九江二井汞觀測對比試驗研究

李雨澤，黃仁桂，肖 健，趙 影，謝 斌（.九江地震臺，江西 九江 33006；.會昌地震臺，江西 會昌 34600）

九江二井汞觀測對比試驗研究

李雨澤1，黃仁桂1，肖 健1，趙 影1，謝 斌2
（1.九江地震臺，江西 九江 332006；2.會昌地震臺，江西 會昌 342600）

針對九江二井測汞儀老化、觀測效率下降的現(xiàn)象，引進新型高精度ATG-6138M測汞儀并對井口裝置進行改進，數(shù)字化汞觀測質(zhì)量得到顯著提升。通過對九江二井汞觀測系統(tǒng)改進過程的介紹及改進前后汞觀測數(shù)據(jù)的對比分析，認(rèn)為井口裝置與觀測儀器良好耦合是取得連續(xù)、穩(wěn)定汞觀測資料的關(guān)鍵。

ATG-6138M測汞儀；井口裝置；改進實驗

0 引言

在中國地震監(jiān)測臺網(wǎng)中，地下流體觀測是開展最為廣泛的前兆測項之一[1]。井口裝置則是地下流體數(shù)字觀測系統(tǒng)中一個重要的技術(shù)環(huán)節(jié)，它的主要作用是把井水中的氣體集中處理后，自然擴散到各類觀測儀器中，實現(xiàn)各類氣體的數(shù)字觀測，但又不能影響井水中水位與水溫等物理量的觀測[2]。觀測地下水中汞的含量預(yù)報地震是近年發(fā)展起來的一項觀測技術(shù),我國從1986年投入汞元素預(yù)報地震研究以來,水汞測量憑借受干擾少、背景值穩(wěn)定、異常靈敏、幅度明顯、易于識別等優(yōu)勢, 備受地震學(xué)家關(guān)注,是繼測氡之后又一項有希望的水化學(xué)預(yù)報地震的前兆方法,在水化學(xué)地震預(yù)報中起著十分重要的作用[3]。“九五”、“十五”改造以來，地下水化學(xué)動態(tài)的汞量觀測逐漸從每天定時的人工取樣發(fā)展成為連續(xù)自動觀測，在地震監(jiān)測預(yù)報中得到越來越廣泛的應(yīng)用[4]。

目前，我國水汞觀測臺網(wǎng)是地震地下流體四大前兆臺網(wǎng)之一，有觀測站 83 個，測項主要包括人工觀測地下水溶解汞（總汞）和自動觀測地下水逸出氣汞（零價汞）[4]。觀測水中汞濃度主要使用 XG-4、RG-BS 和 XG-5Z 型測汞儀；觀測逸出氣汞濃度主要使用 RG-BQZ、JM-4和DFG-B 型測汞儀[5]。這些儀器均是 20 世紀(jì) 80或 90 年代研制的，由于觀測時間久遠儀器老化嚴(yán)重，加上井口裝置等方面的原因，導(dǎo)致全國絕大部分氣汞觀測數(shù)據(jù)在儀器檢出限以下[6]。以上發(fā)展現(xiàn)狀在很大程度上制約了汞觀測乃至地下流體學(xué)科的發(fā)展，也嚴(yán)重影響到對汞濃度變化動態(tài)特征以及地震前兆信息的分析。

因此，開展高精度、高性能的新型汞觀測儀研制和探索適合各類觀測環(huán)境、系統(tǒng)的井口裝置已成為地震地下流體汞觀測的攻堅方向和研究趨勢。本文針對九江二井汞觀測系統(tǒng)存在的儀器老化、井口裝置脫氣、集氣效率差等問題，通過引進新型高精度測汞儀并對井口裝置進行改進，使汞觀測質(zhì)量得到顯著提升。

