氦气是惰性气体又是稀有气体，质量数小，渗透性和扩散性强，自地球内部逸出后直接向大气层外扩散，不再循环到地球内部，且地球内部不同深度含量不同。空气中氦气含量极低（5.24 ppm），而地壳内富含具有放射成因的氦气（⁴He），因此，只要地下流体观测井周围存在孕震应力场作用挤压岩石，使岩石裂隙中富集的氦气析出，就能被观测仪器检测出来。

氦气对于探测构造应力场的变化信息灵敏性较高（孔令昌，2001）。测氦仪技术指标中氦气灵敏度设置为10 ppm，中国观测井泉氦气背景值均高于50 ppm，在地下流体台站数字化气体地球化学观测中，及时有效地获取气体是氦气观测的重要环节，在动水位或静水位观测井、泉点以及断裂带土壤气的氦气观测中，均可采用集气装置进行集气。

对于氦气变化与地震异常存在的关系已有一些研究成果，如：孔令昌（2006）研究发现，2005年5月26日黑龙江大庆市林甸5.0级地震前，林甸观测井的氦气出现明显异常，且同井观测的大地微电流也出现明显异常；孔令昌（2007）分析认为，在云南省红河断裂带上的一些地震发生前，氦气测项存在异常；高玲等（2011）结合观测环境条件中温度、大气降水等影响因素及强震响应，研究大灰厂井氦气释放成因，结果显示，氦气释放与特殊的地质环境、温度有关，与大气降水无明显关系；王志惠等（2011）研究延庆地震台五里营井逸出氦气受该井动水位异常变化影响，发现每日数据扰动大，影响原来的日变形态，对集气装置进行改造，把脱气装置的集气方式改为水下直接集气，既解决了氦气受水位异常变化的影响问题，又减小了环境变化对氦气观测的影响；龚永俭等（2015）结合观测环境条件，温度、大气降水等影响因素及强震响应，研究氦气释放与环境变化及地震前兆异常的关系，发现氦气释放受观测井动水位异常变化影响大。同样，怀4井氦气观测采用井管空间收集气体，“死空间”大，新旧气体交换不及时，观测气体与氦气测值随水位变化而变化，掩盖了某些应力场变化信息，需要更换氦气集气方式，使其观测值可以及时有效地反映构造应力场的变化。

怀4井成井于1970年，位于怀来县城东南13 km处的后郝窑热田区（热田区呈NW向，长轴约2.1 km，短轴约1.1 km）内，地质构造属于东西向阴山构造带内蒙台背斜以南和北东向祁吕构造系与燕山沉降带交汇部位（图 1）。该区新构造活动明显，垂直差异运动强烈，形成一系列断陷盆地，如怀来—延庆盆地、涿鹿盆地、阳原盆地、蔚县盆地等。

图 1(Fig. 1)

图 1 怀4井地质构造 Fig.1 Tectonic setting of Huailai No.4 well

怀4井井深500.3 m，成井时水头高度为5.92 m，自流量3.2 m³/h，最高水温为88.1℃。2001年首度圈改造后，陆续开展水氡、水汞、气相色谱仪（氢气、氦气、氮气、甲烷）、水位、气氡、气汞观测。

怀4井是动水位观测井，于2012年9月安装WGK-1型数字化测氦仪，进行观测井逸出气中氦气含量变化的测定。测氦仪运行正常，氦气测值最低为0.01%，最高为0.03%，变化比较稳定，夏低冬高，具有一定年变规律，且氦气含量逐年增长，与周围地质构造变化具有一定的一致性。

在气体地球化学的数字化连续观测中，气体收集是观测技术系统的关键环节。稳定有效地获得气体决定了观测数据的稳定性和可靠性，集气腔中新旧气体的交换速率决定了观测数据能否如实快速地反映地壳岩石中的氦气变化，因此，采用何种集气方式显得尤为重要，如果气体获取装置与气路设计不合理，将导致观测数据无规律变化。

由于怀4井周边大量开采地下热水，导致井水位逐年下降，2007年9月对该井进行下挖深坑改造。距主井管约5 m处，挖10 m深、直径约5 m的大坑，在主井管深度8.5 m处引出一个泄流口，将怀4井水引流到该深坑，以保证观测井的动水位观测。在深坑距地面8.0 m处设置气氡和气汞脱气装置及用于模拟观测的水样取样口（张常慧，2011）。模拟水氡取样口2016年1月因水位下降停止出水，又将怀4井模拟水氡、水汞、气体取样口位置下降2 m，气氡和气汞泄流口位置不变，并将原高出地面的井管锯掉1 m，现在井口井管高出地面约50 cm。

不同气体在水中的溶解度不同，一般惰性气体溶解度相对较低，而氦气是溶解度最低的气体。地下水中的逸出气和游离气比例较大，采用集气装置方式干扰小，避免某些人为干扰环节。怀4井最高水温88.1℃，逸出气多，溶解气较少，采用直接集气方式获得观测氦气，并先后采用以下方式集气：井管空腔（井口到水面的空间）集气；集气漏斗悬浮于水面上方集气；集气漏斗投放于水中一定深度集气（王志惠等，2011）。

