高小其 何鑭 劉佳琪 蔣雨函 樊春燕 李慶 王小娟 陳其峰 汪世仙 李志鵬 朱成英

摘要：脫氣-集氣裝置是地震地下流體溶解氣和逸出氣濃度連續(xù)觀測系統(tǒng)中必不可少的重要技術(shù)環(huán)節(jié)，裝置的脫氣效率和穩(wěn)定性直接影響觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量。根據(jù)我國地下流體觀測井（泉）水位類型、水溫、礦化度、流量等特征，新研制了5種脫氣-集氣裝置，包括大流量低礦化度、小流量低礦化度、小流量高礦化度、真空脫氣以及靜水位井脫氣-集氣裝置，并分別在甘肅成縣臺、四川姑咱海子泉、安徽廬江臺、甘肅武山臺、云南下關(guān)井和云南德宏芒邦井等多個臺站進行了實驗觀測，結(jié)果表明新型脫氣-集氣裝置基本解決了地下流體觀測系統(tǒng)中老式脫氣-集氣裝置易堵塞、脫氣率低、脫氣量不穩(wěn)定等問題。

關(guān)鍵詞：地下流體臺網(wǎng);數(shù)字化;氣體觀測;脫氣-集氣裝置

中圖分類號：P315.62? 文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1000-0666（2021）04-0550-14

0引言

我國地震地下流體監(jiān)測始于20世紀60年代。經(jīng)過50多年的努力，經(jīng)歷了創(chuàng)建、發(fā)展與提高、數(shù)字化建設(shè)3個階段，建成了世界上規(guī)模最大、地震監(jiān)測預(yù)報效能最顯著的監(jiān)測臺網(wǎng)，積累了豐富的資料，取得了很多新的科學(xué)認識，在我國地震監(jiān)測預(yù)報與防震減災(zāi)事業(yè)中發(fā)揮了重要的作用，在國際上也產(chǎn)生了積極影響。但是，無論是地下流體臺網(wǎng)的布局與臺站建設(shè)現(xiàn)狀，還是現(xiàn)有地下流體觀測技術(shù)的儲備與創(chuàng)新，都還不能滿足新形勢下我國防震減災(zāi)工作的實際需求。科學(xué)有效地獲得觀測井（泉）孔內(nèi)地震孕育的異常信息，是地下流體地震觀測技術(shù)不斷改進與發(fā)展的目標(biāo)（張煒，王吉易，1988;車用太，魚金子，1997;劉耀煒，2004）。

20世紀70年代，隨著氣氡儀、氣汞儀數(shù)字化技術(shù)的推廣，國內(nèi)外地震學(xué)者開始研制不同種類的脫氣-集氣裝置（蔡作馨等，2003;車用太，魚金子，2015），用來獲取水中溶解氣和逸出氣，開展地震監(jiān)測預(yù)測和科學(xué)研究。早期的脫氣-集氣裝置追求“自然脫氣”，但存在脫氣效率低、氣路易堵塞、受流量影響以及氣體積累空間大的問題。在“九五”科技攻關(guān)和“十五”重大工程項目實施中，地下流體學(xué)科工作人員根據(jù)不同井孔條件研制了不同的脫氣-集氣裝置，如濺散式脫氣-集氣裝置（包括傘狀濺散式、分級濺散式和平板濺散式3種）、鼓泡式脫氣-集氣裝置、臥式脫氣-集氣裝置，自吸式脫氣-集氣裝置等（張平等，2000;陳華靜等，2002;孔令昌等，2011）。這些裝置在地震臺站進行推廣應(yīng)用，取得了一些經(jīng)驗，但經(jīng)過長時間使用后，發(fā)現(xiàn)在高溫水、高礦化度水及含腐蝕氣體和流量變化幅度大等觀測條件下，裝置存在脫氣量不足、水路和氣路易堵塞、定期清洗裝置造成數(shù)據(jù)臺階變化等問題（孔令昌等，2011），觀測資料不能有效反映地下水中氣體的正常動態(tài)特征，裝置的脫氣效率和穩(wěn)定性影響了地下流體監(jiān)測系統(tǒng)的質(zhì)量。因此，針對目前集氣、脫氣過程中存在的問題，研發(fā)適用于高礦化度、高溫、腐蝕性氣體、寬動態(tài)流量變化的標(biāo)準化脫氣-集氣裝置，是地震監(jiān)測預(yù)測和科學(xué)研究的迫切需要。

