新的实验方法使气体物种在热液流体的连续监测

1。介绍

地下水和其他陆地液体运输价值的深层流体动力学信息。元素和同位素组成的地面液体可以表明流体的起源或通知可能路线流体了。此外,他们的元素和同位素组成也可以响应地壳事件,如地震(Ide et al ., 2020)。陆地的自然变化在时间和空间液体通常是不合理的特点是孤立的测量。自然变化的表征需要一系列的测量速度采样率高于自然变化的流体中气体成分(例如,每周两周一次的季节性趋势)。这导致单调乏味的实验室工作如果常规采样协议和测量应用程序(即。非现场实验室分析,Beyerle et al ., 2000)。然而,这种深入地壳流体动力学的知识至关重要,随着地壳中央的兴趣已成为当前社会能源过渡过程,如碳封存,地热发电,或地质储存乏燃料。此外,流体动力学,至少在概念层面上,通知流体之间的潜在关系地壳演化和自然过程,如火山或地震活动。

描述气体物种的变化在地下水和地面液体,最近的监测技术发展向更连续测量原位条件(例如,连续的^222年Rn监控用RAD7在沿海地区,伯内特et al ., 2001;连续^220年Rn和^222年Rn监测与RAD7地下水,Huxol et al ., 2012;连续测量腔衰荡光谱的二氧化碳和甲烷,陈et al ., 2010;持续的监控二氧化碳激光同位素谱仪,弗兰克et al ., 2020;溶解气体的连续测量和连续流膜进入质谱仪,Chatton et al ., 2017;原位脱氮与气体平衡跟踪membrane-inlet质谱,Popp来说et al ., 2020;地下水中溶解气体监测与常规membrane-inlet质谱,Takahata et al ., 1997,或用气体平衡membrane-inlet质谱,Machler et al ., 2013;原位氩气和氦气监测与气体平衡membrane-inlet质谱,罗克et al ., 2020)。这些可用的技术允许气体测量激射模式从气态和液态阶段,常常依赖于特定的半透膜,允许的溶解气相液相分离。是否气体从液体或气相取样,可用方法通常要求矩阵的液态水,即分析方法对高水蒸气分压和敏感的相关风险水蒸气凝结的顶部空间模块包含透气型膜。顶部空间被水填满,不再允许适当的溶解气体从液相分离,气体分析仪的入口可以画在水和阻塞,特别是气体分析仪使用毛细血管提供气体质谱仪(例如,OmniStar^®菲佛或miniRUEDI Gasometrix)。获得liquid-free矩阵时,气体分析变得更具挑战性监测气体物种在地热流体。两指数增加水蒸气饱和与增加气相流体温度和膜表面冷却器模块支持水蒸气凝结在顶部空间可以迅速导致膜模块的堵塞和进口毛细血管如果那些用于进口气体气体探测器。

要克服的挑战水蒸气凝结在顶部空间和连接毛细血管堵塞,我们提出两种不同的方法开发可用的监控方案适应地热水和气体富含水汽。在我们的例子中,我们结合了专门开发了实验技术与气体平衡membrane-inlet质谱仪(miniRUEDI,Brennwald et al ., 2016透气型膜)作为分析探测器耦合的模块(Liqui-Cel™, 3 m™)。尽管如此,我们注意到,这两种方法都可以很容易地适应任何其他检测方法通常用于连续气体量化基础上的分离溶解气体从液相,水蒸气的凝结在顶部空间危害膜模块的正常运转,尤其是那些基于毛细管的进气口。

两个网站进行了研究覆盖了两个不同的水温范围。在第一个网站,不同井温度范围65°C(2.3节)可连续测量热生产气井。在第二个网站,水温过高是兼容使用的分离膜指定的温度范围。因此,另一种方法是允许开发的气体量化在流体温度超过65°C(2.4节)。在这两种情况下,专门开发方法,介绍了实验部分,提供一个合适的框架连续监测气体的物种(N₂,基于“增大化现实”技术,₂基米-雷克南,他,CH₄、有限公司₂,和H₂)从地热水域和其他地热流体。

2。研究地点和方法

2.1。研究地点

第一个网站,Lavey-les-Bains(瑞士),位于罗纳河谷,热水从片麻岩形成抽象的尖峰胭脂高山地块(Sonney Vuataz, 2009;Sonney et al ., 2012)。岩石强烈破碎,使地下水补给和循环深入重现之前,大陆地壳中原的罗纳谷。Lavey-les-Bains的热水已经建议充电顶部的尖峰胭脂地块,位于西部的罗纳谷低(大约430 a.s.l。)在高海拔(约1000 - 3000 m a.s.l。) (Sonney Vuataz, 2009;Sonney et al ., 2012)。Lavey-les-Bains,热水热抽象从三个深井(201、280和516 b.g.l),钻在1970年和1990年之间,供应当地热温泉设施。水最深的钻孔撤回在64°C,这是美联储通过底层水热储层。