1 九江二井概況

九江二井地處廬山西北側(cè)，地質(zhì)構(gòu)造屬于下?lián)P子地塊中部廬山山體西北緣夏家—威家?guī)X斷裂帶附近（圖1）。該區(qū)歷經(jīng)多期次地殼運動，在各發(fā)展階段和各時期的地殼運動中，形成了一系列規(guī)模不等、性質(zhì)不同的斷裂，其主體方位呈北北東向[7]。九江二井成井于2008年，井深71m，地表至6.2m為第四系聯(lián)圩組亞粘土、砂礫石，6.2～11.9m為震旦系皮園組強風(fēng)化碳質(zhì)灰?guī)r，11.9～71m均為下元古代碳質(zhì)灰?guī)r。井孔套管地表至0.5m，直徑為170mm；0.5～11.9m，直徑為146mm；11.9m以下為裸眼出水。該井含水層在17～22.5m、55～63.5m，屬構(gòu)造承壓自流井，接受大氣降雨和斷裂帶遠程補給，目前日流量約300噸（圖2）。

圖1 九江二井地質(zhì)構(gòu)造簡圖Fig.1 Geological structure of Jiujiang No.2 well

圖2 九江二井井孔柱狀圖Fig.2 Hydrographic geology section of Jiujiang No.2 well

圖3 九江二井汞測值圖Fig.3 Mercury value of Jiujiang No.2 well

九江二井?dāng)?shù)字化汞觀測始于2012年，近年來隨著RG-BQZ 測汞儀（2007年開始觀測）使用年限的延長、老化，儀器運行率、數(shù)據(jù)完整率和內(nèi)在質(zhì)量等均出現(xiàn)了一定程度下滑，觀測值甚至低于儀器檢出限（圖3）。2016年引進ATG-6138M測汞儀，該儀器是國家科技支撐計劃課題“基于數(shù)字化觀測技術(shù)的強震短臨預(yù)測關(guān)鍵技術(shù)研究（2012BAK19B02）”下屬專題“氫和汞傳感器技術(shù)研發(fā)和示范性應(yīng)用（2012BAK19B02-06）”研發(fā)的地震觀測儀器，已通過課題測試與驗收。該儀器硬件采用納米級金膜傳感器技術(shù)，靈敏度較高，絕對檢出限（5×10-4ng）優(yōu)于RG-BQZ 測汞儀（8×10-3ng），可進行氣汞的連續(xù)觀測[5]。本文配合ATG-6138M測汞儀集氣特征，又對脫氣、集氣等裝置進行改進，改進之后取得了較好的實驗效果。

2 汞觀測系統(tǒng)改進實驗設(shè)計

2.1 濺落式脫氣裝置+ATG-6138M測汞儀（觀測系統(tǒng)A）

針對RG-BQZ 測汞儀老化、穩(wěn)定性較差等問題，本實驗采用新型ATG-6138M測汞儀與濺落式脫氣裝置組成的觀測系統(tǒng)（圖4）開展實驗，以檢驗相同井口環(huán)境、裝置條件下儀器穩(wěn)定性對測值的影響。其中，實驗所用脫氣裝置與RG-BQZ 測汞儀所搭配脫氣裝置原理一致，只在尺寸上有所區(qū)別。

圖4 汞觀測系統(tǒng)A示意圖Fig.4 Schematic diagram of Mercury observation system A

按圖4所示安裝好觀測系統(tǒng)A，并在脫氣裝置進水流量調(diào)節(jié)穩(wěn)定后，開展為期半個月左右的穩(wěn)定實驗觀測（圖5）。觀測實驗顯示：觀測系統(tǒng)A的測值相較RG-BQZ 測汞儀測值，提高了一個數(shù)量級，證實九江2井在測RGBQZ 測汞儀存在儀器老化，觀測效率下降等問題。同時，從圖5可以看出觀測系統(tǒng)A所測汞值存在較大波動，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性有待提高。為此，本文針對測汞儀前端脫氣、集氣裝置進行了改進。