1氣體脫氣-集氣裝置現(xiàn)狀

水中溶解氣和逸出氣是地震地下流體觀測的主要對象之一?？茖W(xué)設(shè)計井（泉）口脫氣-集氣裝置，是獲得真實可靠的觀測資料的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。該裝置收集井（泉）水中的逸出氣并把溶解氣體脫出，將匯集的新鮮氣體傳送到觀測儀器，達到氣體自動觀測要求。裝置的脫氣效率和穩(wěn)定性直接關(guān)系到觀測項目的最低含量、數(shù)據(jù)質(zhì)量等，甚至可以影響觀測數(shù)據(jù)的真實性與客觀性。截至2020年底，納入全國地球物理臺網(wǎng)管理的24個?。ㄊ?、自治區(qū)）地震局的142個監(jiān)測點安裝了脫氣-集氣裝置，其中氣氡觀測點81個、氣汞觀測點50個、氦氣觀測點11個;沒有納入全國臺網(wǎng)統(tǒng)一管理的市（縣）監(jiān)測點約70個。

1.1“九五”與“十五”期間使用的脫氣-集氣裝置

“九五”“十五”項目實施過程中，脫氣-集氣裝置主要有4種類型（圖1）：鼓泡式水氣分離裝置、濺落式水氣分離裝置、臥式自然水氣分離裝置和浮動罩式脫氣-集氣裝置（夏偉奔等，2013）。根據(jù)水礦化度、水溫高低、流量大小，一般需在出水口設(shè)置濾水管、沉沙管以及增降溫裝置等，其中應(yīng)用最為廣泛的是濺落式水氣分離裝置。上述裝置存在脫氣效率低、含有雜質(zhì)的水裝置容易堵塞等問題。

1.2自吸式脫氣-集氣裝置

2002年以來，新疆地震局一些學(xué)者研制了自吸氣式脫氣-集氣裝置，并在30個觀測點進行安裝（許秋龍等，2002;許秋龍，崔勇，2005;趙東等，2018;徐長銀，2018）。該裝置用水作為載體，流動水產(chǎn)生的負壓將空氣從進氣口引入，空氣與水在氣水混合室混合，氣水混合水通過氣水混合管進入鼓泡室。氣水混合管的鼓泡頭產(chǎn)生的微小氣泡將水中的氡氣脫出。自吸式脫氣-集氣裝置在礦化度低、大流量冷水觀測井（泉）中應(yīng)用效果較好。

1.3臺站自行研制的脫氣-集氣裝置

根據(jù)臺站各自井、泉水文地質(zhì)和地球化學(xué)特點的不同，部分臺站對脫氣集氣裝置在“十五”設(shè)計的基礎(chǔ)上進行了改進，例如改變脫氣筒的體積、材質(zhì)，在前端或者后端增加輔助裝置等。這些設(shè)計由于個性化較強，未進行廣泛推廣（邱鵬成等，2007;王燕等，2013;白占孝等，2014;陳永花等，2015;李志鵬等，2015;趙冬，2018）。

隨著氣氫、氣汞、氫氣和二氧化碳儀器的數(shù)字化發(fā)展，地震地球化學(xué)數(shù)字化監(jiān)測取得了顯著進展。云南、新疆、甘肅、河北、山西、山東、四川、青海等地先后出現(xiàn)了一些監(jiān)測資料質(zhì)量很好的觀測點，近年來分析預(yù)報人員依據(jù)觀測到的異常變化，較好地預(yù)測了一系列5級以上地震，取得了一定的減災(zāi)實效（高小其等，2002;蘇永剛等，2005;褚金學(xué)等，2013;邱永平，2014;劉磊等，2017;向陽等，2018;徐長銀等，2018）。但是，在相當(dāng)長一段時間內(nèi)，脫氣-集氣觀測技術(shù)都是制約水中溶解氣和逸出氣數(shù)字化觀測發(fā)展的技術(shù)障礙。比如，部分測點觀測值基本在儀器的檢出限附近，含量很低;部分測點測值短時內(nèi)波動性很大，分析預(yù)報人員很難確定其背景值;個別測點測值近乎一條直線等。分析其原因，觀測值很低，是由于脫氣-集氣裝置效率低，氣體未有效脫析出來;測值短時內(nèi)波動性很大，可能是脫氣-集氣裝置氣路發(fā)生堵塞所致;個別測值近乎一條直線可能意味著監(jiān)測到的就是空氣，或者原來的脫氣—集氣裝置容積偏大，地下水中能脫析出的氣體不多，在大容積中經(jīng)過互擴散后抽入觀測儀器的傳感器時，來自井口的新鮮氣體很少，而進入傳感器的氣體是原來滯留在集氣容器中的舊氣體與當(dāng)時脫析氣體的混合氣體。這些氣體的滯留時間可長達十幾天甚至更長，從而導(dǎo)致一些異常信息被淹沒（朱石軍等，2012;邱永平等，2014;郭紅霞等，2017;徐長銀等，2018）。因此，針對目前脫氣-集氣過程中面臨的諸多問題，研發(fā)適用于高礦化度，高溫、腐蝕性氣體、寬動態(tài)流量變化、穩(wěn)定性強、脫氣效率高的新型脫氣-集氣裝置已迫在眉睫。

