地震观测用断层逸出痕量氢气在线监测系统及监测方法与流程

本发明涉及一种地球化学领域中地震前兆地下流体气体观测方法及观测设备，尤其涉及一种地震观测用断层逸出痕量氢气在线监测系统及监测方法。

背景技术

断层是地球内部气体迁移和逸出的良好通道，断层的蠕变、错动和破裂是造成地震的原因，同时会引起内部气体不同程度的迁移。氢气在地表空气中的含量只有0.5～1ppm，但地球深部却存在大量的氢，以吸附溶解氢和碳氢化合物的状态存在，主要通过断裂带的岩石和土壤排出，或者随着深循环的地热水携带通过温泉出露点释放。断层在构造应力作用下会发生滑动，断层面上的岩石性质、物质结构会发生改变，从而引起地下物质、气体运移通道和运移方式的改变，因此断层活动与氢气逸出有一定的相关性，且断层氢气的显著特点就是在空间和时间上变化都较大。

我国在20世纪70～80年代已开始深部逸出氢气与地震活动关系的研究，到2015年，我国用于地震观测的氢气观测台站已接近20个。目前，国内外常用的逸出氢气观测方法是通过气相色谱——热导法定期采集样品送实验室检测，这种方法的氢气检测限为10ppm。由于气相色谱仪的操作繁琐、成本高，且检测限远高于空气背景值，无法形成连续观测，导致其在地震前兆观测效果不佳。

在现有技术中，对断层逸出痕量氢气的观测主要存在以下问题：

1.精度低，无法区别空气中的痕量氢浓度。地表的氢气浓度一般较低，大约0.5～1ppm，现有的观测技术一般无法准确检测到10ppm以下的痕量氢气浓度，对于地震前兆断层逸出气观测的背景观测有很大影响。

2.现有的监测系统自动化程度低，人为影响因素较多。地震前兆断层逸出气体的变化是随着地下活动而变化的，只有连续观测才有助于发现地下活动的变化，而现有监测系统不能连续观测，而是需要通过人工取样及运输后才能实现观测，因此会产生较大误差。

3.断层气体采集方法易受环境干扰，造成观测值波动大，无法区分地震异常。现代人类活动及生活对地震观测的影响很大，容易引起观测环境的变化导致观测值异常升高，给地震前兆观测分析带来很多困难。

技术实现要素：

本发明为了解决上述技术问题，提供一种地震观测用断层逸出痕量氢气在线监测系统及监测方法，其自动化智能化程度高，可以测量空气背景值，能连续自动完成原位氢气测量，时效性好，准确度高，适应野外断层观测环境，满足地震前兆观测要求。

本发明另一目的是提供一种地震观测用断层逸出痕量氢气在线监测系统及监测方法，排除环境影响因素，对测得的氢气值进行环境因素修正，提高氢气检测的准确性和可靠性，提高监测系统的环境适应性。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本发明的地震观测用断层逸出痕量氢气在线监测系统，包括原位集气预处理装置、第一电磁阀、第二电磁阀、采样泵、定量管、气体分离柱、氢气检测装置、尾气处理装置、循环气泵和主控电路，原位集气预处理装置的进气口罩在断层观测孔上，原位集气预处理装置、第一电磁阀、定量管、第二电磁阀和采样泵依次相连，采样泵的输出管连接出气口；第一电磁阀又和气体分离柱相连，气体分离柱、氢气检测装置、尾气处理装置和循环气泵依次相连，循环气泵的输出管再和第二电磁阀相连；第一电磁阀、第二电磁阀、采样泵、循环气泵及氢气检测装置分别和主控电路相连。原位集气预处理装置、第一电磁阀、定量管、第二电磁阀、采样泵和出气口构成采集气路；第一电磁阀、气体分离柱、氢气检测装置、尾气处理装置、循环气泵、第二电磁阀和定量管构成闭合循环检测气路。首先采集气路工作，断层逸出气体经原位集气预处理装置采集和预处理后，在采样泵的带动下，流经第一电磁阀、定量管、第二电磁阀和采样泵，最后从出气口流出，以确定样气的体积，实现样气的定量采集；接着检测气路工作，由循环气泵提供气体循环动力，定量后的样气经第一电磁阀流入气体分离柱，气体分离柱分离出样气中的氢气，氢气流入氢气检测装置，氢气检测装置输出反映氢气浓度的传感信号给主控电路，之后气体流入尾气处理模块处理，最后流经循环气泵流向第二电磁阀，最后从出气口排出。主控电路完成人机对话及系统的集成控制，根据输入的动作命令，进行一系列的采气、测量操作，分析传感信号，并将数据保存和显示。并且可以完成定时自动测量，具有网络通讯及远程控制功能。本发明自动化智能化程度高，能连续自动完成原位氢气测量，时效性好，准确度高，适应野外断层观测环境，满足地震前兆观测要求。

