排出；在开始采气时刻，受采样口抽气的影响，气囊内部气压会瞬时下降，半透阀阀子也会瞬时掉落，阀门闭合，阻止外部空气进入气囊内部；在结束采气时刻，进气口补充的气体使气囊及时饱和，此时半透阀阀子及时与阀门再次脱离，气囊内部气压再次恢复平衡状态。

5 结论与建议

汞观测系统储气装置具有较好的兼容性，能保证被测气体及时置换和观测系统稳定运行，并可配合自然吸气鼓泡脱气装置提升脱气效率。同时，结合实验结果认为，储气装置在以下方面仍有进一步完善的空间：①可选择材质更轻、密封性更好的半透阀阀子，以进一步提升储气装置在测量仪器采样时段的灵敏度；②考虑仪器测量时采气量的大小，选择体积合理的气囊，可进一步保障测量结果的时效性。