2新型脫氣-集氣裝置工作原理

目前我國地下流體觀測臺網(wǎng)井分為動水位井和靜水位井兩種類型。根據(jù)井（泉）的水溫、礦化度、流量又可以將觀測井分為大流量高礦化度測點、小流量高礦化度測點、大流量低礦化度測點、小流量低礦化度測點、高溫大流量測點和高溫小流量測點等。我們根據(jù)不同的井、泉特征以及近年來臺站觀測中積累的經(jīng)驗，設(shè)計研制了5類新型脫氣-集氣裝置。

2.1大流量低礦化度脫氣-集氣裝置

大流量低礦化度脫氣-集氣裝置基于傳統(tǒng)濺落式脫氣-集氣裝置進行優(yōu)化設(shè)計，其原理是在一定壓力的水流作用下，根據(jù)文丘里原理，高速運移的流體在經(jīng)過特殊形狀的管路時，其附近會產(chǎn)生負壓，破壞流體中的氣相平衡態(tài)，氣體為保持氣相平衡，需從流體中逸出，通過位差撞擊分散，小體積水粒中的溶解氣或微溶氣從水中逃逸，達到脫氣與集氣的效果，如圖2所示。與傳統(tǒng)的濺落式脫氣-集氣裝置相比，它在進水口上設(shè)計內(nèi)凹凸型特殊管路，改變水流壓力變化，使得流經(jīng)管路的井、泉水中氣液平衡被打破，以增加氣體脫氣效率。此外，二次密封隔離保證了脫出氣體直接由出氣口排出，而液體區(qū)域增加排壓裝置，可確保排水區(qū)內(nèi)外壓力平衡，促使水流自動排出，有效防止脫氣區(qū)氣體回溶。大流量低礦化度脫氣-集氣裝置的脫氣量與水流量有一定的關(guān)系，最大脫氣量可以達到700mL/min，水流量的適用范圍較廣，達2～10l/min。

2.2小流量低礦化度脫氣-集氣裝置

小流量低礦化度脫氣-集氣裝置基于傳統(tǒng)的鼓泡式脫氣-集氣裝置進行優(yōu)化設(shè)計。其原理是在一定壓力的水流作用下，水從脫氣-集氣裝置的上部射流到管徑較大的氣水混合管內(nèi)形成無壓管路的高速水流。由于有一定落差，會形成一個立軸渦體，渦體的中心會產(chǎn)生一個負壓，并通入空氣形成摻氣水流。水流進入氣體置換腔后，水中的氣體在不斷涌入的空氣鼓動作用下從水中逸出，達到集氣與脫氣的效果，如圖3所示。小流量低礦化度脫氣-集氣裝置采用自適應(yīng)流量控制、自動運行時間控制的智能型鼓氣裝置，該裝置可根據(jù)井泉流量和儀器進氣最佳氣量需要進行自動控制調(diào)節(jié)，在測量儀器不需要氣體時，裝置將自動停止，且可根據(jù)不同類型的儀器氣體（氡、汞、氫、氦和二氧化碳）需要量調(diào)節(jié)鼓氣流量。此外，在脫氣-集氣裝置內(nèi)增加了氣體置換腔，可以防止水汽混合隨水流從排出口溢出，提升氣體脫氣效果，解決了傳統(tǒng)鼓泡式脫氣-集氣裝置鼓泡流量不恒定、鼓泡氣泵易老化等造成數(shù)據(jù)波動的問題，同時具有清洗方便的特點。