作为优选，所述的原位集气预处理装置包括原位集气装置和过滤装置，原位集气装置是个倒置的漏斗型罩体，罩体罩在断层观测孔上，罩体的顶端连接转接头，转接头通过管路和所述的过滤装置相连，过滤装置再和所述的第一电磁阀相连。漏斗型罩体用于直接收集观测孔(井)内溢出的气体，过滤装置用于分离气体中的水汽以及小于10um的粉尘颗粒，避免进入系统内部气路造成气路堵塞。

作为优选，所述的过滤装置包括相连的滤尘器和汽水分离器，滤尘器设在汽水分离器的前端，即滤尘器通过管路和所述的转接头相连，滤尘器内含ptfe疏水滤膜，汽水分离器包括直管形石英管和设在直管形石英管中的螺旋石英管和中心管，直管形石英管、螺旋石英管及中心管形成汽水分离器的三个腔体，螺旋石英管按螺旋形缠绕在中心管上，螺旋石英管的进气端和滤尘器相连，中心管的出气端和所述的第一电磁阀相连，直管形石英管内封闭灌装有冷却液。滤尘器用于去除气体中的微小粉尘颗粒，防止进入定量管、气体分离柱等设备而造成气路堵塞。汽水分离器用于分离待测样气中的水汽，样气进入螺旋石英管在冷却液的作用下，水汽凝结成液体，样气再经过螺旋石英管的扩散孔进入中心管，再由中心管排出样气。过滤装置主要去除样气中的粉尘颗粒及水汽，避免杂质进入监测系统的检测气路而引起管路堵塞，提高监测系统的稳定性。

作为优选，所述的氢气检测装置包括呈半球形的外壳及设于外壳内的氢气感应元件，外壳由平面形底面和罩在底面上的半球面罩体密封连接而成，半球面罩体的中心点设有进气通道，进气通道和所述的气体分离柱相连，半球面罩体的下部设有出气通道，出气通道和所述的尾气处理装置相连，所述的氢气感应元件设在底面上，氢气感应元件为采用磁控溅射方法镀制的多层纳米复合薄膜，包括底层、中间层和表层，底层为金属铜薄膜层，中间层为氢敏半导体氧化物薄膜层，表层为钯——过渡族元素合金薄膜层，氢气感应元件引出引脚，引脚穿过底面伸出外壳并和所述的主控电路相连。利用钯合金对氢气具有良好的选择性，当氢气感应元件接触氢气时，氢气感应元件的表层纳米薄膜吸附氢分子，氢分子中的原子渗透入薄膜中的原子层，与薄膜中的钯原子形成钯氢化合物，新化合物的生成使得薄膜的物理性质发生变化，晶格畸变导致薄膜的电子迁移率变化，这种电子迁移率与薄膜的吸氢浓度有关，因此通过测量薄膜的电子迁移率即可得出氢气浓度。氢气检测装置利用气体在半球形气室内的反射，增加了气体与感应元件的接触率，提高了检测精度。

