本文介绍了在夏威夷基拉韦厄火山山顶的硫磺银行solfatara油田，从喷气孔和近地气体中测量到的He同位素(3He/4He)数据。我们使用了一种可现场部署的基于质谱仪的系统:之前在McMurtry等人(2019a, b)中描述的氦同位素监测仪(HIM)。该现场仪器首次使用太阳能部署，结果与使用传统气体分析和惰性气体质谱技术确定的数据进行了地面验证。介绍了HIM仪器、配套的排气净化系统(VGPS)以及相关的采样设备和策略。多云和下雨的天气条件阻碍了部署，重新组织以减少电力负荷，导致采样少于计划。尽管如此，我们还是获得了每天火山喷发气体的采样。老井喷发孔结果显示，在2020年12月20日附近Halema 'uma 'u火山口喷发当天，3He/4He增加了~ 2 RA，使用原位仪器达到17.0 RA，使用常规技术达到16.0±0.67 RA。这一发现表明，一种新的富含3he的岩浆源正在推动基拉韦厄火山目前正在进行的喷发阶段，如果是这样的话，就证实了拥有硫滩油田的深层山顶火山口断层系统与Halema 'uma 'u火山口岩浆系统相连。总的来说，这些发现说明了时间序列氦同位素数据是如何通过持续的低时间分辨率离散监测来建立的，可以帮助预测其他火山监测方法可能无法预测的即将发生的喷发事件。

　　在Mammoth Mountain (CA, USA) (Hurwitz et al. 2018)成功地对HIM进行了四个月的现场测试后，我们开始计划监测一座既没有避难所也没有电网交流电源的活火山。在那里，HIM放置在一个防风雨的避难所中，使用交流电网供电。之所以选择夏威夷岛上的基拉韦厄火山，既是因为后勤方便，也是因为已知该地区存在大量氦同位素异常(Hilton et al. 1997)。氦气信号的预期大小也将提供高信噪比，这对校准仪器至关重要。总体而言，火山喷发活动的高频率和总体上温和的天气条件也使基拉韦厄成为测试部署的理想地点，这些测试主要集中在硫磺滩solfatara油田(图1)。硫磺滩是一个研究得很好的火山系统(例如，McMurtry等人，2019c)，之前的几篇出版物报道了它的气体和同位素化学(Craig和Lupton 1976;Torgersen and Jenkins 1982;Friedman and Reimer 1987;Hilton et al. 1997)。在我们的案例研究中，我们面临的挑战是在充电的电池上运行原型机的相对高功率系统，在这种情况下，太阳能光伏(PV)板。在夏威夷的季节选择也很重要，因为11月到4月之间多云多雨的时间会增多。在硫磺银行solfatara油田，我们监测的目标喷气孔是老井现场，也称为Jaggar Vault (Allen 1922)(图1)，其中富含二氧化碳的气体(~ 98 vol%)在最高排气温度为~ 95°C时散发，SO2含量低(~ 1%)。该喷气孔具有较高的3He/4He值，从2018年4月的13.7 RA增加到2018年5月喷发后的近16 RA (Peek et al. 2019, 2020)。

　　图1

　　

　　(a)夏威夷岛上基拉韦厄火山的位置;(b)基拉韦厄山顶破火山口的位置;(c)峰顶破火山口，主要特征标记为HVO=夏威夷火山观测站旧址;(d)硫磺滩solfatara油田，显示老井(又名Jaggar Vault)、新井和氦同位素监测站站点的位置。地图上的绿色区域被植被覆盖;白色区域表示裸露的地面

　　用于为HIM原位仪器供电的太阳能电站设备的照片如图2所示。仪器的尺寸为1.9米(长)× 1.1米(宽)× 1.5米(高)。它由定制的耐酸玻璃纤维支柱和玻璃纤维格栅底座组成，采用不锈钢紧固件。除了提供太阳能光伏发电外，太阳能电池板还从顶部和一个朝南的长侧提供天气保护。现场仪器的主要组成部分如下:

　　图2

　　

　　2020年12月部署的照片。(a)有太阳能装置的HIM站有额外的防雨设施，面向东方。(b)内部布局(元器件详细说明见正文)。(c)硫滩的广角，朝西北。老井喷气孔用红色圈出，而HIM太阳能站则用黄色圈出，它位于裸地东南偏南约9米处