小流量低礦化度脫氣-集氣裝置適用于低溫、低礦化度、小流量的自流井，如水中泥沙較多，可通過脫氣-集氣裝置的排污口定期清理。

2.3高礦化度脫氣-集氣裝置

部分地震地下流體觀測井（泉）測點地下水含礦物質(zhì)較多，井泉水長期流經(jīng)脫氣-集氣裝置后會在裝置內(nèi)部結(jié)垢，導(dǎo)致進、出水口堵塞，流量變小。同時，會導(dǎo)致脫氣-集氣裝置內(nèi)腔體積減小，既會造成裝置的不穩(wěn)定，也降低了脫氣效率和脫氣量。為解決高礦化度測點脫氣-集氣裝置易結(jié)垢、堵塞、維護周期短的問題，我們基于大流量低礦化度脫氣-集氣裝置和小流量低礦化度脫氣-集氣裝置，加入高頻信號引發(fā)振動，不僅可以提高水中逸出氣的氣量，而且可以清潔裝置，防止裝置內(nèi)形成泉華。其原理是通過高頻機械震蕩波注入液體，引發(fā)小范圍的高速流動及振動，液體中的溶解氣體在振動作用下形成空洞，這些空洞會相互吸引，形成小氣泡，小氣泡在負壓區(qū)形成、生長，最終從液體中排出，同時，井泉水中的礦物質(zhì)無法在裝置內(nèi)部結(jié)垢，因此該高礦化度集脫氣-集氣裝置不需因結(jié)垢、堵塞進行維護，脫氣效率較為穩(wěn)定。大流量高礦化度脫氣-集氣裝置如圖4所示。

2.4真空脫氣-集氣裝置

“十五”項目實施過程中，一些靜水位觀測井增加了氣氡、氣汞、氫氣、二氧化碳等觀測項目，但是部分觀測井自然逸出氣體很少，導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)低于儀器的檢測限，個別測點儀器測值基本為空氣背景值。針對氣體氣量小以及難以自然脫氣的問題，我們研制出真空脫氣-集氣裝置，如圖5所示。根據(jù)亨利定律，在一定溫度和壓力下，液體中的氣體含量穩(wěn)定，氣體含量隨溫度和壓力的變化而發(fā)生動態(tài)變化，溫度升高或者壓力降低會破壞液體中氣液平衡狀態(tài)，導(dǎo)致氣體從液體中逸出。真空脫氣-集氣裝置的工作原理就是將一定體積的液體充入脫氣室內(nèi)，然后通過降低壓力使得氣液失衡，液體中的溶解氣體自然擴散逸出，通過真空泵抽至可變?nèi)莘e集氣袋內(nèi)，再向測量儀器輸送。該裝置是單次脫氣-集氣裝置，因此比較適合觀測單次測量所需氣量較小的測項，如H2、CO2、CH4、He等。

2.5靜水位脫氣-集氣裝置

靜水位井脫氣-集氣裝置是基于鼓泡式脫氣原理，通過向水中鼓入一定量的空氣進行氣體置換，在空氣逸出水體時，攜帶水中的微溶氣體逸出。圖6所示為靜水位集脫氣-集氣裝置，主要由控制器和脫氣-集氣裝置兩部分組成，脫氣-集氣裝置是一個圓柱形空腔，內(nèi)部有一個多孔管，使用時，將裝置一半沒入水中，使多孔管浸入水中，通過多孔管向水中連續(xù)鼓氣，使水中的混合氣逸出至裝置上半部分空腔內(nèi)，由出氣口排出。靜水位井的特點是水位埋深較深，脫氣量低，且多數(shù)水井用于觀測水溫、水位。傳統(tǒng)的靜水位脫氣-集氣裝置是利用漏斗作為集氣罩，倒扣于水面上，但是逸出氣量很少。新型靜水位井脫氣-集氣裝置通過引入空氣作為載氣，攜帶水中微溶氣體逸出，極大地提高了逸出氣量，較長的集氣筒浮于水面，保證了集氣體積固定。

3脫氣-集氣裝置的性能及檢測方法

脫氣-集氣裝置的性能主要包括脫氣量、脫氣率以及脫氣穩(wěn)定性。脫氣量的多少直接影響測量結(jié)果，脫氣率和脫氣穩(wěn)定性是評價脫集氣裝置的脫氣效果的指標(biāo)，脫氣率越高、穩(wěn)定性越好，對觀測系統(tǒng)產(chǎn)出的數(shù)據(jù)干擾也就越小。

3.1脫氣量

脫氣-集氣裝置的脫氣量一般隨著水流量變化而變化，脫氣量的大小將直接影響觀測儀器的結(jié)果。脫氣量的檢測方法是：將脫氣-集氣系統(tǒng)連接至水流量可調(diào)的恒流裝置后，將浮子流量計接入脫氣-集氣系統(tǒng)的出口處，調(diào)節(jié)水流量，檢測脫氣-集氣量，記錄流量計的數(shù)值。表1為大流量低礦化度、小流量低礦化度以及高礦化度脫氣-集氣裝置的脫氣量測試結(jié)果。

靜水位井脫氣-集氣裝置的脫氣量與水流量無關(guān)，僅與控制器的鼓氣量有關(guān)，控制器的鼓氣量可調(diào)節(jié)，范圍為200～1000mL/min。真空脫氣-集氣裝置的脫氣是抽取一定體積的液體后進行單次脫氣，6L的井泉水單次可脫出0.7L左右的氣體。