作为优选，所述的外壳内设有温湿度传感器，温湿度传感器安装在外壳的半球面罩体内壁，温湿度传感器输出的传感信号和所述的主控电路相连。采集气体的温湿度值，用以排除环境影响因素，对测得的氢气值进行环境因素修正，减小野外测量环境干扰因素，提高氢气检测的准确性和可靠性，提高监测系统的环境适应性。

作为优选，所述的气体分离柱是一个内部中空的柱体，柱体内部填充有多孔碳小球，多孔碳小球的球径均相同。气体经过分离柱，因气体中各组分在分离柱的吸附性不同，使得不同组分通过分离柱的时间不一致，而氢气是吸附性最低且原子半径最小的组分，因此最早通过分离柱。氢气与其他气体的分离时间间隔只需2秒，提高传感器的检测精度。

作为优选，所述的尾气处理装置是一个透明的柱体，柱体内部有腔体，腔体内有可显色的过滤介质，过滤介质为无水硫酸铜或变色硅胶。尾气处理装置主要去除氢气与感应元件吸附反应后的水汽，避免氢气吸附后的气体产物再和氢气检测装置的感应元件接触而影响传感器灵敏度。过滤介质可更换，降低维护成本。

作为优选，所述的主控电路包括微处理器单元、信号处理单元、数据存储单元、显示单元、无线通讯单元及为主控电路提供工作电压的电源单元，所述的氢气检测装置输出的传感信号和所述的信号处理单元相连，信号处理单元、数据存储单元、显示单元、无线通讯单元分别和微处理器单元相连，微处理器单元分别和所述的第一电磁阀、第二电磁阀、采样泵及循环气泵相连。显示单元采用触摸显示屏，实现人机交互，微处理器单元根据输入的动作命令，进行一系列的采气、测量操作，信号处理单元对传感信号进行分析和处理，并送微处理器单元，将数据保存和显示。数据存储单元包括测量数据库及系统监测库，测量数据库按照地震前兆观测行业规范对数据包进行命名，除了浓度数据，还附带温度、气压数据；系统监测库保存系统智能监控的运行日志与异常信息，为系统的无人值守运行维护提供分析数据。数据存储单元采用冗余对称备份方式进行存储，防止存储芯片因使用时间过长形成的坏块造成历史数据丢失，数据可以长时间稳定存储(最长可达5年)，提高系统的长期稳定性。无线通讯单元实现远程通讯，便于网络远程监控和远程诊断及升级，实现地震前兆观测中的野外无人值守观测。

本发明地震观测用断层逸出痕量氢气在线监测系统的监测方法为：所述的原位集气预处理装置、第一电磁阀、定量管、第二电磁阀、采样泵和出气口构成采集气路，所述的第一电磁阀、气体分离柱、氢气检测装置、尾气处理装置、循环气泵、第二电磁阀和定量管构成闭合循环检测气路；首先采集气路工作，断层逸出气体经原位集气预处理装置采集和预处理后，在采样泵的带动下，流经第一电磁阀、定量管、第二电磁阀和采样泵，最后从出气口流出，以确定样气的体积，实现样气的定量采集；接着检测气路工作，由循环气泵提供气体循环动力，定量后的样气经第一电磁阀流入气体分离柱，气体分离柱分离出样气中的氢气，氢气流入氢气检测装置，氢气检测装置输出反映氢气浓度的传感信号给所述的主控电路，之后气体流入尾气处理模块处理，最后流经循环气泵流向第二电磁阀。先定量采集，再进行定量检测，提高检测的准确性。本发明自动化智能化程度高，能连续自动完成原位氢气测量，时效性好，准确度高，适应野外断层观测环境，满足地震前兆观测要求。

