元谋地震台气氡脱气装置改造及效果分析.pdf

Mar.2023PLATEAUEARTHOUAKERESEARCH2023年3月Vol.35 No.第1 期原地震高第35 卷元谋地震台气氢脱气装置改造及效果分析施建明，周建荣，肖鑫，何志辉（1.云南省地震局楚雄地震监测中心站，云南楚雄675000;2.云南省地震局通海地震监测中心站，云南通海652700)摘要：元谋地震台水化观测站气氢脱气装置由于脱气效果较差，排水口堵塞及输气管堵塞等干扰，严重影响气氛观测质量，在2 0 1 6 年由溅落式脱气装置改造为自吸气鼓泡式脱气装置，经过2 0 1 7 年一整年的气氮连续观测，发现自吸气鼓泡式脱气装置存在由于水质较差，排水口堵塞问题，需要每周清洗一次脱气装置，因此重新改造为溅落式脱气装置。改造后，通过一整年的观测数据分析，较脱气装置改造前相比，气氢值明显升高，气氛观测稳定性明显提升，观测数据不受脱气装置影响。关键词：元谋地震台；气氢；鼓泡脱气装置；溅落式脱气装置中图分类号：P315.72*3文献标识码：A文章编号：1 0 0 5-5 8 6 X(2023)01-0043-050引言地球化学是研究地球的化学组成、化学作用和化学演化的科学，基于研究目的的不同分类较为广泛，而地震地球化学就是其中之一。地震地球化学是研究地震孕育、发展、发生过程中地下水、岩石、气体组分及化学成分等变化与地震关系的科学。地下流体气氢观测是地震构造地球化学监测研究的重要组成部分2 。氢气是一种放射性惰性气体，由铀、镭（U,Th）经过系列衰变产生。自然界中有3种放射性氢同位素，即2 1 9 Rn、220Rn和Rn。其中,Rn半衰期最长,为3.8 2 5 d,地震监测中主要是以2 2 2 Rn为观测对象。氮能溶于水和有机质，在地质环境中除以气态方式迁移外，还以溶解态伴随地下水和土壤水迁移3。1969年以来，地震监测研究者将氢的模拟观测整理为人工取样、人工观测、人工计算氢浓度和人工发送数据等一整套台站观测工作。但模拟水氢在观测中,脱气为手工操作,受影响因素较多。在“九五”期间，经过对全国大多数水化台站的改造，同时大量文献着重介绍了水氨与气氢的相同之处，气氢观测逐步开始普及4元谋地震台（以下简称元谋台）水化观测站于2 0 0 7 年开始气观测，观测仪器为SD-3A智能数字气氨仪，由于未配备统一的脱气装置，自观测开始，使用的脱气装置为自行设计的溅落式脱气装置，在使用期间，多次对脱气装置进行改造，但效果并不理想。2 0 1 6 年1 1 月对元谋台水化观测站脱气装置进行改造，使用自吸鼓泡式脱气装置。改造完成后，经过2 0 1 7 年一整年的观测,虽然脱气效果有一定的提升，但也存在较多问题。2018年8 月，再次对元谋台水化观测站脱气装置进行改造，拆除自吸鼓泡式脱气装置，改造为溅落式脱气装置，经过长时间的气氢观测，气氢观测值连续可靠，观测效果较为理想。1观测井口概况元谋台地下观测井（滇0 2 井）位于元谋县城西5 km的热水塘村，该观测井于1 9 8 2 年1 1 月经过国家地震局地下水动态观测网点验收合格，1985年9 月又经我省对水化台网的调整论证后被纳人国家水化II类台站。元谋观测井（滇0 2 井）位于元谋大断裂西，井口标高1 0 6 5.2 0 m，井深5 45.6 6 m，观测层位于2 8 0 5 45.6 6 m，在5 42.7 7 m处以下为断裂破碎带，是该井的主要水源区，观测井水温度背景值在36.5 38.8，井口建设完成时井水流量为2.652.75L/S,由于目前观测井分为三个管路收稿日期：2 0 2 2-0 7-0 4作者简介：施建明（1 9 9 3一），男，云南元谋人，本科，助理工程师，主要从事地震地下流体观测工作。Ema i l:8 6 7 8 0 6 41 7 q q.c o m。地原震高44第35 卷流出，流量仪仅测量一个排水口流量，测量值平均为0.1 1 8 6 L/S。该井以承压水为主。