3.2脫氣率

脫氣率是利用微溶氣體在一定體積的液體中的脫出效率來計算，檢測方法是利用H2溶解氣對脫氣-集氣裝置進行脫氣效率測試，向脫氣密封后的水樣中注入100mL、5ppm的H2氣體，靜置30min后，將加入H2的水樣注入脫氣-集氣裝置，利用測氫儀測量H2濃度，用浮子流量計測量脫出氣體體積。脫氣率計算公式為：

式中：V是脫氣-集氣裝置有效腔體體積（單位：mL）;V2是測氫儀器測量一次消耗氣體的體積（單位：mL）;C是儀器直接檢測標(biāo)準氣的濃度（單位：ppm）;C1是直接檢測脫氣-集氣裝置脫出氣的濃度（單位：ppm）;C2是加標(biāo)氣（H2）后脫氣-集氣裝置脫出氣的濃度（單位：ppm）;Q是儀器檢測時抽氣流量（單位：ml/min）;t是儀器檢測時抽氣時間（單位：s）。

各脫氣-集氣裝置的脫氣率見表2，由表2可見，其脫氣率均大于95%，說明新型脫氣-集氣裝置可以有效脫出水中的微溶氣體。

3.3脫氣量穩(wěn)定性

脫氣量的穩(wěn)定性是指一段時間脫氣量的變化程度，如果脫氣量變化較大，將導(dǎo)致脫氣量忽大忽小，直接影響觀測結(jié)果的穩(wěn)定性。其檢測方法是將脫氣-集氣系統(tǒng)連接至水流量可調(diào)的恒流裝置后，將浮子流量計接入脫氣-集氣系統(tǒng)的出口處，調(diào)節(jié)水流量穩(wěn)定至3L/min，記錄流量計的數(shù)值，每隔1h測量1次，共測量24次，然后計算最大值與最小值之間的誤差，計算公式如下：

式中：L最大為脫氣量的最大值;L最小為脫氣量的最小值;L為脫氣量的平均值。

各脫氣-集氣裝置的脫氣量穩(wěn)定性測試結(jié)果如表3所示。通過測試，這幾種脫氣-集氣裝置的脫氣量穩(wěn)定性均小于10%。

4新型脫氣-集氣裝置觀測臺站試驗

為了驗證新型脫氣-集氣裝置的應(yīng)用效果，筆者根據(jù)觀測點實際情況，對于不同的脫氣-集氣裝置選取與之相匹配的流體觀測臺站進行試驗觀測。

4.1小流量低礦化度脫氣-集氣裝置與自吸氣脫氣-集氣裝置的對比觀測試驗

四川姑咱海子泉地處北西向鮮水河斷裂帶、北東向龍門山斷裂帶和南北向安寧河斷裂帶的復(fù)合部位靠北地段。泉點向東距大渡河430m，屬天然上升冷泉，水溫9.5℃～12.0℃，水質(zhì)類型HCO3-Ca型，2007年開始氣氡數(shù)字化觀測。在2008年汶川M、8.0地震、2010年M7.1玉樹地震以及2013年蘆山7.0級地震前均有明顯的震前異常。

2020年10月，海子泉同步安裝小流量低礦化度脫氣-集氣裝置與自吸氣脫氣-集氣裝置進行對比觀測（圖7）。小流量低礦化度脫氣-集氣裝置連接BG2015測氡儀，自吸氣脫氣-集氣裝置連接SD-3A測氡儀，觀測數(shù)據(jù)如圖7所示。采用小流量低礦化度脫氣-集氣裝置測得的氡濃度略高于自吸氣脫氣-集氣裝置。在3個月的觀測過程中，脫氣-集氣裝置沒有發(fā)生堵塞或突跳波動，說明小流量低礦化度脫氣-集氣裝置在海子泉這樣的流量不穩(wěn)定、低礦化度的自流井中應(yīng)用較好。

4.2大流量低礦化度脫氣-集氣裝置的試驗

甘肅成縣氣氡臺隸屬于甘肅省地震局隴南中心地震臺，位于秦嶺緯向構(gòu)造帶西段，兩條東西走向的斷裂中間，始建于1970年。觀測泉點位于距臺站約80m的山腰，水溫16.5℃，流量小，且極不穩(wěn)定，受降雨和季節(jié)影響較大。2007年5月安裝SD-3A自動測氡儀，使用傳統(tǒng)的濺落式脫氣-集氣裝置觀測逸出氣氡，測值小于10Bq/L。2016年8月使用自吸氣鼓泡脫氣-集氣裝置，氣氡測值達到10～20Bq/L，但在長期觀測中發(fā)現(xiàn)自吸氣鼓泡脫氣-集氣裝置極易受泉水流量變化影響，測值變化幅度大、觀測數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。