作为优选，所述的氢气检测装置内设有温湿度传感器，温湿度传感器输出的传感信号和所述的主控电路相连；所述的监测方法包括环境因子修正方法：事先通过实验获得不同温湿条件下的环境因子，然后将温湿度与环境因子之间呈现出的特殊曲线关系写入主控电路的信号处理单元中；在实际测量时，信号处理单元接收氢气检测装置送来的氢气传感信号和温湿度传感信号，利用环境因子对实际测得的氢气浓度值进行修正，最后获得经过环境因子修正的氢气浓度值。排除环境影响因素，对测得的氢气值进行环境因素修正，减小野外测量环境干扰因素，提高氢气检测的准确性和可靠性，提高监测系统的环境适应性。

本发明的有益效果是：通过原位集气预处理装置实现断层逸出气的连续采样，避免人为采气引起的操作误差；通过定量管确定样气体积，通过气体分离柱实现气体的自分离，降低了系统的检出限；氢气感应元件采用磁控溅射方法镀制的多层纳米复合薄膜，提高检测灵敏度；通过多参数测量实现环境因素补偿，避免野外环境观测中的干扰，提高氢气检测的准确性和可靠性，提高监测系统的环境适应性。通过无线通讯达到网络监控和远程诊断的目的，实现地震前兆观测中的野外无人值守观测，降低运维成本。本发明自动化智能化程度高，操作方便，可以测量空气背景值，能连续自动完成原位氢气测量，时效性好，准确度高，适应野外断层观测环境，满足地震前兆观测要求。

附图说明

图1是本发明的一种系统结构示意图。

图2是本发明中原位集气预处理装置的一种结构示意图。

图3是本发明中氢气检测装置的一种剖视结构示意图。

图4是本发明中主控电路的一种电路原理连接结构框图。

图中1.第一电磁阀，2.第二电磁阀，3.第三电磁阀，4.原位集气预处理装置，5.采样泵，6.定量管，7.气体分离柱，8.尾气处理装置，9.循环气泵，10.氢气检测装置，11.底面，12.半球面罩体，13.进气通道，14.出气通道，15.氢气感应元件，16.引脚，17.温湿度传感器，21.微处理器单元，22.信号处理单元，23.数据存储单元，24.显示单元，25.无线通讯单元，26.电源单元，31.样气进气管，32.空气进气管，33.出气口，41.原位集气装置，42.转接头，43.滤尘器，44.直管形石英管，45.螺旋石英管，46.中心管。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：本实施例的地震观测用断层逸出痕量氢气在线监测系统，如图1所示，包括原位集气预处理装置4、第一电磁阀1、第二电磁阀2、第三电磁阀3、采样泵5、定量管6、气体分离柱7、氢气检测装置10、尾气处理装置8、循环气泵9和主控电路，第三电磁阀、第一电磁阀、定量管、第二电磁阀和采样泵依次相连，第三电磁阀分别连接样气进气管31和空气进气管32，样气进气管和原位集气预处理装置，原位集气预处理装置的进气口罩在断层观测孔上，采样泵的输出管连接出气口33；第一电磁阀又和气体分离柱相连，气体分离柱、氢气检测装置、尾气处理装置和循环气泵依次相连，循环气泵的输出管再和第二电磁阀相连。原位集气预处理装置、第三电磁阀、第一电磁阀、定量管、第二电磁阀、采样泵和出气口构成采集气路；第一电磁阀、气体分离柱、氢气检测装置、尾气处理装置、循环气泵、第二电磁阀和定量管构成闭合循环检测气路。

