小流量、低水頭觀測泉脫-集氣裝置改造實驗研究
——以延慶松山泉氣氡為例

高玲 周永剛 呂毅夫 喬永軍

1)北京市地震局，北京 100080 2)延慶區(qū)地震局，北京 102100

0 引言

“九五”“十五”期間，中國地震局監(jiān)測預(yù)報司對全國地震水化學(xué)泉、井進行數(shù)字化改造，主要開展了對氣氡等測項的觀測。其中脫-集氣裝置是數(shù)字化水化學(xué)觀測系統(tǒng)中不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，其基本原理是將泉、井水引用固定容積的脫-集氣裝置，將其逸出氣體或溶解氣體以定量的方式脫析收集起來并傳入傳感器，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及轉(zhuǎn)換信號識別出化學(xué)量(劉耀煒，2006；中國地震局監(jiān)測預(yù)報司，2007)。

一般來說，無論采用什么樣的脫氣裝置，其根本目的是將液相氣體盡可能地脫析出來，并能真實地反映單位氣體濃度變化。因此脫-集氣裝置關(guān)系到產(chǎn)出數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性。目前全國水化泉、井使用的脫-集氣裝置主要為常規(guī)滴濺式脫-集氣裝置，其基本原理是利用水位落差，產(chǎn)生勢能，使其能夠脫析出氣體。但是從觀測效果看，其未達到脫氣要求，主要表現(xiàn)為該脫-集氣裝置系統(tǒng)穩(wěn)定性差，難以獲得對背景基線值實際動態(tài)變化的認知(夏偉奔等，2013)。特別是對低水頭、小流量泉而言，氣體脫析率低，對觀測泉脫-集氣裝置觀測要求更高。

有關(guān)水化學(xué)脫-集氣裝置的研究已有報道(陳華靜等，2002；孔令昌等，2011；李志鵬等，2013；褚金學(xué)等，2015；李慧峰等，2019)，但是其中適用于低流量、小水頭泉脫-集氣裝置方面鮮有研究。本研究以北京延慶松山泉氣氡觀測為例，針對該泉流量小、水頭低的特點，結(jié)合臺站觀測條件，利用流體濺落式氣體脫析方法，對現(xiàn)有脫-集氣裝置進行更新改造與實驗觀測，重點對裝置系統(tǒng)流量容器、泄流系統(tǒng)進行了改進，恒定流量參數(shù)，以期達到解決脫-集氣裝置脫氣率不穩(wěn)定的問題，并為全國低流量、小水頭化學(xué)泉氡等測項數(shù)字化觀測脫-集氣裝置的改造提供范例。

1 延慶松山泉基本情況

松山泉位于北京市延慶縣西北張山營鎮(zhèn)松山國家級自然保護區(qū)內(nèi)的大海坨山溝谷，海拔高度800m。構(gòu)造上位于延懷盆地北緣，大海坨壙子廟-胡家營斷裂帶上(徐錫偉等，2002)。該斷裂帶長l0余千米，其中松山泉出露于大海坨山花崗巖體(圖1)。該巖體裂隙發(fā)育，地下水深循環(huán)通道良好(吳璐蘋等，1996)。松山泉歷史悠久，目前水溫37℃，流量0.07L/s。研究顯示，利用相關(guān)地球化學(xué)溫標(biāo)等方法(汪集旸，1993)計算得到松山泉地下熱儲循環(huán)深度為1.77km左右，溫度為112℃左右。松山泉為典型的高溫?zé)崴h(huán)系統(tǒng)，其熱水連續(xù)不斷地逸出，為深部信息的識別提供了條件(高玲等，2015)。

圖1 延慶松山泉觀測點示意

松山泉水化學(xué)離子測試顯示，該泉近年來水化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，人為影響因素不明顯(表1)。Rn是一種不與任何元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的惰性氣體，半衰期為3.82d。松山泉水氡背景值為30Bq/L左右(表1)，研究顯示該泉具備開展Rn等化學(xué)測項觀測的良好條件(任宏微等，2010；高玲等，2015)。

表1 水化學(xué)分析結(jié)果

松山泉自開展水化學(xué)觀測以來，積累了大量資料，至2020年的觀測結(jié)果顯示，其氣體化學(xué)觀測可能具有前兆響應(yīng)能力，如圖2 所示(楊明波等，2001)。