地下径流条件较好，动态稳定。地下水化学成分为受断裂带控制下的热水泉，其水质较差，为高矿化度（矿化度1.9 g/L）、弱碱微水，并含有害物质，有硫黄味，不能饮用。目前元谋台气观测共有两台仪器，分别为中国地震局预测研究所研制的SD-3A型气观测仪和郑州晶微科技有限公司设计的DDL-1型气氢观测仪，SD-3A气氨仪为“九五”期间安装观测，于2 0 0 7 年开始观测；DDL1 为云南省地震局仪器更新期间安装，于2 0 1 7 年1 1 月开始观测。目前两台气观测仪器使用一套脱气装置，气路连接情况为：脱气装置一冷却瓶DDL1气仪电离室一集气瓶一SD一3A气氢仪，SD-A气氢仪由于使用时间较长，故障率较高，且厂家已不生产此设备，备件无法购买，已在2 0 2 1 年3月17日审批停测2脱气装置改造2.1原脱气装置存在问题元谋水化观测站SD-3A气氢观测仪于2 0 0 7年安装运行，DDL1 气仪于2 0 1 8 年1 月正式人网运行。由于未配备统一的脱气装置，元谋水化观测站一直使用的都是自行设计的简单的脱气装置，虽然经过多次的升级改造，但存在的问题一直没有得到有效的解决。比如冬季气路内冷凝水堵塞，测值不稳定和脱气不充分等一直影响着观测数据的连续性及观测质量。2016年底在省局专家的牵头下，对元谋台水化观测站气氢脱气装置进行改造，拆除原有简陋的脱气装置，使用小巧的自吸气鼓泡式脱气装置（图1），其材质为有机玻璃。观测井水从泄流口一端连接缓冲罐，使用皮管连接缓冲罐与鼓泡式脱气装置进水口，逸出气体由出气口连接到集气瓶，最后到达气氢观测仪器。该脱气装置的原理是：利用自流井具有自流的特性，观测井水充满整个脱气管路,且具有一定的压力,而观测井水在管道中高速流动，水流与固体边界产生摩擦作用，脱气管路内各水层之间有着较大的流速差，形成涡体；如果进水口与脱气装置底面存在一定的落差，则形成立轴涡体,通过鼓泡的形式,使观测井水中的气体逸出5 改造后，气氢观测数据在一段时间内比较稳定。但在经过近1 0 个月的连续观测后，发现经过改造后的脱气装置依然存在问题。经过一周的连续脱气观测，发现气氨观测值出现下降趋势，且下降幅度较大；工作人员对观测仪器进行检查，发现仪器运行正常，未出现故障及测定时高压漂移情况，而后对输气管路和集气瓶进行检查，没有发现输气管路和集气瓶漏气情况。在检查过程中，工作人员发现原本透明的脱气装置内壁被黄色物质附着，将脱气装置拆下后，发现脱气装置进水口，出水口有堵塞，且出气口有水渍。用硫酸将脱气装置清洗干净，接人气路后，气氨测值上升，并最终恢复到正常测值。由于是观测井水水质问题造成，且脱气装置为成品，无法进行改造，所以每周都必须对脱气装置进行清洗两次，才能够保证气氨数据的质量；而清洗脱气装置一般需要十分钟左右，这段时间同样影响了气氢正常观测。气氨仪电离室缓冲罐鼓泡脱气装置冷却装置图1改造前脱气装置期施建明及效果分析第452.2脱气装置改造试验及制作流程自吸气鼓泡式脱气装置在长时间的连续观测中，存在排水口和排气口堵塞，输气管路因温差变化，产生冷凝水堵塞气路等问题，造成气氨数据出现不同程度的数据阶变，故重新设计脱气装置，采用溅落式脱气装置，以解决上述存在问题，同时提升气氨观测质量。溅落式脱气装置的原理为：利用水的自由落体，冲击伞状物发生溅落碰撞，从而将水中溶解的气体脱离出来为节约成本，又能达到前期测试效果，购买直径2 2 cm，高9 0 cm的PVC管,PVC管上口、下口两个堵头，并设计伞形物作为溅落式脱气的装置。将伞状物安装在5 0 型号PVC管一端，使用堵头熔接，保证密闭；另一端同样使用堵头熔接，由泄流口引人观测井水，使井水进人脱气装置，观测井水撞击伞状物，从而将溶解于井水中的气体脱离出来，气体由顶端的输气口排出，经过水气分离，最后气体进入仪器电离室进行观测。制作完成后，安装进行测试。经过测试发现：（1）脱气效果明显增强，未出现堵塞现象。（2）由于元谋水化观测站观测井属于承压井，引出的井水冲击力较强，需要增加固定装置以稳定脱气装置。