如图2所示，原位集气预处理装置4包括原位集气装置41和过滤装置，原位集气装置是个倒置的漏斗型罩体，罩体罩在断层观测孔上，罩体的顶端连接转接头42。漏斗型罩体用于直接收集观测孔(观测井)内溢出的气体，罩体下方为观测孔(观测井)的井口，井口直径一般为110～150mm。转接头用于固定连接气体管路。罩体材料为不锈钢、聚四氟乙烯等低吸附性、耐腐蚀材料，转接头出气口直接一般为10～20mm，材料为耐腐蚀高分子材料。过滤装置包括相连的滤尘器43和汽水分离器。滤尘器位于汽水分离器的前端，转接头通过管路和滤尘器相连，滤尘器内含ptfe疏水滤膜，用于去除气体中的微小粉尘颗粒，防止进入定量管、气体分离柱等设备而造成气路堵塞，滤膜的孔径为0.45～5μm。汽水分离器用于分离待测样气中的冷凝水气，汽水分离器包括直管形石英管44和位于直管形石英管中的螺旋石英管45和中心管46，直管形石英管、螺旋石英管及中心管形成汽水分离器的三个腔体，螺旋石英管按螺旋形缠绕在中心管上，螺旋石英管的进气端和滤尘器相连，中心管的出气端和第一电磁阀相连，直管形石英管内封闭灌装有冷却液。样气进入螺旋石英管在冷却液的作用下，水汽凝结成液体，样气再经过螺旋石英管的扩散孔进入中心管，再由中心管排出样气到第三电磁阀。过滤装置主要去除样气中的粉尘颗粒及水汽，避免杂质进入监测系统的检测气路而引起管路堵塞，提高监测系统的稳定性。

如图3所示，氢气检测装置10包括呈半球形的外壳及设于外壳内的氢气感应元件，外壳由平面形底面11和罩在底面上的半球面罩体12密封连接而成，形成半球形气室，半球面罩体的中心点设有进气通道13，进气通道和气体分离柱相连，半球面罩体的下部设有出气通道14，出气通道和尾气处理装置相连，氢气感应元件15设在底面上。氢气感应元件为采用磁控溅射方法镀制的多层纳米复合薄膜，包括底层、中间层和表层。底层为金属铜薄膜层，作为衬底材料，膜厚为8～450nm；中间层为氢敏半导体氧化物薄膜层，由2层氧化物薄膜组成，厚度为2～10nm；表层为钯——过渡族元素合金薄膜层，厚度为0.5～2nm。各层薄膜的热膨胀系数差值不超过5％。薄膜采用磁控溅射方法镀制，每层膜厚与传感器的灵敏度有关，感应元件的膜厚范围为10～500nm。氢气感应元件引出引脚16，引脚穿过底面伸出外壳。半球面罩体的内壁上还安装有温湿度传感器17。氢气检测装置利用气体在半球形气室内的反射，增加了气体与感应元件的接触率，提高了检测精度。温湿度传感器检测样气的温度、湿度数据，以便对测得的氢气浓度实现环境因素修正。

气体分离柱是一个内部中空的柱体，柱体内部填充有多孔碳小球，多孔碳小球的球径均相同。气体经过分离柱，因气体中各组分在分离柱的吸附性不同，使得不同组分通过分离柱的时间不一致，而氢气是吸附性最低且原子半径最小的组分，因此最早通过分离柱。本实施例中气体分离柱的长度为35～100cm，直径为2～4mm，多孔碳小球的球径为10～40目，球径越大，分离柱越长，分离效果越好，氢气与其他气体的分离时间间隔可达2秒，提高传感器的检测精度。尾气处理装置是一个透明的柱体，柱体内部有腔体，腔体内有可显色的过滤介质，过滤介质为无水硫酸铜或变色硅胶。尾气处理装置主要去除氢气与感应元件吸附反应后的水汽，过滤介质可更换，降低维护成本。