（1）井管静空间集气。图 2(a)为怀4井2016年1月改造前氦气集气方式，将观测井从井口至水面的井管静空间作为集气装置，在井口处密封后引出一根气管到测氦仪传感器。随着水位的涨落，集气体积发生变化，引起氦气测值变化，从怀4井开始氦气观测至2015年底，观测气体体积从约20 L变化至55 L。随着观测井水位的下降，集气容积越来越大，导致集气装置内新旧气体比例下降，即旧气体越来越多，应力作用释放的异常气体被原正常变化气体稀释，进入测氦仪传感器的新鲜气体比例下降，影响氦气异常变化幅度，甚至无异常现象，见图 3，其中2013—2015年时段氦气观测曲线变化平稳。

图 2(Fig. 2)

图 2 怀4井改造前后氦气集气装置 (a)井管静空间集气方式；(b)不锈钢杯漏斗集气方式 Fig.2 Helium gas collecting device before and after reconstruction of Huailai No.4 well

图 3(Fig. 3)

图 3 怀4井氦气整点值变化曲线 Fig.3 Curves of gas helium in Huailai No.4 well

氦气测值与水位值的关系可以理解为：月球的引力作用于观测井围岩，使得围岩产生变形，观测井水位值随围岩变形而变化，水位值一天有2次波峰与波谷变化（称之为固体潮汐变化），采用观测井静空间作为集气装置，气体容积一天同样有2次增大和减小变化。假设来自地下水的逸出气是稳定值，若观测井水位下降，则静空间容积增加、气压下降，形成负压区，测氦仪传感器出口吸入空气，进而稀释地下水逸出气浓度；若观测井水位上升，则静空间容积变小形成压缩状态，逸出气加速流出测氦仪传感器。出现吸入与鼓出效应，影响观测值的真实性。因此，怀4井采用井管静空间集气存在氦气测值随水位值变化的问题，影响测值的真实性。

（2）不锈钢杯漏斗集气。2016年1月怀4井改造井管静空间集气腔，将一个容积约0.7 L、直径Φ70 mm的不锈钢杯倒挂于水面上2 m处，杯底设置接头接集气管（内孔Φ10 mm，外管Φ12 mm，长30 mm），与测氦仪传感器之间采用硅胶管进行连接，见图 2(b)。安装前将观测井口由密封改为敞开状态，不锈钢杯杯口朝下放入观测井内距水面2 m处进行集气，逸出气进入不锈钢杯集得气体，通过硅胶管引入测氦仪传感器，避免了原来大容积新旧气体混合平衡的问题，空间小（一般约1 L），确保气体收集的有效性和及时性，反映了观测井地下水中氦气的自然变化过程。怀4井采用该不锈钢杯漏斗集气方式后，氦气测值变化见图 3中2016年1月以后的观测数据曲线，由于周边无5级左右地震发生，无法对应映震效果，但氦气测值有所增加。

由2013—2017年怀4井氦气整点值变化（图 3）可见，怀4井氦气测值呈逐年上升趋势，可能原因是，观测井周围存在地热开发现象，导致观测井水位逐年下降，地下水含水层内径流流速逐年减小，被地下水径流带走的岩石自然析出及地下水溶滤氦气逐年减少。一般无应力场作用时，围岩中析出的氦气是一个稳定值，如果被地下水带走的量值减少，则流入井管的氦气变化量将逐年增加，流入测氦仪的氦气变化量增加。

从图 3可见：①2013—2015年氦气测值平稳，这是因为，当时采用井管静空间作为氦气的集气装置，由于集气的静空间大，从围岩析出的高值氦气被滞留在大空间的氦气混合，达到一种平衡状态，导致氦气变化幅度相对稳定，即使析出氦气有异常也不会出现高值变化；②2016年1月集气装置改造后，当月氦气出现低值变化，这是因为，在改造过程中调试集气漏斗导致空气混入稀释了收集气，2月起氦气变化正常，是因为采用小容积集气漏斗，新旧气体混合减少，日变化幅度一般是改造前的几倍，反映了围岩析出的氦气能及时有效地进入测氦仪传感器，如果观测井围岩存在应力场作用，氦气测值应能反映异常变化。

通过怀4井氦气集气装置的改造，可以得到以下结论：采用不锈钢杯漏斗集气，多余空间小，观测井中逸出氦气能快速进入传感器，氦气观测数据稳定、可靠，氦气变化能及时反映地壳深部实际变化；从集气观测结果看，观测井中氦气的逸出气和游离气与观测井的水位流速有一定关系，水位值下降可能是含水层径流水的流速减小，被地下水带走的析出或溶滤氦气减少，流入观测井的氦气增加，使集气装置集得的氦气增多。

怀4井氦气集气装置改造初见成效，可为全国地下流体观测台站氦气连续观测的集气方式提供参考。