　　(1)

　　氦同位素监测仪(HIM)(图3)。

　　（2）

　　排气净化系统(VGPS)(图4)。

　　（3）

　　一个内部面板，用于安装两个太阳能电池板控制器，一个接线盒，将三个55w的面板连接在一起，以及一个500w的DC-AC逆变器。

　　（4）

　　四个深循环，可充电铅酸凝胶电池，并联在12v(300安培-小时)。总容量)。

　　（5）

　　压缩的干燥氮气钢瓶。

　　（6）

　　玻璃冷凝水阀。

　　（7）

　　基于改进的便携式热电制冷装置(Koolatron?)的水蒸气冷凝冷却器。

　　图3

　　

　　便携式野外氦同位素监测仪(HIM)的原理图，显示了主要的真空部件。为清楚起见，没有显示电子和线路。粉色区域表示隔热层。该仪器工作程序的详细描述可在本文和McMurtry等人(2019a, b)中找到。

　　图4

　　

　　排气净化系统(VGPS)原理图。所有组件适合便携式Pelican?的情况下。三个可拆卸的化学盒夹在顶层(2级)，两个直流电源和一个定制的Teflon?KNF隔膜粗加工泵位于下面(1级)。内部Valcor?Teflon?电磁阀直接气体流动;指示阀门1(梯度)，3(旁路)和5(排气)。使用instruments?推力杆对流压力表测量压力。定制命令电子板通过Rabbit?微处理器继电器阀门开度，温度，压力和粗加工泵的开/关。一个小的加热器组件用于极端寒冷的环境。VGPS也用闭孔泡沫绝缘。该仪器工作程序的详细描述可在本文和McMurtry等人(2019a, b)中找到。

　　之前在McMurtry等人(2019a, b)中已经描述了HIM和VGPS单元。氦同位素监测器(HIM)的核心(图3)是一个带有石英玻璃膜、两台质谱仪和一个全量程压力表的负离子真空系统。NEG泵允许惰性气体的积累，而惰性离子泵用于清洁样品之间的高真空。主质谱仪是一个频率改进的高分辨率四极杆，质量范围为1至6 amu (MKS Microvision2)，副质谱仪是一个异步离子阱(ART)，质量范围为1至150 amu(分别为图3中的组件2和组件6)。两个质谱仪(MS)单元都是由MKS仪器公司制造的。MKS四极杆具有高分辨率，但不足以解决HD与3He的极其紧密的等压干扰。因此，我们采用了调整电离质谱(AIMS)技术(Davies等人2014年的TIMS技术)，并使用MKS Microvision2的可编程功能来“在飞行中”调整选定物种的电离。我们将电离势从通常的70 eV降低到30 eV以下，从m/z=3.0时的总压响应和HD单独的PP响应的总和中得到3He分压(PP)。在同一样品上，在m/z=4.0处测量了4He响应，在m/z=2.0处同时测量了H2响应，尽管丰度差异极大，但没有“尾尾”效应。这些测量在微秒内依次完成，并重复整个过程，直到获得足够的质量响应。四极倍增检测器具有107增益，可根据物种丰度调整以适应预期的响应差异。离子阱质谱还可以获得4He和H2响应数据，并用于监测整体高真空质量。这些数据存储在' master ' Rabbit?微处理器和嵌入式PC上的闪存中，可以操纵以实时显示计算数据并遥测到远程站点。

　　排气净化系统(VGPS)(图4)的开发主要是为了减少HIM样品室的水蒸气负荷。水是一种非常小的分子，可以通过石英玻璃扩散，并可能使高真空的NEG泵饱和。它作为主要的大气水的存在也稀释了测量到的其他气体的丰度，除非对岩浆水感兴趣，否则对大多数火山研究都不重要(例如，Goff和McMurtry 2000)。水通过吸附到化学吸附剂上去除，在这种情况下，两个装满Drierite?的吸附剂表示硫酸钙(硬石膏)，一个装满分子筛的吸附剂。泵送的气体流量通过四隔膜KNF泵，配备定制的Teflon?隔膜和Valcor?Teflon?电磁阀来直接流动。直接样品干燥后，样品再循环，以最大限度地暴露于化学吸收剂。除水外，任何含硫气体都将被这些捕集器洗涤，特别是在有水存在的情况下，因此应在VGPS处理之前进行检测。第二个“奴隶”Rabbit?微处理器被编程为通过控制电子板上的一系列阀继电器指导样品纯化序列。采样序列通过将样品室抽气至2-4托开始。