2019年12月30日成縣臺安裝小流量低礦化度脫氣-集氣裝置，其整體脫氣效率較低，氡測值由原先的10～20Bq/L降為1～10Bq/L，但是觀測數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，無較大波動。2020年5月13日將小流量低礦化度脫氣-集氣裝置改為大流量低礦化度脫氣-集氣裝置，氣氡測值達到10～40Bq/L，脫氣效率顯著提高，數(shù)據(jù)如圖8所示。根據(jù)近6個月的觀測情況來看，成縣氣氡觀測較適合使用大流量低礦化度脫氣-集氣裝置。

4.3高礦化度脫氣-集氣的試驗應(yīng)用

根據(jù)泉點流量的大小，分別在安徽廬江和甘肅武山地震臺進行了高礦化度脫氣-集氣裝置的試驗應(yīng)用。

（1）安徽廬江臺湯池1號井

安徽省廬江地震臺湯池1號井屬于典型的高溫、高礦化度和大流量溫泉井，井口水溫約63.1℃，泄流口流量為25m3/h，礦化物含量較高。2000年開始采用臥式脫氣-集氣裝置，配合數(shù)字化氣氡儀進行觀測。該脫氣-集氣裝置用水量較大、脫氣量較大，但易受環(huán)境干擾，產(chǎn)生泉華類結(jié)晶體較多，隨著廬江臺水流量降低，已逐漸不適應(yīng)觀測，于2009年淘汰。2010年，臺站使用透明材料制成的濺落式脫氣-集氣裝置，雖滿足水流量需求，但由于脫氣量減小，且使用一段時間后也存在脫氣-集氣裝置結(jié)晶、氣路水路堵塞的問題，導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較差。

2020年9月，廬江臺觀測室經(jīng)過標(biāo)準化改造，采用了大流量高礦化度脫氣-集氣裝置，配套使用ATG-6118H測氫儀和ATG-6138M測汞儀進行觀測，2021年1月測氡儀也接入相同大流量高礦化度脫氣-集氣裝置，并在脫氣-集氣裝置的出氣口處連接一個高效氣水分離裝置進行氣體預(yù)處理;采用新型冷凝技術(shù)，利用柔性耐腐蝕材料，把高溫氣體降為常溫氣體。觀測數(shù)據(jù)如圖9所示。

使用大流量高礦化度脫氣-集氣裝置后，氣汞濃度值在0.2ng/L左右，氫氣濃度值在0.7ppm左右，氣氡濃度值在156Bq/L左右，濃度穩(wěn)定性明顯優(yōu)于濺落式脫氣-集氣裝置，大幅度的低值突跳基本消失，數(shù)據(jù)整體波動性變小。截取2021年1月1日12：00至2021年1月15日11：00的數(shù)據(jù)與2020年8月1日12：00至2020年8月15日11：00的數(shù)據(jù)進行質(zhì)量分析，發(fā)現(xiàn)氣體濃度超過3倍均方差的數(shù)據(jù)個數(shù)明顯減少，見表4。從測值曲線形態(tài)看出，大流量高礦化度脫氣-集氣裝置的使用明顯改善測值突跳的問題，而且裝置內(nèi)部未出現(xiàn)結(jié)晶或管路堵塞。實踐表明，大流量高礦化度脫氣-集氣裝置有效解決了廬江臺氣體觀測系統(tǒng)中高礦化度以及高溫引起的數(shù)據(jù)不穩(wěn)和突跳問題。

（2）甘肅武山臺

甘肅武山地震臺為國家基本臺，位于武山縣溫泉鄉(xiāng)，地處溫泉—甘泉深斷裂。溫泉出露于聶河?xùn)|岸的大湯溝、小湯溝之中，溫泉水主要系大氣降水補給的深循環(huán)水，補給區(qū)大約在云霧山北麓。溫泉水溫56℃，且礦化度高、雜質(zhì)多。2007年，武山地震臺開始使用SD-3A測氡儀對22號井進行氣氡連續(xù)觀測，初期使用濺落式脫氣-集氣裝置，2016年8月開始使用鼓泡式脫氣-集氣裝置，因磨砂的鼓泡裝置氣孔較小，水中雜質(zhì)極易堵塞，工作人員取掉電動鼓泡機，采用自吸氣鼓泡脫氣-集氣裝置，但長期使用發(fā)現(xiàn)氣氡測值起伏變化、波動雜亂、穩(wěn)定性差，有不規(guī)律的臺階變化，這是由于泉水溫度較高且礦化物含量高造成脫氣-集氣裝置堵塞、氣路水凝堵塞造成的。