第二个站点位于Horita温泉区域别府市的九州岛,日本西南部。在该地区,从深层高温储层流体喷(250 - 300°C,alli Yusa, 1989;Sturchio et al ., 1996)。分析监测井液压连接到Horita-Asamigawa断裂带,属于Beppu-Shimabara地堑。2016年4月,Beppu-Shimabara地堑Futagawa-Hinagu特别活跃的断层带,这是负责熊本地震(7.3级主震,Ide et al ., 2020)。熊本地震已被证明改变了深层地下水的气体组分,即高⁴他和低浓度³他/⁴他比率已报告的结果注入放射性他从地壳岩石(佐野et al ., 2016)。这项观察表明他和其他地球成因学的气体有可能被用作指标沿活动断层的地震活动系统。

2.2。便携式质谱仪系统

在这两个研究地点,气体组分不断在现场条件下在几周内确定了使用便携式气体平衡membrane-inlet质谱(miniRUEDI)。设备允许量化多个气体分压的物种(如他,Ar,基米-雷克南,N₂阿,₂H₂,CH₄、有限公司₂)在液体或气体液体(Brennwald et al ., 2016)。法拉第杯确定主要气体种类,并分析了微量气体电子倍增检测器。原始数据获得质谱计的校准方面,分析了气体的分压使用大气(Porcelli et al ., 2002)或气体混合物(97% N₂,1% H₂,1%的公司₂,1%的CH₄,Tomonaga et al ., 2019)作为标准。样品测量校准使用这两个标准。标准测量每天至少6次,测量条件相当稳定的实验(在此期间Brennwald et al ., 2016)。应该注意的是,校准频率环境条件下可以增加更多的变量。

气物种在液相的量化气体分析仪通常需要从液相的分离气体。透气型膜模块(polypropuylene /聚氨酯膜,3 m™Liqui-Cel™)从液相分离气体。膜操作这样的气态膜模块是在平衡状态下的气体溶解在热水流经膜模块。最小水流(1毫升/分钟)跨膜模块需要达到适当的平衡的溶解气相热水域和膜的顶部空间模块。普遍应用在表面典型环境条件下(液体温度0°C至30°C),膜内的水蒸气分压模块相当低,水蒸气的冷凝顶部空间几乎没有干扰中长期量化的气体种类。

2.3。地热水域65°C

热水域德曾经达到的表面结果表面压力和高水温较低。量化与传统的水热气体采样技术(例如,铜管抽样)是有问题的,因为气泡采样以及水可能并不代表有针对性的包裹。在这种情况下,膜模块的使用更合适,因为顶部空间平衡整个脱气膜不受影响,同时溶解和自由气体平衡与顶部空间(莱特福特2022年)。然而,气态水的含量高的顶部空间促进液态水的形成,导致堵塞的顶部空间的毛细管入口气体分析仪。

量化的方法在热气体物种水域没有水蒸气凝结,以及相关的堵塞,加热膜模块温度高于水分析。为了这个目的,一个加热盒(见图1设计和建造的示意图)。加热箱是热绝缘图1、TI)和三个加热箔(见图1高频)被放置在提供的热量来加热箱保持在所需的温度。加热盒内的真空膜模块和加热箔之间充满了金属铸件(例如,1.25 - -1.70毫米,AR101652 IEPCO),导致盒子里有效热导率(即。、快速、均匀分布的热能)。这保证均匀温度的表面膜模块。加热盒内的温度控制和监控两个温度计(见图1TM)。第一温度传感器是一个白手起家的恒温器的一部分,提供功率的加热衬托,确保加热盒内的温度保持不变,在一个足够高的值,以避免水蒸气凝结。第二温度传感器直接监控的控制单元miniRUEDI发现任何失败的加热箱,如较低的温度(例如,由于加热器衬托的快捷方式),这将导致水蒸气凝结在分析系统。如果温度的加热箱温度低于预定阈值(组3°C的温度高于水)监测,控制单元会断开膜气体分析仪的模块。这是通过改变进气口终端端口。

我们注意到商用膜模块是由聚合物(聚碳酸脂),这限制了他们的应用程序热液水到65°C (70°C的最大加热温度达到3个月测试期间故障前膜的模块)。尽管大多数聚合物有熔点高于100°C,塑料加热后往往会削弱。任何机械应力(例如,扭转和体重力量连接供水线)促进裂缝,从而破坏膜的结构模块。高度紧张的地区,如螺纹的水膜模块的进口和出口,尤其受到影响。为了避免早期故障的进口和出口,硬塑料配件供应与水膜模块被替换成定制的不锈钢配件在后期监测。这些不锈钢管(见图1,圣)是由圆柱结构连接到外部的加热盒(见图2MH),这是为了减少机械应力膜模块,使不锈钢管和分发机械压力硬箱而不是膜模块。作者的最好的知识,没有找到合适的商业选择,更健壮的膜模块过于昂贵,而大,和有缺点的钢铁表面,从而无法观察水位在顶部空间的水蒸气凝结。