　　VGPS的一个特点是双向进气选择，使用Valcor双向梯度阀，可以在火山口和环境样品之间切换。每次仪器重新启动时，HIM自动运行程序默认为环境进气，为了节省电池电量，必须每天都这样做。几次人工尝试都没有成功，因此我们收集了比原计划更多的环境或近地气体样本。

　　大型玻璃REC?面板为四块电池中的三块提供375瓦的充电功率。之所以选择它，是因为它具有高效率(21%)的能源生产和坚固的结构，不需要额外的支撑，这使得整个工作站的重量很低。三块坚固耐用的塑料Ganz?面板为热电制冷装置专用的一块电池提供了总计165w的充电功率。对于这次部署，数据被记录到内部闪存卡中，尽管可以通过手机从我们的采样点进行远程通信，就像以前在猛犸山所采用的那样(Hurwitz等人，2018)。

　　对于基拉韦厄硫堤，由于老井(又名Jaggar Vault)火山喷气孔位于木制人行道附近，国家公园管理局的采样许可证要求HIM站位于一些谨慎的距离之外，以不干扰游客体验并防止任何潜在的篡改，不允许未经授权的步行人员离开人行道。现场布置如图5所示。令我们惊喜的是，延伸到车站的管道就像一条水蒸气冷凝管道，因此不需要Koolatron?冷却器，几天后就被拆除了，从而节省了电力消耗。在整个现场部署期间，在图5所示的两个区域收集了地面真实气体样本。采样包括填充真空的吉根巴赫玻璃烧瓶，紧接着气体通过铜管采样器泵入，铜管采样器被压接，以便稍后分析氦及其同位素和其他稀有气体。

　　图5

　　

　　基拉韦厄硫滩solfatara油田老井喷气孔HIM站采样布置图。图2c为大面积视图。he站框中的小箭头表示抽送气体流经厚壁柔性硅胶管的方向，用蓝线表示。指定用于地面真值采样的两个主要区域是VGPS泵排气和采样Tee。顶部插入:VGPS排气软管手动取样的照片。撤离的吉根巴赫采样器已经就位。附近有一个铜管和手动冷焊机(团队产品)。底部插入:在老井喷气孔附近建立的采样Tee的照片。钻孔是原来的井的顶部，现在被埋在岩石下。通过改变软管夹的位置，从90°短管到连接到HIM站的较长管，可以获得定向流动气体样品。这些样品是通过手动抽取获得的，遵循标准的现场协议(例如，Hunt等人，2015年)。

　　分析技术-巴里实验室，伍兹霍尔海洋研究所

　　氦和氖同位素分析在伍兹霍尔海洋研究所(WHOI)的Barry实验室使用Nu Instruments的多收集器Noblesse HR质谱仪(Barry et al. 2022)进行。Noblesse能够确定所有26种稳定稀有气体的同位素比率，并且具有独特的变焦光学系统，可以在不同的同位素组之间进行瞬时切换。变焦光学允许探测器固定，大大提高了可靠性。灵敏度和分辨力也可以调整，而没有移动源狭缝的复杂性。该仪器与一个完全自动化的惰性气体处理和净化入口系统相连。

　　气体样品惰性气体净化

　　铜管样品用o形环连接到萃取管线上，约5 cm3的气体膨胀到清理管线中。使用电容式压力计测量压力，然后将一小部分气体扩展到管线的清理部分。通过将气体暴露在650°C的钛海绵中，化学去除活性气体。Barry等人(2022)描述了WHOI惰性气体清理程序的完整描述。