2019年12月26日，武山地震臺安裝小流量高礦化度脫氣-集氣裝置，并在裝置的出氣口增加高效氣水分離裝置，觀測數(shù)據(jù)如圖10所示。安裝期初，因測氡儀本身故障，測值較低。2020年2月14日儀器恢復(fù)正常觀測，背景值為3500Bq/L。2020年6月和2020年9月兩次升高突跳是由于交流電停電導(dǎo)致脫氣-集氣裝置停止工作引起的，2020年11月底因氣路堵塞和水流量變小造成了測值突跳下降。對比武山臺2019年與2020年氣氡的觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)使用小流量高礦化度脫氣-集氣裝置后氣氡測值明顯增大近2000Bq/L，且穩(wěn)定性較好。小流量高礦化度脫氣-集氣裝置在武山臺使用過程中，脫氣率明顯升高，且脫氣均勻，裝置沒有因高溫、高礦化度發(fā)生變形、堵塞，產(chǎn)出的數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定。

4.4真空脫氣-集氣裝置的試驗應(yīng)用

真空脫氣-集氣裝置適用于小流量自流井或者靜水位觀測井。云南德宏芒邦觀測井水溫為45.7℃左右，水流量為0.6～0.9L/s，是典型的小流量、高溫自流井。2016年11月架設(shè)痕量汞在線分析儀，使用濺落式脫氣-集氣裝置進行觀測，濃度在0～0.2ng/L之間波動，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較差，且定期清洗裝置對測值影響較大，每次清洗后測值會有突升變化。

2020年5月16日工作人員在芒邦井安裝真空脫氣-集氣裝置，并根據(jù)裝置的水位落差對觀測井的出水口進行了改造，改造前后的觀測數(shù)據(jù)如圖11所示。使用真空脫氣-集氣裝置后，氣氡數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，基本在250Bq/L左右，氣汞濃度變化范圍為0～0.04ng/L，與使用濺落式脫氣-集氣裝置時的觀測數(shù)據(jù)相比，氣氡與氣汞數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定、波動較小，且在長期使用過程中，無須清洗脫氣-集氣裝置，減少了操作引起的數(shù)據(jù)臺階問題，極大方便了臺站維護工作。

4.5靜水位井脫氣-集氣裝置的試驗應(yīng)用

靜水位井脫氣-集氣裝置一般直接安裝于觀測井水面上。云南下關(guān)靜水位觀測井是位于約0.64Bq/L。洱海邊的一個地震觀測井，其觀測儀器包括水溫、水位儀、BG2015氣氡儀以及ATG-6138M氣汞儀。該井以前采用一個漏斗內(nèi)置于井內(nèi)進行集氣，但觀測效果較差，氣氡、氣汞測值均較低，氣汞濃度基本為0.002ng/L，氣氡濃度

下關(guān)井于2020年1月6日安裝脫氣-集氣裝置，從1年多的運行情況來看，觀測數(shù)據(jù)在安裝脫氣-集氣裝置前后的變化不明顯，如圖12所示。觀測過程中，觀測井背景值沒有明顯提高，證明該觀測井水中氡、汞含量較低。

5結(jié)論與討論

5.1充分利用最新技術(shù)，成功研制多種新型脫氣-集氣裝置

利用高頻震蕩脫氣技術(shù)，使水中溶解氣體在高頻震蕩場的作用下振動，避免裝置結(jié)垢導(dǎo)致的堵塞現(xiàn)象;采用新型冷凝技術(shù)，利用柔性耐腐蝕材料，設(shè)計體積可自動調(diào)節(jié)的集氣裝置，解決氣流不穩(wěn)定問題;研制恒流電動鼓泡脫氣-集氣裝置（井內(nèi)浮子式或井口一般裝置式），利用空氣連續(xù)循環(huán)進入水井內(nèi)攜帶水中氣體逸出，實現(xiàn)靜水位井的穩(wěn)定脫集氣效果;針對復(fù)雜情況觀測井（泉）中的特殊條件，通過選擇不同的脫氣-集氣裝置以及氣體穩(wěn)定性處理裝置，保證了連續(xù)穩(wěn)定的脫氣量，實現(xiàn)集氣脫氣-集氣裝置的自動化。通過以上措施，解決了高礦化度、高溫水、高腐蝕性氣體影響脫氣、集氣裝置效率與穩(wěn)定性的問題。

