盐源干海井脱气装置应用效果对比及改进建议

2023-11-15杨志鹏

地震地磁观测与研究 2023年4期

蒋川杨志鹏赵晶文朗

（中国四川 615022 四川省地震局西昌地震监测中心站）

0 引言

在地震孕育与发生过程中，岩石应力与热力状态的变化及深部物质运移可能会导致岩石氡射气系数改变、氡溶解度变化（中国地震局监测预报司，2020）。使用数字化测氡仪可观测水中溶解氡浓度的变化，长期连续观测中可能发现溶解氡浓度变化可能携带的地震异常信息。目前，利用数字化测氡仪已实现无人值守自动观测和数据传输，但与之配套的脱气装置的研制和应用则相对落后。不同井（泉）的水流量、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技术来达到最优的脱气—集气效能（高小其等，2021）。

脱气装置作为气氡浓度观测最核心的前端处理设备，其功能是使水中气体脱离水体，再通过引气管将分离出的气体引入测氡仪完成分析。脱气装置与观测井（泉）的适配性、脱气装置长期工作的可靠性、气水分离效率等可直接影响气氡浓度观测的数据质量。传统的脱气装置主要有溅落式、卧管式、鼓泡式等类型，一些地震台站工作人员因地制宜根据井（泉）的特点在传统脱气装置基础上对其进行了设计改造，并取得了较好效果（苏永刚等，2005；王燕等，2013；文勇等，2014；赵冬等，2018；刘丽等，2019）。

盐源干海井观测资料多次在各级质量评比中获奖（四川省地震局，2004），且曾在地震前出现异常（汤秀山等，1987；江在雄等，2000），具有较好的观测质量和灵敏的地震前兆响应。但目前各种干扰对干海井各测项数据的影响日益明显，尤其是干海井中大量悬浮状的固体杂质对气氡浓度的影响较大，气氡浓度数据时常因此产生台阶和突跳，严重时气路完全堵塞还会引起观测数据中断。本文从气氡浓度观测数据稳定性及干扰、故障的统计特征等方面，对比3 种不同类型脱气装置在盐源干海井的应用效果，选出较适合盐源干海井使用的脱气装置，分析杂质来源并提出对脱气装置进行改进的建议，以期为其他类似条件的观测点脱气装置设计改造提供一定的参考。

1 概况

干海井气氡浓度观测点位于四川省凉山州盐源县县城以北约10 km 盐井街道辖区，地处川滇菱形块体内（图1）。井下38.0—55.7 m砂岩层为主要含水层，所在地被第四系（Q）冲、洪积物覆盖，下伏地层为三叠系白山组（T2b），岩性为灰岩、泥灰岩。区域内主要发育有丽江—小金河断裂、盐源—棉垭断裂、甲米断裂、宁蒗断裂。其中，丽江—小金河断裂为主要断裂，全长360 km，以NE—SW 走向贯穿该区域，是在龙门山—锦屏山—玉龙雪山中新生代推覆构造带西南段基础上形成的一条活动断裂带（向宏发等，2002；邓起东等，2002），从全新世至今一直具有较强的活动性（徐锡伟等，2003；季灵运等，2015）。

图1 干海井位置及区域构造分布Fig.1 Location and regional structure distribution diagram of ganhai Well

干海井为有人值守观测井，1980 年9 月以来，每日采取水样进行水氡浓度模拟观测。2006 年4 月进行数字化改造，新增水位、水温、气氡及气象三要素数字化测项，所有用电观测设备均配备UPS 备用电源，停电时可自动切换至备用电源供电，其他基础信息见表1。

2 水化学特征

地下水的化学组分和稳定同位素组成可用于判定其水化类型、水—岩平衡反应特征及其组分来源。如Piper 图可用于判定地下水的类型、混合作用；氢氧稳定同位素浓度数据与大气降水线之间的关系可用于研究地下水的运动过程；Na-K-Mg 三角图可用于判定地下水的水—岩平衡状态，进一步揭示含水层的深浅部补给关系和地下水系统的开放、封闭程度。2017 年4 月采取干海井井水样品，进行化学组分和氢氧同位素分析（表2）。