　　分析技术-新墨西哥大学费舍尔实验室

　　样品在不含苛性碱溶液的真空吉根巴赫烧瓶中收集，并按照Lee等人(2017)中描述的程序，通过气相色谱(GC)和四极杆质谱(QMS)相结合进行分析。气相色谱仪分离CO2、H2、N2、Ar + O2、CH4和CO，四极杆在动态模式下分析He、Ar、N2和O2。在样品制备线和进入GC和QMS之前，样品暴露于干冰乙醇混合物中以去除水蒸气。气体通过6和10个端口阀的组合进入GC。气体通过可变泄漏阀进入QMS，该阀将样品的压力从QMS中的几个10托降低到10 - 7托。两种仪器均使用校准气体混合物。对于QMS，校准气体混合物包含1000ppm He, 1% Ar, 21% O2和78% N2，校准气体混合物中Ar的信号使用泄漏阀调整到样品的预期值。例如，校准时的Ar信号调整到2.5 × 10?9 A，样品SB020-1的Ar信号为2.21 × 10?9 A或在校准值的10%左右。对于某些样品，Ar信号明显低于校准信号。样品SB02-2、SB020-6、SB020-8和SB020-12在低Ar信号下进行新的QM校准后重新分析，以匹配样品信号。本文报道了所收集样品中CO2、H2、Ar、O2、N2、CH4和CO的相对摩尔丰度。氦气数据已收集，但未报告，因为四极杆质谱的校准问题尚未解决。

　　摘要

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　　讨论

　　最后考虑

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　　He分析于2020年12月8日开始(表1)，常规地面真实采样于2020年12月10日开始(表2)。2020年12月10日至15日收集的近地和喷气孔样品的常规He同位素结果范围为0.8至1.1 RA(表2;图6)。这些类空气值对于仪器泵排气样本(样本sb20 -1,3,5,7)比随后在靠近喷气孔的三通处通过手动泵取的样本(样本sb20 -2,4,6,8)更有意义。无论是在压接(铜管上的冷焊无法保持)、分析前储存或在样品提取过程中，还是在到喷气孔的样管没有充分地就地冲洗，或者密封在铜管内的样品被空气污染。在我们的现场方案中(见第2.3节)，铜管样品是在Giggenbach抽真空样品之后立即采集的，除非另有说明，否则是高度富集二氧化碳的气体(表3;因此，我们怀疑这些样品在同位素分析之前被污染了。它们在图6中用问号表示，并且对在仪表泵排气处采集的伴随样品有影响(见讨论章节4.3)。

　　图6

　　

　　自2020年12月部署以来，3He/4He为R/RA和RC/RA比率的时间序列，并标记了重大事件。除特别说明外，仪器和常规样品的RC/RA与采集日期对应。样品类型由符号表示(见图例)。表1和表2中的所有数据以及12月15日的3He/4He火山喷发数据(USGS, A. Hunt，分析师)由T. Nadeau (pers)提供。通讯,2021)。表1中报告的HIM数据估计有0.5 RC/RA误差;其他错误来自表2中报告的值或在符号内

　　图7

　　

　　二氧化碳(CO2)与3He/4He (R/RA, RC/RA)在表2和表3数据中地面实验样本的比值。从吉根巴赫瓶样品中提取的所有二氧化碳结果都是顺序的，然后再从铜管样品中提取氦和同位素。唯一的例外(绿点)是由美国地质勘探局分析的来自同一铜管样品(SB20-15，表2)的二氧化碳分析。样点的位置已注明。由于高二氧化碳含量气体的低、类似空气的He同位素(R/RA)比率不太可能，因此至少有五个类似富马罗尔的气体样本(见左矩形)在管道冲洗、管压接、储存或样品提取时受到污染。部分真空损失(见右矩形)是指可能失去部分原始真空的样品。标记VGPS的样品由电动隔膜泵大力泵送;所有其他的都是用活塞手泵手动泵

　　表1“爱德华”号原型氦同位素Monitor (HIM)数据，硫磺银行，基拉韦厄，2020年12月

　　表2 Co常规氦同位素数据，硫库，基拉韦厄，2020年12月部署?