圖5 汞濃度實驗對比圖Fig.5 Experimental contrast of mercury value

2.2 自然脫氣裝置+集氣裝置+ATG-6138M測汞儀（觀測系統(tǒng)B）

針對觀測系統(tǒng)A數(shù)值穩(wěn)定性差的問題，本文對井口裝置進行了改進。其中，為改進濺落式脫氣裝置容積過大、脫氣效率低的問題，本實驗引進主動鼓泡式脫氣裝置，該脫氣裝置利用流速差產(chǎn)生負壓對井水進行主動鼓泡，具有脫氣效率高的特點，且脫出氣體能及時向儀器端擴散，保證觀測數(shù)據(jù)的時效性。

同時，針對ATG-6138M測汞儀整點時段氣泵開啟主動采樣，其他時段氣泵關(guān)閉不讓外界氣體進入的采樣方式，本實驗設(shè)計了一套集氣裝置。該集氣裝置含一進氣口、兩出氣口（其中儀出氣口終端帶半透閥），內(nèi)置橡膠氣囊，體積設(shè)計為儀器采氣量的1.5倍左右，具有保持觀測系統(tǒng)氣壓平衡、保證脫出氣體及時置換的特點。

如圖6所示，井水通過水閥流入脫氣裝置，流速差產(chǎn)生負壓同時吸入空氣進行自然鼓泡，產(chǎn)生的氣體通過氣路進入集氣瓶。儀器不采氣時段，集氣裝置出氣管端有來自儀器的壓力，氣體通過半透閥排出，及時進行氣體置換，維持觀測系統(tǒng)內(nèi)氣壓平衡；采氣時段，氣泵從集氣裝置內(nèi)抽取定量的氣體，且儀器抽氣過程集氣裝置半透閥能阻止外界空氣吸入，以起到防止空氣稀釋待測氣體的作用。

圖6 汞觀測系統(tǒng)C示意圖Fig.6 Schematic diagram of Mercury observation system B

按圖6所示安裝好觀測系統(tǒng)B，通過調(diào)節(jié)脫氣裝置進水流量、集氣裝置氣囊體積至觀測系統(tǒng)穩(wěn)定后，同樣開展為期半個月左右的穩(wěn)定觀測實驗。觀測結(jié)果（圖5）顯示：采用觀測系統(tǒng)B后，汞值較觀測系統(tǒng)A一定幅度抬升，且穩(wěn)定性也有所提高；說明測汞值的高低、穩(wěn)定性同樣受井口裝置脫氣效率及井口裝置與測汞儀耦合與否影響。

3 實驗結(jié)果分析

資料的連續(xù)性與穩(wěn)定性是地震分析預(yù)報的關(guān)鍵，要提高地震預(yù)報水平，資料的連續(xù)性是基礎(chǔ)，穩(wěn)定性是保障。因此數(shù)字化資料在正式應(yīng)用于地震分析預(yù)報工作之前，首先應(yīng)對資料完整率與穩(wěn)定性進行分析[8]。本實驗通過采用新型測汞儀，并設(shè)計不同脫氣、集氣裝置開展對比試驗觀測，并對觀測數(shù)據(jù)進行了對比分析。觀測結(jié)果分析（表1）顯示：觀測系統(tǒng)A、B測值較RG-BQZ 測汞儀測值提高了一個數(shù)量級，且數(shù)據(jù)穩(wěn)定性要好；觀測系統(tǒng)B的汞均值相較觀測系統(tǒng)A的汞均值提高了30%左右，且穩(wěn)定性也有一定提高。

表1 流量影響實驗參數(shù)

以上結(jié)果表明：RG-BQZ測汞儀已出現(xiàn)明顯老化、效率下降現(xiàn)象；自然脫氣裝置相較濺落式脫氣裝置，脫氣效率更好；針對測汞儀主動采樣的集氣方式，在自然脫氣裝置與儀器之間加裝集氣裝置，有利于保持觀測系統(tǒng)內(nèi)部氣壓平衡，提高觀測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論與建議

在氣體地球化學(xué)的連續(xù)自動觀測中,井口裝置是觀測技術(shù)系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，關(guān)系到觀測數(shù)據(jù)的可用性和穩(wěn)定性[9]。本文有針對性的開展了集氣、脫氣等井口裝置改進實驗，取得了一定的認(rèn)識：