2.4。地热流体超过65°C

地热流体活动热液领域很容易超过65°C,在这些液体和气体的监测物种不能通过第一种方法覆盖在前一节中,呼吁一个完全不同的解决问题的方法所带来的水汽凝结在膜模块。现场2,水温高(接近沸点)排除了气液分离膜模块的使用。因此,监控现场气体组分2,我们决定优化分析技术气体不断发出的水/蒸汽分离器出口直接连接到井口。气体种类从气相(即量化。,gases emitted by the thermal water) and not directly in the liquid phase. We designed a system to draw the gases from the outlet of the separator toward the inlet of the portable mass spectrometer (see图2)。

10米长的乙烯丙烯二烯单体橡皮管(气密)承受温度高达105°C是大约0.5插入金属分离器的出口。另一端的橡皮管(耐高温的合成橡胶,POLYPRESS, 9.5毫米内径)连接到一个泵(KNF、模型FF 20 DC-M KT,看到的图2,P)配备聚四氟乙烯膜(含氟聚合物)。泵循环解放气体在210毫升/分钟的流量通过附加的塑料瓶(卷500毫升,明白了图2B),橡皮管中气体的停留时间是足够接近环境温度冷却气体阶段。因此,大多数的橡皮管中的水蒸气冷凝。塑料瓶的入口被设计成液态水是预防达到毛细管入口瓶子的顶部。一管把气体和液体水从顶部向底部的瓶子,释放液体(见底部的瓶子图2)。泵送率允许使用的选择设计和完整的顶空瓶中混合由于温度梯度和湍流流动。总气体压力传感器连接在瓶子的上部图2分别、CE和PS)。一个出口气体和液体阶段是塑料瓶的底部。液体的温度变化由温度传感器(见监控图2瓶子,TS)的出口。

3所示。结果与讨论

3.1。水温低于65°C的方法

在站点1,白手起家的加热盒测试在两个不同的水温。在早期测试阶段,测试方法在热一热液水的温度达到62°C的井口。因此,加热箱必须被设置在一个恒定的温度约为70°C。在第一个测试阶段,措施减少膜的机械应力模块没有实现,导致膜模块的彻底失败时,进口墙坏了3个月后。然而,这个测试阶段显示了监控热水域潜力高达65°C,加热箱提供足够的能源将水蒸气冷凝的顶部空间膜模块。

操作原因和由于年度关闭最深的热门网站1,设置,已另外改进以减少机械应力对薄膜模块,并安装转移到最浅的好(P201, 201 b.g.l。),热的水的温度达到52°C。加热箱的温度阈值设置为55°C和58°C的恒温器。从未达到的温度阈值,确保温度在盒子里面总是高于水温在实验。截至2022年8月,监测物种从热水域抽象从气井P201已持续了12个月。在12个月的运行期间,膜模块显示没有水凝结的迹象也没有彻底失败。发达加热箱成功避免凝结加热膜模块。此外,物理机械持有(见所提供的支持图2MH)明显延长了膜的使用寿命模块(3个月第一测试阶段,目前正在进行的实验超过12个月)。

考虑到气体的监测物种是成功的,因为加热箱的正常运行,我们可以处理一些初步结果说明可以通过监测气体物种在热水域。数据被过滤了,只包括测量温度高于48°C。数据点在低温下测量,而泵是不活跃的,因此不能代表有针对性的水。图3显示完整的气体浓度时间序列(大约一测量每15分钟,导致超过2600个人数据点为每个气体种类和浓度表示为气体分压在平衡与热溶解气相水)在2021年10月在油井P201。N₂,基于“增大化现实”技术,₂基米-雷克南,他,CH₄、有限公司₂,和H₂分压的同时量化从miniRUEDI使用集成过程的水热系统(Brennwald et al ., 2016)。数据平滑(Savitzky-Golay滤波、帧长度27和秩序3)。主要的天然气是N₂占大约96%的总气体压力。基于“增大化现实”技术,他和CH₄以下最丰富的气体,每个占大约1 - 2 %的测量总压强。O₂基米-雷克南,H₂、有限公司₂占其余的测量气体分数。