　　表3基拉韦厄火山硫库气体的化学成分

　　在测量了稀释的近地气体后，我们于2020年12月16日至20日使用HIM分析了老井富氧排放口的气体(表1)。在这里，气体以4 L/min的速率从排放口通过冷凝疏水阀、VGPS和HIM样品室，使用配备耐酸聚四氟乙烯隔膜和阳极氧化铝块的KNF?隔膜泵。五分钟的抽吸足以抽走整个采样系统的四卷。此外，我们在抽气三分钟后，从抽气废气中提取常规气体样本(在真空吉根巴赫气瓶和压接的铜管中提取氦气)，并在VGPS抽气停止后立即在靠近喷气孔的管道中放置采样三通(图5;表1和表2)。

　　12月16日，当对VGPS的环境和喷气孔两条进气线合并后，测得的He同位素值降至2.0 Rc/RA的低点(表2;图6)氦同位素比率突然下降的可能原因是空气扩散或泄漏到通往空间站的长管道中。另一种可能性(不太可能)是在厚壁硅胶管内长时间储存期间，由于扩散而损失了富含3he的氦。

　　12月17日至20日对老井喷口进行了更有效的采样。观察到的最重要的方面是操作。现在，采样线从喷气孔中抽出抽送的排气，而排气成分没有变化(表1;图6)从喷气孔中改进采样和抽气的证据包括冷凝阀中存在水蒸气冷凝水，观察到管道中的热气体，以及泵排气中明显的h2s产生的气味。二氧化碳浓度升高和Ar浓度降低也支持了这一论断。未校正的氦同位素值在两天内上升到4 RA，然后在12月20日采集的最后一天逐渐上升到~ 5.6 RA。基拉韦厄附近的Halema 'uma 'u火山口于当地时间2020年12月20日21:30左右爆发，并持续了五个月。2021年9月，火山口恢复喷发，并持续到2023年3月(见:https://www.usgs.gov/volcanoes/kilauea/volcano-updates)。

　　12月17日至20日，空气污染的双组分混合校正使空气校正的He同位素(RC/RA)值从15增加到17(表1;图6)。这些空气校正涉及使用伴随样品中测量的Ar浓度(表3)。我们使用了与McMurtry等人(2019b)相同的程序和假设;他提出了使用4He/20Ne比率(Sano and Wakita 1985)的已知He同位素空气校正方法的改进，使用40Ar代替20Ne，并且需要了解纯火山口的40Ar丰度。空气校正方法使用纯火山喷发气体和周围空气的双组分混合。我们使用氩气作为保守的空气特征气体，从Halema’uma’u陨石坑底部采集的308°C喷气孔样本(样本KV97-3;Elias 1999)， 1997年5月。对于干燥空气，我们使用0.93%的值。根据McMurtry et al. (2019b)，任意基拉韦厄硫库样品的混合方程如下:

　　基于“增大化现实”技术(纯喷气孔)+(1?x) Ar(空气)=Ar(测量);

　　0.0024x +(1?x) (0.93)=0.60;X=0.356，其中X=喷气孔气体分数。

　　使用日本氦标准(HESJ)同位素标准(表1，脚注)，对质谱仪灵敏度随时间的降低进行了进一步的最小校正。这些相同的岩浆组分被用来校正测量的二氧化碳浓度，使其达到纯喷口样品中的预期浓度(表3)。这些计算的浓度与预期浓度几乎相同或低于预期浓度，这表明在某些情况下，二氧化碳浓度校正不足。

　　表2显示了传统铜管He分裂中He的浓度，单位为cm3STP/cm3(即ppm × 106)。表3报告了真空吉根巴赫玻璃瓶中收集的样品中H2、Ar、O2、N2、CH4和CO的额外摩尔浓度。目前，来自he的总4He浓度未经过校准，并在表1中以分压(托尔单位)作为仪器响应报告。Barry实验室从相应的铜管样品中报告的He响应与4He浓度之间存在良好的相关性(图8)。表2中提供的4He数据通常较低(3.5至6.4 ppm)，但与以前在硫磺银行使用相同方法获得的4He数据相当(Peek et al. 2020)(图8)。因此，我们对他在老井通口测量的He浓度有信心。

　　先前在硫磺班克对氦气的研究表明，该气体的浓度随时间变化很大(图9)。从1964年开始，在干气基础上监测到的氦气浓度范围为4至75 ppm(1970年至1972年峰值为~ 40 ppm)，假设干气中测量到的水和几乎纯二氧化碳含量为92±2% (Naughton et al. 1973)。Naughton等人(1973)测量的3年平均4He/CO2比率为(14±8)x 10?6，其产生14±8 ppm He。20世纪70年代的数据表明，短期的4He峰值与当时基拉韦厄火山的同步火山事件有广泛的相关性，这些早期的工作者可能没有充分认识到这一点(见Naughton et al. 1973，他们的图1)。