表2 干海井水化学及氢氧同位素分析结果（据杨耀等，2019）Table 2 Results of chemical and hydrogen and oxygen isotope analysis of ganhai well (Yang et al，2019)

由表2 可见，干海井井水阴离子以HCO3-、Cl-为主，阳离子以 Na+为主，依据舒卡列夫分类法，干海井地下水水化类型为 HCO3·Cl-Na 类型［图2（a）］。该区域内发育有岩溶漏斗、地下暗河等，表明有地下岩溶系统①综合水文地质图（盐源幅G-47-6）.中国人民解放军00 九三一部队四中队，1977.。分析认为，井水中Ca2+、HCO3-来源于地下水对岩溶系统灰岩的溶解。较高浓度的Na+、Cl-是由地下水流动过程中溶解盐类形成的，SO42-来源于下伏地层盐塘组（T2y）中透镜状石膏的溶解。

图2 干海井水化学及氢氧同位素分析Fig.2 Chemical and hydroxide isotope analysis diagram of ganhai well

由图2（b）可见，干海井氢氧同位素浓度位于中国西南地区大气降水线（δD=7.54δ18O+4.84）下方附近；Na-K-Mg三角图［图2（c）］显示，干海井落在靠近Mg端元部分平衡区域，表明干海井受循环相对较快、来源于大气降水的浅层冷水补给，水—岩之间尚未达到离子平衡状态，发生了部分平衡的水—岩反应使得干海井氢氧同位素浓度向下轻微偏离中国西南地区大气降水线。

3 应用效果对比

3.1 脱气装置简介

自吸式脱气装置［图3（a）］适用于矿化度低、大流量冷水观测井 (泉) 。该装置利用水在管路中高速流动所产生的负压，将水从脱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水流，由于有一定落差，会形成一个立轴涡体，涡体中心会产生负压，吸入空气形成掺气水流，水流到达鼓泡室后，水中的空气便从水中逸出，逸出时把水中溶解的气体带出（赵冬等，2018）。自吸式脱气装置直接与干海井出水口相连，气氡浓度观测数据的及时性较好，但存在内部易结垢、数据受井水流量影响较大的问题。

图3 自吸式（a）、电动溅落式（b）脱气装置（据高小其等，2021）Fig.3 Self-priming (a) and electric splash (b) degassing device (Gao et al，2021)

电动溅落式脱气装置［图3（b）］适用于高矿化度水点观测。工作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。该装置可通过超声震荡形成溅落、超声双重脱气提高水中逸出气的气量，装置工作时超声也同时清洁装置内部，以防止沾黏造成装置内部结垢堵塞，延长维护周期。观测中发现，电动溅落式脱气装置较好地解决了脱气装置内部结垢问题，且有较高的脱气效率，正常观测期间气氡浓度均值为46.83 Bq·L-1，在3 种脱气装置中最高。但由于进水口的转弯处极易发生堵塞，进行维护时须中断观测、拆卸脱气装置进行内部疏通清洗，拆卸安装工作较复杂，对正常观测影响较大。

干海井现用电动鼓泡式脱气装置，适用于高矿化度、大流量观测井观测，由脱集气装置和恒流箱2 部分组成（图4）。工作时电动气泵将空气鼓入至水面以下，空气在恒流箱中与井水接触携带出溶解气，经半面式集气罩收集进入测氡仪完成观测。电动鼓泡式脱气装置气泵流量大小可以调节，鼓气情况易于观察，在恒流箱内完成脱气，结构简单易于维护，能在脱气装置保持密闭状态下完成对鼓气口的简单清洗，对正常观测影响较小，但由于鼓气口易被杂质附着而引起气路流量改变，因此需要工作人员频繁维护清洗（2021 年清洗维护37 次）。