圖2 北京延慶松山泉水汞1997—2000年觀測地震響應(yīng)震中分布

2 延慶松山泉氣氡測項觀測現(xiàn)狀與影響因素

延慶松山泉氣氡觀測始于1986年9月，2000年后先后經(jīng)歷了數(shù)字化及升級改造。目前的數(shù)字化觀測結(jié)果顯示，該儀器觀測狀態(tài)極不穩(wěn)定，觀測效果較差。主要表現(xiàn)為其年動態(tài)背景觀測基線極值變化差異過大，經(jīng)常表現(xiàn)為在高值運行一段時間后，突然出現(xiàn)斷崖式下降，偶爾出現(xiàn)斷崖式上升；或者表現(xiàn)為高頻振蕩式曲線變化，導(dǎo)致其多年動態(tài)變化規(guī)律無法識別。以2010年觀測曲線為例(圖3)，2010年6月8日對觀測儀器進行標(biāo)定后，依據(jù)標(biāo)定結(jié)果，重新設(shè)置了參數(shù)，并對水路脫氣裝置進行了檢查。結(jié)果顯示，氣氡觀測值平均達到200Bq/L左右，在平穩(wěn)運行3個月之后，觀測值突然從200Bq/L左右降至4Bq/L左右(圖3)，說明不穩(wěn)定的氣量是脫氣率驟變的主因。其中，2010年10月29日觀測基線值突然出現(xiàn)急速上升，持續(xù)10多個小時之后，又急速下降，依次往復(fù)，最大值與最小值相差325Bq/L左右，這可能與脫-集氣裝置水流排速不均勻有關(guān)。當(dāng)脫氣裝置流體容積過量，流體壓力大于大氣壓時，裝置內(nèi)流體快速排出，并再次蓄積，當(dāng)裝置內(nèi)流體壓力超過臨界值時，流體又迅速排出，依次往復(fù)。上述變化使得脫-集裝置流體脫氣率隨著流量的變化而變化，動態(tài)曲線表現(xiàn)為高頻式振蕩，如圖3 所示。

圖3 延慶松山泉氣氡2010年動態(tài)曲線

需要指出的是，2015年5月26日至6月30日對原有水路進行了改造，更換了泉引水管和與脫氣裝置相連的各類接頭，2015年7月1日開始恢復(fù)正常觀測，基線值達到90Bq/L左右，但從7月13開始基線值突然降至1Bq/L左右，之后出現(xiàn)短暫間歇性小幅上升，大部分時段低于5Bq/L左右，如圖4 所示?，F(xiàn)場檢查儀器，主機系統(tǒng)正常，周圍觀測環(huán)境無明顯變化。其基線動態(tài)變化曲線進一步反映了脫-集氣裝置系統(tǒng)不穩(wěn)定是造成觀測值忽高忽低的主因。

圖4 延慶松山泉氣氡2015年動態(tài)曲線

3 延慶松山泉氣氡觀測脫-集氣裝置改造與實驗觀測

3.1 松山泉氣氡觀測脫-集氣裝置系統(tǒng)不穩(wěn)定成因與改進思路

如圖3、圖4 所示，松山泉脫-集氣裝置與觀測泉條件不匹配是影響氣氡觀測的主要因素。這一方面是由于現(xiàn)有的脫-集氣裝置流量容器未對流量進行有效的約束，進而影響了氣量的穩(wěn)定集??；另一方面還與松山泉類型有關(guān)。松山泉流量小，其溶解氣體脫析率低，抗干擾性低，易造成氣量的脫失，且松山泉水頭低，易造成該泉脫-集氣裝置內(nèi)部流量的迅速改變，從而影響脫析氣量。因此，對小流量、低水頭化學(xué)泉而言，保證流量線性穩(wěn)定是進行脫-集氣裝置改造的首要考慮因素。

3.2 松山泉氣氡觀測脫-集氣裝置改造實施

采用流體濺落式氣體脫析方法，利用容量恒定原理，選取厚度≥0.3cm不銹鋼板材，制作了脫-集氣裝置，如圖5 所示。其中固定容積脫-集氣倉A部分被固定置于相對密閉的容器B中，基于容器B內(nèi)流量線性穩(wěn)定，將該套裝置置于更大體積的容器C中。當(dāng)泉水流量出現(xiàn)驟然增加時，如果B容器流量滿溢，泉水就會流入C容器，當(dāng)超過固定容量，泉水就會迅速排出，從而使得該脫-集氣裝置流量始終處于線性平衡狀態(tài)。