　　图8

　　

　　伍兹霍尔海洋研究所(WHOI) Barry稳定同位素实验室报告的4He浓度(以ppm为单位)(表2)与相应的Torr分压(PP) 4He仪器响应(表1)的相关图。实黑色线是对WHOI喷孔和近地气体数据的最小二乘回归拟合。如果WHOI 4He数据有一个向下的校准偏移，则虚线表示相关拟合，三个近地气体样本的低于空气的4He值强烈表明了这一点(见文本解释)。橙色矩形表示Peek等人的4He (ppm)范围。(2020)

　　图9

　　

　　1970年初至2020年底在老井和新井站点收集的排放气体中4He浓度(ppm)的时间序列。说明了数据来源。除了Naughton et al.(1973)的标准差误差条外，我们报告了监测期间浓度的平均值和范围，后者用水平条表示。还报道了样品的数量和用于测定氦值的方法(气相色谱法，质谱法)。红色实线表示这些数据的长期趋势。绿色实线表示平均空气浓度

　　使用类似的假设，Craig和Lupton(1976)估计1974年在那里收集的两个样品的4He含量为~ 8.5 ppm。从1982年到1984年，在2年的时间里，在新井(在硫磺银行的老井附近钻探，图1)中监测了4He浓度，并从6ppm的低点缓慢地达到了16ppm的最大值(Friedman and Reimer 1987)。1991年，根据报告的he同位素(RC/RA)和从新井收集的两份样品中的CO2/ 3he值，假设干气中几乎纯CO2，计算出的4He浓度为4.2-4.4 ppm (Hilton et al. 1997)。(排放气体中较低的二氧化碳浓度(没有报道)会增加氦浓度)。1997年，据报道，老井的平均干气浓度为7.2 ppm，而基拉韦厄气体车间的比较气体样本的最大值为10.5 ppm和17.1 ppm (Elias 1999)。从2018年至今，老井现场的季度监测报告称，4He浓度从略高于环境空气(5.2 ppm)到最高仅为6.3 ppm (Peek et al. 2020)(图9)。硫滩似乎有一个长期的、十年一次的降低4He浓度的趋势。

　　理想情况下，喷气孔气体应该是纯净的，或者只需要对空气污染进行很小的校正(Sano和Wakita 1985;Sakamoto et al. 1992)。然而，当现场测试一种新仪器时，情况往往不是这样。对于送回实验室进行氦同位素分析的样品，通常的做法是测量样品中的4He/20Ne比率，并将该测量结果与空气中已知的4He/20Ne比率进行比较(例如，Sano和Wakita 1985)。因为唯一已知的20Ne的行星储存库是大气，所以这种修正准确地估计了空气的贡献。其他稀有气体，如放射性成因的40Ar，可能存在地幔和地壳储层，但相对较小且可测量。对于大多数体积更小、分辨率更低的质谱仪(如本文使用的四倍质谱)，分析问题是40Ar++与20Ne+的等压干扰，即使大多数40Ar可以通过低温捕获(例如，Sakamoto等人，1992)去除，并且使用AIMS(调整电离质谱)技术抑制40Ar++ (McMurtry等人，2019a)。在这里，我们使用气相色谱法在伴随样品中测定的Ar浓度作为空气污染校正，在对任何地幔或火山贡献进行小校正后(McMurtry et al. 2019b)。理想情况下，应该在与HIM原位相同的样品气体中测量Ar。未来的部署将受益于类似于VGAM的第二个质谱仪(McMurtry et al. 2019c)，如果该仪器的NEG-Ion泵被紧凑型涡轮分子粗化泵取代，则可以测量样品室中的Ar，就像我们之前所做的那样。

　　现场部署仪器后，将设备送回实验室，在实验室空气中测定He同位素，得到的He同位素值范围为0.5 ~ 1.6 RA(平均值为1.0±0.39 RA，见表1中的实验室空气系列)，反映了该方法测定类空气He同位素值的总体精度。与实验室空气相比，在环境、近地现场样品中测量到的3He/4He更高的一个可能的解释可能是，当仪器在采样之间关闭电源以节省电力时，在高真空中建立了更高的氢压力。通常在实验室中，仪器的高真空是由离子泵连续泵送的，由于离子泵的尺寸和泵送速度适中(~ 20 L/秒)，需要长时间暴露才能有效降低氢(和干扰HD等压线)的分压。