图4 电动鼓泡式脱气装置Fig.4 Figure of electric bubble degassing device

3.2 数据质量分析

自吸式脱气装置干扰较多（图5），数据台阶、突跳频繁，变化幅度较大；电动溅落式脱气装置干扰相对较少，但整体变化幅度仍然较大，没有观测到明显的气氡浓度年变形态；电动鼓泡式脱气装置干扰最少，气氡浓度整体变化幅度最小，在使用该脱气装置进行观测的2 年时间内，气氡浓度大致呈现夏高冬低的特征，与水氡观测年变特征基本一致。分析认为使用电动鼓泡式脱气装置观测质量较高。

标准差、变异系数是衡量数据离散程度的常用指标。标准差越大表示该组数据越偏离平均值；变异系数没有量纲，可用于单位不同、平均数不同的2 组或多组数据离散程度的比较，数值越大表示数据离散程度越高。表3 为不同脱气装置在对应时间段内的气氡浓度标准差、变异系数。由表3 可见，分析时间段内数据稳定性排序为电动鼓泡式＞电动溅落式＞自吸式。

表4 为不同脱气装置产生故障的次数、故障影响时间等。由表4 可见，电动鼓泡式脱气装置故障时间占比、中断观测时间占比均较小，反映出电动鼓泡式脱气装置抗干扰能力较强，工作可靠性较优。

表4 脱气装置故障统计Table 4 Statistical table of degassing device

4 故障分析及改进建议

脱气装置故障在气氡浓度观测波形上［图6（a）、6（b）］表现为突跳、下降形态特征，恒流箱排水口堵塞也会影响到水位数据［图6（c）、6（d）］。干海井使用过的几种脱气装置均因气路、水路问题产生过故障，目前，还未发现能适用干海井长期观测的脱气装置。从观测数据来看，自吸式脱气装置存在稳定性差、干扰频发的问题；电动溅落式脱气装置脱气效率高，但存在故障停测时间占比大、维护困难的问题；电动鼓泡式稳定性好，易维护，故障时间占比、中断观测时间占比均较小，但存在清洗维护频繁，影响正常观测数据的问题。

图6 2021 年脱气装置出现典型故障时气氡浓度、水位观测曲线Fig.6 Typical fault observation curve in 2021

产生这些问题的根本原因：①井水杂质粘黏性强，井水杂质含量太多。杂质附着或堵塞在脱气装置鼓气口，造成进出口流量改变［图7（b）］。②杂质附着在整个观测系统内壁［图7（a）］、恒流箱底部排水口附近等［图7（c）］，对水位、气氡浓度等测项产生长期干扰。分析认为，杂质有以下可能来源：①下伏地层白山组（T2b）泥灰岩中的粘土矿物被流动的井水带出；②2021 年工作人员每周测试了1 次干海井井水总溶解固体，52 次测试平均值为442 mg/L，井水矿化度较高，原处在深部还原环境中的井水流出地表后遇空气，井水部分组分被氧化，产生了粘黏性极强的杂质；③干海井观测环境湿度较大，内部井壁极易氧化脱落，在流动井水的长期作用下形成颗粒极细的浅灰色杂质，当补给流量突然增大或人为扰动干海井时，井水中杂质含量会突然增加，引起严重故障。

图7 干海井观测故障（a）恒流箱中的悬浮杂质；（b）鼓气口被杂质堵塞；（c）灰色沉渣堵塞底部排水口Fig.7 Observation fault diagram of ganhai well

自然脱气式、电动溅落式、电动鼓泡式脱气装置适用于不同流量、矿化度的井（泉）气氡浓度观测，但干海井杂质量多且来源复杂，杂质问题难以通过现有脱气装置彻底解决，因此设计一套维护简单且能在干海井大量杂质环境中长期稳定观测的脱气装置尤为必要。基于以上需求，在现用电动鼓泡式脱气装置的基础上增加2 项改进措施（图8）：①将恒流箱底部变更为漏斗型，内壁选用抗污能力强的表面材料，使清理工作更加容易，杂质更易自然排出；②增设1 条气路作为备用，各组成部分采用橡胶管灵活套接，在不排空恒流箱、不破坏整个脱气装置密闭性的状态下即可完成拆卸更换，主用—备用气路可根据需要随时相互切换，以避免单一鼓气口长时间工作产生堵塞。