5.2根據(jù)井泉地球化學(xué)特征選用不同的脫氣-集氣裝置

我們依據(jù)不同井泉的水流量、水溫、礦化度、自然逸出氣量和成分等特征，分別研制了5種脫氣-集氣裝置，這些裝置已在不同觀測臺站進行了實驗應(yīng)用，基本上解決了脫氣-集氣裝置堵塞、脫氣率低、脫氣量不穩(wěn)定等問題。

根據(jù)各脫氣-集氣裝置的原理，結(jié)合各臺站的試用情況，總結(jié)得到了新型脫氣-集氣裝置的適用條件，見表5。

5.3新型脫氣-集氣裝置還需要繼續(xù)技術(shù)完善

（1）地震地下流體水文地球化學(xué)觀測臺網(wǎng)（包括水氡、水汞、氣體和水質(zhì)）的水點一般選擇在易于受力的構(gòu)造位置，如受干擾較少的強震活動帶、活動構(gòu)造帶或重點監(jiān)視防御區(qū)等，測點一般為深井、熱水泉、自流井及其它井泉等，各井（泉）水流量、水溫、礦化度、逸出氣體成分等均存在較大差異，因此無法使用統(tǒng)一的普適性的技術(shù)達到最優(yōu)的脫氣-集氣效能，而通過對觀測點的勘選及水文地球化學(xué)背景測試來選擇適應(yīng)實際觀測條件的脫氣-集氣裝置是目前切實可行的方案。

（2）水中溶解氣和逸出氣是地震地下流體觀測的主要對象之一，科學(xué)設(shè)計井口脫氣-集氣裝置是地震地下流體溶氣體濃度連續(xù)觀測系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。目前在多個臺站試觀測過程中，發(fā)現(xiàn)新研發(fā)的脫氣-集氣裝置還可以繼續(xù)完善，因此，應(yīng)該開展模塊化脫氣-集氣系統(tǒng)研制，實現(xiàn)脫氣-集氣裝置、儲氣裝置、氣體穩(wěn)定性處理裝置以及控制裝置的模塊化。期望視觀測井泉的具體條件，通過選擇不同的脫氣-集氣裝置、儲氣裝置以及氣體穩(wěn)定性處理模塊實現(xiàn)穩(wěn)定脫氣。

項目實施過程中，得到了云南省地震局、甘肅省地震局、山東省地震局、安徽省地震局、四川省地震局、新疆維吾爾自治區(qū)地震局等多個單位的大力支持，在此表示衷心感謝。

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Development and Application of A New Type of Degassing， Gas-gatheringDevice for Digital Gas Observation of the Underground Fluid Network

GAO Xiaoqi'，HELan，LIUJiaqi，JIANGYuhan'，F(xiàn)AN Chunyan3，LI Qing'，WANG Xiaojuan5，CHEN Qifeng，WANGShixian'，LI Zhipeng，ZHUChengying

（1.Key Laboratory of Crustal Dynamics，National Institute of Natural Hazards，Ministry of Emergency Management of China，Beijing 100085，China）

（2.HangzhouChaoju Technology Co.，Ltd.，Hangzhou 310000，Zhejiang，China）

（3.China Earthquake Networks Center，Beijing 100045，China）

（4.Eryuan Seismic Station， Yunnan Earthquake Agency， Eryuan 671200，Yunnan，China）

（5.Gansu Earthquake Agency，Lanzhou 730000， Gansu，China）

（6.Shandong Earthquake Agency，Jinan 250013， Shandong，China）

（7.Anhui Earthquake Agency，Hefei 230000，Anhui，China）

（8. Sichuan Earthquake Agency， Chengdu 610044，Sichuan，China）

（9.Xinjiang Uygur Awtonomous Region Earthquake Agency，Urumgi 830011，Xinjiang，China）

Abstract

The gas-gathering and degassing device is one of the important key technologies in the continuous observation system of the seismic underground fluid. The efficiency and stability of the degassing and gass gathering equipment directly affects the quality of observation data.According to the type of underground fluid observation wells （springs），water temperature，salinity， water flow and other characteristics， 5 kinds of gas-gathering and de- gassing devices， including the device with large flow and low salinity， the device with small flow and low salinity， the device with large flow and high salinity， the device with small flow and high salinity， the vacuum degassing device， and the static water well degassing device，have been developed. These devices also have been tested and applied in Chengxian station in Gansu province，Haiziquan spring in Sichuan province， Lujiang station in Anhui province， Wushan station in Gansu province， Xiaguan station and Mangbang station in Yunnan province. So far these devices have basically helped to solve the problems of clogging， low degassing rate， and unstable degassing in the old underground fluid observation system.

Keywords： the underground fluid network; digitization; gas; gas-gathering and degassing device