　　或者，这些样品中较高的3He/4He可能反映了稀薄的羽流或富集3He的近地气体。环境入口位于离地面约30厘米处。值得注意的是，这种气体不像空气，相反，它的二氧化碳浓度升高，范围从710到1081 ppm, Ar值低于空气(表3)，以及未经校正的He同位素比率，范围从3.0到3.8 RA(表1)。我们推测，在He数据中观察到的变化是由高3He/4He喷气孔气体和周围空气之间的湍流空气混合造成的。

　　组分气体结果表明，在老井遗址以南约9 m处存在富含co2的地面气体(图1d)。该站点位于线性分布的裸地区域的北部边缘，可能是由断层控制的，位于Friedman和Reimer(1987)的2.0 ppm总4He异常(高于环境空气)附近(图2c)。在老井，我们在原位取样中测量到的总4He浓度并没有显著高于环境空气平均值5.24 ppm(表1;图9)，这与最近在老井排放物中测量到的5.4-6.3 ppm (n=7)的低4He值(Peek等人，2020)以及使用我们的常规技术测量到的更低的4He值(表2)一致。然而，裸地区域对于富含二氧化碳的气体排放可能很重要，这表明富含二氧化碳的土壤气体的发生对大多数植物生命都是有毒的，正如在猛马山观察到的那样(Hurwitz等人，2018)。后续工作应包括对该地点的土壤气体采取更直接的取样方法。

　　从12月8日至20日每天进行he抽样，12月13日失去一个抽样日(共收集了12个样本;表1;图6)每日地面真值采样从12月10日开始，一直持续到12月20日，到12月19日收集了12个吉根巴赫样品，收集了15个铜管样品用于氦和同位素(表2;图6)Barry实验室在12月17日(VGPS排气和三通)和12月20日(VGPS排气和三通，与美国地质调查局实验室在三通重复铜管样品上的可比结果，表2)获得了高3He/4He结果。WHOI数据集的其余部分报告的3He/4He结果接近空气值。早些时候，当HIM收集近地气体时，在VGPS排气处收集的样品可能是准确的(在表2中评论为OK)，但12月19日从喷气孔样品中获得的类似空气的结果表明，在引入同位素分析之前，样品采集、储存或提取存在问题。如前所述(见图6)。将吉根巴赫样品的二氧化碳浓度与图7中铜管样品的WHOI同位素结果进行比较，可以看出这些额外的样品可能已经丢失(n=6)。换句话说，显示高3He/4He结果(n=4)的WHOI每日样本准确报告了喷气孔成分，而显示类似空气值的样本是可疑的，如表2所示。

　　在硫滩solfatara测量到的He同位素的表观长期变异性似乎很小，在44年的时间里从13.7 RA的低点到近16 RA的高点不等(Craig和Lupton 1976;Torgersen and Jenkins 1982;Hilton et al. 1997;McMurtry et al. 2019b;Peek et al. 2019, 2020)。这种明显稳定性的另一个方面是，硫滩的喷发气体是否与驱动附近Halema 'uma 'u火山口和下坡两个主要裂谷带喷发的浅层山顶储层耦合或分离，后者从更深的山顶储层接收岩浆(Neal等人，2019)。我们报告了Halema’uma’u火山口最近一次喷发的信号，该信号在喷发前至少一天出现在He同位素中，这有力地表明浅顶岩浆储层与硫磺滩solfatara场之间存在联系。空气校正的He同位素(RC/RA)值表明从12月15日采样的最小值14.7 RA到12月20日的16.0到17.0，然后在12月31日返回到14.8 RA (T. Nadeau, pers.)。通讯,2021;表1;图6)因此，硫库氦同位素的每日至次每日采样可能潜在地表明基拉韦厄火山即将爆发，这是广泛的地震网络或其他监测仪无法预测的，例如羽流中的倾斜和CO2/SO2比率以及基拉韦厄火山的常规喷气孔气体监测(见:美国地质勘探局夏威夷火山观测站，火山意识月(1月);https://www.usgs.gov/center - news/volcano意识-月- 2021 -程序- - - k - lauea火山发生)。除了增加采样频率外，这种仪器一旦建立并增加了内部校准标准，应该可以消除传统He采样和远程分析的许多缺陷。