圖5 延慶松山泉氣氡恒流式脫-集氣裝置示意

2016年4月13日安裝了新制作的恒流濺散式脫-集氣裝置，觀測原理如圖5 所示；并開始進行連續(xù)實驗觀測，觀測結(jié)果如圖6 所示。其背景值由1Bq/L左右上升至35Bq/L左右。2016年6月10日至8月23日，由于夏季降雨效應(yīng)影響(圖7)，該裝置出現(xiàn)水流溢出現(xiàn)象，排水不暢，并多次出現(xiàn)較大幅度高頻振蕩曲線，雨季過后，恢復(fù)原有狀態(tài)(圖7)。針對第一次改造實驗觀測中出現(xiàn)的極端流量溢水問題，判定為系泄流量限幅所致。因此我們對B、C容器泄流口參數(shù)重新進行了設(shè)定與改進，擴容了相應(yīng)參數(shù)(圖5)。2018年5月15日安裝恒流濺散式脫-集氣裝置并開始連續(xù)觀測(圖8)，集氣倉脫氣量保持在0.45ml/m左右。2次改造脫-集氣裝置原理相同。其觀測效果較改造前穩(wěn)定性明顯增強。

圖6 延慶松山泉氣氡2016—2017年動態(tài)曲線

圖7 北京市延慶區(qū)2016年1—12月降雨量

圖8 延慶松山泉氣氡2018年動態(tài)曲線

4 改造后觀測結(jié)果與討論

2016年4月13日制作安裝了恒流濺散式脫-集氣裝置，并進行了連續(xù)觀測。如圖7 所示，改造前后觀測結(jié)果對比顯示，基線背景值由1Bq/L左右升高至30Bq/L左右。持續(xù)運行近2個月，觀測期間從2016年5月12日至17日出現(xiàn)明顯的持續(xù)降低，之后又升高至42Bq/L左右。從2016年6月10日開始至8月25日觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)連續(xù)的高頻振蕩，持續(xù)近2個月。最高值與最低值相差近48Bq/L左右?，F(xiàn)場調(diào)查顯示，該泉脫-集氣裝置觀測室地面出現(xiàn)溢水，需人工排水，之后恢復(fù)至正常背景值40Bq/L左右。判斷認為，該階段高強度持續(xù)降雨導(dǎo)致水流量增加，引起裝置系統(tǒng)內(nèi)部排水口流速產(chǎn)生壓力差，且C容器排水流速低于B容器排水流速，引起觀測值出現(xiàn)高頻振蕩。之后恢復(fù)正常背景值。第一次改造連續(xù)觀測期間，產(chǎn)出數(shù)據(jù)較完整。2017年觀測數(shù)據(jù)顯示(圖7)，氣氡變化基本具有季節(jié)效應(yīng)，總體上表現(xiàn)出冬底夏高特征。冬季時段，觀測值平均為30Bq/L左右。夏季觀測值波動明顯較冬季頻繁。觀測值最高為184Bq/L，最低為10Bq/L，大部分時段為42Bq/L左右。上述變化推測可能是由于夏季溫度升高，土壤松動，壓力降低，地殼氡沿裂隙迅速上升并強烈釋放的響應(yīng)。該觀測結(jié)果顯示松山泉脫-集氣裝置系統(tǒng)在流量范圍內(nèi)，其氣量變化能夠反映地下通道氣流量的單位濃度變化。同時也說明，該脫-集氣裝置在應(yīng)對極端環(huán)境變化時，有可能出現(xiàn)脫-集氣裝置流量限幅現(xiàn)象。例如2017年3月24日至4月6日觀測基線出現(xiàn)短暫明顯的凹型階變，即與此有關(guān)。氣氡觀測值降低至0.9Bq/L左右，持續(xù)12天，之后恢復(fù)正常背景值。由于該觀測時間段內(nèi)受春夏季節(jié)交替影響，氣溫快速回升，覆蓋在山體的冰雪含水層加速融化，流入地下水循環(huán)系統(tǒng)，使得地下水流量驟然增加，上述變化引起脫-集氣裝置內(nèi)水流量急劇增加，排水流速降低，導(dǎo)致該裝置脫氣率降低。