（1）通過引進ATG-6138M測汞儀、采用自然脫氣裝置、設(shè)計集氣裝置開展對比實驗，測汞值得到較大提升，數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定，為后期開展九江二井汞觀測定量實驗奠定了基礎(chǔ)。

（2）對于大流量、冷水井泉，采用濺落式集氣裝置脫氣效率低，且受進水流量、氣壓等因素影響，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較差，有必要開展適當(dāng)?shù)木谘b置改造，提高汞觀測質(zhì)量。

（3）針對不同測汞儀，應(yīng)根據(jù)其采樣方式、采氣量，設(shè)計相匹配的脫氣、集氣裝置，以保證觀測數(shù)據(jù)穩(wěn)定性，為地震分析預(yù)報提供有力保障。

實際觀測中，數(shù)字化汞觀測受捕汞管、供電系統(tǒng)、脫氣、集氣裝置、氣路材質(zhì)、氣樣濕度、室溫、氣壓、氣路冷凝等多重因素的影響。有些影響因素即使已注意到，但仍沒找到好的消除辦法，試驗尚需繼續(xù)深入和優(yōu)化，結(jié)論需要在實踐中驗證、改進。實踐過程中，充分認(rèn)識到對氣汞觀測的影響因素，可以使地震分析預(yù)報人員了解這些環(huán)節(jié)，更好地使汞資料在地震預(yù)報中充分發(fā)揮作用。

[1] 劉耀煒, 任宏微, 張磊, 等. 魯?shù)?. 5 級地震地下流體典型異常與前兆機理分析[J]. 地震地質(zhì), 2015, 37（1）: 307-317.

[2] 邱鵬成, 白占孝, 常振廣, 等. 對氣氡脫氣裝置改造的幾點認(rèn)識[J]. 地震地磁觀測與研究, 2007, 28（3）: 85-88.

[3] 張常慧, 宋曉冰, 李海孝, 等. 懷來4井?dāng)?shù)字氣汞觀測及資料分析[J]. 地震地磁觀測與研究, 2008, 29（3）: 65-68.

[4] 任宏微, 姚玉霞, 黃仁桂, 等. 地震監(jiān)測氡觀測儀器校準(zhǔn)新方法研究[J]. 地震, 2016, 36（3）: 46-53.

[5] 郭麗爽, 劉耀煒, 張磊, 等. DFG-B 測汞儀與 ATG-6138M測汞儀對比觀測結(jié)果分析[J]. 震災(zāi)防御技術(shù), 2015, 10（3）: 615-620.

[6] 任佳, 張鳳秋, 王長江, 等. 懷4井氣汞觀測井口裝置設(shè)計及其氣汞固體潮汐效應(yīng)分析[J]. 地震研究, 2005, 28（4）: 330-334.

[7] 周紅艷, 趙愛平, 王敏, 等. 九江1 井水位與水溫對大震的同震響應(yīng)特征及機理淺析[J].高原地震, 2012, 24（4）: 44-49.

[8] 張素欣, 張子廣, 李海孝, 等. 懷來4號井測汞數(shù)字化改造及資料分析[J]. 內(nèi)陸地震, 2004, 18（3）: 235-241.

[9] 孔令昌, 王桂清, 王志敏, 等. 用于數(shù)字化氣體觀測的脫氣一集氣裝置研制與應(yīng)用[J]. 地震地磁觀測與研究, 2011, 32（2）: 63-66.

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

中國地震局監(jiān)測系統(tǒng)運維（2200404）；江西省地震局青年基金課題（JXDZ-KY-201604）資助

2017-01-03

2017-04-10

李雨澤（1988-），男，湖北省黃岡市人，2011年畢業(yè)于長江大學(xué)資源勘查工程專業(yè)，本科，助理工程師，現(xiàn)主要從事地震監(jiān)測預(yù)報方面的工作。E-mail: 993085163@qq.com