如图4所示，主控电路包括微处理器单元21、信号处理单元22、数据存储单元23、显示单元24、无线通讯单元25及为主控电路提供工作电压的电源单元26，信号处理单元、数据存储单元、显示单元、无线通讯单元分别和微处理器单元相连，温湿度传感器、氢气感应元件引出的引脚分别穿过外壳和信号处理单元相连，微处理器单元又分别和第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、采样泵及循环气泵相连。微处理器单元是主控电路的核心，基于linux稳定版内核开发，内嵌模糊控制运算单元与简易人工智能学习单元，能够随着测量样本的不断增多来进行自我判断学习，监测输入信号与判断仪器状态，计算出针对当前场景的最优化处理方案，对干扰因素给予最大的排除和矫正，以实现完全的自动化连续测量、数据存储分析以及网络通讯。数据存储单元包括测量数据库及系统监测库，测量数据库按照地震前兆观测行业规范对数据包进行命名，除了浓度数据，还附带温度、气压数据；系统监测库保存系统智能监控的运行日志与异常信息，为系统的无人值守运行维护提供分析数据。数据存储模块采用冗余对称备份方式进行存储，防止存储芯片因使用时间过长形成的坏块造成历史数据丢失，数据可以长时间稳定存储(最长可达5年)，提高系统的长期稳定性。无线通讯单元实现远程通讯，便于网络远程监控和远程诊断及升级，实现地震前兆观测中的野外无人值守观测。显示单元采用触摸显示屏，实现人机交互。微处理器单元发出控制信号控制各电磁阀及采样泵、循环气泵的动作。采集气路工作时，通过控制电磁阀的开启，调节定量管的体积确定分析样品的体积，定量管体积由断层逸出气量决定，一般为1～10ml。闭合循环检测气路工作时，循环气泵提供动力，闭合循坏检测气路不需要载气，以待测气体作为背景气。根据氢气感应元件的物理性能与氢气浓度之间的数学关系，信号处理单元使用fpga和高精度da构成dds信号发生器作为传感器的可调参考信号源。信号处理单元不仅具有模数转换功能，而且采集温湿度传感器的信号，对采集的氢气感应元件信号进行温湿度非线性修正。使得检测氢气的灵敏度可达到10^-9，检测限低于5ppb，提高检测准确度及监测系统的环境适应性。微处理器单元采用自适应控制技术，具有系统远程诊断报错、远程升级、数据自动传输功能，通过串口通信对系统的各模块进行监控，实现自动化连续测量、数据存储分析以及网络通讯。电源单元采用市电供电和蓄电池供电的双路可切换供电方式。在有市电的情况下向蓄电池充电并为系统提供电源；在市电停电的情况下使用蓄电池为系统供电，保证系统供电。当蓄电池电压下降到所设门限低压时自动切断供电，防止蓄电池出现过放现象。电源单元采用交直流供电方式有利于系统在野外的长期定点观测，为系统的连续稳定运行提供保障，确保系统的连续运行时间。

上述地震观测用断层逸出痕量氢气在线监测系统的监测方法为：原位集气预处理装置、第三电磁阀、第一电磁阀、定量管、第二电磁阀、采样泵和出气口构成采集气路；第一电磁阀、气体分离柱、氢气检测装置、尾气处理装置、循环气泵、第二电磁阀和定量管构成闭合循环检测气路；首先采集气路工作，断层逸出气体经原位集气预处理装置采集和预处理后，在采样泵的带动下，流经第三电磁阀、第一电磁阀、定量管、第二电磁阀和采样泵，最后从出气口流出，以确定样气的体积，实现样气的定量采集；接着检测气路工作，由循环气泵提供气体循环动力，定量后的样气经第一电磁阀流入气体分离柱，气体分离柱分离出样气中的氢气，氢气流入氢气检测装置，氢气检测装置输出反映氢气浓度的传感信号及温湿度信号给信号处理单元，对采集的氢气感应元件信号进行温湿度非线性修正，环境因子修正方法为：事先通过实验获得不同温湿条件下的环境因子，然后将温湿度与环境因子之间呈现出的特殊曲线关系写入主控电路的信号处理单元中；在实际测量时，信号处理单元接收氢气传感信号和温湿度传感信号，利用环境因子对实际测得的氢气浓度值进行修正，最后获得经过环境因子修正的氢气浓度值，并送给微处理器单元，再送显示单元显示。气体流经氢气检测装置后，流入尾气处理模块处理，再流经循环气泵、第二电磁阀，最后从出气口排出。