對發(fā)現(xiàn)的技術(shù)問題進行改進后，2018年5月15日制作安裝了改進后的恒流濺散式脫-集氣裝置系統(tǒng)并開始進行連續(xù)觀測(圖5、圖8)。改進前后觀測結(jié)果顯示，降雨等引起脫氣干擾現(xiàn)象未顯現(xiàn)，數(shù)據(jù)產(chǎn)出完整。如圖8 所示，2018年觀測曲線動態(tài)變化特征與2017年相類似，呈冬高夏低特征變化。觀測值波動范圍平均保持在20～80Bq/L之間。受季節(jié)效應(yīng)影響，夏季氡釋放量增強，波動頻繁，波動頻率較2017年有所降低。2018年度觀測數(shù)據(jù)顯示，總體上該氣氡基線背景值變化穩(wěn)定，平均為50Bq/L左右，達10個月以上。需要特別指出的是，2018年8月8日至8月18日觀測值出現(xiàn)明顯的凸型階變，最高值達到113Bq/L，最低值為24Bq/L，平均為103Bq/L左右，異常高值持續(xù)10天，之后恢復(fù)至正常背景值55Bq/L左右。同樣的變化出現(xiàn)在10月9日至11月21日，其凸型階變幅度較前次明顯增強。觀測值最高達到186Bq/L，最低值11Bq/L，平均變化幅度111Bq/L左右，持續(xù)41天，之后恢復(fù)正常背景值60Bq/L左右。上述高值持續(xù)近2個月，之后全部恢復(fù)至正?；€值。現(xiàn)場調(diào)查顯示，儀器觀測系統(tǒng)運行正常，脫-集氣裝置水流速正常。上述時段背景值異常升高持續(xù)多日后又恢復(fù)至正常背景值，其背景基線高值變化反映了單位氣量濃度變化。由于觀測系統(tǒng)運行正常，受環(huán)境干擾不明顯，未找到上述氣氡高值變化原因，暫且將其判定為疑似真正的氣氡濃度升高。同時由于該泉數(shù)字化記錄可靠資料有限，還需要持續(xù)的資料積累與進一步的驗證。

5 認識與結(jié)論

改造前后觀測背景值結(jié)果顯示，改造后該脫-集氣裝置水量、氣量和流量線性穩(wěn)定，觀測背景值穩(wěn)定性明顯增強，能夠反映氣量單位濃度變化，觀測質(zhì)量較改造前明顯提高，保證了產(chǎn)出數(shù)據(jù)的可靠性。在脫-集氣裝置改造過程中，也獲得了如下認識：

(1)低水頭、小流量泉，顧名思義，即水流量小，水位低，氣體含量低。開展該類型泉化學(xué)觀測應(yīng)當(dāng)符合流體化學(xué)泉監(jiān)測規(guī)范。該類型泉具有前兆響應(yīng)效能和地震監(jiān)測意義，值得開展水化觀測。松山泉位于延懷盆地，泉水自斷層裂隙流出，同時該區(qū)域無工業(yè)、農(nóng)業(yè)設(shè)施開發(fā)，總體上，觀測環(huán)境較理想，具有開展化學(xué)測項觀測的條件。

(2)針對小流量、低水頭泉開展數(shù)字化觀測，依據(jù)筆者的觀測經(jīng)驗，應(yīng)當(dāng)以保持觀測系統(tǒng)穩(wěn)定性為首要關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其次是觀測精度，即首先要保證脫-集氣裝置脫氣率的穩(wěn)定，然后是脫氣強度。由于小流量泉氣體含量低，任何氣量的細微變化，都可能導(dǎo)致觀測值出現(xiàn)1到幾個數(shù)量級的變化，影響背景值穩(wěn)定性。如果面面俱到，既保持強脫氣率，又保持脫氣率穩(wěn)定，易使得產(chǎn)出觀測數(shù)據(jù)曲線不穩(wěn)定，觀測質(zhì)量未得到真正提高。前文所述松山泉改造前的氣氡觀測量變化即與此有關(guān)。本次改造根據(jù)該類型泉的特點，制作了恒流濺散式脫-集氣裝置，通過流速的控制，使得脫氣率呈線性穩(wěn)定的狀態(tài)。其觀測精度以高于背景噪聲為基本要求，該項要求一方面與氡的化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，另一方面與容量平衡有關(guān)。地殼活動活躍時，地下深部氡源源不斷向上遷移，釋放入流體，隨著溶解氡含量的增加，當(dāng)超過集-脫氣容積壓力，就會有大量溶解氡釋放出來，以保持平衡，相應(yīng)的觀測值會出現(xiàn)變化。所采用的脫-集氣裝置在穩(wěn)定運行狀態(tài)下，以能夠反映這一變化即單位氣量濃度變化為基本要求。

(3)研究通過利用恒流濺散式氣體脫析方法開展了松山小流量、低水頭化學(xué)泉氣氡脫-集氣裝置改造實驗與觀測研究，獲得了完整、可靠性較高的年動態(tài)變化曲線。觀測結(jié)果顯示，該脫-集氣裝置能夠較好地解決小流量、低水頭化學(xué)泉流量、氣量、水量不穩(wěn)定問題，使氣氡觀測穩(wěn)定性得到明顯提高，并獲得了對實際適用小流量、低水頭化學(xué)泉脫-集氣裝置的認知，為全國開展小流量、低水頭化學(xué)泉脫-集氣裝置系統(tǒng)技術(shù)改進提供了范例。

致謝：北京市地震局武敏捷、高翔在文章成圖方面提供了支持與幫助，在此表示感謝。