(3)进水流量很难控制，每次调整进水口流量，动水位观测数据就会出现一个台阶。（4)考虑到观测井水水质问题,较长时间的观测出水口可能会有堵塞，必须考虑到排水的问题。在肯定了前期试验的脱气效果后，针对出现的问题，进行改进，采取下列方式：（1）设计四脚支架，稳固脱气装置，保证脱气的顺利进行。（2）为防止进水口流量过大，造成脱气装置灌满，通过试验，选择直径2 2 cm，高9 0 cm的PVC管，将进水口口径设计为1 8 cm排水口设计为17cm,能够保证脱气装置内既能顺利进行脱气，同时水位不会超过伞状物，顺利进行脱气。（3）为了解决因水质造成脱气装置出水口堵塞问题，在排水管上设计双排水口，当出水量增加时，两个排水口可同时排水，避免了脱气装置内水位上升无法脱气情况的发生。制作完成后，堵塞脱气装置所有开口，注满水，检查密闭性，没有问题后，接人元谋水化观测站流体观测系统进行观测（图2）。进水口排气口电离室气氯仪伞状物排水口图2改造后脱气装置3资料分析选取元谋水化观测站气氨脱气装置改造前后气观测动态曲线和测值进行对比分析。3.1改造前气氢观测数据元谋水化观测站2 0 1 6 年1 2 月开始使用自吸气鼓泡脱气装置，经过脱气后测量逸出气氨浓度在30 0 45 0 Bq/L之间。在使用过程中，水质较差引起脱气装置出水口堵塞及输气口堵塞的问题一直存在。一般7 天左右就要对脱气装置进行一次清洗，才能保证气数据的稳定；而清洗脱气装置同样对气观测造成干扰，出现不同程度的阶变。由于观测室与井房是两个相隔的房间，夏季观测室必须开启空调进行降温，而元谋水化观测站观测井水为温泉水，脱出的气体经输气管到达地原高震第35 卷46仪器房时，由于温差，输气管内常会有冷凝水堵塞的情况，造成气氢数据出现不同程度的阶变。3.2改造后气氢观测数据2018年8 月对元谋水化观测站脱气装置进行改造，将脱气方式设计为溅落式脱气，使用直径为1 1 cm,高为9 0 cm的圆柱体,进水口口径为18cm排水口口径为1 7 cm，排水口管道设计为双排水口，保证脱气的同时，排水口堵塞问题也得以解决；在气路设计中，使用三通，形成水气分离，水气分离后，进人气体冷却瓶，经过冷却后的气体最终进人观测仪器。改造后，气氢值明显升高，氨值在8 0 0 Bq/L左右。因SD-3A气氢仪器老化严重，脱气装置改造后任然会出现不同程度的阶变，而SD-3A和DDL-1两套气氢仪使用一条气路，故使用DDL-1气氢仪数据进行分析。2 0 1 8年1 2 月1 9 日1 2 月2 4日进行年度标定，标定后由于仪器软件问题，未能设置新K值，2 0 1 9 年1月4日经厂家与省局专家联系，设置新K值，造成气数据出现上升阶变。2 0 2 2 年3月2 5 日3月2 8 日对DDL1 气仪进行年度标定，启用新K值后，气氮值出现大幅上升阶变。经过改造，气氨脱气效果明显提高，在不修改气观测仪器各项参数的情况下，逸出气氨浓度测量结果由改造前的30 0 45 0 Bq/L，上升至8 0 0900Bq/L。并且逸出气氢浓度测量值比较稳定,变化幅度在1 0 0 Bq/L以内。改造后1000-改造前T/b/年度标定标定启用新K值设置新K值时间（2 0 1 8 年1 月1 日-2 0 2 0 年9 月1 8 日）图3脱气装置改造对比4讨论与结论（1）通过对元谋水化观测站气脱气装置的改造，使该测点的气氢数据能够准确反映出本测区内地下水中氢浓度的变化信息，气氢观测数据稳定可靠，降低了由于观测井水水质、冷凝水堵塞气路及脱气不充分引起的干扰，为预报人员提供了可靠的数据。（2）新脱气装置的制作成本低，安装简单，脱气效果较好。适用范围也比较广，无论是高温井还是高矿化度的井都能满足脱气要求，在提高地下流体化学量观测质量的同时，也使地下流体化学量观测前兆信息获取能力得到增强。参考文献：1高小其，刘耀炜，蒋雨函。地震地球化学监测现状及发展建议J.