　　在分析期间，HIM站的峰值功率负载为425 W，持续30分钟，随后的玻璃清理工作为380 W，持续1小时(图10)。每个周期的平均功耗刚刚超过200瓦。所使用的太阳能光伏系统能够提供375 (REC?)加165 (Ganz?)瓦时的组合面板输出，或540瓦时。太阳能充电功率仅在白天可用，并且在部署过程中会受到多云和下雨条件的影响(图6)。这些条件需要每天进行一次分析，在采样期间为站点断电，并最终将铅酸电池与电池充电器充电的单元进行交换。由于位于国家公园内的高能见度位置，因此不允许在电力电缆或火山喷发孔气体管道中使用电网向偏远地区输送电力，而以前在硫磺银行(Friedman and Reimer 1987)就是这样做的。

　　图10

　　

　　氦同位素监测仪(HIM)和火山气体净化系统(VGPS)的测量功率消耗随时间的直方图。目前的程序占空比为~ 4小时。真空质量监测器，一种自共振离子阱质谱计系统;定制的高分辨率四极质谱计系统

　　未来的部署将受益于额外的375 W REC?光伏面板，以取代三块低功率Ganz?光伏面板(图2a)。由于阴雨天气是不可避免的，额外的电力可以由相对安静和紧凑的氢燃料电池发电机提供，例如由Ultra Electronics?生产的250瓦便携式装置。额外的大容量电池也将是有益的。在能耗方面，我们正在对He玻璃膜进行改进，使其更小、更薄，可能会增加进入高真空的He通量，同时最大限度地减少甚至避免长时间、高功率的玻璃清洗步骤(图10)。

　　我们报告了近两周的氦同位素监测仪(he;McMurtry et al. 2019a, b)位于夏威夷基拉韦厄火山山顶硫磺滩solfatara区域内的站点。目前的HIM和相关的排气净化系统(VGPS)在典型的4小时样品采集过程中平均消耗超过200 W的中等高功率，其中包括加热玻璃以清除样品之间存储的氦同位素。由于位于美国国家公园的老井取样地点，我们受到限制，在这种情况下，我们使用太阳能光伏电池板充电的电池。将空间站的占地面积保持在最小进一步限制了太阳能光伏阵列的尺寸。对于预期的电力负荷，天气必须大部分是晴朗的，这是最初的情况，但随后在部署的剩余时间里恶化。硫磺银行solfatara油田位于一个主要由东风驱动的信风阵雨的天气分水岭上。任何在那里进行长期监测的尝试都需要从燃料电池发电机(将噪音和其他污染降至最低)等来源获得补充电力，或者与国家公园管理局(NPS)达成协议，允许向该地点提供电网交流电源。为了解决功耗问题，我们也在研究新的氦传感器，这将大大降低加热石英玻璃所需的功率。

　　NPS的另一项要求是将监测站与老井采样点保持一定距离，老井采样点靠近人行道。该站额外的样管具有意想不到的积极作用，可以用周围空气冷却火山喷发孔气体，并促进水的凝结(感谢从USGS HVO退休的杰弗里·萨顿)。因此，我们放弃了为此目的而设计的制冷装置，节省了它的电力消耗。

　　老井遗址提供浅水饱和的火山喷口气体，目前主要是二氧化碳。与上世纪60年代末至70年代初的各种研究人员在那里所做的分析相比(图9)，目前干排放物中的总4He含量非常低。峰顶气体的长期3He/4He变化率似乎很低，但在2018年5月峰顶活动之前(McMurtry和Dasilveira 2023，回顾)，RA增加了2倍以上，在这里报告的2020年12月喷发之前的更短时间内，RA明显增加了2倍。

　　由于现有HIM系统的功率限制，我们不得不将采样减少到每天进行一次排气，并放弃计划中的空气采样。空气采样可以在低R/RA下添加已知标准值。我们计划增加一个更高的R/RA内部标准，可以以每天一次的速率运行。

　　对空气污染的原位校正是一个真正自主的HIM系统的另一个研究重点。添加第二个质谱仪，如VGAM (McMurtry等人，2019c)，分析HIM样品室中的干气，将允许使用N2和/或O2进行原位空气校正，或在涡轮泵版本的仪器中测量40Ar。

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