在2021年10月,气体成分演化在时间短(小时)和长期(周月)趋势观察。所有气体测量显示不同的短期振荡频率约为1天。这些短期振荡最有可能可以与不同的抽运率的P201向当地供应热水温泉(热水需求更大的温泉时白天比晚上向公众开放)。叠加在短期内变化,气体浓度变化逐渐出现在2021年10月(例如,CH的缓慢下降₄,缓慢增长有限公司₂)。是否这些长期变化也与泵政权或者他们是否反映了自然变化的溶解气体的热水Lavey-les-Bains是当前的研究课题(Giroud et al ., 2022)。记录的短期和长期趋势的时间演化天然气物种在热水域图3)将几乎不可能不使用新方法开发扩展的适用性连续监测气体物种温暖水域65°C。

3.2。方法对流体温度超过65°C

现场2,实现的方法来分析气体组分在液体达到水的沸点。操作2个月期间,水汽含量高的分离的气体不会损害负责监测气体的气体探测器物种从高温液体,刷新了液态水的瓶子和从未达到临界水平分析系统(即堵塞。毛细管连接瓶子的高度,气体探测器)。不需要膜模块在这种方法中,唯一的限制因素的量化气体物种热流体是由橡皮管的热阻。橡皮管必须足够长的时间来冷却液体接近室温,使水凝结在橡皮管,必须能够承受高温的液体。再一次,当使用提供的数据的监测方法在网站2气体种类从热流体在说明的范围是有价值的可能性,这种新方法可以实现。

图4展示了2018年4月进行气体的测量结果在热液在网站2。时间序列的Ar的分压,他,N₂、有限公司₂,CH₄,和H₂报告一起并发地震发生在周围的地区。气体测量被滤波平滑(见上图)。有限公司₂和N₂是物种最丰富的气体分压大约850 mbar和150 mbar,分别。CH₄和H₂显示低,高浓度的交替阶段,相关的时间演化有限公司₂和N₂。阶段的提高浓度的H₂匹配,而增加公司的时机₂浓度,表明H的深层来源₂,而高CH₄倾向于浓度与时间的增加大气中的气体浓度。基于“增大化现实”技术与N浓度相关₂浓度浓度测量,而他似乎既不关联公司中有重大变化₂也与主要N的变化₂浓度,虽然有点丰富对大气。

这些观察表明,机制调节deep-sourced气体的混合组件(富含有限公司₂和H₂)和一个浅气组件(携带大气气体,如N₂基于“增大化现实”技术,但也可能CH₄从表面的来源)。固体地球化学变化与地震活动关系的统计分析在这个工作环境中无法实现的数据量是非常有限的。然而,数据表明,CH的峰值浓度₄同步与更积极的地震发生阶段(上半部分的图4)。相反,高H的阶段₂浓度出现在地震活动较低的时期。其他热液网站在地震活跃地区目前正在研究探索可能的地震活动性之间的关系和流体动力学(Giroud et al ., 2022)。

4所示。结论

越来越多的努力来监测环境条件要求健壮和可移植的技术。高温水热的领域接近地球表面,气体分析仪,尤其是那些依靠毛细管入口,可以影响水汽含量高的风险和相关的水蒸气凝结。我们提出的两种方法在这项研究让我们延长现场气体量化分析方法,如miniRUEDI,地热的应用程序。

两种方法打开新的实验可能性研究时间和空间变化的气体在炎热热水域和陆地液体(例如,火山),是出了名的难以评估的传统采样方法,它依赖于一些个人分析样本。我们开发的系统分析方法是一种进步的可能关系地球流体动力学和seismicty火山和构造活动区域(Giroud et al ., 2022)。同样,开发方法打开一个新的分析窗口跟踪上下文中的液体(即深部流体循环实验。通过标签与惰性气体作为人工示踪剂,水罗克et al ., 2020;Zappone et al ., 2021)。

数据可用性声明

原始数据支持了本文的结论将由作者要求,没有过度的预订。

作者的贡献

SG,欧美、MB和RK设计研究和准备手稿。SG,欧美、TS和y进行实地考察。TS和NT提供后勤和基础设施支持。所有作者的文章和批准提交的版本。

资金

博士支持SG和开放存取资金提供的作者之一,瑞士联邦理工学院的水产科技。

确认

我们感激Eline等,Gabriele Bianchetti,让-玛丽•Rouiller提供我们进入Lavey-les-Bains水热井和有价值的监测数据。我们感谢安德烈Defago Lavey-les-Bains的野外工作期间他的帮助。本研究中使用的地震目录是由日本气象厅,与教育部合作,文化,体育,科学和技术。目录是基于地震资料提供的国家地球科学研究所和灾难恢复,日本气象厅,北海道大学,不管大学、东北大学、东京大学、名古屋大学、京都大学、高知县大学、九州大学、鹿儿岛大学先进工业国家研究所的科技、地理调查研究所,东京大都市,静冈县,神奈川县的温泉研究所,横滨市和日本地球科学和技术部门的。我们感谢三个审稿人的时间和精力来改善我们最初版本的手稿和雨果博士Delottier处理的手稿。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

出版商的注意

本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。

引用