地震地磁观测与研究，2 0 2 1,1 2(3):117-118.2李慧峰，李蒙，张义德，等宁波ZK03井气氛、气汞脱气装置改造试验J.华北地震科学，2 0 1 9,37(2):52 55.3 起卫罗，余庆坤，曾庆堂云南禄丰3.7 级地震元谋水化站气氮同震效应分析J.高原地震，2 0 1 8，30(4):6-10.4王军燕，叶媛媛，韩英，等，甘肃陇南台气氮脱气装置改造前后的效果对比研究J.甘肃科技,2 0 1 8,34(17):39-42.5许秋龙，李新勇，范博晴.野外简易脱气装置简介。J.内陆地震,2 0 0 2,1 6(4)：35 5-35 9.期施建明及效果分析第47MODIFICATION AND EFFECT ANALYSIS OF RADONDEGASSING DEVICE AT YUANMOU STATIONSHI Jianming,ZHOU Jianrong,XIAO Xin,HE Zhihui?(1.Chuxiong Seismic Station,Yunnan Earthquake Agency,Chuxiong 675000,China;2.Tonghai Seismic Station,Yunnan Earthquake Agency,Tonghai 652700,China)Abstract:Due to the poor degassing effect of the gas radon degassing device in Yuanmotai hydration observa-tion Station,the blockage of the drainage outlet and the blockage of the gas transmission pipe and other inter-ference,the observation quality of the gas radon was seriously affected.In 2016,the sputtering degassing de-vice was transformed into a self-aspirating bubbling degassing device.After continuous observation of the gasradon in 2017,it was found that the self-aspirating bubbling degassing device existed due to poor water qual-ity.Because of the blockage of the drain outlet,the degassing device needs to be cleaned once a week,so it isrebuilt into a sputtering degassing device.After the transformation,through the analysis of observation data fora whole year,compared with before the transformation of the degassing device,the gas radon value is signifi-cantly increased,the observation stability of the gas radon is significantly improved,and the observation datais not affected by the degassing device.Key words:Yuanmou seismic station;Radon;Bubbling degassing device;Splashing degassing device